РОТОРНАЯ УПРАВЛЯЕМАЯ БУРОВАЯ КОМПОНОВКА С ВРАЩАЮЩИМСЯ РУЛЕВЫМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ БУРЕНИЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН Российский патент 2022 года по МПК E21B7/06 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] В этой заявке заявлен приоритет по заявке США №15/210669, поданной 14 июля 2016 года, включенной в данный документ в полном объеме посредством ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0002] Данное изобретение в целом относится к роторным буровым системам для бурения наклонно направленных скважин, и в частности к буровой компоновке, использующей вращающееся рулевое устройство, для бурения наклонно направленных скважин.

2 УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Скважины или стволы скважин формируют для добычи углеводородов (нефти и газа) из зон подземных пластов, которые содержат такие углеводороды. Для бурения ствола наклонно направленной скважины используют буровую компоновку (также называемую компоновкой низа бурильной колонны или «КНБК»), содержащую рулевое устройство, соединенное с буровым долотом. Указанное рулевое устройство наклоняет нижнюю часть буровой компоновки на выбранную величину и по выбранному направлению, формируя наклонно направленные части ствола скважины. Для бурения стволов наклонно направленных скважин предлагали и использовали рулевые устройства различных типов. Буровая компоновка содержит также целый ряд датчиков и приборов, предоставляющих разнообразную информацию, относящуюся к толще пород и параметрам бурения.

[0004] В одном таком рулевом устройстве используется исполнительный механизм, в котором поворотный клапан отклоняет поток бурового раствора в направлении поршневого привода, а весь корпус прибора вместе с клапаном вращается внутри ствола скважины. В таком механизме срабатывание клапана регулируется относительно текущего углового положения внутри ствола скважины (вверх, вниз, влево, вправо). Блок управления сохраняет стационарное угловое положение (также называемое геостационарным) относительно ствола скважины. Например, если во время бурения бурильная колонна, а следовательно и буровая компоновка вращается со скоростью 60 об/мин по часовой стрелке, блок управления, приводимый в движение, например, электрическим двигателем, вращается со скоростью 60 об/мин против часовой стрелки. Для сохранения стационарного углового положения блок управления может содержать навигационные устройства, такие как акселерометр и магнитометр. В таких системах сила привода зависит от перепада давления между давлением внутри прибора и давлением в кольцевом пространстве снаружи прибора. Этот перепад давления сильно зависит от рабочих параметров и варьируется в широком диапазоне. Ход поршня привода представляет собой реакцию, зависящую от силы давления, действующего на поршни привода. Ни силой, ни ходом поршня точно управлять нельзя. В документе US 2012/0018225 предлагается устройство для формирования ствола скважины, которое включает вал, имеющий концевую часть, и корпус бурового долота, который может наклоняться вокруг концевой части. В этой конструкции обеспечивается наклон только бурового долота, и не предполагается наличия первой секции, присоединенной к буровому долоту, и исполнительного устройства, вызывающего наклон устройства наклона, заставляющий соединенную с буровым долотом первую секцию наклоняться относительно второй секции по выбранному направлению во время вращения рулевого устройства, как это предлагается в настоящем изобретении. Такая конструкция, как в US 2012/0018225, не предполагает возможность размещение шарнира внутри первой секции, которая прикреплена к буровому долоту, а не внутри самого бурового долота, что облегчает процесс замены бурового долота.

[0005] Изобретение, представленное в данном документе, предлагает систему бурения, использующую рулевое устройство, которое для бурения наклонно направленных скважин использует исполнительные механизмы, вращающиеся вместе с буровой компоновкой.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] В одном аспекте изобретения предлагается буровая компоновка для использования в бурении скважины, содержащая: рулевое устройство, содержащее устройство наклона и исполнительное устройство, причем первая секция и вторая секция указанной буровой компоновки соединены через указанное устройство наклона, и при этом первая секция присоединена к буровому долоту, и при этом указанное исполнительное устройство вызывает наклон устройства наклона, заставляющий соединенную с буровым долотом первую секцию наклоняться относительно второй секции по выбранному направлению во время вращения рулевого устройства. В частных вариантах выполнения исполнительное устройство прикладывает усилия к устройству наклона, способом, сохраняющим геостационарное положение наклона устройства наклона во время вращения рулевого устройства. Устройство наклона содержит регулятор, и исполнительное устройство прикладывает к регулятору усилия для перемещения по выбранному направлению. Исполнительное устройство выполнено с возможностью селективного регулирования перемещения по меньшей мере его части для обеспечения наклона соединенной с буровым долотом первой секции и бурового долота с выбранным углом наклона относительно второй секции. Устройство наклона дополнительно содержит шарнир, соединенный с исполнительным устройством, причем приложение усилий к регулятору исполнительным устройством заставляет соединенную с буровым долотом первую секцию и буровое долото наклоняться вокруг шарнира относительно второй секции. Устройство наклона представляет собой гидравлическое устройство, и исполнительное устройство приводит в действие указанное гидравлическое устройство, обеспечивающее наклон соединенной с буровым долотом первой секции и бурового долота относительно второй секции. При этом исполнительное устройство селективно управляет клапаном указанного гидравлического устройства, отводящим флюид, текущий через буровую компоновку, вызывая наклон соединенной с буровым долотом первой секции и бурового долота относительно второй секции. Исполнительное устройство содержит три или большее количество расположенных на расстоянии друг от друга исполнительных механизмов, и каждый из этих исполнительных механизмов выполнен с возможностью прикладывания усилия к соответствующему опорному элементу из трех или большего количества опорных элементов устройства наклона. Буровая компоновка дополнительно содержит контроллер, управляющий перемещением по меньшей мере одного исполнительного механизма из трех или большего количества расположенных на расстоянии друг от друга исполнительных механизмов. При этом по меньшей мере три или большее количество опорных элементов выбраны из группы, состоящей из: кулачка; коленчатого вала; эксцентрикового элемента; клапана; элемента наклонной панели и рычага. Контроллер управляет наклоном устройства наклона в зависимости от интересующего параметра, полученного от навигационного датчика, выбранного из группы, состоящей из: акселерометра; гироскопа; и магнитометра.

