УПРАВЛЕНИЕ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫМ БУРЕНИЕМ ПРИ ПОМОЩИ СГИБАЕМОГО ПРИВОДНОГО ВАЛА Российский патент 2017 года по МПК E21B7/06 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[001] В настоящем описании изобретения представлены система и способ для направленного бурения подземных скважин и, в частности, управления углом и направлением бурения при помощи выбираемого изгиба вала внутри управляющего узла, связанного с буровым долотом.

[002] В некоторых известных бурильных операциях, для вращения бурового долота используется забойный двигатель, соединенный с бурильной колонной. Типичный забойный двигатель представляет собой двигатель объемного типа, который приводится в движение потоком бурового раствора, обычно называемого "шлам". Этот раствор закачивают вниз с поверхности через забойный двигатель, а затем к буровому долоту, при этом буровой раствор вытекает в ствол скважины через форсунки бурового долота. Буровой раствор вымывает частицы и обломки разбуренной породы из режущей поверхности бурового долота и выносит их на поверхность.

[003] Иногда возникает необходимость в направленном бурении под некоторым углом или даже в горизонтальном направлении, отклоняясь от вертикали, находящейся прямо под буровой установкой. Один из традиционных способов направленного бурения заключается в создании небольшого угла изгиба над забойным двигателем и опорой бурового долота. Если при бурении бурильную колонну вращают с поверхности, буровое долото создает прямую скважину увеличенного диаметра. Если бурильную колонну не вращают с поверхности, а вращение производится только забойным двигателем, все равно, буровое долото будет продвигаться в направлении изгиба и создавать скважину, которая отклоняется от вертикальной оси в направлении изгиба.

[004] Один из недостатков традиционного способа направленного бурения состоит в том, что полярные координаты нижнего конца длинной бурильной колонны могут быть неизвестны из-за упругой вращательной деформации бурильной колонны между поверхностью и забойным двигателем. Эта неопределенность может приводить к отклонению бурового долота в сторону от целевого направления. Это потребует корректировки полярных координат бурильной колонны для возврата бурового долота к целевому направлению.

[005] Еще один недостаток известного способа направленного бурения состоит в том, что если бурильная колонна имеет кривой переходник, то скорость бурения прямых участков скважины, которые могут составлять основную часть длины обычной скважины, снижается по сравнению с бурильной колонной без кривого переходника, поскольку в этом случае для сохранения прямолинейной траектории бурения скважина должна быть большего диаметра из-за необходимости вращения бурильной колонны с установленным под углом буровым долотом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[006] В настоящем описании изобретения представлены система и способ для направленного бурения подземных скважин и, в частности, управления углом и направлением бурения при помощи выбираемого изгиба вала внутри управляющего узла, связанного с буровым долотом.

[007] В определенных вариантах реализации изобретения, описано устройство, в которое входит кожух, ограничивающий осевое отверстие, вал, проведенный через осевое отверстие, подшипники, установленные в осевом отверстии и выполненные с возможностью принимать и удерживать вал для вращения в осевом отверстии, и одна или более камеры повышенного давления, размещенные в кожухе в продольном направлении и установленные таким образом, чтобы отклонять кожух под воздействием повышенного давления. Отклонение кожуха вызывает соответствующее отклонение вала через подшипники.

[008] В определенных вариантах реализации изобретения, описана система, которая включает бурильную колонну, буровое долото, установленное на дальнем конце бурильной колонны, и управляющее устройство, установленное между бурильной колонной и буровым долотом и выполненное с возможностью направлять буровое долото. Управляющее устройство имеет кожух, ограничивающий осевое отверстие, вал, проведенный через осевое отверстие, подшипники, установленные в осевом отверстии и выполненные с возможностью принимать и удерживать вал для вращения в осевом отверстии, и одну или более камер повышенного давления, размещенных в кожухе в продольном направлении и установленных таким образом, чтобы отклонять кожух при воздействии повышенного давления. Отклонение кожуха вызывает соответствующее отклонение вала через его связь с подшипниками.

[009] В определенных вариантах реализации изобретения, описан способ управления направлением движения бурового долота. В этот способ входит этап удерживания вала для вращения внутри кожуха управляющего узла с одним или более подшипниками, установленными внутри кожуха между кожухом и валом. Вал функционально связан с буровым долотом. В способ входят также этапы повышения давления одной или более камер повышенного давления, размещенных в кожухе в продольном направлении, и что приводит к отклонению кожуха и соответствующему отклонению вала через его контакт с одним или более подшипниками, которые передают силы бокового смещения от кожуха к валу.

[0010] В определенных вариантах реализации изобретения, описан регулируемый кривой переводник, с кожухом, у которого первый и второй концы выполнены с возможностью жесткой связи с первым и вторым элементами, соответственно, бурильной колонны и одной или более камер повышенного давления, размещенных в кожухе в продольном направлении и установленных таким образом, чтобы отклонять кожух в ответ на воздействие повышенного давления.

