БУРОВАЯ КОМПОНОВКА, В КОТОРОЙ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ НАКЛОННОЕ РАЗДРОБЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН Российский патент 2021 года по МПК E21B7/06 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка заявляет приоритет заявки на патент США № 15/210735, поданной 14 июля 2016 года, содержание которой полностью включено в данную заявку посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Изобретение в целом относится к бурению стволов скважин, в частности, к буровой компоновке, в которой используется электромеханическое исполнительное устройство для наклона раздробляющего устройства для бурения наклонно-направленных стволов скважин.

2. ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Скважины или стволы скважин формируют для добычи углеводородов (нефти и газа) из подземных пластовых зон, в которых заблокированы такие углеводороды. Для бурения наклонно-направленного ствола скважины в ствол скважины опускают бурильную колонну, содержащую на ее нижнем конце буровую компоновку (также называемую компоновкой низа бурильной колонны или «КНБК»). Буровое долото, прикрепленное к нижнему концу буровой компоновки, вращают путем вращения бурильной колонны и/или бурового двигателя в компоновке низа бурильной колонны с целью раздробления скального пласта для бурения ствола скважины. Значительная часть пробуренных в настоящее время стволов скважин являются наклонно-направленными и/или горизонтальными стволами скважин. В контексте данного изобретения «наклонно-направленный ствол скважины» означает любой ствол скважины или его участок, который не является вертикальным. Чтобы изменить наклон нижнего сегмента или части буровой компоновки для формирования наклонно-направленных стволов скважин в буровой компоновке, как правило, используют устройство управления направлением бурения. Устройство управления направлением бурения изменяет наклон нижней части или сегмента буровой компоновки на заданную величину и вдоль выбранного направления, чтобы сформировать наклонно-направленную часть ствола скважины. Для бурения наклонно-направленных стволов скважин были предложены и используются устройства управления направлением бурения различных типов, расположенные в буровой компоновке, которые изменяют наклон сегмента самой буровой компоновки. Относительно недавно в патенте США № 9,145,736, права на который переуступлены правопреемнику данной заявки, было раскрыто гидравлическое устройство управления направлением бурения в буровой компоновке, которое изменяет наклон бурового долота относительно шарнира в буровом долоте. Буровая компоновка также содержит множество датчиков и инструментов, которые предоставляют информацию, относящуюся к геологическому пласту, параметрам бурения и ориентации буровой компоновки. Для управления наклоном буровой компоновки или бурового долота в соответствии с одним или более параметрами, полученными от таких датчиков, часто используют блок управления или контроллер.

[0004] В изобретении, раскрытом в данной заявке, предложена буровая компоновка, в которой для бурения наклонно-направленных стволов скважин электромеханическое исполнительное устройство изменяет наклон бурового долота относительно шарнира в буровом долоте.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0005] В одном из аспектов, предложена буровая компоновка для использования при бурении ствола скважины, которая в одном варианте реализации изобретения содержит блок управления направлением бурения, который содержит устройство изменения наклона в раздробляющем устройстве, и электромеханическое исполнительное устройство, содержащее элемент приложения силы, который переносит продольное усилие на раздробляющее устройство для изменения наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона вдоль выбранного направления. В одном варианте реализации изобретения исполнительное устройство преобразует вращательное движение в осевое перемещение элемента приложения силы, чтобы перенести осевое усилие на раздробляющее устройство для изменения наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона.

[0006] В другом аспекте предложен способ формирования ствола скважины, который в одном варианте реализации изобретения включает: спуск в ствол скважины буровой компоновки, содержащей на конце раздробляющее устройство, причем раздробляющее устройство содержит устройство изменения наклона, выполненное с возможностью вызывать изменение наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона; электромеханическое исполнительное устройство, содержащее элемент приложения силы, который переносит усилие на раздробляющее устройство, чтобы наклонить раздробляющее устройство относительно устройства изменения наклона; и вращение буровой компоновки для вращения раздробляющего устройства, чтобы вызвать возвратно-поступательное движение элемента приложения силы, чтобы перенести усилие на раздробляющее устройство для изменения наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона, чтобы сформировать наклонно-направленный участок ствола скважины.

