БУРОВАЯ СИСТЕМА Российский патент 2013 года по МПК E21B4/18 E21B7/06 E21B23/01 

Настоящее изобретение относится к буровой системе и, конкретно, к буровой системе для использования в строительстве стволов скважин для последующей добычи углеводородов.

Одна из управляемых систем направленного бурения, обычно использующаяся при бурении стволов скважин, содержит бурильную трубу или бурильную колонну, несущую отклонитель. Функцией отклонителя является удержание бурильной колонны в необходимом внецентренном положении относительно примыкающей части ствола скважины. Бурильная колонна обычно дополнительно несет забойный двигатель, приводящий во вращение буровое долото. Отклонитель и двигатель обычно имеют гидравлический привод с использованием бурового раствора, подаваемого под давлением по бурильной трубе.

При использовании на долото действует осевая нагрузка, передаваемая бурильной колонной, которая вместе с вращением служит для долбления, срезания и стачивания долотом породы на поверхности забоя ствола скважины, увеличивая длину ствола скважины.

Управление работой отклонителя можно использовать для направления бурового долота так, чтобы бурить ствол скважины по необходимой траектории.

Целью настоящего изобретения является создание альтернативной буровой системы.

Согласно настоящему изобретению создана буровая система, содержащая вращающуюся бурильную колонну, соединенную с тракторным агрегатом, и управляемую систему направленного бурения, соединенную с тракторным агрегатом и перемещаемую им.

Преимущество такой системы состоит в том, что в процессе работы бурильную колонну можно непрерывно вращать, если необходимо, что уменьшает риск прихвата бурильной колонны, при этом тракторный агрегат создает устойчивую платформу для управляемой системы направленного бурения.

Управляемая система направленного бурения предпочтительно включает в себя забойный двигатель.

Тракторный агрегат предназначен для ограничения или регулирования передачи перемещений и усилий между бурильной колонной и управляемой системой направленного бурения. Конкретно, он противодействует крутящему моменту, создаваемому работой двигателя, вместо передачи данной нагрузки на бурильную колонну. Аналогично, создаваемые долотом реактивные крутящие моменты не передаются на бурильную колонну, что уменьшает ее вибрацию.

Тракторный агрегат и управляемая система направленного бурения могут иметь гидравлический привод, например, с использованием текучей среды, подаваемой по бурильной колонне. Альтернативно или дополнительно, вращение бурильной трубы и/или осевую нагрузку, передаваемую бурильной колонной, можно использовать для приведения в действие данных компонентов. Дополнительно, компоненты могут иметь электрический привод. Тракторный агрегат и управляемая система направленного бурения не обязательно должны использовать одинаковый источник энергии.

Тракторный агрегат может включать в себя устройство преобразования энергии, например для преобразования перемещения в гидравлическую энергию или реверса. Таким устройством может автоматически управлять блок управления, размещенный на поверхности или на забое скважины, или им можно управлять вручную.

На тракторном агрегате или в других местах между бурильной трубой и буровым долотом можно оборудовать датчики для измерений во время бурения. Например, контакт между тракторным агрегатом и стенкой ствола скважины можно использовать для индикации формы и диаметра ствола скважины, параметров устойчивости ствола скважины и создания давления при измерениях во время бурения.

Изобретение ниже дополнительно описано на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показана схема части буровой системы согласно варианту осуществления изобретения.

На фиг.2 показан вид, аналогичный фиг.1, с альтернативной конфигурацией.

Буровая система, показанная на фиг.1, содержит тракторный агрегат 10, соединенный с нижним концом бурильной колонны 12. Бурильная колонна 12 проходит по стволу скважины 14 на поверхность. Бурильная колонна 12 выполнена с возможностью вращения с поверхности и с возможностью подачи бурового раствора под давлением. Обычно бурильная колонна 12 медленно вращается для предотвращения прихвата.

Бурильная колонна 12 может иметь различные формы. Например, она может содержать гибкую насосно-компрессорную трубу или другие элементы трубчатой конструкции.

