БУРОВОЕ ДОЛОТО С САМОНАПРАВЛЯЕМЫМ СОПЛОМ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК E21B10/61 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет предварительной патентной заявки США №62/141,811 от 1 апреля 2015 года, которая полностью включена в данный документ посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Настоящее изобретение в целом относится к техническим средствам для выполнения работ на буровых площадках. В частности, настоящее изобретение относится к техническим средствам, таким как буровые долота и/или сопла, для бурения стволов скважин.

[0003] Для разведки и добычи ценных скважинных текучих сред на нефтяном месторождении могут выполнять различные работы. На буровых площадках размещают установки для бурения нефтяных скважин, а для достижения подземных нефтеносных пластов под землей развертывают скважинные инструменты, такие как бурильные инструменты. Бурильный инструмент может включать в себя бурильную колонну с забойным блоком, и буровое долото, продвигаемое в землю с формированием ствола скважины.

[0004] Буровое долото может быть соединено со скважинным концом забойного блока и может быть приведено в действие с поверхности путем вращения бурильной колонны и/или посредством буровым раствором, протекающего через бурильный инструмент.Примеры буровых долот раскрыты в патентах США/заявках США №5330016, 5562171, 5732783, 6450271, 8141664, 8733475, 2011/0167734, 2011/0174548, 2012/0205162 и 2014/0102809, которые полностью включены в данный документ посредством ссылки.

[0005] Во время бурения буровое долото взаимодействует с породой и выбуривает части породы по длине ствола скважины. Части породы, выбуренные во время бурения, называют «обломки выбуренной породы». Буровой раствор пропускают через бурильный инструмент и выпускают наружу из бурового долота, что содействует удалению обломков выбуренной породы. Обломки выбуренной породы удаляют из ствола скважины путем их выкачивания на поверхность по кольцевому пространству между скважинным инструментом и стволом скважины.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] По меньшей мере в одном аспекте настоящего изобретения предложено самонаправляемое сопло бурового долота скважинного инструмента для создания ствола скважины в подземном пласте. Буровое долото имеет проход для пропускания через него текучей среды. Сопло содержит втулку, выполненную с возможностью установки в проходе бурового долота, и подвижный корпус, выполненный с возможностью установки с перемещением во втулке. Подвижный корпус имеет канал для пропускания через него текучей среды. Канал имеет нелинейную форму и проходящую через него канальную ось и выполнен криволинейным с образованием проходящего через него спирального пути потока, при этом текучая среда, проходящая через канал, содействует вращению подвижного корпуса в проходе бурового долота.

[0007] Сопло, охарактеризованное в п. 1 формулы изобретения, также может содержать подшипник, установленный между подвижным корпусом и втулкой, уплотнение, выполненное с возможностью установки между подвижным корпусом и втулкой, и/или по меньшей мере одно кольцо. Кольцо может содержать подшипник и/или пластину. Наружная поверхность подвижного корпуса и внутренняя поверхность втулки могут иметь проходящие в них канавки. Втулка может иметь резьбы, выполненные с возможностью взаимодействия с резьбами бурового долота. Втулка может иметь наружную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью прохода бурового долота с образованием между ними плотной посадки. Втулка может иметь зубцы, проходящие от ее конца.

[0008] Канал может иметь впускное отверстие в форме воронки. По меньшей мере часть канала может иметь винтовую форму и/или иметь круглое выпускное отверстие. Канальная ось может быть смещена в осевом направлении от оси сопла. Канал может иметь по своей длине один из таких радиусов, как постоянный радиус кривизны и переменный радиус кривизны.

[0009] Еще в одном аспекте предложено буровое долото скважинного инструмента для создания ствола скважины в подземном пласте. Буровое долото содержит корпус, имеющий проход для пропускания через него текучей среды, хвостовик, проходящий от корпуса и выполненный с возможностью соединения с бурильной колонной скважинного инструмента, и самонаправляемое сопло. Самонаправляемое сопло может содержать втулку, выполненную с возможностью установки в проходе бурового долота, и подвижный корпус, выполненный с возможностью установки с перемещением во втулке. Подвижный корпус имеет канал для пропускания через него текучей среды и нелинейную форму, при этом через указанный канал проходит канальная ось. Канал может быть выполнен криволинейным с образованием проходящего через него спирального пути потока, при этом текучая среда, проходящая через канал содействует вращению подвижного корпуса в проходе бурового долота.

[0010] Проход может иметь полостную часть, проходящую через хвостовик в корпус, и выпускную часть, проходящую через одну из стенок корпуса. Корпус может представлять собой корпус шарошечного или матричного долота. В каналах корпуса долота могут быть установлены множество самонаправляемых сопел.

[0011] Еще в одном аспекте предложен способ бурения ствола скважины в подземном пласте. Способ включает в себя обеспечение наличия бурового долота с самонаправляемым соплом. Самонаправляемое сопло содержит втулку, выполненную с возможностью установки в проходе бурового долота, и подвижный корпус, выполненный с возможностью установки с перемещением во втулке. Подвижный корпус имеет канал для пропускания через него текучей среды. Канал имеет нелинейную форму и проходящую через него канальную ось и выполнен криволинейным с образованием проходящего через него спирального пути потока. Способ дополнительно включает в себя продвижение бурового долота в подземный пласт и пропускание текучей среды через буровое долото и через нелинейный канал таким образом, что указанная текучая среда проходит по спирали через нелинейный канал и вращает подвижный корпус в проходе бурового долота с обеспечением выброса подвижной струи текучей среды вокруг бурового долота.