[0011] Отличительные особенности настоящего изобретения специалистам в данной области будет легко понять после прочтения представленного ниже описания предпочтительных вариантов реализации данного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0012] Приведенные ниже фигуры включены сюда для иллюстрации определенных аспектов данного описания, и их не следует рассматривать как исключительные варианты реализации изобретения. Описанный объект изобретения может быть подвергнут значительным модификациям, изменениям, комбинациям и равноценным заменам в части формы и функций так, как это будет очевидно для специалистов в данной области техники, извлекающих пользу из данного раскрытия изобретения..

[0013] Фиг. 1 иллюстрирует обычную бурильную колонну для бурения наклонной скважины.

[0014] Фиг. 2 иллюстрирует представленную в качестве примера бурильную колонну с управляющим узлом для бурения наклонной скважины с возможностью выбора угла и направления, в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения.

[0015] Фиг. 3A-3C иллюстрируют виды в разрезе приведенного в качестве примера управляющего узла, в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения.

[0016] Фиг. 4A-4B иллюстрируют действие приведенного в качестве примера гидравлического рукава в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения.

[0017] Фиг. 5-7 иллюстрируют дополнительные варианты реализации изобретения бурильной колонны с управляющим узлом, в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] В настоящем описании изобретения представлены система и способ для направленного бурения подземных скважин и, в частности, управления углом и направлением бурения при помощи выбираемого изгиба вала внутри управляющего узла, связанного с буровым долотом.

[0019] Применение приведенных в качестве примера управляющих узлов, представленных ниже в данном описании изобретения, имеет некоторые характерные особенности, отличающие их от традиционной бурильной колонны, имеющей кривой переводник. Первая особенность заключается в том, что буровое долото можно направлять для бурения в любом направлении без необходимости поворачивать бурильную колонну с поверхности в конкретное угловое положение, что упрощает эксплуатацию бурового агрегата. Кроме того, буровое долото можно позиционировать для бурения под выбираемым углом внутри углового диапазона, вместо бурения под фиксированным углом, которое обеспечивает обычный кривой переводник, что создает дополнительный инструмент управления траекторией скважины

[0020] Другой аспект описанных в изобретении систем и способов заключается в том, что вертикальная скважина может быть меньшей, чем скважина, которую бурили с применением обычного кривого переводника. Если потребуется, управляющие узлы, описанные в изобретении, можно настроить так, чтобы буровое долото находилось на одной линии с центральной осью бурильной колонны, тем самым позволяя буровому долоту продвигаться прямо вниз, без необходимости вращать бурильную колонну для сохранения прямолинейного движения. Поскольку из скважины меньшего диаметра требуется удалять уменьшенное количество материала, буровое долото может продвигаться быстрее.

[0021] В данном описании изобретения, термин "забойный двигатель" относится не только к специфическим энергогенерирующим устройствам, которые обычно так называют, он также может охватывать все остальные системы и способы создания крутящего момента для движения бурового долота на нижнем конце бурильной колонны. Этот термин охватывает, путем примеров, но не ограничиваясь ими, другие типы двигателей, расположенных вдоль бурильной колонны, которые приводятся в движение электричеством или гидравлической жидкостью, так же как энергией, которая передается с поверхности через вращающийся вал.

[0022] В данном описании изобретения, термин "буровая труба" относится ко всем видам и типам труб, трубопроводов и трубных изделий, применяемых для связи между буровой установкой на поверхности и подземной системой внутри скважины.

[0023] Фиг. 1 иллюстрирует обычную бурильную колонну 10 для бурения наклонной скважины 22. Бурильная колонна 10 состоит из цепи соединенных буровых труб 11, которые соединены, в данном примере, с верхним концом силовой секции, например, забойного двигателя 12. Забойный двигатель 12 соединен с кривым переводником 14, выполненным с возможностью создавать фиксированный изгиб в бурильной колонне 10 с углом 34. В этом примере, опора бурового долота 16 присоединена к нижнему концу кривого переводника 14, а узел бурового долота 18 присоединен к нижнему концу подшипникового узла 16.

[0024] На Фиг. 1 видно, что прямая вертикальная скважина 22 создается вращением бурильной колонны 10, по мере того как буровое долото 18 продвигается через подземную формацию 20, тем самым продвигая бурильную колонну 10 вдоль оси 30, и пробуривая скважину диаметром 24. Если вращение бурильной колонны 10 с поверхности остановлено в позиции, показанной на Фиг. 1, тогда как буровое долото 18 продолжает резать породу за счет вращения, которое генерирует забойный двигатель, бурильная колонна 10 будет продвигаться по новой траектории 32, показанной пунктирной стрелкой. Радиальное направление, в котором будет продвигаться бурильная колонна 10, контролируется угловым положением кривого переводника 14. Поскольку угловое положение кривого переводника 14 регулируется вращением всей длины бурильной колонны 11, которая может достигать 20000 футов или более, может возникать некоторая неопределенность в угловом положении кривого переводника 14 и, следовательно, в радиальном направлении траектории 32, по которой будет продвигаться бурильная колонна 10.