Тракторный агрегат 10 оснащен соединительным устройством 16 для соединения с бурильной колонной 12. Соединительное устройство 16 обеспечивает снабжение буровым раствором, подаваемым по бурильной колонне 12 тракторного агрегата 10. Дополнительно, соединительное устройство 16 выполнено так, что при нормальной эксплуатации вращение бурильной трубы 12 не передается на тракторный агрегат 10, но, когда необходимо, его рабочий режим можно переключить для обеспечения вращения тракторного агрегата 10 с бурильной колонной 12 или для вращения с меньшей скоростью, чем у бурильной колонны 12. Предпочтительно, датчики выполняют функцию мониторинга перемещения бурильной колонны относительно тракторного агрегата и сохранения или передачи данной информации в блок управления, где ее можно использовать, например, для управления работой системы в таком режиме, чтобы демпфировать нежелательные перемещения или вибрации.

При предоставлении бурильной колонне 12 возможности вращения независимо от тракторного агрегата 10 бурильную колонну 12 можно вращать непрерывно, если необходимо, снижая риск прихвата бурильной колонны 12. Дополнительно, вращение бурильной колонны 12 можно использовать для перемешивания текучей среды, проходящей по стволу скважины, тем самым уменьшая увеличение бурового шлама на ней. Хотя соединительное устройство 16 обеспечивает независимое вращение, оно предпочтительно является стопорящимся, так что бурильную колонну 12 можно использовать для приложения крутящих моментов к тракторному агрегату 10, например, для помощи при его высвобождении в случае защемления или захвата на месте установки. Система предпочтительно работает с такой настройкой по умолчанию в случае перерыва подачи энергии.

Тракторный агрегат 10 несет забойный двигатель 18, приводимый в действие буровым раствором. Выходная мощность забойного двигателя 18 передается на блок 20 управления направленным бурением, который, в свою очередь, соединен с буровым долотом 22. При эксплуатации работа двигателя 18 вызывает вращение бурового долота 22, при этом блок 20 управляет ориентацией или положением бурового долота 22, управляя при этом направлением проходки ствола скважины.

Поскольку тракторный агрегат 10 несет двигатель 18, блок 20 управления направленным бурением и буровое долото 22, и тракторный агрегат, как показано ниже, может быть использован для приложения осевой нагрузки на буровое долото 22 вместо использования бурильной колонны 12 для несения данных компонентов и приложения таких нагрузок, бурильная колонна 12 может иметь более тонкие стенки и увеличенный диаметр в сравнении со стандартной колонной, являясь достаточно прочной для несения собственного веса, выдерживать применяемые давления текучей среды и нести приложенные нагрузки, если ее применяют для подъема тракторного агрегата 10.

Можно использовать редуктор для увеличения скорости вращения долота 22. Можно использовать гидравлическую муфту или планетарную коробку передач или редуктор с постоянной скоростью для регулировки крутящего момента и частоты вращения и, следовательно, мощности на долоте 22.

Тракторный агрегат 10 упирается в стенку ствола 14 скважины и перемещается по стволу 14 скважины с помощью внутренней системы тягового усилия. Система тягового усилия может быть основана на червячной передаче или, альтернативно, может содержать гусеницы, колеса, дифференциальные плунжеры, устройства с катящимся тороидом или винтовое управление. Дополнительно, любые комбинации такого технического оснащения можно использовать для привода тракторного агрегата 10 для перемещения относительно ствола 14 скважины. При эксплуатации работу системы тягового усилия тракторного агрегата 10 можно использовать для приложения осевой нагрузки на буровое долото 22, и приложение осевой нагрузки на буровое долото 22 в комбинации с вращением обуславливает долбление, резание и стачивание буровым долотом 22 породы на забое ствола 14 скважины, осуществляя проходку вдоль осевой линии ствола в направлении, контролируемом блоком 20 управления направленным бурением. Тракторный агрегат 10 управляет перемещением долота согласно правилам, содержащимся в системе управления. Правила можно выбирать с учетом типа долота, характеристик пласта, условий бурения и условий в стволе скважины и системы бурового раствора и осуществлять работу согласно информации, полученной от соответствующих датчиков. Тракторный агрегат 10 дополнительно управляет скоростью проходки долота 22 и регулирует частоту вращения, управляя работой двигателя 18. Породу, выбуренную буровым долотом 22, обычно смывает и уносит со дна забоя ствола 14 скважины обратный поток бурового раствора, проходящий к поверхности по кольцевому пространству, образованному между бурильной колонной 12 и стенкой ствола 14 скважины.

В результате использования соединительного устройства 16 в комбинации с системой создания тягового усилия тракторного агрегата 10 создаваемые на двигателе и долоте реактивные усилия передаются на пласт, а не на бурильную колонну 12, уменьшая вибрации колонны.