[0012] Этап пропускания может включать в себя пропускание текучей среды по спирали через канал, генерирование турбулентной пульсации текучей среды на поверхности ствола скважины и/или генерирование перепада давления вокруг заданной площади поверхности ствола скважины, причем площадь поверхности имеет область отрицательного давления и область положительного давления. Этап пропускания также может включать в себя генерирование переходного давления, уровни которого ниже гидростатического давления в скважине, путем генерирования турбулентных пульсаций давления в области отрицательного давления на поверхности ствола скважины и/или направление тангенциального усилия текучей среды на внешнюю поверхность канала.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0013] Варианты осуществления устройств и способов для применения со скважинными инструментами описаны со ссылкой на прилагаемые фигуры. Одинаковые ссылочные позиции использованы на фигурах для обозначения одинаковых элементов и компонентов. Следует отметить, что фигуры не следует считать ограничивающими объем изобретения. Фигуры не обязательно выполнены в масштабе, и некоторые элементы и некоторые виды фигур могут быть показаны с нарушением масштаба или схематично в интересах ясности и лаконизма.

[0014] На фиг. 1 показана схема буровой площадки, включающей в себя буровую установку со скважинным инструментом, имеющим буровое долото, продвигающимся в землю с формированием ствола скважины, причем буровое долото имеет самонаправляемое сопло.

[0015] На фиг. 2 показан вид сбоку примера матричного бурового долота с самонаправляемым соплом.

[0016] На фиг. 3 показан вид с торца бурового долота, показанного на фиг. 2.

[0017] На фиг. 4 показан продольный вид в разрезе по линии 4-4 бурового долота, показанного на фиг. 3.

[0018] На фиг. 5 показан вид в перспективе примера шарошечного бурового долота с самонаправляемым соплом.

[0019] На фиг. 6 показан вид с торца бурового долота, показанного на фиг. 5.

[0020] На фиг. 7 показан вид в продольном разрезе по линии 7-7 бурового долота фиг. 6.

[0021] На фиг. 8 показано сечение по линии 8-8 бурового долота, показанного на фиг. 6.

[0022] На фиг. 9 показан вид в перспективе самонаправляемого сопла в конфигурации удерживающего подшипника с резьбой.

[0023] На фиг. 10 показан покомпонентный вид самонаправляемого сопла, показанного на фиг. 9.

[0024] На фиг. 11А-11В показаны виды самонаправляемого сопла, показанного на фиг. 9, в продольном разрезе по линии 11-11.

[0025] На фиг. 12 показан вид самонаправляемого сопла, показанного на фиг. 11А, в радиальном разрезе по линии 12-12.

[0026] На фиг. 13 показан покомпонентный вид еще одного самонаправляемого сопла в конфигурации удерживающего подшипника без резьбы.

[0027] На фиг. 14 показан вид в продольном разрезе самонаправляемого сопла, показанного на фиг. 13.

[0028] На фиг. 15 показан покомпонентный вид еще одного самонаправляемого сопла в конфигурации упорного подшипника.

[0029] На фиг. 16 показан вид в продольном разрезе самонаправляемого сопла, показанного на фиг. 15.

[0030] На фиг. 17 показана схема потока, протекающего через самонаправляемое сопло.

[0031] На фиг. 18 показана схема размеров вокруг конца сопла.

[0032] На фиг. 19 показана схема пути потока самонаправляемого сопла.

[0033] На фиг. 20 показана диаграмма давления, генерируемого самонаправляемым соплом.

[0034] На фиг. 21 показана блок-схема последовательности операций способа бурения ствола скважины.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0035] В следующем описании изложены многочисленные детали для обеспечения понимания настоящего раскрытия. Вместе с тем, специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение можно применять на практике без указанных деталей и что возможны многочисленные вариации или модификации описанных вариантов осуществления.

[0036] Раскрытие относится к буровому долоту с самонаправляемыми соплами для пропускания через них текучей среды. Буровое долото может быть матричным, шарошечным, вращающимся или другим буровым долотом, спускаемым на бурильной колонне для бурения стволов скважин. Буровое долото может иметь обычные сопла, которые обеспечивают стационарную струю текучей среды, и/или самонаправляемые сопла для пропускания через них подвижной (или направленной) струи текучей среды. Самонаправляемое сопло может содержать себя втулку и подвижный (например, вращающийся) корпус, имеющий нелинейный (например, винтовой и/или спиральный) канал для пропускания через него текучей среды, и подшипники (например, удерживающий, упорный, скольжения, и т.д.). Когда текучая среда проходит через самонаправляемые сопла, сопло совершает перемещение с обеспечением направления потока в различных направлениях вокруг ствола скважины.

[0037] Самонаправляемое сопло можно применять для перемещения потока текучей среды по поверхности ствола скважины для очистки ствола скважины и/или бурового долота и/или для удаления выбуренной породы. Данное перемещение можно также применять, например, для увеличения турбулентного потока над забоем ствола скважины во время бурения, для содействия удалению выбуренной породы (и/или отходов) в окрестности участков (твердых и/или мягких) ствола скважины, для избирательного варьирования расхода текучей среды, для создания пульсаций турбулентного потока вокруг бурового долота, для увеличения площади поверхности для потока текучей среды над забоем ствола скважины, для увеличения размера (например, радиуса) турбулентной пульсации вокруг бурового долота, для варьирования давления текучей среды вокруг бурового долота, для увеличения скорости проходки (ROP), для создания перепада давления вокруг ствола скважины, помимо прочего.

[0038] На фиг. 1 схематично показана буровая площадка 100, на которой можно применять буровые долота с самонаправляемыми соплами, описанные в данном документе. Как в общем показано, буровое долото 112 может продвигаться в подземный пласт 106 на нижнем конце скважинного инструмента 102 для создания ствола скважины (или скважины) 104. Скважинный инструмент 102 может быть приведен в действие любым подходящим средством, таким как вращающаяся бурильная колонна 108, применяемая с буровой установки 110 для вращения бурового долота 112.

[0039] Емкость 111 бурового раствора обеспечена на буровой площадке 100 для пропускания бурового раствора через скважинный инструмент 102 и выпуска наружу из бурового долота 112 для охлаждения бурового долота 112 и удаления выбуренной породы во время бурения. Текучую среду, подаваемую насосом из емкости 111 бурового раствора через скважинный инструмент 102, выпускают через буровое долото 112 в ствол 104 скважины и возвращают на поверхность для повторной циркуляции через кольцевое пространство между скважинным инструментом 102 и стенкой ствола 104 скважины.

