Скважинный инструмент

 

Изобретение относится к области бурения скважин и представляет скважинный инструмент для приложения осевой нагрузки к удлиненному телу, расположенному в стволе буровой скважины, образованной в подземной формации, содержит по меньшей мере одно установленное с возможностью вращения тело, снабженное множеством валиков, способных радиально перемещаться к стенке ствола буровой скважины при выбранном контактном усилии между валиком и стенкой ствола буровой скважины. Валики ориентированы после перемещения к стенке ствола буровой скважины так, чтобы они катились вдоль спиральной траектории по стенке ствола буровой скважины. Инструмент двигателя, обеспечивающий вращение каждого вращающегося тела, дополнительно содержит средство для измерения осевой нагрузки, создаваемой инструментом, и систему управления для регулирования этой осевой нагрузки посредством регулирования вращающего момента вращающегося тела в ответ на измеренную осевую нагрузку. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и производительности бурения скважин. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

Настоящее изобретение относится к скважинному инструменту для приложения осевой нагрузки на удлиненное тело, расположенное в стволе буровой скважины, образованной в подземной формации. Например, таким удлиненным телом может быть буровая установка, используемая для бурения буровых скважин.

Если буровая установка включает в себя трубу относительно небольшого диаметра, которая разматывается на поверхности и опускается в буровую скважину в процессе бурения, подобную трубу также называют спиральной трубой, причем степень сжатия, которую можно передавать с помощью этой трубы небольшого диаметра, лимитируется риском спирального изгибания и последующего блокирования колонны бурильных труб.

Более того, если буровая скважина включает в себя горизонтальный участок, тогда возникающая в колонне бурильных труб сжимающая нагрузка на поверхности будет иметь основным конечным результатом боковое прижимание колонны бурильных труб к стенкам ствола буровой скважины на горизонтальном участке. Следовательно, в случае отсутствия периодически проводимых измерений с целью положительного решения этих проблем максимально допустимая нагрузка бура в процессе бурения спиральной трубой ограничивается неприемлемым образом и только горизонтальные участки буровой скважины могут пробуриваться на небольшую длину.

В публикации международной патентной заявки WO 93/24728 раскрыт скважинный инструмент для приложения осевой нагрузки к удлиненному телу, расположенному в стволе буровой скважины, образованной в подземной формации, содержащий, по меньшей мере, одно установленное с возможностью вращения тело, снабженное множеством валиков, способных радиально перемещаться к стенке ствола буровой скважины при выбранном контактном усилии между валиком и стенкой ствола буровой скважины, причем валики ориентированы после перемещения к стенке ствола буровой скважины так, чтобы они могли катиться вдоль спиральной траектории по стенке ствола буровой скважины, и двигатель для вращения каждого вращающегося тела.

Когда валики известного инструмента перемещаются к стенке ствола буровой скважины, а двигатель вращает тело, тогда инструмент перемещает удлиненное тело вперед по стволу буровой скважины благодаря наличию спиральной траектории, которая точно следует валикам. Благодаря продвижению вперед инструмент будет прилагать осевую нагрузку к удлиненному телу, причем эта нагрузка соответствует сопротивлению, которое испытывает удлиненное тело. Если из-за наличия высокого сопротивления удлиненного тела осевая нагрузка становится относительно большой, то валики будут катиться вдоль стенки ствола буровой скважины в ее окружном или периферийном направлении. Следует иметь в виду, что в результате непрерывного движения валиков происходит все возрастающий по интенсивности износ стенки ствола буровой скважины, что естественно связано со все увеличивающимся диаметром ствола буровой скважины. Поскольку радиальное перемещение валиков ограничено, то непрерывное движение валиков приводит в конечном итоге к исчезновению контактного усилия между валиками и стенкой ствола буровой скважины, а следовательно, и к исчезновению осевой нагрузки.