[0007] Примеры некоторых признаков устройства и способы были обобщены достаточно широко с целью облегчения понимания последующего подробного описания и для того, чтобы можно было оценить усовершенствование существующего уровня техники. Разумеется, существуют дополнительные признаки, которые будут описаны ниже и которые образуют объект пунктов формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[0008] С целью улучшения понимания устройства и способов, описанных в данной заявке, следует использовать сопровождающие графические материалы и их подробное описание, где идентичные элементы пронумерованы одинаковыми цифрами и где:

на Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение примерной буровой системы, в которой может использоваться блок управления направлением бурения, который изменяет наклон бурового долота относительно шарнира в буровом долоте для бурения наклонно-направленных стволов скважин в соответствии с одним из неограничивающих вариантов реализации данного изобретения;

на Фиг. 2 проиллюстрировано схематическое изображение устройства управления направлением бурения, которое избирательно изменяет наклон шарнира в буровом долоте в соответствии с неограничивающим вариантом реализации данного изобретения; и

на Фиг. 3 проиллюстрировано устройство управления направлением бурения, показанное на Фиг. 2, которое содержит устройство для изменения или регулировки угла наклона поворотного элемента устройства управления направлением бурения в соответствии с неограничивающим вариантом реализации данного изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] На Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение типовой буровой системы 100, в которой может использоваться блок управления направлением бурения или устройство управления направлением бурения в буровой компоновке буровой системы для бурения вертикальных и наклонно-направленных стволов скважин. Наклонно-направленным стволом скважин является любой ствол скважины, который не является вертикальным. Проиллюстрированная буровая система 100 содержит: ствол скважины 110 (также называемый «буровая скважина» или «скважина»), формируемый в пласте 119, который содержит верхний участок 111 ствола скважины с установленной в нем обсадной колонной 112 и нижний участок 114 ствола скважины, пробуренный с помощью бурильной колонны 120. Бурильная колонна 120 содержит трубчатый элемент 116, который на нижнем конце содержит буровую компоновку 130 (также называемую «компоновкой низа бурильной колонны» или «КНБК»). Трубчатый элемент 116 может быть бурильной трубой, выполненной путем соединения сегментов трубы. Буровая компоновка 130 может быть соединена с раздробляющим устройством, таким как прикрепленное к ее нижнему концу буровое долото 155. Буровая компоновка 130 также содержит множество устройств, инструментов и датчиков, как описано ниже. Буровая компоновка 130 дополнительно содержит блок 150 управления направлением бурения (также называемый устройством управления направлением бурения или узлом управления направлением бурения) для бурения наклонно-направленных стволов скважин, причем способ управления направлением бурения в данной области техники часто называют геонавигацией. В одном неограничивающем варианте реализации изобретения блок 150 управления направлением бурения содержит электромеханический исполнительный блок или устройство 160, который изменяет наклон бурового долота 155 относительно устройства 165 изменения угла наклона на буровом долоте 155. Как правило, исполнительный блок 160 изменяет наклон узла 165 изменения наклона, который, в свою очередь, вызывает изменение наклона на заданную величину и вдоль требуемого или выбранного направления нижней части или сегмента 155а бурового долота 155, как более подробно описано со ссылкой на Фиг. 2-3.