[0040] Буровое долото 112 обеспечено по меньшей мере одним самонаправляемым соплом 101 для выпуска текучей среды из скважинного инструмента 102 наружу из бурового долота 112 и в ствол 104 скважины. Самонаправляемое сопло 101 можно применять для направления с перемещением потока текучей среды из бурового долота 112 над участками ствола 104 скважины.

[0041] Хотя показана конкретная конфигурация буровой площадки 100, понятно, что буровая площадка может быть наземной или морской и иметь различные компоненты буровой площадки, такие как устройства для телеметрии, измерений, связи, электропитания и/или другие устройства. Скважинный инструмент 102 может продвигать буровое долото 112 в различных направлениях для проходки одного или нескольких продуктивных горизонтов и создания ствола скважины различных конфигураций (например, вертикального, наклонно-направленного, горизонтального, и т.д.). Любой скважинный инструмент 102 и/или буровое долото 112 можно применять в соединении с самонаправляемым соплом для создания ствола 104 скважины.

[0042] Также, хотя самонаправляемое сопло 101, описанное в данном документе, показано в буровом долоте 112, его можно применять в любой части скважинного инструмента и/или бурового долота. Для краткости только несколько примеров самонаправляемых сопел и буровых долот показаны в данном документе. Такие буровые долота можно применять в соединении с любым скважинным инструментом для создания ствола скважины.

ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙ БУРОВОГО ДОЛОТА

[0043] На фиг. 2-8 показаны различные виды являющихся примерами буровых долот 112а, b, обеспеченных самонаправляемыми соплами 101, применимых, как буровое долото 112 и сопло 101, показанные на фиг. 1. На фиг. 2-4 показан пример матричного бурового долота 112а. На фиг. 5-8 показан пример шарошечного бурового долота 112b. Самонаправляемые сопла 101 установлены в буровых долотах 112а,b для направления через них потока текучей среды.

[0044] Как показано на фиг. 2-4, буровое долото 112а является матричным буровым долотом, включающим в себя хвостовик 214, корпус 216 долота, лопасти (или ребра) 218, режущие элементы 220 и самонаправляемые сопла 101. Буровое долото 112а (и/или его части) могут быть выполнены из любого подходящего материала, такого как карбид вольфрама. Хвостовик 214 выполнен с возможностью соединения со скважинным инструментом (см. позицию 102 на фиг. 1) и возможностью приведения его во вращение вокруг оси X с помощью указанного скважинного инструмента, как указано дугообразными стрелками. Хвостовик 214 может быть снабжен резьбами или другими средствами для соединения со скважинным инструментом.

[0045] Корпус 216 долота поддерживается хвостовиком 214 и имеет лопасти 218, выступающие из него. Лопасти 218 проходят по длине нижнего конца и радиально над корпусом 216 долота для взаимодействия со стенкой ствола скважины. Лопасти 218 могут быть выступающими из нижнего конца корпуса 216 долота и проходить наружу от центральной оси X вращения. Каналы (или канавки или каналы для выноса шлама) 222 проходят между лопастями 218.

[0046] Режущие элементы 220 установлены по длине лопастей 218 для взаимодействия со стенкой ствола скважины. Режущие элементы 220 могут быть снабжены, например, поликристаллическими и/или монокристаллическими алмазными зернами, встроенными и/или импрегнированными для истирающего воздействия на материал породы при вращении бурового долота 112а, и/или выполнены из них.

[0047] Полость 219 проходит в хвостовик 214 и корпус 216 долота для приема проходящей через них текучей среды. Проход 221 проходит из полости 219 через корпус 216 долота с обеспечением пропускания через него текучей среды. Самонаправляемые сопла 101 установлены в корпусе 216 долота вокруг выпускного отверстия прохода 221 для направления через него текучей среды. Одно или более обычных сопел могут также быть обеспечены в буровом долоте 112а.

[0048] Выбрасываемая текучая среда может быть пропущена из сопел 101 и через каналы 222 для удаления выбуренной породы. Сопла 101 можно применять, например, для обеспечения подачи бурового раствора в каналы 222 между лопастями 218 для охлаждения и очистки режущих элементов 220 и/или переноса материала, полученного истиранием, долблением или иначе удаленного из пласта во время бурения, от бурового долота 112а. Как показано, например, дугообразными стрелками на фиг. 3, одно или более самонаправляемых сопел 101 можно применять для обеспечения подвижной струи текучей среды вокруг долота 112а.

[0049] Как показано на фиг. 5-8, буровое долото 112b является шарошечным буровым долотом, включающим в себя хвостовик 514, корпус 516 долота, лапы 517, шарошки (или части на цапфах) 518, зубки 520 и сопла 101. Буровое долото 112b (и/или его части) может быть выполнено из любого подходящего материала, такого как карбид вольфрама. Хвостовик 514 выполнен с возможностью соединения со скважинным инструментом (см. позиция 102 на фиг. 1) и возможностью приведения его во вращение вокруг оси X с помощью указанного скважинного инструмента, как указано дугообразными стрелками. Хвостовик 514 может быть обеспечен резьбой или другим средством для присоединения к скважинному инструменту.

[0050] Корпус 516 долота поддерживается хвостовиком 514 и имеет лапы 517 и шарошки 518, выступающие от него. Лапы 517 могут быть приварены к корпусу 516 долота или сварены вместе для образования по меньшей мере части корпуса 516 долота. Лапы 517 выступают вниз от корпуса 516 долота для несения шарошек 518 на них. Лапам 517 может быть придана форма для защиты шарошек 518 (и/или их частей) от повреждений, вызванных, например, входом выбуренной породы между лапой 517 и соответствующей шарошкой 518. Хотя обеспечены три лапы 517 с тремя соответствующими шарошками 518, можно применять любую конфигурацию.