[0007] В другом аспекте изобретения предлагается способ формирования ствола скважины, который включает: подачу в скважину буровой компоновки, причем указанная буровая компоновка содержит буровое долото на своем конце, рулевое устройство, содержащее устройство наклона и исполнительное устройство, при этом первая секция и вторая секция указанной буровой компоновки соединены через указанное устройство наклона, причем указанное исполнительное устройство наклоняет устройство наклона, заставляя первую секцию, соединенную с буровым долотом, и буровое долото наклоняться относительно второй секции вокруг указанного устройства наклона по выбранному направлению во время вращения рулевого устройства; бурение скважины с помощью бурового долота; и активацию исполнительного устройства для наклона устройство наклона, заставляющего соединенную с буровым долотом первую секцию и буровое долото наклоняться относительно второй секции, и сохранения геостационарного наклона во время вращения буровой компоновки, формирующей наклонно направленный участок ствола скважины. В частных вариантах осуществления устройство наклона содержит регулятор и шарнир, и способ дополнительно включает приложение усилий к регулятору, наклоняющему шарнир, заставляя соединенную с буровым долотом первую секцию и буровое долото наклоняться относительно второй секции по выбранному направлению. Исполнительное устройство содержит множество расположенных на расстоянии друг от друга исполнительных механизмов, причем каждый такой исполнительный механизм выполнен с возможностью приложения усилия к опорному элементу устройства наклона. Исполнительное устройство содержит множество расположенных на расстоянии друг от друга исполнительных механизмов, и способ дополнительно включает инициирование выполнения каждым из множества исполнительных механизмов одного хода из своего среднего положения за оборот буровой компоновки, бурящей наклонно направленный участок ствола скважины.

[0008] Примеры некоторых особенностей устройств и способов были обобщены достаточно широко для того, чтобы следующее их подробное описание было более понятным, и для того, чтобы можно было оценить вклад в данную область техники. Конечно, имеются дополнительные особенности, которые будут описаны далее в данном документе, и которые составляют объект формулы изобретения.

ГРАФИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

[0009] Для глубокого понимания устройства и способов, описываемых в данном документе, следует использовать приложенные графические материалы и их подробное описание, где идентичные элементы имеют одинаковые числовые обозначения, и на которых:

Фиг. 1 показывает принципиальную схему типовой системы бурения, которая может использовать рулевое устройство для бурения наклонно направленных скважин, согласно одному варианту реализации изобретения, не имеющему ограничительного характера;

Фиг. 2 показывает изометрическую проекцию некоторых элементов электромеханического рулевого устройства, соединенного с буровым долотом для бурения наклонно направленных скважин, согласно варианту реализации изобретения, не имеющему ограничительного характера;

Фиг. 3 показывает изометрическую проекцию не имеющего ограничительного характера варианта реализации регулятора для использования в рулевом устройстве по фиг. 2;

Фиг. 4 показывает некоторые элементы модульного электромеханического исполнительного механизма для использования в рулевом устройстве по фиг. 2 согласно варианту реализации данного изобретения, не имеющему ограничительного характера;

Фиг. 5 показывает изометрическую проекцию компонентов рулевого устройства, расположенных для монтажа рулевого устройства по фиг. 2; и

