Способ и установка для бурения ствола скважины

 

Изобретение относится к области бурения направленных скважин и включает способ бурения ствола скважины в геологической формации, использующей буровую установку, содержащую буровую колонну труб, проходящую в скважине, двигатель на забое, включающий корпус и приводной вал для вращения буровой головки, который имеет отклоненную ориентацию относительно продольной оси нижней части буровой колонны труб. Корпус двигателя соединяют с нижней частью буровой колонны труб таким образом, чтобы позволить проводить вращение корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси. Буровая установка включает электрический двигатель для вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб. Способ включает бурение, по существу, прямой секции указанного ствола скважины за счет индуцирования указанного электрического двигателя для вращения корпуса двигателя непрерывно вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб при работе двигателя на забое для вращения буровой головки, ориентацию упомянутой буровой головки и бурение наклонного участка ствола скважины при неподвижном корпусе двигателя. Изобретение обеспечивает проходку прямого и наклонного участков ствола скважины при обычной конструкции исполнительных устройств, т.е. повышает эффективность бурения. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к способу и установке для бурения ствола скважины в геологической формации. Более конкретно, изобретение относится к бурению стволов скважин с применением буровой установки, которая позволяет проводить регулирование буровой головки до желаемой подземной поверхности, являющейся целью бурения. Типичной областью применения, при которой нуждаются в таком регулировании буровой головки, является, например, бурение в открытом море при помощи множества отклоненных стволов скважин, которые бурят с береговой платформы с множеством местоположений зон, содержащих углеводородные соединения в геологической формации. Другие области применения, при которых есть необходимость в регулируемом бурении, включают бурение горизонтальных или значительно отклоненных стволов скважин в зоне, содержащей углеводородные соединения.

Патент ЕР-571045-А1 раскрывает способ бурения ствола скважины в геологической формации, использующий буровую установку, включающую буровую колонну труб, проходящую в скважине, двигатель на забое, включающий корпус, соединенный с нижней частью буровой колонны труб таким образом, что позволяет проводить вращение корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси, и приводной вал для вращения буровой головки, который имеет отклоненную ориентацию относительно продольной оси нижней части буровой колонны труб, контрольное средство для контроля вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб. В известном способе применяют двигатель на забое, имеющий корпус с регулируемым изгибом, посредством которого в процессе бурения прямого ствола скважины изгиб регулируют таким образом, чтобы угол изгиба равнялся нулю, а в процессе бурения искривленного ствола скважины изгиб регулируют таким образом, чтобы угол изгиба соответствовал желаемому искривлению ствола скважины. До бурения искривленной секции ствола скважины корпус двигателя поворачивают относительно буровой колонны труб на выбранные дискретные угловые шаги таким образом, что ориентируют корпус двигателя в желаемом азимутальном направлении.

Целью изобретения является создание способа бурения ствола скважины в геологической формации при использовании двигателя на забое, обеспечивающего осуществление бурения искривленного ствола скважины, а также прямого ствола скважины без необходимости применения корпуса двигателя, имеющего регулируемый изгиб.

Другой целью изобретения является создание буровой установки для бурового ствола скважины в геологической формации при использовании двигателя на забое, позволяющего проводить бурение искривленного ствола скважины, а также бурение прямого ствола скважины без необходимости применения корпуса двигателя, имеющего регулируемый изгиб.

Способ, согласно изобретению, включает бурение, по существу, прямой секции указанного ствола скважины за счет индуцирования указанного контрольного средства для вращения корпуса двигателя непрерывно вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб при работе двигателя на забое для вращения буровой головки. Непрерывно вращающийся корпус двигателя обеспечивает то, что ориентация отклоненного приводного вала двигателя непрерывно изменяется таким образом, что не наблюдается предпочтительного направления, с которым буровая головка будет проникать в формацию. Как следствие этого буровая головка будет бурить прямую секцию ствола скважины в процессе такого непрерывного вращения корпуса.