[00010] Снова ссылаясь на Фиг. 1, бурильная колонна 120 проиллюстрирована как спускаемая в ствол 110 скважины от примерной буровой установки 180 на поверхности 167. Для простоты пояснения примерная буровая установка 180, проиллюстрированная на Фиг. 1, показана в виде наземной буровой установки. Устройство и способы, раскрытые в данной заявке, также могут применяться в морских буровых установках. Для вращения бурильной колонны 120 и буровой компоновки 130 могут использоваться роторный стол 169 или верхний привод 169а, соединенный с бурильной колонной 120. Блок управления (также называемый «контроллер» или «поверхностный контроллер») 190, который может быть компьютерной системой, на поверхности 167 может использоваться для приема и обработки данных, передаваемых с помощью различных датчиков и инструментов (описанных ниже) в буровой компоновке 130, а также для управления выбранными операциями различных устройств и датчиков в буровой компоновке 130, включая блок 150 управления направлением бурения. Поверхностный контроллер 190 может содержать процессор 192, запоминающее устройство (или машиночитаемый носитель) 194 для хранения данных и компьютерных программ 196, выполненных с возможностью доступа с помощью процессора 192 для определения различных параметров, представляющих интерес при бурении ствола скважины 110, а также для управления выбранными операциями различных инструментов в буровой компоновке 130 и выбранными операциями для бурения скважины ствола 110 скважины. Запоминающее устройство 194 может быть любым подходящим устройством, включая, но не ограничиваясь этим, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), флэш-память, магнитную ленту, жесткий диск и оптический диск. Для того чтобы пробурить ствол 110 скважины под давлением закачивают буровую жидкость 179 в трубчатый элемент 116, причем жидкость проходит через буровую компоновку 130 и выходит в нижней части 110а бурового долота 155. При бурении скального пласта посредством бурового долота 155 образуется буровой шлам 151. Буровая жидкость 179 возвращается на поверхность 167 вместе с буровым шламом 151 через кольцевое пространство (также называемое «затрубным пространством») 127 между бурильной колонной 120 и стволом 110 скважины.

[00011] Снова ссылаясь на Фиг. 1, буровая компоновка 130 может дополнительно содержать один или более скважинных датчиков (также называемых датчиками измерения в процессе бурения (ИПБ) и датчиками каротажа в процессе бурения (КПБ)) и инструментов, совместно называемых скважинными устройствами и обозначенных позицией 175, и по меньшей мере один блок управления или контроллер 170 для обработки данных, полученных от датчиков 175. Скважинные устройства 175 могут включать датчики для проведения измерений, относящихся к различным параметрам бурения, включая, но, не ограничиваясь этим, ускорение, вибрацию, магнитное поле Земли, радиальное биение бурового долота, прихват-проскальзывание, крутящий момент, изгиб, скорость потока, давление, температуру и осевую нагрузку на долото. Буровая компоновка 130 дополнительно может содержать инструменты, включая, но, не ограничиваясь ими, прибор каротажа сопротивления, прибор акустического каротажа, прибор гамма-каротажа, прибор ядерного каротажа, прибор для отбора глубинных проб, керновый буровой инструмент и прибор ядерно-магнитного каротажа. Данные устройства известны в данной области техники и поэтому в данной заявке не описываются подробно. Буровая компоновка 130 также содержит устройство 186 генерирования электроэнергии и подходящий блок 188 телеметрической аппаратуры, в котором может использоваться любой подходящий способ телеметрии, в том числе, но не ограничиваясь ими, телеметрия по гидроимпульсному каналу связи, электромагнитная телеметрия, акустическая телеметрия и телеметрия с использованием трубы со встроенным кабелем для передачи сигналов. Данные методы телеметрии известны в данной области техники и поэтому не описаны подробно в данной заявке. Как уже упоминалось выше, буровая компоновка 130 дополнительно содержит блок управления направлением бурения или сегмент или узел 150, который позволяет оператору управлять буровым долотом 155 в нужных направлениях, чтобы пробурить наклонно-направленные стволы скважин. Для стабилизации сегмента управления направлением бурения вдоль сегмента 150 управления направлением бурения предусмотрены стабилизаторы бурильной колонны, такие как стабилизаторы 162 и 164. Для стабилизации буровой компоновки 130 могут использоваться дополнительные стабилизаторы, такие как стабилизатор 166. Скважинный контроллер 170 может содержать процессор 172, такой как микропроцессор, запоминающее устройство 174 и программу 176, выполненную с возможностью доступа для процессора 172. Контроллер 170 обменивается данными с поверхностным контроллером 190 для управления различными функциями и операциями инструментов и устройств в буровой компоновке. Во время бурения блок 150 управления направлением бурения управляет наклоном и направлением бурового долота 155, как более подробно описано со ссылкой на Фиг. 2-3.