[0025] Фиг. 2 иллюстрирует приведенную в качестве примера бурильную колонну 100 с управляющим узлом 110 для бурения наклонной скважины 122 с возможностью выбора угла и направления, в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения. В этом примере, забойный двигатель 102 присоединен к нижнему концу колонны буровых труб 11. Управляющий узел 110 может быть присоединен через подшипниковый узел 106 к нижнему концу забойного двигателя 102, при этом буровое долото 108 присоединено к нижнему концу управляющего узла 110. Конструкция управляющего узла 110 обсуждается более подробно со ссылкой на Фиг. 3A-3C. В определенных вариантах реализации изобретения, бурильная колонна 100 может включать линии управления (не показанные на Фиг. 2), проходящие от поверхности до управляющего узла 110. Поскольку способы и средства для введения линий текущего управления в глубину скважин для управления подземным оборудованием, в общем случае, специалистам в данной области известны, на фигурах в данном описании изобретения эти линии контроля для ясности опущены. В определенных вариантах реализации изобретения, управляющий узел 110 может получать управляющие команды от нижнего узла 107, который соединен с буровым долотом 108. Команды управляющего сигнала могут быть сформированы встроенным программированием или, иначе, они могут быть получены с поверхности при помощи телеметрических коммуникаций через буровой раствор.

[0026] Во время движения прямо вниз, управляющий узел 110 может быть избирательно настроен на нулевую степень отклонения от номинальной вертикальной оси 30. Получаемая в итоге скважина 122 имеет диаметр 124, который, в общем случае, соответствует диаметру бурового долота 108, и меньше, чем диаметр 24 скважины 22, пробуренной обычной направленной бурильной колонной 10. В точке, где желательно начать бурение в боковом направлении, или требуются другие отклонения от прямой скважины 22, можно задействовать управляющий узел 110 для перемены положения бурового долота 18 на угол, находящийся в указанном в качестве примера диапазоне, пределы которого показаны пунктирными линиями 132. В определенных вариантах реализации изобретения, угловая конфигурация управляющего узла 110 может быть выбрана в виде любого из значений, входящих в диапазон 134, и, в определенных вариантах реализации изобретения, ее можно регулировать непрерывно, по мере продвижения бурильной колонны 100, что дает возможность операторам более точно выбирать траекторию скважины 122.

[0027] Хотя описанный вариант реализации изобретения 100 относится к случаю, когда долото вращательного бурения 18 приводится в движение забойным двигателем 102 или т.п., специалистам в данной области должно быть понятно, что такие же концепции и конструкции можно применять для управления другими типами буровых механизмов, такими как гидроэрозионные агрегаты.

[0028] Фиг. 3A-3C иллюстрируют вид в разрезе представленного в качестве примера управляющего узла 150 в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения. Управляющий узел 150 может быть по существу аналогичным управляющему узлу 110 на Фиг. 2. Показанный на Фиг. 3A управляющий узел 150 может включать кожух 152, при этом ось 30 проходит через центр кожуха 152. Вал 158 может проходить через осевое отверстие 153 кожуха 152 и, в данном примере, может быть присоединенным верхним концом к колонне буровых труб 140. Вал 158 показан на Фиг. 3A недеформированным, или прямой формы. В определенных вариантах реализации изобретения, вал 158 может быть присоединен нижним концом к кожуху нижнего узла 142. В определенных вариантах реализации изобретения, канал для потока бурового раствора 155 проходит через вал 158.

[0029] Нижний узел 142 может включать один или более измерительных устройств, таких как датчик осевой нагрузки на долото (WOB) или датчик момента вращения долота (ТОВ). Нижний узел 142 может также включать комплект датчиков измерения забойных параметров в процессе бурения (MWD) с одним или более датчиков, настроенных на измерение таких параметров как давление или температура, так же как акселерометров для определения траектории скважины в трехмерном пространстве. Нижний узел 142 может также включать комплект датчиков каротажа в процессе бурения (LWD), с одним или более датчиками, настроенными на измерение параметров породы, таких как сопротивление, пористость, скорость распространения звука, или проницаемость для гамма-излучения. В определенных вариантах реализации изобретения, управляющий узел 110 может быть соединен с дополнительными управляющими узлами 150 или с другими инструментами управления.

[0030] В определенных вариантах реализации изобретения, вал 158 может быть соединен или другими способами стать составной частью другого вала (не показан на Фиг. 3A), который проходит через нижний узел 142 и в конечном счете соединен с буровым долотом 18, которое расположено ниже нижнего конца нижнего узла 142. В процессе бурения, кожух нижнего узла 142 может не вращаться, а может вращаться синхронно с буровым долотом 18.

[0031] Показанный на Фиг. 3A, кожух 152 может включать ряд камер повышенного давления 156, которые расположены продольно по окружности периферийной части кожуха 152. На Фиг. 3A видна только одна камера повышенного давления 156. Следует отметить, что количество, длина, расположение и ориентация камер повышенного давления 156 могут отличаться от конфигурации, указанной в приведенных в качестве примеров вариантах реализации изобретения, например, чтобы обеспечить большее отклонение и/или больше возможностей управления, без выхода за пределы объема описанного изобретения.

