УЗЕЛ БУРОВОГО ДОЛОТА ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ, ВЫПОЛНЕННЫЙ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ И ОСНАЩЕННЫЙ НАПРАВЛЯЮЩИМ ДОЛОТОМ Российский патент 2008 года по МПК E21B10/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к узлу бурового долота для вращательного бурения, который пригоден для направленного бурения ствола скважины в подземный пласт.

Уровень техники

В современных буровых операциях, например, когда бурят скважину на нефтяном или газовом месторождении, зачастую желательно изменять направление бурения во время бурения. Обычно хотят осуществить отклонение направления, в котором продвигается буровое долото на нижнем конце бурильной колонны, от центральной продольной оси нижней части бурильной колонны. С этой целью, в прошлом разработаны несколько систем и способов бурения.

В патенте США №4836301 описаны система и способ направленного бурения. В известной системе буровое долото соединено посредством универсального поворотного механизма к нижнему концу бурильной колонны. Буровое долото может наклоняться таким образом, что продольная ось бурового долота может образовывать малый угол отклонения с осью нижней части бурильной колонны. Известная система также содержит регулирующее направление средство для вращения бурового долота в орбитальном режиме относительно нижней части бурильной колонны. Это регулирующее направление средство содержит дефлектор потока для приложения гидродинамического усилия с целью азимутального вращения наклоняемого бурового долота относительно нижней части бурильной колонны, если это необходимо.

При нормальной работе известной системы бурильную колонну с буровым долотом на ее конце приводят во вращение, а буровое долото наклоняется и совершает противоположно направленное вращение в орбитальном режиме относительно нижней части бурильной колонны, так что ось бурового долота остается геостационарной.

Известная система имеет недостаток, заключающийся в том, что она требует приложения больших усилий наклона к долоту, и в том, что для универсального поворотного механизма требуется сложный, но устойчивый к внешним воздействиям (робастный) механизм, чтобы выдерживать одновременное воздействие усилий наклона и бурения.

Другие системы, известные в данной области техники, основаны на изгибе нижней части буровой колонны выше бурового долота, или на проталкивании бурового долота в желаемом направлении путем приложения боковых усилий к валу бурового долота.

Упомянутые другие системы также требуют сложных и робастных механизмов для приложения больших усилий наклона к долоту.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать усовершенствованное буровое долото и узел бурового долота, пригодный для направленного бурения ствола скважины, который механически проще известных систем.

Дополнительная задача изобретения заключается в том, чтобы разработать усовершенствованный способ направленного бурения ствола скважины.

С этой целью, в настоящем изобретении предложен узел бурового долота для вращательного бурения, пригодный для направленного бурения ствола скважины в подземный пласт, причем узел бурового долота содержит корпус долота, проходящий вдоль центральной продольной оси корпуса долота, при этом корпус долота имеет переднюю поверхность корпуса долота на своем переднем конце и крепится к бурильной колонне своим противоположным концом, причем кольцевая часть передней поверхности корпуса долота снабжена одним или более дробящими элементами, направляющее долото, проходящее вдоль центральной продольной оси направляющего долота, при этом направляющее долото частично расположено внутри корпуса долота и выступает из центральной части передней поверхности корпуса долота, причем направляющее долото имеет переднюю поверхность направляющего долота на своем переднем конце, снабженную одним или более дробящими элементами, шарнирное средство, выполненное с возможностью соединения, обеспечивающего поворот, направляющего долота с корпусом долота таким образом, что ось корпуса долота и ось направляющего долота могут образовывать изменяемый угол отклонения, и регулирующее направление средство, выполненное с возможностью поворота направляющего долота, чтобы регулировать направление бурения при нормальной работе.

Буровое долото, соответствующее изобретению, содержит корпус долота направляющее долото и шарнирное средство.