Буровая установка, согласно изобретению, включает буровую колонну труб, проходящую в скважине, двигатель на забое, включающий корпус, соединенный с нижней частью буровой колонны труб таким образом, что позволяет осуществлять вращение корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси, и приводной вал для вращения буровой головки, который ориентирует отклоненно относительно продольной оси нижней части буровой колонны труб, контрольное средство для контроля вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб и средство для бурения, по существу, прямой секции указанного ствола скважины с помощью индуцирования указанного контрольного средства для вращения корпуса двигателя непрерывно вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб при работе двигателя на забое для вращения буровой головки.

Изобретение будет описано далее более детально со ссылкой на сопровождающий чертеж, на котором схематически показана нижняя часть буровой установки, используемой в способе, согласно изобретению.

Буровая установка, показанная на чертеже, проходит в стволе 1 скважины, образованном в геологической формации 2.

Установка, только нижняя часть которой показана на чертеже, включает буровую колонну труб в виде насосно-компрессорной трубы 5 относительно малого диаметра, например диаметра около 50 мм. До опускания в ствол 1 скважины насосно-компрессорная труба 5 хранится в форме спирали на барабане (на чертеже не показан), расположенном на поверхности. В процессе бурения насосно-компрессорная труба 5 разматывается с барабана и постепенно опускается в ствол 1 скважины. Поэтому насосно-компрессорную трубу 5 называют "спиральной насосно-компрессорной трубой", а бурение такой спиральной насосно-компрессорной трубой называют "бурением спиральной насосно-компрессорной трубой". Буровой двигатель 3 на забое, имеющий корпус 7, расположен в нижней части буровой установки и приводит в движение приводной вал 8, снабженный буровой головкой 9, которая врезается в породу снизу ствола 1 скважины в процессе бурения. Двигатель 3 на забое имеет вид гидравлического двигателя, который является хорошо известным в технике регулируемого бурения. Приводной вал и буровая головка 9 расположены отклоненно относительно корпуса 7 двигателя, так что продольную ось 13 нижней концевой части спиральной насосно-компрессорной трубы 5 ориентируют под углом 15 относительно продольной оси 17 приводного вала 8. Продольные оси 13 и 17 имеют точку пересечения 19, расположенную ниже корпуса 7 двигателя. Корпус 7 двигателя 6 на забое снабжен стабилизирующими лопастями 21 для стабилизации и центровки нижней части буровой установки в стволе 1 скважины.

Двигатель на забое соединен со спиральной насосно-компрессорной трубой 5 через электрический двигатель 23, имеющий корпус 25 и выходной вал 27, верхний конец корпуса 25 жестко связан с нижним концом спиральной насосно-компрессорной трубы 5 и нижним концом выходного вала 27, который жестко связан с верхним концом корпуса 7 двигателя на забое.

Выходной вал 27 электрического двигателя 23 является вращаемым вокруг его продольной оси относительно корпуса 25 электрического двигателя 23. Когда электрический двигатель 23 работает, выходной вал 27 вращается вокруг его продольной оси относительно корпуса 25. Отверстие (на чертеже не показано) проходит через внутреннюю часть электрического двигателя 23 и обеспечивает путь потока жидкости между внутренней частью спиральной насосно-компрессорной трубы и впускным отверстием жидкости двигателя на забое. Таким образом, когда буровую жидкость прокачивают через спиральную насосно-компрессорную трубу для приведения в движение двигателя, буровая жидкость течет через отверстие электрического двигателя 23 к впускному отверстию двигателя на забое. Электрическую энергию для электрического двигателя 23 подают через линию подачи энергии, проходящую через внутреннюю часть защитного стального кожуха 29, жестко прикрепленного вдоль спиральной насосно-компрессорной трубы 5 к поверхности. Линия подачи энергии соединена на поверхности с источником электрической энергии (на чертеже не показан), который контролируется с помощью соответствующей контрольной системы (на чертеже не показана). Электрический двигатель 23, кроме того, имеет индикатор ориентации (на чертеже не показан) для обеспечения показания угловой ориентации выходного вала 27, и, таким образом, также угловой ориентации двигателя на забое относительно спиральной насосно-компрессорной трубы 5. Индикатор ориентации создает сигнал, представляющий указанную ориентацию выходного вала 27, для оператора на поверхности через соответствующую сигнальную линию, проходящую через стальной кожух 29.