[0051] Лапы 517 несут шарошки 518, обеспечивая их вращение для взаимодействия со стенкой ствола скважины. Корпус 516 долота может вращаться, как указано дугообразной стрелкой. Шарошки 518 могут также быть смонтированы свободно вращающимися на лапах 517 посредством подшипниковой цапфы (или другого средства). Шарошки 518 обеспечены зубками 520 для истирающего воздействия на стенку ствола скважины.

[0052] Полость 519 проходит в хвостовик 514 и корпус 516 долота для приема проходящей через них текучей среды. Проход 521 проходит из полости 519 с образованием прохода для выхода текучей среды через корпус 516 долота. Для направления потока текучей среды из прохода 521 в нем могут быть установлены одно или более сопел 101. Самонаправляемые сопла 101 установлены в корпусе 516 долота вокруг выпускного отверстия прохода 521 для направления через него текучей среды. Одно или более обычных сопел могут также быть обеспечены в буровом долоте 112b.

[0053] Выброшенная текучая среда может быть пропущена из сопел 101 и вокруг шарошек 518 для удаления выбуренной породы. Сопла 101 можно применять, например, для обеспечения подачи бурового раствора над лапами 517 и/или шарошками 518 для охлаждения и очистки шарошек 518, и/или удаления от бурового долота 112b материала, полученного истиранием, дроблением или иным способом из пласта во время бурения. Как показано, например, дугообразными стрелками на фиг. 6, самонаправляемые сопла 101 можно применять для обеспечения подвижной струи текучей среды вокруг долота 112b.

[0054] Буровые долота 112а,b могут быть обеспечены различными элементами и/или опциями. Например, могут быть обеспечены резервуары (не показано) для смазки, предназначенной для таких частей долота, как подшипники и/или шарошки 518. В другом примере буровые долота 112а,b могут иметь заданный калибр (или диаметр), образованный самыми дальними от центральной оси частями корпуса 216, 516 долота, лопастей 218 и/или режущими элементами 518 шарошек. Самонаправляемые сопла 101 могут иметь специфическую ориентацию и/или конфигурацию для управления движением текучей среды в требуемом направлении вокруг бурового долота 112а,b. Как описано в данном документе, сопла 101 могут иметь подвижные части для обеспечения перемещения самонаправляемых сопел 101 для варьирования направления потока текучей среды, выходящего из них.

[0055] Сопла в буровом долоте 112а,b могут также иметь специфическую ориентацию и/или конфигурацию для управления движением текучей среды в требуемом направлении вокруг бурового долота 112а,b и/или частей ствола скважины. Одно или более из сопел могут быть обычными соплами, которые обеспечивают стационарную струю текучей среды. Одно или более самонаправляемых сопел 101 могут иметь подвижные части для обеспечения перемещения самонаправляемых сопел 101 для обеспечения подвижной струи текучей среды и/или для варьирования направления потока текучей среды, выходящего из них.

[0056] Хотя на фиг. 2-8 показаны примеры конфигураций буровых долот с соплами, понятно, что можно применять различные другие буровые долота (и/или другие скважинные инструменты) из различных материалов.

ПРИМЕРЫ КОНСТРУКЦИЙ СОПЛА

[0057] На фиг. 9-16 представлены различные виды являющихся примером самонаправляемых сопел, применимых в буровых долотах для направления через них потока текучей среды. На фиг. 9-12 показано самонаправляемое сопло 101а в конфигурации удерживающего подшипника с резьбой. На фиг. 13-14 показано самонаправляемое сопло 101b в конфигурации удерживающего подшипника без резьбы. На фиг. 15-16 показано самонаправляемое сопло 101 с в конфигурации упорного подшипника.

[0058] Самонаправляемое сопло 101а, показанное на фиг. 9-12, содержит втулку 924а, подвижный корпус 926а, подшипник 928 и уплотнение 930. Втулка 924а может быть размещена в проходном сечении бурового долота (например, проходе 521 бурового долота 112b, показанного на фиг. 5-8). Как показано, втулка 924а имеет трубчатую форму и образованные на нем резьбы 932, выполненные с возможностью взаимного соединения с резьбами вдоль прохода (например, позиция 521 на фиг. 7) бурового долота. Втулка 924а также имеет на одном из своих концов приподнятые зубцы 934 для содействия вставки в буровое долото /извлечения из него.

[0059] Подвижный корпус 926а представляет собой цилиндрический элемент, выполненный с возможностью размещения во втулке 924а. Втулка 924а и подвижный корпус 926а имеют выполненные в них канавки 938а,b. Канавки 938а,b могут представлять собой кольцевые канавки, проходящие в наружной поверхности подвижного корпуса 926а и внутренней поверхности втулки 924а. Канавка 938а может представлять собой канавку для подшипника, предназначенную для размещения в ней подшипника 928. Канавка 938b может представлять собой канавку для уплотнения, предназначенную для размещения в ней уплотнения 930.

[0060] Подшипник 928 может быть, например, удерживающим подшипником для удержания подвижного корпуса 926а во втулке 924а с обеспечением возможности перемещения (например, вращения вокруг оси X на фиг. 11A, 11В) подвижного корпуса 926а. Уплотнение 930 может быть, например, уплотнительной прокладкой, шайбой, кольцом круглого сечения и/или другим уплотнительным средством с функциональными возможностями предотвращения прохождения текучей среды между элементами. Подшипник 928 и уплотнение 930 могут быть установлены в канавках 938а,b между подвижным корпусом 926а и втулкой 924а для обеспечения вращения подвижного корпуса 926а относительно втулки 924а.