Предложен также способ направленного бурения ствола скважины в подземный пласт породы, включающий в себя этапы, на которых

- обеспечивают буровое долото для вращательного бурения, прикрепляемое к нижнему концу бурильной колонны, причем буровое долото для вращательного бурения содержит корпус долота, проходящий вдоль оси корпуса долота соосно с нижней частью бурильной колонны и имеющий переднюю поверхность корпуса долота на своем переднем конце, причем кольцевая часть передней поверхности корпуса долота снабжена одним или более дробящими элементами, и

направляющее долото, проходящее вдоль оси направляющего долота и выступающее из центральной части передней поверхности корпуса долота, причем направляющее долото имеет переднюю поверхность направляющего долота на своем переднем конце, снабженную одним или более дробящими элементами, и направляющее долото выполнено с возможностью поворота относительно корпуса долота таким образом, что ось корпуса долота и ось направляющего долота могут образовывать некоторый угол отклонения,

- устанавливают направляющее долото вдоль оси направляющего долота под выбранным углом отклонения относительно оси корпуса долота,

- одновременно прикладывают крутящий момент бурения вокруг оси направляющего долота к направляющему долоту и крутящий момент бурения вокруг оси корпуса долота к корпусу долота, и

при этом поддерживают ориентацию оси направляющего долота в пространстве, по существу, постоянной во время, по меньшей мере, одного оборота корпуса долота вокруг оси корпуса долота.

При наличии поворачиваемого направляющего долота, передняя поверхность которого расположена на некотором расстоянии впереди передней поверхности корпуса долота, можно бурить наклонный контрольный участок ствола скважины, при этом глубина приблизительно равна расстоянию между передней поверхностью направляющего долота и передней поверхностью корпуса долота. Благодаря меньшему размеру направляющего долота, для направляющего долота необходимо меньшее усилие наклона по сравнению с наклоном непосредственно всего бурового долота в целом. Контрольный участок ствола скважины служит в качестве направляющей для режущего воздействия корпуса долота. Направляющее долото на контрольном участке ствола скважины прикладывает направляющее усилие к корпусу долота и тем самым направляет или воздействует на корпус долота, включая прикрепленную к нему бурильную колонну, в желаемом направлении. Направляющее усилие на корпусе долота действует около передней поверхности корпуса долота, и поэтому скорее тащит, нежели подталкивает корпус долота в желаемом направлении, и это является фундаментальным различием с системами и способами направленного бурения, известными в данной области техники.

Вообще говоря, крутящий момент бурения можно приложить к направляющему долоту независимо от крутящего момента бурения, сообщаемого корпусу долота от бурильной колонны. Соответственно, направляющее долото приводится в движение крутящим моментом бурения, сообщаемым бурильной колонной. В этом случае, если нужно пробурить прямой ствол скважины, то регулирование направления не требуется, и буровое долото сможет работать аналогично обычному буровому долоту для вращательного бурения. Для передачи крутящего момента бурения от бурильной колонны к направляющему долоту можно с выгодой предусмотреть шарнирное средство, неподвижно соединяемое с корпусом долота. В предпочтительном варианте, шарнирное средство синхронизирует по крутящему моменту направляющее долото с корпусом долота, так что один оборот корпуса долота вокруг оси корпуса долота приводит к одному обороту направляющего долота вокруг оси направляющего долота. Вместе с тем, следует понять, что можно предусмотреть механизм зубчатой передачи, под воздействием которого направляющее долото сможет вращаться с иной угловой скоростью, нежели корпус долота. Направляющее долото также можно приводить в движение от другого источника движения, не связанного непосредственно с воздействием вращения бурильной колонны, например это может быть гидравлический забойный двигатель.

В случае совместного вращения каждого из направляющего долота и корпуса долота вокруг своей собственной соответствующей продольной оси направляющее долото надлежащим образом поворачивается, так что ось направляющего долота совершает орбитальное движение относительно оси корпуса долота в противоположном направлении и с такой же угловой скоростью вращения, как корпус долота. Таким образом, ось направляющего долота можно поддерживать, по существу, стационарной в пространстве относительно не вращающейся окружающей среды. Чтобы обеспечить орбитальное движение, шарнирное средство представляет собой сферическое шарнирное средство, которое обеспечивает азимутальное вращение направляющего долота вокруг оси корпуса долота с одновременным поворотом оси направляющего долота при ненулевом угле отклонения.