Фиг. 6 представляет собой структурную схему буровой компоновки, использующей рулевое устройство, имеющее исполнительное устройство и гидравлическое устройство приложения усилий, согласно варианту реализации данного изобретения, не имеющему ограничительного характера.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Фиг. 1 представляет собой принципиальную схему типовой роторной управляемой системы 100 бурения, которая использует рулевое устройство (также называемое рулевым блоком или рулевым узлом) в буровой компоновке для бурения вертикальных и наклонно направленных скважин и сохраняет геостационарное или по существу геостационарное положение во время вращения рулевого устройства. Наклонно направленная скважина - это любая невертикальная скважина. Показана система 100 бурения, включающая ствол 110 скважины (также называемый «буровая скважина» или «скважина»), формируемый в пласте 119, содержащий верхнюю часть 111 ствола скважины с установленной в ней обсадной колонной 112 и нижнюю часть 114 ствола скважины, которую бурит бурильная колонна 120. Бурильная колонна 120 содержит трубчатый элемент 116, имеющий буровую компоновку 130 (также называемую «компоновка низа бурильной колонны» или «КНБК») на нижнем конце. Бурильный трубчатый элемент 116 может представлять собой бурильную трубу, изготовленную путем соединения секций трубы. Буровая компоновка 130 соединена с устройством 155, таким как буровое долото или другое подходящее режущее устройство, закрепленное на ее нижнем конце. Буровая компоновка 130 также содержит ряд устройств, приборов и датчиков, описанных ниже. Буровая компоновка 130 дополнительно содержит рулевое устройство 150, направляющее секцию буровой компоновки 130 по любому желаемому направлению, методику чего часто называют геонавигацией. В одном варианте реализации изобретения, не имеющем ограничительного характера, рулевое устройство 150 содержит устройство 161 наклона и исполнительное устройство, механизм или узел 160 (например, электромеханическое устройство или гидравлическое устройство), которое наклоняет одну секцию, например, нижнюю секцию 165 буровой компоновки 130, относительно другой секции, например, верхней секции 166 буровой компоновки 130. Секция 165 соединена с буровым долотом 155. В целом, исполнительное устройство наклоняет устройство 161 наклона, которое в свою очередь заставляет нижнюю секцию 165, а таким образом и буровое долото 155, направляться или наклоняться в выбранной степени по желаемому или выбранному направлению, как более подробно описано со ссылкой на Фиг. 2-6.

[0011] Также согласно Фиг. 1, показана бурильная колонна 120, подаваемая в ствол скважины 110 с типовой буровой установки 180 на поверхности 167. Типовая буровая установка 180 на Фиг. 1 показана в виде наземной буровой установки для простоты объяснения. Устройство и способы, описываемые в данном документе, можно использовать также с морскими буровыми установками. Роторный стол 169 или верхний привод 169а, соединенный с бурильной трубой 116 может использоваться для вращения бурильной колонны и 120 буровой компоновки 130. Блок 190 управления (также называемый контроллером или поверхностным контроллером), который может представлять собой компьютерную систему, на поверхности 167 может использоваться для приема и обработки данных, передаваемых различными датчиками и приборами (описываемыми позже) в буровой компоновке 130 и для управления выбранными операциями различных устройств и датчиков в буровой компоновке 130, в том числе рулевого устройства 150. Поверхностный контроллер 190 может содержать процессор 192, устройство 194 хранения данных (или машиночитаемый носитель) для хранения данных и компьютерных программ 196, доступных для процессора 192, для определения различных интересующих параметров во время бурения скважины 110 и для управления выбранными операциями различных приборов в буровой компоновке 130 и операциями бурения скважины 110. Устройство хранения данных 194 может представлять собой любое подходящее устройство, в том числе, но без ограничения, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), флэш-память, магнитную ленту, жесткий диск и оптический диск. Для бурения скважины 110 буровую жидкость 179 закачивают под давлением в трубчатый элемент 116, эта жидкость проходит через буровую компоновку 130 и выходит в нижней части 110а бурового долота 155. Буровое долото 155 разрушает породу пласта на буровой шлам 151. Буровая жидкость 179 возвращается на поверхность 167 вместе с буровым шламом 151 через кольцевое пространство 127 (также называемое затрубным пространством) между бурильной колонной 120 и стволом скважины 110.