[0061] Подвижный корпус 926а имеет канал 936 для пропускания через него текучей среды. Вращением подвижного корпуса 926а также можно манипулировать для управления направлением потока, проходящего через канал 936. Подвижный корпус 926а может быть приведена во вращение потоком текучей среды, проходящей через канал 936. Каналу 936 может быть придана форма, подходящая для содействия пропусканию через него потока и/или создания движущей силы для вращения подвижного корпуса 926а в условиях бурения. Форма канала 936 может быть выбрана, например, такой что буровой раствор проходит через канал 936, обуславливая вращение подвижного корпуса 926 вокруг оси X, для обеспечения циркулирующего отрицательного давления по меньшей мере на участке поверхности стенки ствола скважины, как описано дополнительно в данном документе. Зона отрицательного давления, при использовании в данном документе, относится к зоне, где динамическое или пульсирующее давление выше среднего или статического давления, генерируемого скоростной струей. Среднее или статическое давление является дополнением гидростатического давления в стволе скважины. Таким образом, в зоне отрицательного давления давление пульсирует между величиной ниже гидростатического давления и величиной выше гидростатического давления. Давление может оставаться выше гидростатического давления за пределами зоны отрицательного давления.

[0062] На фиг. 11А-11С показаны различные виды самонаправляемых сопел 101, показаны размеры, форма и поток, относящиеся к ним. Как показано на фиг. 11А, канал 936 имеет нелинейную конфигурацию, содержащую впускную часть 940b и проточную часть 940а. Канал 936 искривлен в винтовой форме, проходящей через подвижный корпус 926а. Термин «нелинейный», при использовании в данном документе, относится к форме, имеющей линейные и/или криволинейные участки, что обеспечивает изменение в направлении потока при его прохождении через канал 936, и/или что обеспечивает перемещение струи текучей среды, когда подвижный корпус 926а перемещается вокруг втулки 924а и/или бурового долота.

[0063] Канал 936 может иметь линейные и/или криволинейные участки в конфигурации, в целом не являющейся линейной. Нелинейный канал может быть, например, 'винтовым' (например, коническая винтовая линия, круговая винтовая линия, (т.е. винтовая линия с постоянным радиусом) цилиндрическая винтовая линия (т.е., винтовая линия, касательная к которой образует постоянный угол с фиксированной линией в пространстве), линия откоса (т.е., винтовая линия где отношение кривизны к закручиванию является постоянным), наклонная винтовая линия (т.е., винтовая линия, главная нормаль к которой образует постоянный угол с фиксированной линией в пространстве), спираль, и т.д.), с вариациями винтовой линии (например, с линейными участками, заменяющими криволинейные участки по длине винтовой линии), изогнутым, ступенчатым и/или других форм.

[0064] Размеры нелинейного канала 936 могут быть выбраны для обеспечения требуемой работы. Такие размеры могут включать в себя, например, длину L подвижного корпуса 926а, длину L1 впускной части 940b канала 936 и длину L2 рабочей части 940а канала 936, и иметь ширину W подвижного корпуса 926а. Между пиками (самыми дальними радиальным точками) вдоль канала 936 задан шаг Р. Нелинейный канал 936 может иметь постоянный или варьирующийся радиус R канала, определяющий пространство для пропускания потока текучей среды через указанный канал. Радиус R канала, как показано на фиг. 11, уменьшается на сужающейся впускной части 940b на одном (верхнем) его конце, и является постоянным от сужающегося впуска до противоположного выпускного (нижнего) конца подвижной корпуса 926а. Нелинейный канал 936 может также иметь постоянный или варьирующийся радиус R1 кривизны, определяющий расстояние от оси X до центра радиуса R канала на его пике (самой дальней радиальной точке).

[0065] Как показано на фиг. 11В, нелинейный канал 936 имеет осевую линию 937а, проходящую через него. Данная осевая линия 937а центрально установлена в нелинейном канале 936 по длине L нелинейного канала 936. Данная осевая линия 937а является центром нелинейного канала и проходит через центр радиусов по длине L. В качестве альтернативы нелинейный канал 936 может иметь отличающуюся смещенную осевую линию 937b, проходящую через него. Осевая линия 937b является линейной осью параллельной осевой линии 937а нелинейного канала 936. Данная осевая линия 937b параллельна осевой линии Z сопла 101а и смещена по отношению к ней в осевом направлении на расстояние О. Данное расстояние О может быть увеличено для создания большего смещения для умножения величины силы, генерируемой проходящим потоком текучей среды, и увеличивает скорость вращения корпуса 926а. Центральная ось Z, как показано, является коллинеарной с осью X вращения корпуса 926а, но если необходимо, может быть смещена от нее.

[0066] Нелинейный канал 936 искривлен таким образом, что поток текучей среды, проходящий через нелинейный канал 936, создает тангенциальную несбалансированную силу, действующую на корпус 926а по длине нелинейного канала. Как также показано данным примером, тангенциальная сила F направлена к наружной поверхности нелинейного канала и направлена от внутренней поверхности нелинейного канала в направлении нормальном оси X/Z и тангенциальном наружной поверхности. Поток, генерируемый формой нелинейного канала также обеспечивает и образует спиральный путь Р текучей среды, что также генерирует движущую силу для содействия вращению корпуса 926а.

[0067] Хотя здесь обеспечены сопла специфической формы, понятно что могут быть обеспечены различные формы для получения смещенной в осевом направлении, нелинейной формы, которую можно использовать для содействия вращению корпуса во втулке.

[0068] На фиг. 13-14 показана другая версия самонаправляемого сопла 101b. Данная версия является одинаковой с самонаправляемым соплом 101а, показанным на фиг. 9-12, за исключением отличающихся втулки 924b, подвижной корпуса 926b и дополнительных колец 1342а,b. В данной версии втулка 924b не имеет резьбы или зубцов (например, позиции 932, 934 на фиг. 9). Втулка 924b может быть запрессована или иначе зафиксирована в буровом долоте (например, вокруг прохода 521, показанного на фиг. 7). Подвижный корпус 926b имеет канавку 938b для уплотнения, но не имеет канавки для подшипника (например, позиция 938а на фиг. 9).

[0069] Кольца 1342а,b установлены вокруг конца самонаправляемого сопла 101b. Наружное кольцо 1342а установлено смежно с концом втулки 924b, и внутреннее кольцо 1342b установлено между наружным кольцом 1342а и подвижной корпусом 926b. Как показано, кольцо 1342а может быть пластиной тороидальной формы, и кольцо 1342b может быть подшипником (например, упорным подшипником). Также данный вид показывает канал 936 в отличающейся ориентации.