Приводимый в действие буровым раствором и проходящий вдоль осевой линии поршень 24 (фиг.2) можно оборудовать в тракторном агрегате 10 для приложения и регулировки осевой нагрузки на долото 22 и/или изоляции двигателя 18, блока 20 управления направленным бурением и бурового долота 22 от осевых вибраций, например, которые могут возникать при использовании бурильной колонны 12 для приложения осевых нагрузок. Поршнем 24 можно управлять с использованием размещенного на забое скважины пропорционального клапана, управляемого с использованием выходных данных соответствующих датчиков с помощью компьютера, размещенного на забое скважины или на поверхности. В таком устройстве система создания тягового усилия тракторного агрегата 10 противодействует нагрузке, приложенной поршнем 24.

В случае если осевая нагрузка на долото приложена тракторным агрегатом 10 в целом, поршнем 24 или их объединенным действием, величиной осевой нагрузки на долото удобно управлять согласно выходным данным алгоритма управления, учитывающего такие факторы, как общая скорость бурения, типы горных пород, конструкция долота, преобладающие условия ударных и вибрационных воздействий и вибрации долота.

Предусмотрено, что первичный источник энергии для тракторного агрегата 10 и управляемой системы направленного бурения, содержащей двигатель 18 и блок 20 управления направленным бурением, должен быть гидравлическим с использованием подачи бурового раствора по бурильной колонне 12. Электроэнергию можно вырабатывать с использованием подачи бурового раствора, приводящего в действие турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие электрогенератор. Вместе с тем можно использовать альтернативное техническое выполнение привода. Например, вращение бурильной колонны 12 относительно тракторного агрегата 10 можно преобразовывать в электрическую или гидравлическую энергию с использованием указанного вращения для привода электрогенератора или насоса бурового раствора для нагнетания давления в текучей среде на забое скважины для применения гидравлического силового привода. Посредством управления работой генератора можно регулировать скручивающую нагрузку на бурильную колонну и, если необходимо, использовать его для передачи сигналов на поверхность. Если необходимо, возможен принудительный привод нижнего конца бурильной трубы для улучшения данного эффекта. Альтернативно, осевую нагрузку на долото, приложенную бурильной колонной 12, можно использовать для подачи мощности. Дополнительной альтернативой является питание электроэнергией по электрическому кабелю колонны кабелированных бурильных труб или композитной насосно-компрессорной трубе, которая может нести провода с высокой силой тока. Естественно, можно также использовать любые комбинации данных вариантов выполнения. В случае создания системы преобразования энергии ею можно автоматически управлять посредством контроллера, размещенного на забое скважины или на поверхности. Дополнительно, системой может управлять вручную, полностью или частично оператор на поверхности.

Как упомянуто выше, тракторный агрегат 10 можно перемещать по стволу 14 скважины или удерживать от перемещения в необходимом положении в стволе 14 скважины, и его можно использовать для приложения осевой нагрузки на буровое долото 22. Систему создания тягового усилия тракторного агрегата 10 можно дополнительно использовать для закрепления тракторного агрегата 10 против вращения относительно ствола 14 скважины. Мониторинг осевого положения тракторного агрегата 10 относительно ствола 14 скважины можно использовать для создания индикации положения бурового долота 22. Дополнительно, посредством мониторинга контакта тракторного агрегата 10 со стенкой ствола 14 скважины можно осуществлять мониторинг диаметра и формы ствола скважины и можно создавать давление для измерений во время бурения. Мониторинг отклонений фильтрационной корки бурового раствора можно использовать для определения устойчивости параметров ствола 14 скважины.

Как упомянуто выше, обратный поток бурового раствора можно использовать для смыва породы, выбуренной буровым долотом 22. Если необходимо, тракторный агрегат 10 может уплотняться под давлением к стенке ствола 14 скважины, перекрывая обратный поток. Проходные каналы или клапаны можно создать в тракторном агрегате 10 для регулирования обратного потока текучей среды в таких условиях.

Управляемая система направленного бурения может иметь различные формы. Например, блок 20 управления направленным бурением может содержать отклонитель с функцией приложения боковой нагрузки в необходимом направлении к буровому долоту 22, поджимая его в необходимом направлении. Альтернативно, блок 20 управления направленным бурением может включать в себя искривленный кожух и механизм с функцией ориентирования искривленного кожуха в необходимом направлении для нацеливания бурового долота 22 в необходимом направлении. Возможны другие системы. Например, можно использовать роторную управляемую систему с невращающейся скользящей втулкой или другие управляемые системы направленного бурения, построенные на принципах системы отталкивания всей компоновки, позиционирования долота или комбинированных принципах управления направленным бурением.