Ниже приводится более подробное описание изобретения со ссылками на фиг.1.

Осуществление изобретения

На чертеже условно изображен пример узла 1 бурового долота для вращательного бурения, пригодного для направленного бурения ствола скважины в подземный пласт в соответствии с настоящим изобретением. Узел 1 бурового долота содержит буровое долото 2, имеющее корпус 3 бурового долота, который неподвижно соединен с нижним концом бурильной колонны 5 труб. Корпус 3 бурового долота проходит от бурильной колонны 5 вдоль центральной продольной оси 8 корпуса долота и имеет переднюю поверхность 10 корпуса бурового долота на своем переднем конце. Передняя поверхность 10 корпуса долота снабжена дробящими элементами в форме поликристаллических алмазных режущих вставок 12, которые расположены вокруг центрального отверстия 14 в передней поверхности 10 корпуса долота и поэтому образуют кольцевую часть передней поверхности 10 корпуса долота. Эти режущие вставки имеют подходящую конструкцию, обеспечивающую возможность беспрепятственного бокового резания.

Корпус 3 долота снабжен центральным продольным каналом 16, обеспечивающим сообщение посредством текучей среды между внутренним пространством бурильной колонны 5 и отверстием 14 корпуса 3 долота. Канал 16 сбоку от отверстия 14 снабжен рукавом 18, который соединен с корпусом 3 долота. Кроме того, предусмотрены насадки 19 для текучей среды, которые сообщаются посредством текучей среды с каналом 16.

Буровое долото 2 также содержит направляющее долото 20, которое частично расположено внутри корпуса 3 долота и выступает из центрального отверстия 14 передней поверхности 10 корпуса долота. На своем переднем конце направляющее долото 20 имеет переднюю поверхность 25 направляющего долота, которая снабжена дробящими элементами в форме поликристаллических алмазных режущих вставок 27. Направляющее долото также снабжено насадками 28 для текучей среды, которые сообщаются посредством текучей среды с каналом 16. Направляющее долото 20 также имеет калибрующую сторону 29.

Направляющее долото 20 соединено с корпусом 3 долота с помощью сферического шарнирного средства, расположенного на переднем конце рукава 18 и условно обозначенного позицией 30. Это сферическое шарнирное средство 30 обеспечивает поворот направляющего долота 20 относительно корпуса 3 долота таким образом, что центральная продольная ось 32 направляющего долота и ось 8 корпуса долота могут образовывать ненулевой угол отклонения. На чертеже направляющее долото показано поворачиваемым вокруг оси (не показана), перпендикулярной плоскости чертежа, а угол отклонения обозначен символом α. Сферическое шарнирное средство 30 также обеспечивает вращение направляющего долота вокруг оси 8 корпуса долота с одновременным поворотом оси направляющего долота на ненулевой угол отклонения.

Сферическое шарнирное средство 30 также выполнено с возможностью синхронизации по крутящему моменту направляющего долота 20 с корпусом 3 долота, так что один оборот корпуса 3 долота вокруг оси 8 корпуса долота приводит к одному обороту направляющего долота 20 вокруг оси 32 направляющего долота.

Сферическое шарнирное средство можно с удобством сконструировать на основе шарнира, известного в данной области техники как универсальный шарнир. К широко известным типам универсальных шарниров относятся шарниры Гука, Бендикса-Вейса, Рцеппа, Тракта или сдвоенные карданные шарниры (сдвоенные универсальные шарниры с крестовиной). Преимущество карданного шарнира заключается в том, что для направляющего долота не требуется отдельный источник движения и отдельная бурильная колонна, и в том, что направляющее долото и корпус долота вращаются совместно с одинаковой средней угловой скоростью, так что усилия абразивного истирания в шарнирном средстве можно свести к минимуму.