Более того, вращающееся тело известного инструмента непосредственно соединено с головкой бура, предварительно установленного на удлиненном теле, так что в процессе работы реактивный крутящий момент от головки бура будет только усиливаться за счет реактивного крутящего момента от вращающегося тела.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание скважинного инструмента для приложения осевой нагрузки на удлиненное тело, расположенное в стволе буровой скважины, образованной в земной формации, в котором устранены недостатки известных инструментов.

Этот технический результат достигается тем, что в скважинном инструменте для приложения осевой нагрузки на удлиненное тело, расположенное в стволе буровой скважины, образованной в подземной формации, содержащем по меньшей мере одно установленное с возможностью вращения тело, снабженное множеством валиков, способных радиально перемещаться к стенке ствола буровой скважины при выбранном контактном усилии между валиком и стенкой ствола буровой скважины, при этом валики ориентированы после перемещения к стенке ствола буровой скважины так, чтобы они могли катиться вдоль спиральной траектории по стенке ствола буровой скважины, двигатель для вращения каждого вращающегося тела, согласно изобретению дополнительно имеются средство для измерения осевой нагрузки, создаваемой инструментом, и система управления для регулирования этой осевой нагрузки посредством регулирования вращающего момента вращающегося тела в ответ на измеренную осевую нагрузку.

Посредством регулирования вращающего момента в ответ на измеренную осевую нагрузку можно будет регулировать степень скольжения валиков, поскольку подобное скольжение зависит от вращающего момента вращающегося тела. Если, например, удлиненное тело включает в себя колонну бурильных труб и если процесс бурения неожиданно замедляется, когда головка бура соприкасается с горной породой, то увеличивается сопротивление головке бура, а следовательно, и увеличивается прикладываемая инструментом осевая нагрузка. Затем система управления будет понижать вращающий момент, чтобы тем самым эффективным образом уменьшить вращающий момент, предотвращая излишний износ стенки ствола буровой скважины.

Целесообразно, чтобы система управления была способна регулировать вращающий момент посредством регулирования выбранного контактного усилия между каждым валиком и стенкой ствола буровой скважины.

Желательно, чтобы ось вращения каждого валика была способна радиально перемещаться для прижатия валика к стенке ствола буровой скважины, при этом контактное усилие будет регулироваться за счет регулирования радиального перемещения оси вращения валика.

Возможно, чтобы система управления была способна регулировать вращающий момент, необходимый для вращения вращающегося тела, посредством регулирования вращающего момента, прикладываемого двигателем к вращающемуся телу.

Скважинный инструмент может дополнительно содержать узел муфты сцепления для передачи вращающего момента от двигателя на вращающееся тело, при этом система управления способна регулировать вращающий момент, необходимый для вращения вращающегося тела посредством регулирования степени скольжения узла муфты сцепления.

Скважинный инструмент может также дополнительно содержать регулятор подачи энергии, регулирующий количество энергии, подаваемое к двигателю, при этом система управления способна регулировать вращающий момент, необходимый для вращения вращающегося тела, посредством регулирования количества энергии, подаваемой в двигатель с помощью регулятора подачи энергии.

Скважинный инструмент дополнительно может содержать переключающее средство для обеспечения переключения между первым режимом работы и вторым режимом работы инструмента, при этом в первом режиме работы инструмент способен перемещаться по стволу буровой скважины при более низкой скорости, чем во втором режиме работы. Переключающее средство может включать в себя зубчатую передачу для переключения между первой скоростью вращения тела (25) и второй скоростью вращения вращающегося тела, причем первая скорость вращения меньше второй скорости вращения.

Целесообразно, чтобы скважинный инструмент содержал первое и второе вращающиеся тела, а переключающее средство включало в себя зубчатую передачу для переключения между вращением первого вращающегося тела и вращением второго вращающегося тела, при этом скорость первого вращающегося тела меньше скорости вращения второго вращающегося тела.