[0032] В примерах, представленных на Фиг. 3A-3C, вал 158 может быть закреплен для вращения внутри кожуха 152 двумя осесимметрично расположенными подшипниками 162A, 162B, установленными на каждом конце кожуха 152. В результате, вал 158 может вращаться и тогда, когда кожух 152, в общем случае, не вращается относительно скважины 122. В определенных вариантах реализации изобретения, один или более подшипников 162 могут быть заменены другим типом антифрикционных устройств, например, бронзовыми втулками. Кожух 152 показан на Фиг. 3A с открытым торцом, чтобы упростить объяснение компонентов. Тем не менее, специалистам в данной области должно быть ясно, что кожух 152 может иметь многие дополнительные особенности, опущенные для ясности, включая торцевые крышки, монтажные опоры, уплотнители и наружные узлы крепления, которые требуются для размещения и фиксации внутренних компонентов и присоединения внешних элементов, таких как колонна буровых труб 140.

[0033] В примере, показанном на Фиг. 3A, имеется ряд центраторов или стабилизаторов бурильной колонны 160, закрепленных на наружной поверхности кожуха 152, которые выступают наружу из кожуха 152 и выполнены с возможностью контакта с боковой стенкой 123 скважины 122. В определенных вариантах реализации изобретения, стабилизаторы 160 настроены на сопротивление вращению кожуха 152 вокруг оси 30 за счет трения o или частичного вдавливания в боковую стенку 123 скважины 122 и удержание буровой трубы 140 в центральном положении. В определенных вариантах реализации изобретения, наружные края стабилизаторов 160 могут быть изогнутыми, чтобы обеспечить определенную степень свободы вращения управляющего узла 150 вокруг оси, перпендикулярной оси 30. В определенных вариантах реализации изобретения, стабилизаторы 160 могут находиться во втянутом положении, когда имеется зазор между одним или более стабилизаторов 160 и боковой стенкой 123, и в выдвинутом положении, когда один или более стабилизаторов 160 вдавливаются в боковую стенку 123.

[0034] В определенных вариантах реализации изобретения, ряд камер повышенного давления 156 может быть гидравлически соединен с по меньшей мере одной линией управления 170, настроенной на подачу в камеры повышенного давления 156 гидравлической жидкости под давлением. В по меньшей мере одном из вариантов реализации изобретения, гидравлическая жидкость может представлять собой масло, воду или другой тип гидравлической жидкости. В определенных вариантах реализации изобретения, управляющий узел 150 может содержать между линией управления 170 и одной или более камер повышенного давления 156 трубу подачи жидкости, клапаны и другие устройства управления потоком, известные специалистам в данной отрасли, подходящие для подачи жидкости под выбранным давлением в одну или более камер повышенного давления 156. В определенных вариантах реализации изобретения, управляющий узел 150 может включать известные специалистам в данной области датчики, настроенные на регистрацию, например, обводов, положения и ориентации вала 158, которые подают сигналы, связанные с этими параметрами. В определенных вариантах реализации изобретения, управляющий узел 150 может содержать известные специалистам в данной области датчики, настроенные на регистрацию, например, давления и температуры жидкости в камерах повышенного давления 156, которые подают сигналы, связанные с этими параметрами. Управляющие устройства, датчики и другое оборудование, известные специалистам в данной отрасли, на представленных ниже фигурах опущены для ясности.

[0035] Следует отметить, что элементы управляющего узла 150 и бурильной колонны, показанные на Фиг. 3A-3C, так же как и в других вариантах реализации изобретения, показанных на других фигурах, схематичны по своей природе и вычерчены без точного соблюдения масштаба, поэтому не могут рассматриваться как ограничивающие объем изобретения. Скорее, отдельные элементы показаны в таком размере и расположены таким образом, чтобы обеспечить ясное понимание их функций и взаимосвязи с другими элементами, имеющими к ним отношение, и, таким образом, могут не отражать действительных размеров и конфигураций. Более того, определенные компоненты управляющего узла 150 и элементы бурильной колонны, известные специалистам в данной отрасли, опущены, чтобы избежать вуалирования элементов новизны данного изобретения.

[0036] На Фиг. 3B показан вид поперечного сечения всего управляющего узла 150 по линии сечения B-B, показанной на Фиг. 3A. В этом примере, кожух 152 содержит или иначе фиксирует три комплекта 157A, 157B, 157С, камер повышенного давления, в каждый из которых входят три камеры повышенного давления 156. В определенных вариантах реализации изобретения, количество комплектов камер повышенного давления 156 может быть больше или меньше трех, без выхода из объема данного изобретения. Более того, хотя показано, что в каждый комплект 157A-C входят три камеры повышенного давления 156, в других вариантах реализации изобретения, в некоторых или во всех комплектах 157A-C может содержаться больше или меньше трех (например, в том числе, одна) камер повышенного давления 156.