Узел 1 бурового долота также содержит регулирующее направление средство для регулирования направления бурового долота 2, обозначенное как единое целое позицией 40. Регулирующее направление средство 40 выполнено с возможностью поворота направляющего долота 20 для регулирования направления бурового долота 2. С этой целью регулирующее направление средство содержит регулирующий направление рычаг 42, проходящий от контактного средства 45 с шарнирным средством 30 до точки 47 сочленения рычагов в канале 16 корпуса 3 долота. Контактное средство 45 и точка 47 сочленения рычагов расположены вдоль оси 32 направляющего долота. Контактное средство 45 имеет форму подшипника (не показан), который обеспечивает вращение направляющего долота 20 вокруг оси 32 направляющего долота относительно регулирующего направление рычага 42. Путем перемещения точки 47 сочленения рычагов можно поворачивать направляющее долото, а благодаря тому, что контактное средство выполнено в форме подшипника, можно регулировать ориентацию (направление) направляющего долота независимо от вращения направляющего долота.

Чтобы направляющее долото 20 могло бурить в определенном направлении, нужно ориентировать регулирующий направление рычаг 42, а точку 47 сочленения рычагов устанавливать надлежащим образом, чтобы она оставалась геостационарной во время вращения корпуса 3 долота. Такое позиционирование реализуют с помощью позиционирующего рычага 52 регулирующего направление средства, причем этот позиционирующий рычаг 52 соединен одним концом с точкой 47 сочленения рычагов. Для компенсации вращения корпуса 3 долота предусмотрено вращающее средство в форме шагового электродвигателя 55, который соединен с другим концом позиционирующего рычага 52. Кожух шагового электродвигателя 55 расположен с соблюдением фиксированной ориентации относительно бурильной колонны 5 и корпуса 3 долота. Точку 47 сочленения рычагов можно поддерживать в некотором геостационарном положении путем вращения позиционирующего рычага 52 относительно корпуса 3 долота вокруг оси 8 корпуса долота в противоположном направлении и с такой же угловой скоростью, как у вращающегося корпуса 3 долота, с одновременным поддержанием постоянного смещения точки 47 сочленения рычагов от оси 8 корпуса долота.

Регулирующее направление средство также содержит блок 58 датчиков направления для измерения данных с целью определения фактической траектории бурения бурового долота, блок 60 связи с поверхностью, включающий в себя генератор импульсов бурового раствора, и блок 62 управления регулированием направления, предназначенный для управления позиционированием и вращением регулирующего направление рычага 42 в ответ на данные из блока 60 датчиков направления, на данные об угловой скорости бурильной колонны и/или на команды, получаемые с поверхности.

Рукав 18 со сферическим шарнирным средством 30 и прикрепленным направляющим долотом 20 образует ограждающий элемент для канала 16. Как показано на чертеже, этот ограждающий элемент предотвращает доступ из внутреннего пространства бурильной колонны 5 в пространство снаружи корпуса долота в стволе скважины через отверстие 14. Рукав 18 может быть прикреплен с возможностью снятия к корпусу 3 долота, например, с помощью защелочного механизма (не показан), расположенного таким образом, что ограждающий элемент можно избирательно соединять с корпусом долота и отсоединять от него. Когда ограждающий элемент снят, возможен доступ в пространство снаружи корпуса долота в стволе скважины из внутреннего пространства бурильной колонны через отверстие 14.

Ниже приводится описание нормальной работы в конкретном варианте осуществления, показанном на чертеже. Если нужно пробурить прямой ствол скважины, ось 32 направляющего долота выравнивают с осью 8 корпуса долота, а с этой целью перемещают точку 47 сочленения рычагов в некоторое место на оси 8 корпуса долота. Прикладывая крутящий момент бурения и нагрузку бурения к буровому долоту 2, добиваются совместного вращения направляющего долота и корпуса долота ввиду того, что сферический шарнир 30 обеспечивает синхронизацию по крутящему моменту, и буровое долото будет работать аналогично обычному буровому долоту со сходной общей геометрией. В частности, в этой ситуации не нужно вращать регулирующий направление рычаг 42 относительно корпуса 3 долота с помощью шагового электродвигателя 55.