[0070] На фиг. 15-16 показана другая версия самонаправляемого сопла 101 с. Данная версия похожа на самонаправляемое сопло 101b, показанное на фиг. 13-14, за исключением отличных втулки 924 с и подвижного корпуса 926 с без канавок, уплотнения или упорного подшипника, показанных на фиг. 9-14, но с радиальным подшипником 1544 скольжения. Как показано, радиальный подшипник 1544 скольжения является трубчатым элементом, установленным между подвижным корпусом 926 с и втулкой 924 с. Радиальный подшипник 1544 скольжения может иметь аксиальные гребни на своей наружной поверхности.

[0071] На фиг. 17-20 показан поток из самонаправляемого сопла 101 с каналом 936, которое может представлять любые из самонаправляемых сопел и/или каналов, описанных в данном документе. На фиг. 17 показано продольное сечение самонаправляемого сопла 101 с каналом 936, выбрасывающего текучую среду из него на поверхность 1752 ствола скважины. На фиг. 18 показан вид с торца самонаправляемого сопла 101 с его размерами по его окружности. На фиг. 19 показана схема поверхности 1752 ствола скважины с перемещением самонаправляемого сопла 101 по его окружности.

[0072] На фиг. 17 показан тот же канал 936, что на фиг. 9-20, отличающийся тем, что части подвижного корпуса удалены для показа потока, проходящего через канал 936. В работе буровой раствор выходит из сопла 101, имеющего радиус R в направлении 1750 потока текучей среды, образуя угол 0 с осью X. Направление 1750 потока текучей среды, заданное углом 0, образует радиус R2 вращения на поверхности 1752 ствола скважины. Расстояние, которое проходит поток и направление 1750 угла 0 определяют площадь А на поверхности 1752 ствола скважины. Выход из сопла 101 при его вращении образует конус потока текучей среды, воздействующего на поверхность 1752 ствола скважины. Высокое отрицательное циркуляционное давление Р приложено на площади А образованной на поверхности 1752 ствола скважины.

[0073] Хотя на фиг. 1-16 показаны примеры конфигураций бурового долота и сопла, возможны вариации. Например, можно обеспечить различные комбинации предложенных элементов. Также, хотя на фигурах здесь могут быть указаны некоторое вращение и/или перемещение, возможны другие направления вращения и/или другие перемещения. Например, хотя дугообразные стрелки показывают вращение против часовой стрелки самонаправляемых сопел 101 в варианте осуществления, показанном на фиг. 3, для самонаправляемых сопел 101 не исключено вращение против часовой стрелки.

[0074] На фиг. 18-19 схематично показана проекция на поверхность 1752 ствола скважины площади А циркулирующего отрицательного давления, генерируемого потоком текучей среды, проходящим через самонаправляемое сопло 101. Когда самонаправляемое сопло 101 вращается под действием потока бурового раствора, проходящего через него, площадь А циркулирует на радиусе R2, образуя общую площадь А'. Самонаправляемое сопло 101 можно применять, например, для увеличения радиуса R2 турбулентной пульсации посредством вращения самонаправляемого сопла 101 с направлением 0 вокруг поверхности 1752. Когда площадь А вращается по окружности радиуса R2, струя текучей среды вращается по окружности радиуса R2. Данный радиус R2 можно применять для увеличения площади А поверхности вдоль поверхности 1752 до продолженной площади А', при этом создавая высокую разность динамического давления и давления соударения для содействия удалению выбуренной породы.

[0075] Гидродинамику и/или турбулентную пульсацию, генерируемую вокруг сопла 101, можно использовать для обеспечения высокого перепада ЛР давления над площадью А поверхности. На графике 2000, проиллюстрированном на фиг. 20, показано моделирование вычисленных мгновенных значений давления на поверхности 1752 (см. фиг. 17-19) для применения самонаправляемого сопла. Данная фигура демонстрирует большую площадь отрицательного давления 2060, полученного посредством самонаправляемого сопла на окружности радиуса R, и площадь положительного давления 2062, генерируемого смежно с площадью 2060. В зоне отрицательного давления турбулентные пульсации давления на поверхности ствола скважины могут обеспечивать переходное давление ниже скважинного гидростатического давления и в некоторых случаях ниже пластового давления. Данные низкие значения давления могут содействовать удалению выбуренной породы от забоя ствола скважины в данной зоне.

[0076] На фиг. 21 показана блок-схема последовательности операций способа 2100 бурения ствола скважины. Способ 2100 начинается в стартовом блоке 2160. Стартовый блок 2160 может включать в себя любую процедуру, предваряющую последующие процедуры, такую как сборка, развертывание и работа части или всей буровой площадки, бурильного инструмента и/или бурового долота (см., например, фиг. 1). Способ 2100 включает в себя в блоке 2162 обеспечение наличия бурового долота с самонаправляемым соплом, содержащего втулку и подвижный корпус с проходящим через нее нелинейным каналом. Способ 2100 продолжается в блоке 2154, согласно которому продвигают буровое долото с самонаправляемым соплом в подземный пласт и выброс 2166 подвижной струи текучей среды путем пропускания текучей среды через буровое долото и ее выпуска наружу через нелинейный канал самонаправляемого сопла. Выброс 2166 может включать в себя пропускание текучей среды через буровое долото и через смещенный в осевом направлении нелинейный канал таким образом, что текучая среда вращает подвижный корпус в проходе бурового долота для выброса подвижной струи текучей среды вокруг бурового долота.

[0077] Способ 2100 может также включать в себя другие признаки, такие, как приложение давления к поверхности ствола скважины, очистку ствола скважины струей текучей среды, подачу насосом текучей среды через бурильный инструмент и выпуск наружу из бурового долота, подачу насосом выброшенной текучей среды обратно на поверхность и т.д. Способ 2100 заканчивается в блоке 2150. Способ может быть выполнен в любом порядке и повторен, если требуется.