[0012] Также согласно Фиг. 1, буровая компоновка 130 может дополнительно содержать один или большее количество внутрискважинных датчиков (также называемых датчиками измерения во время бурения (ИВВБ)) и датчиков или приборов каротажа во время бурения (КВВБ), коллективно называемых внутрискважинными устройствами и обозначенными числовым обозначением 175, и по меньшей мере один блок управления или контроллер 170 для обработки данных, получаемых от датчиков 175. Внутрискважинные устройства 175 могут включать датчики для предоставления результатов измерений, относящихся к различным параметрам бурения, в том числе, но без ограничения, вибрации, биению, прилипанию-проскальзыванию, скорости потока, давлению, температуре и осевой нагрузке на долото. Буровая компоновка 130 может дополнительно содержать приборы, в том числе, но без ограничения, прибор каротажа сопротивления, прибор акустического каротажа, прибор гамма-каротажа, прибор радиоактивного каротажа и прибор ядерно-магнитного каротажа. Такие устройства известны в данной области техники, и поэтому не описаны подробно в данном документе. Буровая компоновка 130 также содержит устройство 186 генерирования электроэнергии и подходящую телеметрическую установку 188, которая может использовать любую подходящую технологию телеметрии, в том числе, но без ограничения, гидроимпульсную скважинную телеметрию, электромагнитную телеметрию, акустическую телеметрию и сигналопроводящие трубы. Такие технологии телеметрии известны в данной области техники, и поэтому не описаны подробно в данном документе. Буровая компоновка 130, как упомянуто выше, содержит рулевое устройство 150, которое позволяет оператору направлять буровое долото 155 в желаемых направлениях для бурения наклонно направленных скважин, когда буровая компоновка вращается, и сохранять геостационарное или по существу геостационарное положение рулевого устройства. Вдоль нижней секции 165 и верхней секции 166 предусмотрены стабилизаторы, такие как стабилизаторы 162 и 164, стабилизирующие рулевую секцию 150 и буровое долото 155. Дополнительные стабилизаторы могут использоваться для стабилизации буровой компоновки 130. Контроллер 170 может содержать процессор 172, такой как микропроцессор, устройство 174 хранения данных, такое как твердотельная память, и программу 176, доступную для процессора 172. Контроллер 170 обменивается данными с контроллером 190, управляя различными функциями и операциями приборов и устройств в буровой компоновке. Во время бурения рулевое устройство 150 управляет наклоном и направлением бурового долота 155, как более подробно описано со ссылкой на Фиг. 2-6.

[0013] Фиг. 2 показывает изометрическую проекцию некоторых элементов или компонентов рулевого устройства 150, используемого в буровой компоновке, такой как буровая компоновка 130 по Фиг. 1, управляющего буровым долотом 155 или наклоняющего его для бурения наклонно направленных скважин, согласно одному варианту реализации данного изобретения, не имеющему ограничительного характера. Буровая компоновка 130 содержит корпус или кожух 210 для размещения различных элементов или компонентов рулевого устройства 150. Рулевое устройство 150 содержит устройство 161 наклона и исполнительное устройство 160 для наклона нижней секции 165 по отношению к верхней секции 166. В одном варианте реализации изобретения, не имеющем ограничительного характера, устройство 161 наклона содержит регулятор 242 и шарнир 244. Верхняя секция 166 и нижняя секция 165 соединены шарниром 244. Регулятор 242 соединен с шарниром 244 таким способом, что когда регулятор 242 перемещается на определенную величину по определенному направлению, он заставляет шарнир 244 наклоняться соответствующим образом. Исполнительное устройство 160 может наклонять устройство 161 наклона по любому направлению и на любую желаемую величину, заставляя нижнюю секцию 165, а таким образом и буровое долото 155 направляться в любом желаемом направлении вокруг выбранной точки или места в буровой компоновке 130. Регулятор 242 может представлять собой винтовую стяжку или другое подходящее устройство. Шарнир 244 может представлять собой один из карданного шарнира, гомокинетического шарнира, шарнира постоянной угловой скорости, универсального шарнира, шарнирно-шарового соединения, шарнира Гука, переходника универсального сочленения или другого подходящего устройства. Шарнир 244 передает осевые и крутящие нагрузки между верхней секцией 166 и нижней секцией 165, сохраняя при этом угловую гибкость между указанными двумя секциями. Стабилизаторы 162 и 164 расположены в подходящих точках вокруг рулевого устройства 150, например, один вокруг нижней секции 165, а другой вокруг верхней секции 166, обеспечивая стабильность рулевого устройства 150 и бурового долота 155 во время операций бурения. В одном варианте реализации изобретения, не имеющем ограничительного характера, исполнительное устройство 160 дополнительно содержит подходящее количество, например, три или более, электромеханических исполнительных механизмов, таких как исполнительные механизмы 222а, 222b и 222с, расположенных радиально на расстоянии друг от друга в исполнительном устройстве 160. Каждый такой исполнительный механизм соединен с соответствующим концом 242а-242с регулятора 242. В одном варианте реализации изобретения каждый исполнительный механизм представляет собой продольное устройство, имеющее нижний конец, который может выдвигаться и втягиваться, прикладывая к регулятору желаемое усилие, по существу параллельное оси 230, заставляющее регулятор 160 перемещаться вокруг продольной оси 230 рулевого устройства 150. На Фиг. 2 концы 224а-224с исполнительных механизмов 222а-222с показаны непосредственно соединенными соответственно с концами опорных элементов 242а-242с регулятора 242. Как описано со ссылкой на Фиг. 1, рулевое устройство 150 представляет собой часть буровой компоновки 130. Во время бурения, когда вращается буровая компоновка 130, вместе с ней вращается рулевое устройство 150, а таким образом и каждый исполнительный механизм. Каждый исполнительный механизм 222а-222с выполнен с возможностью приложения усилия к регулятору 242, как описано позже, и в зависимости от прилагаемых усилий, перемещение регулятора 242 заставляет нижнюю секцию 165, а таким образом и буровое долото 155 наклоняться по желаемому направлению. В варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 2, поскольку исполнительные механизмы 222а-222с механически соединены со своими соответствующими концами 242а-242с регулятора, усилия, прилагаемые такими исполнительными механизмами и их соответствующие ходы могут быть синхронизированы для задания любого желаемого направления поворота. Хотя показано, что исполнительные механизмы 222а-222с прилагают осевые усилия к регулятору 242, любое другое подходящее устройство, в том числе, но без ограничения, роторное колебательное устройство, можно использовать для приложения усилий к регулятору 242. В аспектах данного изобретения перемещение по меньшей мере части электромеханического исполнительного устройства 220 можно селективно регулировать или ограничивать (механически, например, предусмотрев упор в рулевом устройстве, или электронным способом с помощью контроллера), заставляя нижнюю секцию 165 наклоняться с выбранным углом наклона относительно верхней секции 166. Также наклон шарнира 244 можно селективно регулировать или ограничивать, заставляя нижнюю секцию 165 наклоняться с выбранным углом наклона относительно верхней секции 166.