[0037] Хотя камеры повышенного давления 156 показаны как круглые или с иным образом закругленными профилями, в определенных вариантах реализации изобретения, они могут точно также иметь различную форму или конфигурацию, например, каналов, имеющих прямоугольный профиль. В неограничивающем примере, показанном на Фиг. 3B, каждый комплект 157А, 157B, 157С имеет три камеры повышенного давления 156, при этом комплекты 157А, 157B, 157С смонтированы вокруг вала 158 симметрично. В других вариантах реализации изобретения, тем не менее, комплекты 157А, 157B, 157С могут быть установлены симметрично или по другой схеме, включая радиально смещенные ряды камер повышенного давления 156. В некоторых вариантах реализации изобретения, множественные ряды камер повышенного давления 156 могут обеспечить преимущества в виде запаса на тот случай, если в одной из камер повышенного давления 156 возникнет утечка, или она выйдет из строя по другим причинам.

[0038] На Фиг. 3A и 3B видно, что между средней частью вала 158 и кожухом 152 имеется зазор, так что силы, приложенные к валу 158 со стороны кожуха 152, действуют на него только через подшипники 162А, 162В. В отсутствие приложенных сил, вал 158 возвращается к недеформированной или прямой форме, например к прямой форме, показанной на Фиг. 3A.

[0039] На Фиг. 3C показан управляющий узел 150 в период, когда он задействован для ориентации бурового долота 18 на угол 135 от номинальной вертикальной оси 30. В этом примере, жидкость под определенным давлением была подана в одну или более камер повышенного давления 156 в первом комплекте 157А через управляющую линию 170, в результате чего камера повышенного давления 156 изгибает кожух 152, что далее обсуждается более подробно со ссылкой на Фиг. 4B. Повышение давления в камере повышенного давления 156 создает перепад давления, который вынуждает эту конкретную камеру повышенного давления 156 изгибаться или иным образом искривляться, тем самым прилагая продольную изгибающую силу к кожуху 152, в котором она установлена. Под действием изгибающей силы, прилагаемой камерой повышенного давления 156, кожух 152 может начать изгибаться или отклоняться, реагируя на это воздействие, и такая изгибающая сила может передаваться валу 158 через подшипники 162A, B. Другими словами, когда кожух 152 изгибается, подшипники 162A, B могут воздействовать на вал 158 так, что он будет соответствующим образом изгибаться или отклоняться к искаженной форме, например к форме вала 158, показанной на Фиг. 3C. Следует учитывать, что повышение давления в более чем одной камере повышенного давления 156 в конкретном комплекте 157А-С, такое как повышение давления во всех камерах повышенного давления 156 конкретного комплекта, может увеличить продольную изгибающую силу, прилагаемую кожухом 152 к валу 158, и тем самым вызвать более значительное отклонение вала 158.

[0040] Следует отметить, что для изгиба кожуха 150 (и, посредством этого, вала 158) в выбранном направлении, можно одновременно повышать давление в одной или более камер повышенного давления 156 из многочисленных комплектов 157А, 157B, 157С. Например, повышение давления только в трех камерах повышенного давления 156 комплекта 157А может привести к изгибу кожуха 150 в направлении, указанном стрелкой 180. Во втором примере, где дополнительно к комплекту 157А повышают давление в одной или более камер повышенного давления 156 комплекта 157B, или создают в них иное давление, чем в комплекте 157А, кожух 150 может отклоняться в другом направлении, указанном стрелкой 182. Соответственно, вал 158 можно изгибать в любом направлении при помощи подходящего выбора камер повышенного давления 156, в которых следует повышать давление, и того, до какого уровня его следует повышать.

[0041] Специалистам в данной отрасли должно быть ясно, что для того, чтобы привести вал 158 в деформированную или изогнутую форму, аналогичную той, к которой приводит применение устройства, описанного в данном изобретении, можно применять другие конфигурации камер повышенного давления и гидравлических кожухов. В определенных вариантах реализации изобретения, может присутствовать нажимной механизм, такой как гидравлический цилиндр, который устанавливается как отдельный элемент внутри или снаружи кожуха 152. Описанные здесь варианты реализации изобретения являются только примерами способов сгибания кожуха 152 на выбранную величину в выбранном направлении, и посредством этого, сгибания вала 158 в том же направлении, и могут быть применены другие способы сгибания кожуха 152 без выхода за пределы объема описанного изобретения.

[0042] На Фиг. 4А-4B показано приведенное в качестве примера функционирование приведенного в качестве примера деформируемого кожуха 152 в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения. В этом примере, три комплекта камер повышенного давления 157А-С равномерно распределены вокруг периферийной части кожуха 152. На Фиг. 4А показан кожух 152 в недеформированной или прямой форме, когда давление в трех комплектах камер повышенного давления 157А-С примерно одинаково, или, иначе, ни в одной из камер повышенного давления 156 не повышали давление для сгибания кожуха 152.

[0043] На Фиг. 4B показан деформированный, или изогнутой формы кожух 152, когда в одной или более камер повышенного давления 156 в первом комплекте 157А давление повышают, тогда как в комплекты 157B и 157С давление не повышают. Как было показано, при нагнетании давления в одну или более камер повышенного давления 156 в первом комплекте 157А, кожух 152 начинает изгибаться или иным образом дугообразно деформироваться. Как будет понятно из дальнейшего, аналогичный эффект может проявиться, когда давление в первом комплекте 157А выше, чем во втором и/или третьем комплектах 157B и 157С; например, когда присутствует смещающее давление, в равной мере приложенное ко всем комплектам камер повышенного давления 157А, 157B, и 157С. Можно видеть, что сторона кожуха 152, которая содержит находящийся под повышенным давлением комплект 157А, удлинилась, что привело к изгибу кожуха 152. Как было кратко отмечено выше, повышение давления в комплекте 156А будет вызывать увеличение степени деформации вала 158.