[0078] Хотя несколько являющихся примером вариантов осуществления подробно описаны выше, специалисту в данной области техники понятно, что возможны многочисленные модификации являющихся примером вариантов осуществления без значительного отхода от данного раскрытия. Соответственно, такие модификации относятся к объему данного изобретения, определенному в следующей формуле изобретения. В формуле изобретения пункты средство плюс функция служат для определения конструкций, описанных в данном документе, выполняющих указанную функцию, и не просто конструктивных эквивалентов, но также эквивалентных конструкций. Таким образом, хотя гвоздь и винт могут не быть конструктивными эквивалентами, поскольку гвоздь имеет цилиндрическую поверхность для скрепления деревянных частей вместе, а винт использует винтовую поверхность, в окружающей среде закрепления деревянных частей, гвоздь и винт могут быть эквивалентными конструкциями. Определенным намерением Заявитель определенно не намерен требовать применения 35 U.S.С. § 112, paragraph 6 для любых ограничений по любому из пунктов формулы в данном документе, за исключением таких, в которых в пункте формулы прямо применены слова 'средство для' вместе со связанной функцией.

[0079] Специалисту в данной области техники понятно, что технические средства, раскрытые в данном документе, можно реализовать для автоматизированных /автономных приложений посредством программного обеспечения, конфигурированного с алгоритмами для выполнения требуемых функций. Данные аспекты можно реализовать посредством программирования одного или более подходящих компьютеров общего назначения, имеющих подходящее агрегатное обеспечение. Программирование может быть выполнено посредством применения одного или более запоминающих устройств для хранения программ, машиночитаемых процессором (процессорами) и кодирования одной или более программ инструкций, исполняемых компьютером для выполнения операций, описанных в данном документе. Запоминающее устройство для хранения программ может иметь вид, например, одной или более дискет; ПЗУ на компакт-диске или другом оптическом диске; чипа постоянного запоминающего устройства (ПЗУ); и/или другие виды хорошо известные в технике или разработанные в будущем. Программа инструкций может быть "выходной программой" т.е. имеющей бинарную форму, исполняемой более или менее напрямую компьютером; "исходной программой", которая требует компиляции или интерпретации до исполнения; или некоторую промежуточную форму, такую как частично скомпилированная программа. Точные формы запоминающего устройства для хранения программ и кодирования инструкций здесь не важны. Аспекты изобретения могут также быть выполнены с возможностью выполнения описанных функций (посредством подходящего агрегатного обеспечения /программного обеспечения) только на площадке и/или с дистанционным управлением по сети расширенной связи (например, беспроводная связь, интернет, спутниковая связь и т.д.).

[0080] Приведенное выше описание является иллюстрацией предпочтительного варианта осуществления изобретения, и специалист в данной области техники может выполнить множество модификации без отхода от изобретения, объем которого определяет по точному объему и объему эквивалентов по формуле изобретения, приведенной ниже.

[0081] Хотя варианты осуществления описаны со ссылкой на различные варианты реализации и эксплуатации, понятно, что данные варианты осуществления являются иллюстративными, и что объем патентоспособного объекта изобретения не ограничен ими. Возможно множество вариаций, таких как обеспечение одного или более самонаправляемых и/или других сопел, и/или обеспечение самонаправляемых сопел с различными элементами, такими как втулки, корпуса, уплотнения, подшипник, кольца и/или другие элементы. Также, здесь можно обеспечить различные комбинации элементов в одном или более режущих элементов и/или буровых долот.

[0082] Множество позиций может быть обеспечено для компонентов, операций или конструкций, описанных в данном документе, как одна позиция. В общем, конструкции и функции, представленные как отдельные компоненты в примерах конфигураций можно реализовать, как комбинированную конструкцию или компонент. Аналогично, конструкции и функции, представленные как один компонент, можно реализовать, как отдельные компоненты. Данные и другие вариации, модификации, дополнения и улучшения могут попадать в объем патентоспособного объекта изобретения.

[0083] Для краткости, только некоторые диапазоны точно раскрыты в данном документе. Вместе с тем, диапазоны от любого нижнего предела можно комбинировать с любым верхним пределом для указания диапазона, точно не указанного, а также, диапазоны от любого нижнего предела можно комбинировать с любым другим нижним пределом для указания диапазона, точно не указанного, аналогично, диапазоны от любого верхнего предела можно комбинировать с любым другим верхним пределом для указания диапазона, точно не указанного. Дополнительно, в диапазон включены каждая точка или индивидуальная величина между его концевыми точками, даже если они точно не указаны. Таким образом, каждая точка или индивидуальная величина могут служить его собственным нижним или верхним пределом в комбинации с любой другой точкой или индивидуальной величиной или любым другим нижним или верхним пределом для указания диапазона, точно не указанного.

[0084] Все документы, описанные в данном документе, включены в виде ссылки в данном документе, в том числе, любые приоритетные документы и/или процедуры испытаний до уровня соответствия данному тексту, при условии, что любой приоритетный документ, не названный вначале выложенной заявки или регистрационных документов не включен в виде ссылки в данном документе. Как понятно из приведенного выше общего описания и конкретных вариантов осуществления, хотя формы изобретения проиллюстрированы и описаны, различные модификации можно выполнять без отхода от сущности и объема изобретения. Соответственно, указанное не служит ограничению изобретения. Аналогично, термин "содержащий" считается синонимом термина "включающий в себя" для австралийского законодательства. Аналогично, в случае, если композиции, элементу или группе элементов предшествует переходная фраза, "содержащий", понятно, что мы также предполагаем ту же композицию или группу элементов с переходной фразой "состоящий, по существу, из", "состоящий из", "выбранный из группы, состоящей из" или "является", предваряющей сообщение композиции, элемента или элементов, и наоборот.