[0014] Фиг. 3 показывает изометрическую проекцию не имеющего ограничительного характера варианта реализации регулятора 242 для использования в рулевом устройстве 150 по Фиг. 2; Согласно Фиг. 2 и 3, регулятор 242 содержит цилиндрический корпус 342 и ряд расположенных на расстоянии друг от друга опорных элементов или деталей, таких как соединители 322а, 322b и 322с, причем соединитель 322а имеет один конец 320а, соединенный с концом 342а регулятора, и другой конец 324а для непосредственного соединения с исполнительным механизмом 222а, соединитель 322b имеет один конец 320b, соединенный с концом 32а регулятора, и другой 324b для непосредственного соединения с исполнительным механизмом 222b и соединитель 322с имеет один конец 320с, соединенный с концом 32а регулятора 242, и другой конец 324 с для непосредственного соединения с исполнительным механизмом 222с. Опорные элементы могут включать такие элементы как кулачок, коленчатый вал; эксцентриковый элемент; клапан; элемент наклонной панели и рычаг. В этой конфигурации, когда исполнительные механизмы прилагают усилия к регулятору 242, регулятор 242 может создавать эксцентрическое смещение в режиме реального времени в любом желаемом направлении на любую желаемую величину вокруг оси 230 инструмента, что предоставляет буровому долоту возможность маневрирования на 360 градусов во время бурения. Усилия на опорных элементах 322а-322с создают по существу геостационарный наклон устройства 161 наклона. В альтернативном варианте реализации изобретения регулятор 242 может представлять собой гидравлическое устройство, заставляющее шарнир 244 наклонять нижнюю секцию 165 относительно верхней секции 166, как более подробно описано со ссылкой на Фиг. 6.

[0015] Фиг. 4 показывает некоторые элементы или компоненты отдельного исполнительного механизма 400 для использования в качестве любого из исполнительных механизмов 222а-222с в рулевом устройстве 150 по Фиг. 2. В одном аспекте исполнительный механизм 400 представляет собой неразъемное устройство, содержащее подвижный конец 420, который может выдвигаться и втягиваться. Исполнительный механизм 400 дополнительно содержит электрический двигатель 430, который может вращаться в направлениях по часовой стрелке и против часовой стрелки. Двигатель 430 приводит в движение редуктор 440 (по часовой стрелке или против часовой стрелки), который в свою очередь вращает ходовой винт 450, а таким образом и конец 420 в одном из осевых направлений. Исполнительный механизм 400 дополнительно содержит контур 460 управления, управляющий работой двигателя 430. Контроллер 460 содержит электрические цепи 462 и может содержать микропроцессор 464, а также запоминающее устройство 466, хранящее инструкции или программы для управления работой двигателя 430. Контур 460 управления соединен с двигателем 430 посредством проводников через шинный соединитель 470. В аспектах данного изобретения исполнительный механизм 400 может содержать также поршневое компрессорное устройство или другое подходящее устройство 480, обеспечивающее компенсацию давления для исполнительного механизма 400. Каждый такой исполнительный механизм может представлять собой неразъемное устройство, вставленное в защитный кожух, расположенный в исполнительном устройстве 150 (Фиг. 1), как описано со ссылкой на Фиг. 5. Во время бурения каждым таким исполнительным механизмом управляет свой контур управления, который может обмениваться данными с контроллером 270 (Фиг. 1) и/или контроллером 190 (Фиг. 1), прилагая усилие к регулятору 242 (Фиг. 2).