[00012] На Фиг. 2 проиллюстрирован схематический вид блока 150 управления направлением бурения, который содержит исполнительное устройство или блок 160 для наклона раздробляющего устройства, такого как буровое долото 155, относительно устройства 165 изменения угла наклона на долоте 155 в соответствии с одним неограничивающим вариантом реализации изобретения. Буровое долото, которое содержит устройство изменения наклона, в данной заявке также называется «наклоняемым буровым долотом». В варианте реализации изобретения на Фиг. 2, буровое долото 155 может содержать корпус 202 долота, который соединен с хвостовиком 204 долота. Хвостовик 204 долота может быть закреплен в корпусе 202 долота с помощью соединителя 206. Кольцевой зазор 207 отделяет по меньшей мере часть хвостовика 204 долота и соединитель 206. Зазор 207 обеспечивает пространство для наклона корпуса 202 долота. Хвостовик 204 долота может иметь конец 212, который выполнен с возможностью соединения с корпусом или вспомогательным элементом 231, связанным с исполнительным устройством 160. Например, конец 212 может быть резьбовым соединением 213.

[00013] В некоторых вариантах реализации изобретения исполнительное устройство 160 можно рассматривать как выборочно соединенное с буровым долотом 155, причем буровое долото 155 может быть извлечено из корпуса 231 без разборки или иного нарушения работы исполнительного устройства 160. В варианте реализации изобретения на Фиг. 2, наклон бурового долота происходит относительно опорного элемента 214, расположенного внутри корпуса бурового долота 202, когда исполнительное устройство 160 прикладывает силы к соединителю 206, соединенному с хвостовиком 204 долота. Хвостовик 204 долота может быть выполнен в виде соединения универсального типа, соединения карданного типа, гомокинетического шарнира, шарнира постоянной угловой скорости, шарнирно-шарового соединения, шарнира Гука, переходника универсального сочленения, шарнира, в котором используются эластомерные элементы, или любого другого соединения, подходящего для передачи крутящего момента с возможностью обеспечения большого угла сочленения. В одной конфигурации, передающие крутящий момент элементы 216, которые могут быть шариковыми элементами, прикрепляют, с возможностью вращения, хвостовик 204 бурового долота к корпусу 202 бурового долота. Таким образом, хвостовик 204 бурового долота и корпус 202 бурового долота вращаются вместе. В варианте реализации изобретения на Фиг. 2 проиллюстрировано, что устройство 165 изменения наклона содержит хвостовик 204 долота, опорный элемент 214, элементы 216 для передачи крутящего момента и соединитель 206. Устройство 165 изменения наклона также можно рассматривать как устройство, которое содержит шарнир (комбинацию вала 204 долота, опорную конструкцию 214 и передающий крутящий момент элемент 216 или другую подходящую конструкцию) и регулятор, который содержит примыкающий элемент, контактирующий с исполнительным устройством, например, соединитель 206, в котором приложение сил к стопорному элементу вызывает наклон бурового долота 155 относительно шарнира на выбранный угол вдоль требуемого направления. Кроме того, устройство 165 изменения наклона в варианте реализации изобретения на Фиг. 2 вставлено в буровое долото 155 или выполнено с ним как единое целое. Во время бурения буровая жидкость 179 подается к буровому долоту 155 через отверстие 217. Буровая жидкость 179, подаваемая под давлением с поверхности, выталкивается из корпуса 202 бурового долота через каналы 220 для охлаждения и смазки поверхности 201 долота и перемещения бурового шлама 151 (Фиг. 1) от нижней части 110а ствола скважины (Фиг. 1) на поверхность 167. Поскольку буровая жидкость 179 находится под относительно высоким давлением, для предотвращения проникновения буровой жидкости 179 внутрь корпуса 202 бурового долота могут использоваться уплотнительные элементы. Например, уплотнения 222 могут использоваться для обеспечения герметичного уплотнения или камеры, содержащей смазку, вокруг области 224, которая содержит сопрягаемые поверхности хвостовика 204 долота и корпуса 202 долота. Область 224 может быть заполнена консистентной смазкой, маслом или другой подходящей жидкостью, чтобы смазывать область и минимизировать загрязнение буровой жидкостью 179 или другими нежелательными материалами.