Группа изобретений относится к самонаправляемому соплу бурового долота скважинного инструмента для формирования ствола скважины в подземном пласте, буровому долоту скважинного инструмента для формирования ствола скважины в подземном пласте и способу бурения ствола скважины в подземном пласте. Технический результат заключается в обеспечении выброса подвижной струи текучей среды вокруг бурового долота для удаления выбуренной породы. Самонаправляемое сопло содержит втулку, выполненную с возможностью установки в проходе бурового долота, и подвижный корпус, выполненный с возможностью установки с перемещением во втулке и имеющий не более одного канала для пропускания через него текучей среды. Канал имеет нелинейную форму и проходящую через него центральную линию канала и выполнен криволинейным с образованием проходящего через него спирального пути потока. Текучая среда, проходящая через канал, содействует вращению подвижного корпуса в проходе бурового долота. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Самонаправляемое сопло бурового долота скважинного инструмента для формирования ствола скважины в подземном пласте, причем буровое долото имеет проход для пропускания через него текучей среды, а указанное сопло содержит:

втулку, выполненную с возможностью установки в проходе бурового долота; и

подвижный корпус, выполненный с возможностью установки с перемещением во втулке и имеющий не более одного канала для пропускания через него текучей среды, при этом

канал имеет нелинейную форму и проходящую через него центральную линию канала и выполнен криволинейным с образованием проходящего через него спирального пути потока, а текучая среда, проходящая через канал, содействует вращению подвижного корпуса в проходе бурового долота.

2. Сопло по п. 1, дополнительно содержащее подшипник, установленный между подвижным корпусом и втулкой.

3. Сопло по п. 1, дополнительно содержащее динамическое уплотнение между подвижным корпусом и втулкой.

4. Сопло по п. 1, дополнительно содержащее по меньшей мере один подшипник, расположенный между подвижным корпусом и втулкой.

5. Сопло по п. 1, в котором по меньшей мере одна из таких поверхностей, как наружная поверхность подвижного корпуса и внутренняя поверхность втулки, имеет проходящие в ней канавки.

6. Сопло по п. 1, в котором втулка имеет резьбы, выполненные с возможностью взаимодействия с резьбами бурового долота.

7. Сопло по п. 1, в котором втулка имеет наружную поверхность, выполненную с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью прохода бурового долота с образованием между ними плотной посадки.

8. Сопло по п. 1, в котором втулка имеет зубцы, выступающие от ее конца.

9. Сопло по п. 1, в котором канал имеет впускное отверстие в форме воронки.

10. Сопло по п. 1, в котором по меньшей мере часть канала имеет винтовую форму.

11. Сопло по п. 1, в котором канал имеет круглое выпускное отверстие.

12. Сопло по п. 1, дополнительно содержащее ось вращения втулки, причём центральная линия канала смещена в осевом направлении от оси вращения втулки.

13. Сопло по п. 1, в котором центральная линия канала имеет вдоль своей длины один из таких радиусов, как постоянный радиус кривизны и переменный радиус кривизны.

14. Буровое долото скважинного инструмента для формирования ствола скважины в подземном пласте, содержащее:

корпус, имеющий проход для пропускания через него текучей среды;

хвостовик, проходящий от корпуса и выполненный с возможностью соединения с бурильной колонной скважинного инструмента; и

самонаправляемое сопло, содержащее:

втулку, зафиксированную в корпусе долота и имеющую ось вращения втулки; и

подвижный корпус, удерживаемый внутри втулки и содержащий канал, проходящий через подвижный корпус, причем

канал содержит: впускное отверстие и выпускное отверстие, выровненное со впускным отверстием вдоль центральной линии канала, причем центральная линия канала параллельна оси вращения втулки; и

спиральный путь потока, проходящий между впускным отверстием и выпускным отверстием, причём обеспечена возможность придания текучей средой, проходящей через канал, вращения подвижному корпусу вокруг оси вращения втулки.

15. Буровое долото по п. 14, в котором проход имеет полостную часть, проходящую через хвостовик в корпус, и выпускную часть, проходящую через одну из стенок корпуса.

16. Буровое долото по п. 14, в котором центральная линия канала смещена относительно оси вращения втулки.

17. Буровое долото по п. 16, в котором в проходах корпуса долота установлены множество самонаправляемых сопел.

18. Способ бурения ствола скважины в подземном пласте, включающий:

обеспечение наличия бурового долота с самонаправляемым соплом, содержащим:

втулку, зафиксированную в проходе бурового долота; и

подвижный корпус, выполненный с возможностью установки с перемещением во втулке и имеющий не более одного канала для пропускания через него текучей среды, причем канал имеет нелинейную форму и проходящую через него центральную линию канала и выполнен криволинейным с образованием проходящего через него спирального пути потока;

продвижение бурового долота в подземный пласт и

пропускание текучей среды через буровое долото и через нелинейный канал таким образом, что указанная текучая среда проходит по спирали через нелинейный канал и вращает подвижный корпус в проходе бурового долота с обеспечением выброса подвижной струи текучей среды вокруг бурового долота.

19. Способ по п. 18, согласно которому этап пропускания включает в себя пропускание текучей среды по спирали через указанный канал.

20. Способ по п. 18, согласно которому этап пропускания включает в себя генерирование турбулентной пульсации текучей среды на поверхности ствола скважины.

21. Способ по п. 18, согласно которому этап пропускания включает в себя генерирование перепада давления вокруг заданной площади поверхности ствола скважины, причем площадь поверхности имеет область отрицательного давления и область положительного давления.

22. Способ по п. 21, согласно которому этап пропускания включает в себя генерирование переходного давления, уровни которого ниже гидростатического давления в скважине, путем генерирования турбулентных пульсаций давления в области отрицательного давления на поверхности ствола скважины.

23. Способ по п. 21, согласно которому этап пропускания включает в себя направление тангенциального усилия текучей среды на внешнюю поверхность канала.

24. Сопло по п. 2, также содержащее уплотнение, расположенное между подвижным корпусом и втулкой.

25. Сопло по п. 2, в котором втулка содержит резьбы, выполненные с возможностью взаимодействия с противоположными резьбами бурового долота.

26. Сопло по п. 2, в котором центральная линия канала смещена в осевом направлении от оси вращения втулки.

27. Сопло по п.2, в котором канал содержит переменный радиус кривизны вдоль его длины.