Двигатель может быть выполнен в виде двигателя Moineau, имеющего статор в форме корпуса двигателя и внутренний ротор, или реверсивного двигателя Moineau, имеющего внутренний статор и ротор в форме корпуса двигателя или лопастного двигателя, или турбины, или электродвигателя.

Скважинный инструмент по изобретению можно использовать для различных практических целей, например для проталкивания инструментов через ствол буровой скважины или для бурения буровой скважины. Особенно эффективен этот инструмент при бурении протяженного участка реки или канала, когда часто возникает необходимость в бурении исключительно длинных буровых скважин, которые необходимы для успешной разработки некоторых шельфовых месторождений нефти или газа.

Ниже изобретение будет описано детально на примере его выполнения со ссылками на сопровождающий чертеж, который схематически изображает вариант скважинного инструмента согласно изобретению.

Как показано на прилагаемом чертеже, скважинный инструмент 1 включает в себя верхний соединительный элемент 2 для соединения инструмента 1 с верхней частью буровой установки (на чертеже не показана), и нижний соединительный элемент 3 для соединения инструмента 1 с нижней частью буровой установки. Соединительные элементы 2 и 3 соединены между собой с помощью центрального вала 5 для передачи осевой нагрузки от нижнего соединительного элемента 3 через вал 5 к верхнему соединительному элементу или наоборот. В нижнем соединительном элементе 3 расположен прибор 6 для измерения осевой нагрузки, который в процессе бурения создает электрический сигнал, характеризующий осевую нагрузку, прилагаемую скважинным инструментом 1 к нижней части буровой установки. На чертеже вал 5 показан в качестве одиночного элемента, однако на практике вал 5 состоит из ряда соединенных между собой секций вала.

Инструмент 1 снабжен двигателем Moineau, имеющим статор 9, неподвижно прикрепленный к верхнему соединительному элементу 2, и ротор 11, снабженный продольным отверстием 13, через которое проходит центральный вал 5. Ротор 11 приводит в движение первое вращающееся тело 15 через узел 17 муфты сцепления, которая приводится в действие посредством гидравлического поршневого цилиндра 19. Между первым вращающимся телом 15 и статором 9 установлен подшипник 21 для обеспечения вращения тела 15 относительно статора 9 двигателя 7. Первое вращающееся тело 15 снабжено множеством валиков 23, причем для большей ясности на чертеже показан только один валик. Каждый валик 23 имеет ось 24 вращения, которая наклонена относительно продольной оси вращающегося тела 15 таким образом, чтобы при нахождении инструмента 1 в стволе буровой скважины и при нахождении валиков 23 в контакте со стенкой ствола буровой скважины валики точно следовали спиральной траектории вдоль стенки ствола буровой скважины при вращении первого вращающегося тела.

Инструмент 1 дополнительно содержит второе вращающееся тело 25, снабженное множеством валиков 27, которые для большей ясности показаны на чертеже только одним валиком. Как и валики 23 первого вращающегося тела 15, каждый валик 27 имеет ось 29 вращения, которая наклонена относительно продольной оси вращающегося тела, чтобы после расположения инструмента 1 в стволе буровой скважины, образованной в подземной формации, и после вхождения валиков 27 в контакт со стенкой ствола буровой скважины валики 27 точно следовали спиральной траектории вдоль стенки ствола буровой скважины при вращении второго вращающегося тела 25. Второе вращающееся тело 25 приводится в движение вращательным образом первым вращающимся телом 15 через зубчатую передачу 31, только один из которых показан на чертеже.