Если затем нужно пробурить искривленный ствол скважины, осуществляют установку оси 32 направляющего долота с отклонением от оси 8 корпуса долота путем отвода точки 47 сочленения рычагов от оси корпуса долота. С этой целью блок управления регулированием направления осуществляет надлежащее регулирование положения позиционирующего рычага 52, так что регулирующий направление рычаг 42 приобретает желаемую ориентацию в пространстве (т.е. угол отклонения и азимутальную ориентацию). Угол отклонения между осью корпуса долота и осью направляющего долота можно задавать, например, в диапазоне от 1 до 5 градусов, но возможны также большие или меньшие значения.

Крутящий момент бурения прикладывается к корпусу 3 долота и одновременно - через сферическое шарнирное средство 30 - к направляющему долоту 20, так что это направляющее долото продвигается в пласт, направляясь регулирующим направление рычагом. Шаговый электродвигатель 55 срабатывает, обеспечивая противодействие вращению корпуса долота за счет вращения позиционирующего рычага 52, так что регулирующий направление рычаг 42 остается, по существу, геостационарным во время, по меньшей мере, одного оборота корпуса 3 долота. Направляющее долото 20 формирует контрольный участок ствола скважины, который отклоняется от оси 8 корпуса долота, вследствие чего корпус 3 долота поворачивается в направлении контрольного участка ствола скважины под воздействием направляющего усилия, прикладываемого направляющим долотом через шарнирное средство. Калибрующая сторона 29 направляющего долота 20, которая подвергается воздействию усилий абразивного истирания, возникающих в результате контакта с пластом на контрольном участке ствола скважины, имеет надлежащую конструкцию, позволяющую минимизировать абразивное истирание. Калибрующая сторона 29 может быть изготовлена, например, из алмаза или может включать в себя калибровочные защитные элементы в форме поликристаллических алмазных режущих вставок (ПАРВ).

Оперативный контроль фактического общего направления бурения осуществляется блоком 58 датчиков направления. Данные, полученные из блока датчиков направления, и/или команды, получаемые с земли посредством блока 60 связи с поверхностью, обрабатываются блоком 62 управления регулированием направления. Затем блок управления регулированием направления управляет регулирующим направление рычагом, обеспечивая совпадение желаемой и фактической траекторий бурения.

Направлением бурения можно управлять путем изменения ориентации направляющего долота (регулирующего направление рычага) в пространстве (величины угла отклонения и азимутальной ориентации), соответственно длящегося больше времени, чем один оборот корпуса долота. Регулирующее направление средство может быть выполнено с возможностью непрерывного задания величины или с возможностью переключения между предварительно определенным ненулевым углом отклонения и нулевым углом отклонения. Предварительно определенный угол отклонения может быть максимальным углом отклонения шарнирного средства.