[0016] Фиг. 5 показывает изометрическую проекцию 500 компонентов рулевого устройства 150 по Фиг. 2, расположенных для монтажа рулевого устройства 150. Как описано ранее, исполнительное устройство 150 содержит верхнюю секцию 166, нижнюю секцию 165, регулятор 242 и шарнир 244 между верхней секцией 166 и нижней секцией 165. Верхняя секция 166 содержит отверстия или карманы 520а, 520b и 520с, соответствующие каждому из отдельных исполнительных механизмов, таких как исполнительные механизмы 222а-222с. Исполнительный механизм 222а вставляют в отверстие или карман 520а, исполнительный механизм 222b в отверстие или карман 520b, а исполнительный механизм 222с в отверстие или карман 520с. Исполнительные механизмы 222а-222с соединяют с верхним концом 242а регулятора 242, как описано выше со ссылкой на Фиг. 2 и 3. Регулятор 242 соединяют с нижней секцией 165 с помощью шарнира 244, завершая сборку исполнительного устройства. Рулевое устройство 150 соединяют с буровым долотом 155.

[0017] Фиг. 6 представляет собой структурную схему буровой компоновки 200, использующей рулевое устройство 250, содержащее исполнительное устройство 280 и устройство 270 наклона. Показанное исполнительное устройство 280 такое же, как показано на Фиг. 2, и содержит три или большее количество исполнительных механизмов 280а-280с, расположенных в кожухе 210. Устройство 270 наклона содержит регулятор 277 и шарнир 274. В одном варианте реализации изобретения, не имеющем ограничительного характера, регулятор 277 содержит отдельное гидравлическое устройство приложения усилий, соответствующее каждому из исполнительных механизмов 280а-280с. На ФИГ. 2 соответствующие устройства 277а-277с приложения усилий соответствуют исполнительным механизмам 282а-282 с и соединены с ними. Исполнительные механизмы 280а-280с селективно управляют своими соответствующими устройствами 277а-277с приложения усилий, наклоняя нижнюю секцию 258 относительно верхней секции 246 вокруг шарнира 274, кода вращается буровая компоновка 200, а таким образом и рулевое устройство 250. В одном варианте реализации изобретения, не имеющем ограничительного характера, каждое из устройств 277а-277с приложения усилий содержит клапан, имеющий гидравлическое сообщение с жидкостью 279 под давлением, протекающей через канал 289 в буровой компоновке 200 и камеру, содержащую поршень. В варианте реализации изобретения по Фиг. 2 В устройства 277а-277с приложения усилий соответственно содержат клапаны 276а-276с, а поршни 278а-278с соответственно расположены в камерах 281а-281с. Во время бурения рулевое устройство 250 вращается, когда буровая жидкость 279 под давлением протекает через канал 289 и выходит через отверстия или сопла 255а в буровом долоте 255. Выходящая жидкость 279а возвращается на поверхность через кольцевое пространство 291, что создает перепад давления между каналом 289 и кольцевым пространством 291. В аспектах изобретения, описываемого в данном документе, такой перепад давления используют для приведения в действие гидравлических устройств 277а-277с приложения усилий, создающих желаемый наклон нижней секции 246 относительно верхней секции 246 вокруг шарнира 274, и сохраняющих такой наклон геостационарным или по существу геостационарным во время вращения рулевого устройства 250. Чтобы наклонить буровое долото 255 посредством секций 258 и 246, исполнительные механизмы 280а-280с селективно открывают и закрывают свои соответствующие клапаны 276а-276с, позволяющие жидкости 279 под давлением из канала 289 течь в цилиндры 281а-281с, выдвигая в радиальном направлении наружу поршни 278а-278с, которые прилагают желаемые усилия к регулятору 277, наклоняя нижнюю секцию 258, а таким образом и буровое долото 255 по желаемому направлению. Каждая комбинация поршня и цилиндра может содержать промежуток, такой как промежуток 283а между поршнем 278а и цилиндром 281а и промежуток 283 с между поршнем 278с и камерой 281с. Такой промежуток позволяет жидкости, поступающей в камеру, выходить из этой камеры в кольцевое пространство 291, когда клапан открыт, и поршень втягивается обратно в свой цилиндр. В альтернативном варианте может быть предусмотрено одно или большее количество сопел или дренажных отверстий (не показаны), соединенных между цилиндром и кольцевым пространством 291, позволяющих жидкости течь из камеры в кольцевое пространство 291. Для активного управления наклоном нижней секции 258 во время вращения роторной управляемой буровой компоновки 200 указанные три или большее количество клапанов 276а-276с можно активировать последовательно и предпочтительно с частотой, совпадающей со скоростью (частотой) вращения буровой компоновки 200, создавая геостационарный наклон между верхней секцией 246 и нижней секцией 258. Например, согласно Фиг. 6, если желательно вести бурение по направлению вверх, исполнительный механизм 280с кратковременно открывается, заставляя поршень 278с выдвигаться наружу. В тот же момент исполнительный механизм 280а закрывает клапан 276а, блокируя давление из канала 289 на поршень 278а. Поскольку все поршни 276а-276с соединены механически через шарнир 274, поршень 278а возвращается или втягивается после хода поршня 278с наружу. Когда буровая компоновка 200 поворачивается, например, на 180° и в случае четырех исполнительных механизмов, распределенных на равных расстояниях друг от друга по окружности буровой компоновки 200, активация выполняется в обратном порядке, исполнительный механизм 280а открывает клапан 276а, а исполнительный механизм 280с закрывает клапан 276с, таким образом, сохраняя геостационарное направление наклона. Аналогичные способы можно использовать для наклона и сохранения геостационарного наклона в варианте реализации изобретения, показанном на Фиг. 2.