Буровое долото 22 может иметь различные формы. Например, оно может представлять собой обычное вращательное лопастное буровое долото. Вместе с тем можно использовать другие формы долота.

Систему кабелированных бурильных труб можно использовать для обеспечения передачи данных между поверхностью и тракторным агрегатом 10. Такую систему можно также, или альтернативно, использовать для подачи электропитания на тракторный агрегат 10, как упомянуто выше.

Может возникать необходимость включения в состав одного или нескольких дополнительных одинаковых тракторных агрегатов по длине бурильной колонны, как показано на фиг.2, для содействия управлению в скважинах с большими отходами. Тракторными агрегатами следует предпочтительно управлять в унисон, предпочтительно с использованием соединений кабелированных бурильных труб для получения необходимой скорости передачи данных для получения преимуществ, описанных выше.

В сущности, тракторный агрегат 10 создает устойчивое основание для бурения и управления направленным бурением. Следовательно, можно получать более высокие скорости проходки и более точно выполнять управление направлением бурения. Увеличение скорости проходки происходит как напрямую, в результате увеличенной мгновенной скорости, возникающей в результате усовершенствованного управления осевой нагрузкой на долото, крутящим моментом и частотой вращения долота 22, так и предотвращением или сокращением непроизводительного времени, возникающего при решении проблем, обусловленных бурением с менее стабильных платформ.

Должно быть ясно, что можно выполнять модификации и изменения устройства, описанного выше, в широком диапазоне без отхода от объема изобретения.

Изобретение относится к области бурения, а именно к буровой системе, используемой при строительстве ствола скважины для последующей добычи углеводородов. Буровая система содержит вращающуюся бурильную колонну, соединенную с тракторным агрегатом, и управляемую систему направленного бурения, соединенную с тракторным агрегатом и перемещаемую им. Вращение бурильной колонны и/или передаваемая бурильной колонной осевая нагрузка на буровое долото использованы для силового привода тракторного агрегата и/или управляемой системы направленного бурения. Обеспечивает уменьшение риска прихвата и вибрации бурильной колонны, увеличение скорости проходки. 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Буровая система, содержащая вращающуюся бурильную колонну, соединенную с тракторным агрегатом, и управляемую систему направленного бурения, соединенную с тракторным агрегатом и перемещаемую им, при этом вращение бурильной колонны и/или передаваемая бурильной колонной осевая нагрузка на буровое долото использованы для силового привода тракторного агрегата и/или управляемой системы направленного бурения.

2. Система по п.1, дополнительно содержащая забойный двигатель.

3. Система по п.1, в которой тракторный агрегат и/или управляемая система направленного бурения имеет гидравлический привод.

4. Система по п.3, в которой гидравлический привод использует текучую среду, подаваемую по бурильной колонне.

5. Система по п.1, в которой вращение бурильной колонны и/или осевая нагрузка на буровое долото использованы для выработки электрической и/или гидравлической энергии.

6. Система по п.1, в которой тракторный агрегат и/или управляемая система направленного бурения имеют электрический привод.

7. Система по п.6, в которой для подачи электрической энергии использовано, по меньшей мере, одно из следующего: кабель, кабелированные бурильные трубы и провода, расположенные в композитных бурильных трубах.

8. Система по п.1, дополнительно содержащая датчики, оборудованные на тракторном агрегате или в других местах между бурильной колонной и буровым долотом для измерений во время бурения.

9. Система по п.8, в которой датчики способны обеспечить мониторинг, по меньшей мере, одного из диаметра и формы ствола скважины и параметров устойчивости ствола.

10. Система по п.1, в которой тракторный агрегат включает в себя контактирующее со стволом скважины средство создания тягового усилия.

11. Система по п.10, в которой средство создания тягового усилия содержит червячное устройство, гусеницы, колеса, винты или поршневое средство, использующее перепад давления.

12. Система по п.1, в которой соединительное устройство между бурильной колонной и тракторным агрегатом является управляемым.

13. Система по п.1, дополнительно содержащая поршень, оборудованный в тракторном агрегате и предназначенный для перемещения управляемой системы направленного бурения.

14. Система по п.1, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один дополнительный тракторный агрегат, размещенный в промежуточном положении на бурильной колонне.