[0044] Обратимся теперь к Фиг. 5-7, продолжая при этом рассматривать Фиг. 3A-3C. На Фиг. 5-7 показаны дополнительные, приведенные в качестве примера, варианты реализации изобретения бурильной колонны с управляющим узлом, в соответствии с определенными аспектами настоящего изобретения. На Фиг. 5 показана управляемая колонна для наклонного бурения 200, в которой верхний конец вала 258 управляющего узла 250 может быть присоединен к нижнему концу ротора 206 забойного двигателя 202, так что вал 258 вращается вместе с ротором 206. Забойный двигатель 202 содержит подшипниковый узел 204 на нижнем конце и гибкую муфту 208, присоединенную между ротором 206 и выходным валом 209. Нижний конец вала 258 может быть соединен с кожухом нижнего узла 216, так что весь нижний узел 206 вращается синхронно с валом 258 и буровое долото 18 жестко связано с нижним узлом 216. В данном варианте реализации изобретения, вал 258 вращается в деформированном или изогнутом виде, который создан давлением жидкости в одной или более камер повышенного давления 256. В определенных вариантах реализации изобретения, вал 258 может содержать ряд связанных элементов (не показанных на Фиг. 5), которые эффективно передают крутящий момент при вращении относительно друг друга вокруг осей, которые, в общем случае, перпендикулярны оси 30, так, чтобы изогнутая форма, показанная на Фиг. 5, сохранялась без упругой деформации индивидуальных элементов. Управляющий узел 250 содержит канал для потока бурового раствора 255, чтобы обеспечить подачу бурового раствора 210 в буровое долото 218 после прохождения через забойный двигатель 202. Вращение кожуха 252 управляющего узла 250 внутри скважины можно предотвратить введением стабилизаторов 160 в контакт со стенками скважины 122. Видно, что в данном примере диаметр скважины 122 по существу одинаков на вертикальном и наклонном участках, показанных на Фиг. 5.

[0045] На Фиг. 6 показан приведенный в качестве примера вариант реализации изобретения управляемой бурильной колонны 300, с забойным двигателем 302, который расположен ниже регулируемого изгибающего сегмента 350. Кожух 352 регулируемого изгибающего сегмента 350 жестко связан верхним концом с нижним концом колонны буровых труб 311, а нижним концом - со статором 304 забойного двигателя 302. Вал 306 забойного двигателя 302 соединен с буровым долотом 18. Регулируемый изгибающий сегмент 350 не содержит вала и кожух сгибается между недеформированной и деформированной формами, как, в целом, описано выше, для управления буровым долотом 218. Канал для потока бурового раствора 355 проходит через кожух 350, чтобы обеспечить подачу бурового раствора к забойному двигателю 302. В определенных вариантах реализации изобретения, колонна буровых труб 311 может быть смещена внутри скважины 122, как показано на Фиг. 6, чтобы приспособить деформированную или изогнутую форму кожуха 352. В определенных вариантах реализации изобретения, стабилизаторы 160 могут быть установлены на нижнем конце забойного двигателя 302, как показано на Фиг. 6, но они могут быть установлены и в других точках вдоль забойного двигателя 302 или нижнего конца колонны буровых труб 311, не выходя за пределы объема данного изобретения.

[0046] На Фиг. 7 показан другой вариант реализации изобретения управляемой бурильной колонны 400 с забойным двигателем 402, расположенным ниже регулируемого изгибающего сегмента 350 и управляющим узлом 250, расположенным ниже забойного двигателя 402. Кожух 352 регулируемого изгибающего сегмента 350 жестко связан с нижним концом колонны буровых труб 411 и со статором 404 забойного двигателя 402. Ротор 406 забойного двигателя 402 соединен с буровым долотом 218 через вал 258 управляющего узла 250. В определенных вариантах реализации изобретения, стабилизаторы 160 установлены на нижнем конце забойного двигателя 402 и на кожухе 258 управляющего узла 250. В определенных вариантах реализации изобретения, стабилизаторы 160 могут быть установлены в различных точках вдоль одного или обоих устройств - забойного двигателя 402 и управляющего узла 450. В определенных вариантах реализации изобретения, стабилизаторы 160 могут быть установлены только на одном из устройств - на забойном двигателе 402 или на управляющем узле 450.

[0047] В изложенном выше описании изобретения были представлены приведенные в качестве примеров системы и способы для управления бурильной колонной для движения в боковом направлении с применением управляющего узла, который позиционирует буровое долото под выбранным углом и в выбранном направлении. Управляющий узел содержит деформируемый элемент, который может быть неподвижным относительно скважины, или может составлять часть вращающейся сцепки между ротором забойного двигателя и буровым долотом. Описанные системы могут обеспечивать более быстрое бурение, поскольку диаметр вертикальной скважины может быть меньшим, чем диаметр, необходимый для обычной направленной бурильной колонны, и могут обеспечивать улучшенное управление углом и направлением бокового участка траектории бурения.