[00014] Обращаясь снова к Фиг. 1 и 2, в одном неограничивающем варианте реализации изобретения исполнительное устройство 160 может быть расположено в корпусе 231 и связано с устройством 165 изменения наклона. Исполнительное устройство 160 может быть устройством, которое преобразует вращательное движение в линейное или осевое движение или перемещение для приложения усилия к устройству 165 изменения наклона. В варианте реализации изобретения на Фиг. 2 проиллюстрировано, что исполнительное устройство 160 содержит вращающийся или выполненный с возможностью вращения элемент, который может быть наклонной шайбой 260, имеющей наклон 262 на ее торцевой поверхности или внешней поверхности 262а. Двигатель, такой как электродвигатель 270, соединенный с вращающимся элементом 260, выполнен с возможностью вращения вращающегося элемента 260 как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. В одном варианте реализации изобретения двигатель 270 может вращать вращающийся элемент 260 по меньшей мере до скорости вращения буровой компоновки 130 (Фиг. 1) в направлении, противоположном направлению вращения буровой компоновки 130. Исполнительное устройство 160 дополнительно содержит один или более элементов приложения силы, таких как стержень 272, имеющий один конец 272а, находящийся в контакте с поверхностью 262а вращающегося элемента, и другой конец 272b, соединенный с концом 206а соединителя 206 устройства 165 изменения наклона. Уплотнительный элемент, такой как трубка 245, расположенный внутри корпуса 231, изолирует двигатель 270 от текучей среды 179.

[00015] Обращаясь снова к Фиг. 1 и 2, для бурения наклонно-направленного участка ствола скважины буровую компоновку 130 вращают с выбранной скоростью вращения (об/мин), обычно по часовой стрелке. В конфигурации устройства управления направлением бурения, проиллюстрированной на Фиг. 2, двигатель 270 вращает вращающийся элемент 260 практически с той же скоростью вращения, что и скорость буровой компоновки 130, в противоположном направлении, то есть против часовой стрелки. Данный способ обеспечивает поддержание вращающегося элемента 260 и угла наклона бурового долота геостационарным или практически геостационарным относительно ствола 110 скважины. Поскольку буровая компоновка 130 вращается, элемент 272 приложения силы перемещается в осевом направлении из-за наклона 262 вращающегося элемента 260, прикладывая осевую силу к концу 206а соединителя 206 устройства 165 изменения наклона, тем самым наклоняя буровое долото 155 относительно устройства 165 изменения наклона вдоль оси 218 буровой компоновки 130. Трение между поверхностью вращающегося элемента 260 и элементом 272 приложения силы может быть уменьшено с помощью подшипника, такого как осевой игольчатый или роликовый подшипник, расположенного между ними в месте 280. Подшипник может быть любым подходящим подшипником, включая, но не ограничиваясь этим, полимерный подшипник скольжения, подшипник скольжения с алмазным покрытием, осевой игольчатый подшипник, осевой шариковый подшипник и осевой роликовый подшипник.