Используется для направленного бурения ствола скважины в подземный пласт. Позволяет упростить конструкцию долота для направленного бурения. Узел содержит корпус долота, проходящий вдоль центральной продольной оси корпуса долота и имеющий переднюю поверхность корпуса долота на своем переднем конце, причем кольцевая часть передней поверхности корпуса долота снабжена дробящими элементами, направляющее долото, проходящее вдоль центральной продольной оси направляющего долота, при этом направляющее долото частично расположено внутри корпуса долота и выступает из центральной части передней поверхности корпуса долота, шарнирное средство, выполненное с возможностью соединения, обеспечивающего поворот, направляющего долота с корпусом долота таким образом, что ось корпуса долота и ось направляющего долота могут образовывать изменяемый угол отклонения, и регулирующее направление средство, выполненное с возможностью поворота направляющего долота, чтобы регулировать его направление. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Узел бурового долота для вращательного бурения, пригодный для направленного бурения ствола скважины в подземный пласт, причем узел бурового долота содержит корпус долота, проходящий вдоль центральной продольной оси корпуса долота, при этом корпус долота имеет переднюю поверхность корпуса долота на своем переднем конце и крепится к бурильной колонне своим противоположным концом, причем кольцевая часть передней поверхности корпуса долота снабжена одним или более дробящими элементами, направляющее долото, проходящее вдоль центральной продольной оси направляющего долота, при этом направляющее долото частично расположено внутри корпуса долота и выступает из центральной части передней поверхности корпуса долота, причем направляющее долото имеет переднюю поверхность направляющего долота на своем переднем конце, снабженную одним или более дробящими элементами, шарнирное средство, выполненное с возможностью соединения, обеспечивающего поворот направляющего долота с корпусом долота таким образом, что ось корпуса долота и ось направляющего долота могут образовывать изменяемый угол отклонения, и регулирующее направление средство, выполненное с возможностью поворота направляющего долота, чтобы регулировать направление бурения при нормальной работе.2. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.1, в котором шарнирное средство является сферическим шарнирным средством.3. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.1, в котором шарнирное средство также выполнено с возможностью синхронизации по крутящему моменту направляющего долота с корпусом долота.4. Узел бурового долота для вращательного бурения по любому из пп.1-3, в котором для бурения с постоянным ненулевым углом отклонения регулирующее направление средство выполнено с возможностью поворота направляющего долота относительно корпуса долота таким образом, что ориентация оси направляющего долота в пространстве остается, по существу, постоянной во время, по меньшей мере, одного оборота корпуса долота вокруг оси корпуса долота.5. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.4, в котором регулирующее направление средство содержит регулирующий направление рычаг, проходящий, по существу, вдоль оси направляющего долота от контактной конструкции с шарнирным средством до точки сочленения рычагов в пределах внутреннего пространства корпуса долота, и при этом направляющее долото можно поворачивать путем изменения положения точки сочленения рычагов относительно корпуса долота.6. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.5, в котором регулирующее направление средство также содержит вращающее средство, соединенное с корпусом долота, и при этом точка сочленения рычагов задается таким образом, что остается, по существу, на своем месте в пространстве с помощью вращающего средства, которое выполнено с возможностью вращения точки сочленения рычагов относительно корпуса долота вокруг оси корпуса долота, с постоянным смещением от оси корпуса долота, в противоположном направлении и с той же угловой скоростью, что и вращающийся корпус долота.7. Узел бурового долота для вращательного бурения по любому из пп.5 и 6, в котором контактная конструкция с шарнирным средством содержит подшипник, выполненный с возможностью обеспечения вращения шарнирного средства вокруг оси направляющего долота относительно регулирующего направление рычага.8. Узел бурового долота для вращательного бурения по любому из пп.1-3, 5, 6, в котором регулирующее направление средство также содержит средство управления регулированием направления, выполненное с возможностью управления ориентацией регулирующего направление рычага во время нормальной работы.9. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.4, в котором регулирующее направление средство также содержит средство управления регулированием направления, выполненное с возможностью управления ориентацией регулирующего направление рычага во время нормальной работы.10. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.7, в котором регулирующее направление средство также содержит средство управления регулированием направления, выполненное с возможностью управления ориентацией регулирующего направление рычага во время нормальной работы.11. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.8, в котором средство управления регулированием направления содержит один или более таких блоков, как блок датчиков направления, блок связи с поверхностью, вращающее средство для вращения точки сочленения рычагов вокруг оси корпуса долота.12. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.9 или 10, в котором средство управления регулированием направления содержит один или более таких блоков, как блок датчиков направления, блок связи с поверхностью, вращающее средство для вращения точки сочленения рычагов вокруг оси корпуса долота.13. Узел бурового долота для вращательного бурения по п.1, в котором корпус долота снабжен каналом, обеспечивающим сообщение посредством текучей среды между внутренним пространством прикрепленного бурового долота и внешним пространством ствола скважины вокруг корпуса долота, и съемным ограждающим элементом, выполненным с возможностью избирательного закрывания канала, причем ограждающий элемент содержит направляющее буровое долото.

Приоритет: 16.07.2001-пп.1-1,3.