Зубчатая передача 31 имеет три позиции переключения, причем при нахождении в первой позиции переключения второе вращающееся тело 25 имеет ту же скорость вращения, что и первое вращающееся тело 15, во второй позиции переключения тело 25 имеет более высокую скорость вращения, чем первое тело 15, а в третьей позиции переключения второе тело 25 вращается с той же скоростью, что и при нахождении во второй позиции переключения, но в обратном направлении. Зубчатая передача 31 регулируется электрическим образом так, чтобы ее переключение происходило между тремя позициями переключения через проводник (на чертеже не показан), проходящий вдоль буровой установки к размещаемому на поверхности соответствующему оборудованию регулирования. Между вторым вращающимся телом 25 и нижним соединительным элементом 3 установлен подшипник 32, способный вращательным образом поддерживать тело 25 относительно соединительного элемента 3.

Каждый валик 23, 27 может перемещаться в радиальном направлении до прижатия к стенке ствола буровой скважины с помощью гидравлических поршневых цилиндров 33, 35, которые могут перемещать ось 24, 29 вращения валиков 23, 27 в радиальном направлении вращающегося тела 15, 25. Поршневые цилиндры 33, связанные с валиками 23 первого вращающегося тела 15, срабатывают независимым образом от поршневых цилиндров 35, которые связаны валиками 27 второго вращающегося тела 25.

В инструменте 1 смонтирована электронная система 37 управления, которая снабжена регулировочным блоком для осевой нагрузки, создаваемой в процессе работы инструментом 1. Настройку регулировочного блока может изменить оператор с поверхности земли с помощью системы управления (на чертеже не показана), которая электрическим образом соединена с системой 37 управления через проводник (на чертеже не показан), проходящий вдоль буровой установки. Система 37 управления принимает входной сигнал от прибора 6 для измерения осевой нагрузки через провод 38. Этот входной сигнал характеризует осевую нагрузку, прилагаемую инструментом 1 к буровой установке, в которую сходит скважный инструмент.

С помощью провода 40 система 37 управления гидравлически соединена с источником 42 питания. Поршневые цилиндры 33, 35, удерживаемые на валиках 23, 27, гидравлически соединены с источником 42 питания через линии 44, 46 управления, а поршневой цилиндр, удерживаемый на узле 17 муфты сцепления, гидравлически соединен с источником 42 питания через линию 48 управления. Установленная в инструменте клапанная система (на чертеже не показана) используется для селективного открытия или закрытия гидравлических соединений между источником 42 питания и каждым поршневым цилиндром 19, 33, 35, клапанная система которых электрически управляется с поверхности через проводник (на чертеже не показан), проходящий вдоль буровой установки.

Следовательно, за счет регулирования режима работы клапанной системы поршневые цилиндры могут срабатывать взаимно независимым образом. Система 37 управления запрограммирована таким образом, чтобы после включения источника 42 питания поршневые цилиндры 19, 33, 35 могли срабатывать так, чтобы отклонения величины осевой нагрузки от заданной величины были минимизированы.

В процессе нормальной работы скважинного инструмента 1 он расположен в нижней секции буровой установки, проходящей в стволе буровой скважины, разрабатываемой в данный момент. Верхний соединительный элемент 2 соединен с верхней частью буровой установки (на чертеже не показано), а нижний соединительный элемент 3 соединен с нижней частью буровой установки. Верхняя часть буровой установки будет намного длиннее нижней части буровой установки, и именно только в нижней части буровой установки расположен буровой двигатель, который приводит в действие головку бура и один или более стабилизаторов. Дополнительно нижний конец буровой установки также может включать в себя одно или более секций тяжелой буровой трубы.

Когда выбранная осевая нагрузка необходима для поддерживания нагрузки на головку бура, то в этом случае в системе управления программируется желаемая осевая нагрузка, а клапанная система срабатывает таким образом, чтобы поршневые цилиндры 33 первого вращающегося тела гидравлически соединялись с источником 42 питания.