[00016] В некоторых вариантах реализации изобретения, элемент 272 приложения силы проходит по кольцевому зазору 216, отделяющему корпус 231 и соединитель 206. Ширина зазора 219 может быть фактором, который ограничивает величину или степень наклона корпуса 202 долота. Для управления наклоном долота на корпусе 202 долота может быть выполнен бурт 230. Бурт 230 может частично проходить через зазор 219, чтобы уменьшить эффективную ширину зазора и, следовательно, ограничить величину наклона. В некоторых вариантах реализации изобретения, бурт 230 может быть регулируемым. Элемент 272 приложения силы может быть жестким элементом, таким как стержень, который входит в зацепление и прикладывает опрокидывающую силу к концу 206а соединителя 206. В качестве варианта, элемент 272 может быть нежестким элементом. Он может содержать один или более упругих сегментов или может быть узлом, который содержит жесткие элементы и пружины. Пружины могут быть выполнены из металла или могут быть гидроцилиндрами с использованием в качестве упругого элемента текучей среды под давлением. Эластичный сегмент, или сегменты, элемента 272 могут быть предварительно сжаты, например, с использованием осевых сил, создаваемых посредством резьбового соединения между хвостовиком 204 долота и корпусом 231. Упругое сопротивление элемента 272 ограничивает крутящий момент, необходимый для вращения вращающегося элемента 260 двигателем 270. Поэтому внешние силы, действующие на корпус 202 наклоняемого бурового долота, не могут блокировать вращение вращающегося элемента 260, при условии, что максимальный крутящий момент двигателя 270 является достаточно большим, чтобы преодолеть максимальные силы, создаваемые упругим сегментом элемента 270 приложения силы, толкающие вращающийся элемент 260. Используемый в данной заявке термин опрокидывающая сила относится к силе, приложенной к указанному азимутальному местоположению на корпусе 202 долота, которая вызывает наклон корпуса 202 долота в требуемом направлении. Элемент приложения силы в данной заявке может быть жестким или нежестким элементом. В одном варианте реализации изобретения, элемент приложения силы является предварительно сжатым элементом, имеющим силу предварительного сжатия, которая по меньшей мере частично создается осевым усилием, возникающим в результате соединения раздробляющего устройства с корпусом, который содержит исполнительное устройство.

[00017] Снова ссылаясь на Фиг. 1 и 2, вышеописанная буровая компоновка 130 будет формировать не прямолинейный участок ствола 110 скважины с практически постоянным радиусом кривизны в течение всего времени, пока вращающийся элемент удерживается в геостационарном положении путем сопоставления его скорости вращения против часовой стрелки со скоростью вращения буровой компоновки 130 по часовой стрелке. Изменения радиуса кривизны траектории бурения могут быть достигнуты посредством изменения режима работы устройства управления направлением бурения. Это может быть обеспечено путем преднамеренного переключения или изменения направления вращения вращающегося элемента 260, что приводит к бурению с кривизной, которая меньше максимальной, включая бурение практически прямого ствола скважины.