[0048] Следовательно, описанные системы и способы хорошо приспособлены для обеспечения выгод и преимуществ, как уже упомянутых, так и вытекающих из них. Описанные выше конкретные варианты реализации изобретения имеют исключительно иллюстративный характер, поскольку принципы, изложенные в данном описании, могут быть модифицированы и применены различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области, которым эти принципы окажутся полезными. Кроме того, никаких ограничений не наложено на показанные здесь особенности конструкции или устройства, помимо описанных ниже в формуле изобретения. Поэтому очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации изобретения, описанные выше, могут быть изменены, скомбинированы или модифицированы, и все такие вариации следует рассматривать как не выходящие за пределы объема и сущности настоящего изобретения. Иллюстративно описанные в изобретении системы и способы могут быть пригодны к применению в отсутствие любого элемента, который не был специально описан в изобретении, или любого необязательного элемента из описанных в изобретении. Хотя структуры и способы описаны в терминах "включающий в себя," "содержащий," или "включающий" различные компоненты или этапы, структуры и способы могут также "состоять по существу из" или "состоять из" различных компонентов и этапов. Все описанные выше цифры и диапазоны могут изменяться на некоторую величину. Всегда, когда описывается диапазон числовых значений с нижним пределом и верхним пределом, любое число и любой включенный диапазон, попадающий внутрь данного диапазона, описан особо. В частности, каждый диапазон значений (в форме, "от около a до около b," или, эквивалентно, "от приблизительно a до b," или, эквивалентно, "от приблизительно a-b"), описанный в изобретении, следует понимать, как описывающий каждое число и диапазон, включенный внутрь более широкого диапазона значений. Кроме того, термины в формуле изобретения имеют свои очевидные, обычные значения до тех пор, пока патентообладатель не определил иное ясно и недвусмысленно. Кроме того, элементы, указанные в формуле изобретения в единственном числе, определены здесь как представляющие один или большее количество соответствующих элементов. При наличии какого-либо несоответствия в использовании слова или термина в этом описании и одном или более патентов или других документов, которые могут быть включены в настоящий документ посредством ссылки, следует использовать определения, указанные в настоящем описании.

Группа изобретений относится к области наклонно направленного бурения. Устройство содержит вал, проведенный через осевое отверстие; подшипники, установленные внутри осевого отверстия и выполненные с возможностью принимать и удерживать вал для вращения в осевом отверстии; и одну или более камер повышенного давления, расположенных в кожухе продольно, причем каждая камера содержит удлиненный трубчатый канал, проходящий продольно по длине кожуха, причем каждая камера повышенного давления выполнена с возможностью отклонения в ответ на повышение давления жидкости и приложения продольной изгибающей силы к кожуху, при этом приложение продольной изгибающей силы приводит к соответствующему отклонению вала через его контакт с подшипниками. Обеспечивается увеличение скорости проходки скважины, улучшение управления углом и направлением бокового участка траектории бурения. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для направленного бурения подземных скважин, содержащее:

кожух, ограничивающий осевое отверстие;

вал, проведенный через осевое отверстие;

подшипники, установленные внутри осевого отверстия и выполненные с возможностью принимать и удерживать вал для вращения в осевом отверстии; и

одну или более камер повышенного давления, расположенных в кожухе продольно, причем каждая камера содержит удлиненный трубчатый канал, проходящий продольно по длине кожуха, причем каждая камера повышенного давления выполнена с возможностью отклонения в ответ на повышение давления жидкости, и приложения продольной изгибающей силы к кожуху, при этом приложение продольной изгибающей силы приводит к соответствующему отклонению вала через его контакт с подшипниками.

2. Устройство по п. 1, в отличающееся тем, что отклонение кожуха приводит к тому, что подшипники прилагают к валу боковые силы.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно включает один или более стабилизаторов, соединенных с наружной частью кожуха и выполненных с возможностью входить в контакт с сегментом скважины и препятствовать вращению кожуха относительно скважины.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что одна или более камер повышенного давления содержат:

первый комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе;

второй комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе, отведенный по окружности от первого комплекта камер повышенного давления; и

третий комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе, отведенный по окружности от второго комплекта камер повышенного давления.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что первый, второй и третий комплекты камер повышенного давления эквидистантно расположены относительно друг друга.

6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что один или более из первого, второго и третьего комплектов камер повышенного давления выполнены с возможностью одновременного повышения давления, чтобы отклонять вал во множестве боковых направлений.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что первый, второй и третий комплекты камер повышенного давления пригодны для повышения давления до различных степеней сжатия, чтобы отклонять вал во множестве боковых направлений.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кожух выполнен с возможностью соединения с буровой трубой.