В процессе нормальной работы буровой установки бурят по существу, прямую секцию ствола скважины следующим образом. Буровую жидкость прокачивают через спиральную насосно-компрессорную трубу 5 и через отверстие электрического двигателя 23 к впускному отверстию жидкости двигателя на забое. Тем самым двигатель работает для того, чтобы приводить в движение приводной вал 8 и буровую головку 9. Одновременно с работой двигателя на забое контрольная система на поверхности индуцирует подачу энергии для обеспечения электрической энергией электрического двигателя 23 таким образом, что выходной вал 27 электрического двигателя 23 непрерывно вращается при контролируемой скорости и тем самым корпус двигателя на забое вращается с той же самой контролируемой скоростью. Буровая головка 9, следовательно, вращается в стволе 1 скважины вокруг обеих осей 13 и 17. Так как ориентация буровой головки 9 в стволе 1 скважины непрерывно изменяется благодаря вращению буровой головки 9 вокруг оси 13, то не возникает предпочтительного направления для буровой головки 9 для углубления ствола 1 скважины. Следовательно, буровая головка 9 бурит прямую секцию, которая, по существу, направлена вдоль оси 13. Следует отметить, что отклонение от прямого направления секции ствола скважины, пробуренного таким образом, может иметь место, если геологическая формация является анизотропной или негомогенной. Однако такие отклонения могут быть поправлены путем измерения направления ствола 1 скважины с регулярными интервалами, например, с помощью хорошо известных способов телеметрии и бурением короткой искривленной секции, как описано здесь далее, если необходимо.

Когда должна быть пробурена искривленная секция ствола скважины вслед за бурением прямой секции ствола скважины, бурение протекает следующим образом. Сначала контрольная система на поверхности индуцирует подачу энергии для работы электрического двигателя 23 таким образом, чтобы поворачивать выходной вал 27 на выбранный угол, соответствующий выбранной ориентации корпуса 7 двигателя на забое в стволе 1 скважины, которая определяет направление бурения искривленной секции ствола скважины. Для достижения желаемой ориентации корпуса 7 двигателя индикатор ориентации индуцируют для обеспечения показания угловой ориентации выходного вала 27 для оператора на поверхности. После того как достигают желаемой ориентации, электрический двигатель 23 останавливают, а двигатель на забое работает таким образом, чтобы вращать приводной вал 8 и буровую головку 9 путем прокачивания буровой жидкости через спиральную насосно-компрессорную трубу 5 и через отверстие электрического двигателя 23 к впускному отверстию жидкости двигателя на забое. Таким образом, бурение ведется корпусом 7 двигателя на забое стационарно, в то время как вращается буровая головка 9. Так как буровую головку 9 наклоняют относительно продольной оси 13 нижней части буровой установки, ствол 1 скважины углубляют в направлении наклона буровой головки 9 таким образом, что бурят искривленную секцию ствола скважины.

Когда требуется чтобы ствол скважины был направлен вдоль желаемого искривления и бурение должно быть продолжено в прямом направлении, электрической двигатель 23 вновь работает так, чтобы одновременно вращать непрерывно корпус двигателя 7 и приводить в действие двигатель на забое таким образом, чтобы вращать буровую головку 9. Для достижения требуемой зоны в геологической формации оператор бурения может повторить указанную выше процедуру для чередования бурения прямых и искривленных секций ствола скважины.

В процессе бурения спиральная насосно-компрессорная труба будет скручиваться вследствие реакционных моментов, действующих на спиральную насосно-компрессорную трубу, степень скручивания будет зависеть от различных факторов, таких как диаметра и толщины стен спиральной насосно-компрессорной трубы, нагрузки на буровую головку, давления приводящего в движение жидкость двигателя на забое или величины сил трения между спиральной насосно-компрессорной трубой и стенкой ствола скважины. Вместо ориентации двигателя на забое за счет работы электрического двигателя вышеописанным образом двигатель может быть альтернативно ориентирован за счет изменения угла скручивания спиральной насосно-компрессорной трубы, например, за счет регулирования нагрузки на буровую головку или путем регулирования давления буровой жидкости, которая приводит в действие двигатель на забое, или за счет объединенных операций электрического двигателя и изменения угла скручивания.

Вместо применения электрического двигателя для вращения корпуса двигателя на забое, который приводит в движение буровую головку, может быть применен гидравлический двигатель или любой другой пригодный двигатель, который может работать в контролированном режиме.