[0018] Согласно Фиг. 1-6, рулевое устройство 150, описанное в данном документе, находится в нижней части буровой компоновки 130 (Фиг. 1) роторной системы 100 бурения. Рулевое устройство 150 содержит регулятор и шарнир, соединенный с исполнительным устройством, передвигающим или наклоняющим вокруг оси буровой компоновки регулятор, который в свою очередь наклоняет шарнир. Шарнир наклоняет нижнюю секцию, содержащую буровое долото, относительно верхней секции буровой компоновки. Система передает крутящий момент от муфты к буровому долоту. В одном варианте реализации изобретения, не имеющем ограничительного характера, регулятор активно наклоняется выбранным количеством периодически активируемых электромеханических исполнительных механизмов. Указанные исполнительные механизмы вращаются с буровой компоновкой и управляются сигналами, поступающими от одного или большего количества датчиков положения в буровой компоновке 130. Можно использовать любые подходящие направленные датчики, в том числе, но без ограничения, магнитометры, акселерометры и гироскопы. Такие датчики предоставляют в режиме реального времени информацию о положении, относящуюся к ориентации ствола скважины во время бурения. В зависимости от типа и конструкции регулятора, исполнительные механизмы могут выполнять возвратно-поступательное или вращательное колебательное движение, например, исполнительные механизмы, соединенные с кулачковой или коленчатой системой, дополнительно предоставляют возможность эксцентрического смещения в любом желаемом направлении от оси буровой компоновки во время каждого оборота буровой компоновки, создавая геостационарное усилие и смещение оси регулятора.

[0019] Система 100, описываемая в данном документе, не требует от блока управления вращения корпуса прибора в противоположном направлении. Модульные исполнительные механизмы, расположенные на внешнем диаметре исполнительного устройства, получают сигналы управления от контроллера, расположенного в другой секции прибора или выше в буровой компоновке, которая может содержать также навигационные датчики. Эти навигационные датчики вращаются с буровой компоновкой. Такой механизм может анализировать и обрабатывать данные о вращательном движении буровой компоновки, рассчитывая моментальное угловое положение (во время вращения), а также генерировать команды для отдельных исполнительных механизмов по существу мгновенно. В качестве примера предположим, что буровая компоновка вращается со скоростью 1/3 оборота в секунду (20 об/мин). Текущий вектор управления должен быть направлен вверх. Предполагая, что элемент бокового усилия увеличивает эксцентричность с положительным смещением исполнительных элементов, электронное оборудование навигационного пакета определяет моментальное угловое положение буровой компоновки или рулевого устройства по отношению к геологическому пласту и отправляет команды во все исполнительные механизмы (ход и усилие). В момент ноль секунд один из исполнительных механизмов (например, самый нижний) получает команду на ход наружу на определенное расстояние. В момент 1 секунда рулевое устройство повернулось на 120 градусов, и тот же исполнительный механизм получает команду уменьшить ход приблизительно до среднего положения. В момент 1,5 секунды этот исполнительный механизм находится в самом верхнем положении, и электронное оборудование навигационного пакета отправляет команду на дополнительное уменьшение хода величины, аналогичной отправленной в ноль секунд, но отрицательной, из среднего положения. Команды постоянно отправляются в каждый исполнительный механизм со своими соответствующими требованиями к ходу. С указанными изменениями хода исполнительных механизмов угловым наклоном можно управлять и регулировать его в режиме реального времени. В такой конфигурации каждый исполнительный механизм выполняет один ход за каждый оборот прибора (положительный и отрицательный из среднего положения). Для бурения прямого участка ствола скважины все исполнительные механизмы сохраняют неподвижность в своих соответствующих средних положениях, таким образом, требуя только минимальной подачи энергии для сохранения центрального положения. Величина угла наклона и моментальное направление угла наклона управляет направлением бурения ствола скважины.

[0020] В предшествующем описании рассмотрены некоторые типовые варианты реализации изобретения, не имеющие ограничительного характера. Специалистам в данной области техники будут очевидны различные модификации. Предполагается, что все такие модификации в пределах объема приложенной формулы изобретения охвачены предшествующим описанием изобретения. Слова «содержащий» и «содержит», используемые в формуле изобретения, следует понимать в значении «включающий, но без ограничения». Кроме того, реферат не следует использовать для ограничения объема формулы изобретения.