[00018] На Фиг. 3 проиллюстрирован альтернативный вариант реализации устройства 300 управления направлением бурения. Устройство 300 управления направлением бурения содержит устройство 165 изменения наклона в буровом долоте 155 и исполнительное устройство 360. Исполнительное устройство 360 также содержит вращающийся элемент 260, имеющий наклон на его поверхности 262a, и двигатель 270, выполненный с возможностью вращения вращающегося элемента 260, чтобы поддерживать данный элемент в геостационарном или практически геостационарном положении при вращении буровой компоновки 130 (Фиг. 1), как описано со ссылкой на Фиг. 2. Один или более элементов 272 приложения силы, соединенных с вращающимся элементом 260, прикладывают усилие к устройству 165 изменения наклона посредством способа, описанного со ссылкой на Фиг. 2. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 2, вращающийся элемент 260 показан в вертикальном положении относительно оси 218. В варианте реализации изобретения на Фиг. 3 исполнительное устройство 360 дополнительно содержит механизм или устройство для активного изменения угла наклона вращающегося элемента 260 из его вертикального положения или другого исходного положения. В одном варианте реализации изобретения, такой механизм содержит двигатель 310, который приводит в движение или приводит в действие привод 320 регулировки угла наклона, соединенный с элементом 380 регулировки угла наклона, для регулировки или изменения угла наклона вращающегося элемента 260. Элемент 380 также может быть вращающимся элементом, таким как наклонная шайба, соединенная с вращающимся элементом 260. Двигатель 310 выполнен с возможностью перемещения привода 320 для увеличения и/или уменьшения угла наклона вращающегося элемента 260 для увеличения или уменьшения наклона бурового долота 155. Во время буровых работ бурильная колонна 120 вращается с определенной скоростью вращения в одном направлении, причем двигатель 270 вращает вращающийся элемент 260 в противоположном направлении, практически с той же скоростью вращения, что и скорость вращения бурильной колонны 120, чтобы поддерживать вращающийся элемент 260 практически в геостационарном положении относительно ствола скважины. Элемент 272 приложения силы прикладывает осевое усилие к буровому долоту 155, чтобы наклонить буровое долото 155 относительно устройства 165 изменения наклона. Двигатель 310 избирательно приводит в действие привод 320 для изменения наклона вращающегося элемента 260 и, следовательно, бурового долота 155. Изменение угла наклона вращающегося элемента 260 также может быть достигнуто путем использования любого другого подходящего устройства, включая, но не ограничиваясь этим, использование одного или более пьезоэлектрических приводов, устройств из сплава с памятью формы, а также клапанных и гидравлических поршневых устройств. Вращение вращающегося элемента 260 в противоположном направлении также может быть обеспечено посредством использования других устройств, включая, но не ограничиваясь этим, использование гидравлического двигателя, питание которого обеспечивается с помощью текучей среды под давлением от гидравлического насоса.

[00019] Возвращаясь к Фиг. 1-3, в любом из вариантов реализации устройства управления направлением бурения, контроллер в буровой компоновке 130, такой как скважинный контроллер 170, может быть запрограммирован для изменения или регулировки скорости вращения вращающегося элемента 260 и для регулировки угла наклона вращающегося элемента 260 посредством управления работой двигателей 270 и 310, соответственно. Скважинный контроллер 170 может управлять устройством 300 управления направлением бурения в ответ на один или более представляющих интерес измеренных скважинных параметров или в ответ на один или более параметров, сохраненных в скважинной памяти или переданных с поверхности. Представляющие интерес параметры могут включать, но не ограничиваются этим, предварительно сохраненную или предварительно заданную траекторию бурения, параметры, полученные от датчиков направления, включая акселерометры, гироскопы и магнитометры, а также любые датчики оценки физико-механических свойств пласта. Также контроллеры 170 и 190 могут обмениваться данными друг с другом для управления любым параметром устройства управления направлением бурения, включая исполнительные устройства 160 и 360, выполненные в соответствии с вариантом реализации данного изобретения.

[00020] Вышеприведенное описание изобретения относится к определенным примерным неограничивающим вариантам реализации изобретения. Различные модификации будут очевидны для специалистов в данной области техники. Предполагается, что все такие модификации в пределах объема прилагаемой формулы изобретения будут охвачены вышеприведенным описанием изобретения. Слова «содержащий» и «содержит», используемые в формуле изобретения, следует интерпретировать как означающие «включающий, но не ограничивающийся этим». Кроме того, реферат не должен использоваться для ограничения объема формулы изобретения.

Группа изобретений относится к области наклонно-направленного бурения. Устройство для использования при бурении ствола скважины содержит раздробляющее устройство, содержащее устройство изменения наклона, выполненное с возможностью наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона, и электромеханическое исполнительное устройство, содержащее по меньшей мере один элемент приложения силы, который переносит усилие на раздробляющее устройство для наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона и вращающийся элемент, имеющий наклонную поверхность, соприкасающуюся по меньшей мере с одним элементом приложения силы, выполненным с возможностью вызывать возвратно-поступательное движение элемента приложения силы, чтобы перенести усилие на раздробляющее устройство. Вращающийся элемент является наклонной шайбой, которая выполнена с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения раздробляющего устройства для поддержания наклона раздробляющего устройства относительно ствола скважины геостационарным. Обеспечивается поддержание вращающегося элемента и угла наклона бурового долота геостационарным. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для использования при бурении ствола скважины, содержащее:

раздробляющее устройство, содержащее устройство изменения наклона, выполненное с возможностью наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона; и

электромеханическое исполнительное устройство, содержащее:

по меньшей мере один элемент приложения силы, который переносит усилие на раздробляющее устройство для наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона; и

вращающийся элемент, имеющий наклонную поверхность, соприкасающуюся по меньшей мере с одним элементом приложения силы, выполненным с возможностью вызывать возвратно-поступательное движение элемента приложения силы, чтобы перенести усилие на раздробляющее устройство, причем вращающийся элемент является наклонной шайбой, которая выполнена с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения раздробляющего устройства для поддержания наклона раздробляющего устройства относительно ствола скважины геостационарным.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электромеханическое исполнительное устройство преобразует вращательное движение в осевое перемещение по меньшей мере одного элемента приложения силы, который переносит осевое усилие на раздробляющее устройство для изменения наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один элемент приложения силы выбирают из группы, содержащей: жесткий элемент; нежесткий элемент; элемент, который содержит эластичный сегмент; и предварительно сжатый элемент, имеющий силу предварительного сжатия, которая по меньшей мере частично создается осевым усилием, возникающим в результате соединения раздробляющего устройства с корпусом, который содержит электромеханическое исполнительное устройство.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что наклон раздробляющего устройства при вращении раздробляющего устройства остается геостационарным относительно ствола скважины.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вращающийся элемент содержит наклон на его поверхности и соприкасается по меньшей мере с одним элементом приложения силы, причем наклон вращающегося элемента определяет по меньшей мере частично наклон раздробляющего устройства при бурении ствола скважины.

6. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее контроллер, который изменяет скорость вращения вращающегося элемента для изменения наклона раздробляющего устройства.

7. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее устройство, которое изменяет угол наклона вращающегося элемента для изменения наклона раздробляющего устройства.

8. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее контроллер, который изменяет режим работы вращающегося элемента для изменения кривизны радиуса ствола скважины.

9. Способ бурения ствола скважины, включающий:

спуск в ствол скважины буровой компоновки, содержащей на конце раздробляющее устройство, причем раздробляющее устройство содержит устройство изменения наклона и электромеханическое исполнительное устройство, которое содержит:

по меньшей мере один элемент приложения силы, который переносит усилие на раздробляющее устройство для наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона; и

вращающийся элемент, имеющий наклонную поверхность, соприкасающуюся по меньшей мере с одним элементом приложения силы, выполненным с возможностью вызывать возвратно-поступательное движение элемента приложения силы, чтобы перенести усилие на раздробляющее устройство, причем наклон вращающегося элемента определяет по меньшей мере частично наклон раздробляющего устройства, и вращающийся элемент является наклонной шайбой, которая выполнена с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения раздробляющего устройства для поддержания наклона раздробляющего устройства относительно ствола скважины геостационарным; и

вращение буровой компоновки для вращения раздробляющего устройства;

приведение в действие электромеханического исполнительного устройства для возвратно-поступательного движения по меньшей мере одного элемента приложения силы, чтобы перенести усилие на раздробляющее устройство для наклона раздробляющего устройства относительно устройства изменения наклона для формирования наклонно-направленного участка ствола; и

вращение наклонной шайбы в направлении, противоположном направлению вращения буровой компоновки с одинаковой скоростью вращения буровой компоновки для поддержания геостационарного наклона раздробляющего устройства.

10. Способ по п. 9, дополнительно включающий изменение режима работы вращающегося элемента для изменения кривизны ствола скважины.

11. Способ по п. 9, дополнительно включающий изменение угла наклона вращающегося элемента для изменения наклона раздробляющего устройства.