9. Система для направленного бурения подземных скважин, которая содержит:

бурильную колонну;

буровое долото, расположенное на дальнем конце бурильной колонны; и

управляющее устройство, установленное между бурильной колонной и буровым долотом и выполненное с возможностью направлять буровое долото, причем управляющее устройство содержит:

кожух, ограничивающий осевое отверстие;

вал, проведенный через осевое отверстие;

подшипники, установленные внутри осевого отверстия и выполненные с возможностью принимать и удерживать вал для вращения в осевом отверстии; и

одну или более камер повышенного давления, расположенных в кожухе продольно, причем каждая камера содержит удлиненный трубчатый канал, проходящий продольно по длине кожуха, причем каждая камера повышенного давления выполнена с возможностью отклонения в ответ на повышение давления жидкости и приложения продольной изгибающей силы к кожуху, при этом приложение продольной изгибающей силы приводит к соответствующему отклонению вала через его контакт с подшипниками.

10. Система по п. 9, которая дополнительно содержит забойный двигатель, установленный на бурильной колонне и имеющий статор, соединенный с бурильной колонной и кожухом управляющего устройства, при этом забойный двигатель дополнительно имеет ротор, функционально связанный с валом управляющего устройства, так что вращение ротора приводит к вращению вала.

11. Система по п. 10, которая дополнительно содержит один или более стабилизаторов, присоединенных к наружной поверхности кожуха и выполненных с возможностью входить в контакт с сегментом скважины и препятствовать вращению кожуха относительно скважины.

12. Система по п. 9, которая дополнительно содержит забойный двигатель, установленный на бурильной колонне и имеющий статор, соединенный с валом управляющего устройства, и ротор, функционально связанный с буровым долотом, так что вращение ротора приводит к вращению вала.

13. Система по п. 12, дополнительно содержащая один или более стабилизаторов, установленных вокруг забойного двигателя и выполненных с возможностью входить в контакт с сегментом скважины и препятствовать вращению статора относительно скважины.

14. Система по п. 9, в которой одна или более камер повышенного давления содержат:

первый комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе;

второй комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе, отведенный по окружности от первого комплекта камер повышенного давления; и

третий комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе, отведенный по окружности от второго комплекта камер повышенного давления.

15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что первый, второй и третий комплекты камер повышенного давления эквидистантно расположены относительно друг друга.

16. Система по п. 14, отличающаяся тем, что один или более из первого, второго и третьего комплектов камер повышенного давления выполнены с возможностью одновременного повышения давления, чтобы отклонять вал во множестве боковых направлений.

17. Система по п. 16, отличающееся тем, что первый, второй и третий комплекты камер повышенного давления пригодны для повышения давления до различных степеней сжатия, чтобы отклонять вал во множестве боковых направлений.

18. Способ управления буровым долотом, согласно которому осуществляется:

удерживание вала для вращения внутри кожуха управляющего узла при помощи одного или более подшипников, расположенных внутри кожуха между кожухом и валом, при этом вал функционально связан с буровым долотом;

повышение давления в одной или более камер повышенного давления внутри кожуха, причем каждая камера содержит удлиненный трубчатый канал, проходящий продольно подлине кожуха; и

отклонение одной или более камер повышенного давления в ответ на повышение давления жидкости и приложение продольной изгибающей силы к кожуху посредством одной или более камер повышенного давления,

отклонение кожуха в ответ на приложение продольной изгибающей силы посредством одной или более камер повышенного давления, и

отклонение вала через его контакт с одним или более подшипниками, которые передают силы бокового смещения от кожуха к валу.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что повышение давления в одной или более камер повышенного давления осуществляется путем подачи гидравлической жидкости в одну или более камер повышенного давления с по меньшей мере одной управляющей линией, коммуникативно с ней связанной.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что одна или более камер повышенного давления содержат:

первый комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе;

второй комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе, отведенный по окружности от первого комплекта камер повышенного давления; и

третий комплект камер повышенного давления, продольно расположенных в кожухе, отведенный по окружности от второго комплекта камер повышенного давления.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что дополнительно включает:

создание повышенного давления в одном или более из первого, второго и третьего комплектах камер повышенного давления одновременно, что может приводить к отклонению кожуха во множестве боковых направлений; и

отклонение вала во множестве боковых направлений через контакт с одним или более подшипниками.

22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что дополнительно включает:

создание повышенного давления в одном или более из первого, второго и третьего комплектов камер повышенного давления до различных степеней сжатия, что может приводить к отклонению кожуха во множестве боковых направлений; и

отклонение вала во множестве боковых направлений через контакт с одним или более подшипниками.

23. Регулируемый изгибающий узел, в который входят:

кожух, у которого первый и второй концы выполнены с возможностью жесткого соединения соответственно с первым и вторым элементами бурильной колонны; и

одна или более камеры повышенного давления, расположенные в кожухе продольно, причем каждая камера содержит удлиненный трубчатый канал, проходящий продольно по длине кожуха, причем каждая камера повышенного давления выполнена с возможностью отклонения в ответ на повышение давления жидкости.

24. Регулируемый изгибающий узел по п. 23, который дополнительно содержит канал для прохождения бурового раствора через кожух.