Предпочтительно указанное контрольное средство не включает средство для контролирования вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно колонны буровых труб, которое вызывается реактивными силами крутящего момента приложенных к корпусу двигателя, обусловленного реактивным действием крутящего момента вращающейся буровой головки в стволе скважины.

В заключение вышеописанный способ и установка, использующие спиральную насосно-компрессорную трубу, двигатель на забое и второй двигатель для контроля вращения корпуса двигателя на забое, позволяют проводить бурение прямых и искривленных секций ствола скважины без необходимости применения буровой колонны труб, которые вращают на поверхности.

Формула изобретения

1. Способ бурения ствола скважины в геологической формации, использующий буровую установку, включающую буровую колонну труб проходящую в скважине, двигатель на забое, включающий корпус, соединенный с нижней частью буровой колонны труб таким образом, что позволяет осуществлять вращение корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси, и приводной вал для вращения буровой головки, имеющий ориентацию, отклоненную относительно продольной оси нижней части буровой колонны труб, корпус двигателя, контрольное средство для контроля вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб, и включающий бурение, по существу, прямой секции указанного ствола скважины за счет индуцирования указанного контрольного средства для вращения корпуса двигателя непрерывно вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб при работе двигателя на забое для вращения буровой головки, при этом стадия бурения указанной, по существу, прямой секции ствола скважины чередуется с другой стадией бурения искривленной секции указанного ствола скважины за счет индуцирования указанного контрольного средства для предотвращения вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб при работе двигателя на забое для вращения буровой головки, отличающийся тем, что до стадии бурения искривленной секции указанное контрольное средство индуцируют для поворота корпуса двигателя на угол, соответствующий выбранной ориентации буровой головки относительно ствола скважины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное контрольное средство не включает средство для контроля вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб, которое вызвано реактивными силами крутящего момента, приложенными к корпусу двигателя, обусловленными реактивным действием крутящего момента вращающейся буровой головки в стволе скважины.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанное контрольное средство включает одну из групп гидравлического двигателя и электрического двигателя.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что указанную буровую колонну труб, образующую спиральную насосно-компрессорную трубу, наматывают на барабан, при этом спиральную насосно-компрессорную трубу разматывают с барабана и опускают в ствол скважины при бурении ствола скважины.

5. Буровая установка для бурения ствола скважины в геологической формации, включающая буровую колонну труб, проходящую в скважине, двигатель на забое, включающий корпус, соединенный с нижней частью буровой колонны труб таким образом, что позволяет проводить вращение корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси, и приводной вал для вращения буровой головки, ориентированный отклоненно относительно продольной оси нижней части буровой колонны труб, контрольное средство для контроля вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб, средство для бурения, по существу, прямой секции ствола скважины за счет индуцирования указанного контрольного средства для вращения корпуса двигателя непрерывно вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб при работе двигателя на забое для вращения буровой головки, и средство для чередования стадии бурения указанного, по существу, прямой секции ствола скважины и стадии бурения искривленной секции указанного ствола скважины за счет индуцирования указанного контрольного средства для предотвращения вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб при работе двигателя на забое для вращения буровой головки, отличающаяся тем, что имеются средства для индуцирования контрольного средства для поворота корпуса двигателя на угол, соответствующий выбранной ориентации буровой головки относительно ствола скважины до начала бурения искривленной секции.

6. Буровая установка по п.5, отличающаяся тем, что указанное контрольное средство не включает средство для контролирования вращения корпуса двигателя вокруг указанной продольной оси и относительно буровой колонны труб, которое вызвано реактивными силами крутящего момента, приложенными к корпусу двигателя, обусловленными реактивным действием крутящего момента вращающейся буровой головки в стволе скважины.

7. Буровая установка по п.5 или 6, отличающаяся тем, что указанное контрольное средство включает одну из групп гидравлического двигателя и электрического двигателя.

8. Буровая установка по любому из пп.5 - 7, отличающаяся тем, что указанная буровая колонна труб образует спиральную насосно-компрессорную трубу, которую наматывают на барабан, и имеется средство для разматывания спиральной насосно-компрессорной трубы в стволе скважины при бурении ствола скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1