Группа изобретений относится к роторным буровым системам для бурения наклонно направленных скважин. Буровая компоновка для использования в бурении скважины содержит рулевое устройство, содержащее устройство наклона и исполнительное устройство. Устройство наклона соединяет первую секцию и вторую секции указанной буровой компоновки. При этом первая секция присоединена к буровому долоту, а указанное исполнительное устройство вызывает наклон устройства наклона, заставляющий соединенную с буровым долотом первую секцию наклоняться относительно второй секции по выбранному направлению во время вращения рулевого устройства. Обеспечивается облегчение процесса замены бурового долота. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Буровая компоновка для использования в бурении скважины, содержащая:

рулевое устройство, содержащее устройство наклона и исполнительное устройство, причем первая секция и вторая секция указанной буровой компоновки соединены через указанное устройство наклона, и при этом первая секция присоединена к буровому долоту, и

при этом указанное исполнительное устройство вызывает наклон устройства наклона, заставляющий соединенную с буровым долотом первую секцию наклоняться относительно второй секции по выбранному направлению во время вращения рулевого устройства.

2. Буровая компоновка по п. 1, отличающаяся тем, что исполнительное устройство прикладывает усилия к устройству наклона способом, сохраняющим геостационарное положение наклона устройства наклона во время вращения рулевого устройства.

3. Буровая компоновка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что устройство наклона содержит регулятор, и тем, что исполнительное устройство прикладывает к регулятору усилия для перемещения по выбранному направлению.

4. Буровая компоновка по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что исполнительное устройство выполнено с возможностью селективного регулирования перемещения по меньшей мере его части для обеспечения наклона соединенной с буровым долотом первой секции и бурового долота с выбранным углом наклона относительно второй секции.

5. Буровая компоновка по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что устройство наклона дополнительно содержит шарнир, соединенный с исполнительным устройством, причем приложение усилий к регулятору исполнительным устройством заставляет соединенную с буровым долотом первую секцию и буровое долото наклоняться вокруг шарнира относительно второй секции.

6. Буровая компоновка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что устройство наклона представляет собой гидравлическое устройство, и тем, что исполнительное устройство приводит в действие указанное гидравлическое устройство, обеспечивающее наклон соединенной с буровым долотом первой секции и бурового долота относительно второй секции.

7. Буровая компоновка по п. 6, отличающаяся тем, что исполнительное устройство селективно управляет клапаном указанного гидравлического устройства, отводящим флюид, текущий через буровую компоновку, вызывая наклон соединенной с буровым долотом первой секции и бурового долота относительно второй секции.

8. Буровая компоновка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что исполнительное устройство содержит три или большее количество расположенных на расстоянии друг от друга исполнительных механизмов и каждый из этих исполнительных механизмов выполнен с возможностью прикладывания усилия к соответствующему опорному элементу из трех или большего количества опорных элементов устройства наклона.

9. Буровая компоновка по п. 8, дополнительно содержащая контроллер, управляющий перемещением по меньшей мере одного исполнительного механизма из трех или большего количества расположенных на расстоянии друг от друга исполнительных механизмов.

10. Буровая компоновка по п. 9, отличающаяся тем, что по меньшей мере три или большее количество опорных элементов выбраны из группы, состоящей из: кулачка; коленчатого вала; эксцентрикового элемента; клапана; элемента наклонной панели и рычага.

11. Буровая компоновка по п. 9, отличающаяся тем, что контроллер управляет наклоном устройства наклона в зависимости от интересующего параметра, полученного от навигационного датчика, выбранного из группы, состоящей из: акселерометра; гироскопа и магнитометра.

12. Способ бурения скважины, включающий:

подачу в скважину буровой компоновки, причем указанная буровая компоновка содержит буровое долото на своем конце, рулевое устройство, содержащее устройство наклона и исполнительное устройство, при этом первая секция и вторая секция указанной буровой компоновки соединены через указанное устройство наклона, причем указанное исполнительное устройство наклоняет устройство наклона, заставляя первую секцию, соединенную с буровым долотом, и буровое долото наклоняться относительно второй секции вокруг указанного устройства наклона по выбранному направлению во время вращения рулевого устройства;

бурение скважины с помощью бурового долота и

активацию исполнительного устройства для наклона устройства наклона, заставляющего соединенную с буровым долотом первую секцию и буровое долото наклоняться относительно второй секции, и сохранения геостационарного наклона во время вращения буровой компоновки для формирования наклонно направленного участка ствола скважины.

13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что устройство наклона содержит регулятор и шарнир, и тем, что указанный способ дополнительно включает приложение усилий к регулятору, наклоняющему шарнир, заставляя соединенную с буровым долотом первую секцию и буровое долото наклоняться относительно второй секции по выбранному направлению.

14. Способ по п. 12 или 13, отличающийся тем, что исполнительное устройство содержит множество расположенных на расстоянии друг от друга исполнительных механизмов, причем каждый такой исполнительный механизм выполнен с возможностью приложения усилия к опорному элементу устройства наклона.

15. Способ по любому из пп. 11-14, отличающийся тем, что исполнительное устройство содержит множество расположенных на расстоянии друг от друга исполнительных механизмов, и способ дополнительно включает инициирование выполнения каждым из множества исполнительных механизмов одного хода из своего среднего положения за оборот буровой компоновки, бурящей наклонно направленный участок ствола скважины.