Двигатель работает, а узел 17 муфты сцепления зацепляется таким образом, чтобы двигатель 7 приводил в движение первое вращающееся тело 15. Система 37 управления принимает входной сигнал, характеризующий фактическую осевую нагрузку от измерительного прибора 6, сравнивает этот сигнал с заданной величиной осевой нагрузки, инициирует источник 42 питания, чтобы поршневые цилиндры 33 обеспечивали перемещение валиков 23 к стенке ствола буровой скважины. Величина перемещения будет соответствовать контактному усилию между каждым валиком 23 и стенкой ствола буровой скважины, что необходимо для минимизирования различия между фактической осевой нагрузкой и заданной осевой нагрузкой. Поскольку валики 23 прижимаются к стенке ствола буровой скважины, то валики 23 будут катиться вдоль спиральной траектории ствола буровой скважины из-за наличия вращения первого вращающегося тела 15, при этом создавая осевую нагрузку на инструмент 1, чья осевая нагрузка действует в направлении головки бура на нижнем конце буровой установки.

Если фактическая осевая нагрузка будет меньше заданной осевой нагрузки, то система 37 управления инициирует срабатывание источника 42 питания для обеспечения срабатывания поршневых цилиндров 33 с целью повышения контактного усиления, при котором происходит перемещение валиков 23 к стенке буровой скважины.

Если фактическая осевая нагрузка будет больше заданного ее значения, тогда система 37 управления инициирует источник 42 питания для обеспечения срабатывания поршневых цилиндров 33 с последующим уменьшением контактного усилия, при котором валики 23 перемещаются к стенке ствола буровой скважины.

Вместо этого или в дополнение система 37 управления, инициирующая источник 42 питания на срабатывание поршневых цилиндров 33, может инициировать источник 42 питания на срабатывание поршневого цилиндра 19 узла 17 муфты сцепления, чтобы дать возможность пробуксовать муфте сцепления, если необходимо уменьшить фактическую осевую нагрузку.

Если заданная осевая нагрузка будет выше осевой нагрузки, которую легко достичь с помощью вращающегося тела 15, то оператор переключает зубчатую передачу 31 с поверхности в первую переключающую позицию, в которой первое вращающееся тело 15 и второе вращающееся тело 25 будут вращаться с одинаковой скоростью. Более того, клапанная система выполнена таким образом, чтобы гарантировать гидравлическое соединение поршневых цилиндров 35 с источником 42 питания. Затем система 37 управления инициирует источник 42 питания с последующим срабатыванием поршневых цилиндров 35 для перемещения валиков 27 второго вращающегося тела к стенке ствола буровой скважины. Следовательно, за счет использования дополнительной осевой нагрузки, создаваемой вторым вращающимся телом 25, увеличивается фактическая осевая нагрузка.

По альтернативному варианту работы скважинного инструмента 1 клапанная система отрегулирована таким образом, чтобы поршневые цилиндры 33 валиков 23 не срабатывали в том момент, когда поршневые цилиндры 35 валиков 27 обеспечивали прижатие валиков 27 к стенкам ствола буровой скважины. Зубчатая передача 31 устанавливается во вторую свою переключающую позицию, в которой второе вращающееся тело 25 вращается при более высокой скорости, чем первое тело 15. В этом режиме инструмент используют для перемещения буровой установки через буровую скважину в процессе в момент ее отцепления.

По другому альтернативному варианту работы скважинного инструмента 1 клапанная система регулируется таким образом, чтобы поршневые цилиндры 33 валиков 23 не действовали тогда, когда поршневые цилиндры 35 валиков 27 обеспечивают прижатие валиков 27 к стенке ствола буровой скважины. Зубчатая передача 31 устанавливается в свою третью переключающуюся позицию, в которой второе вращающееся тело 25 вращается при относительно высокой скорости в противоположном направлении. В этом режиме работы инструмент используется для перемещения буровой установки вниз через буровую скважину в процессе ее отцепления.

Вместо этого или в дополнение к этому регулирование прикладываемой инструментом фактической осевой нагрузки осуществляется посредством регулирования контактного усилия между валиками 23, 27 и стенкой ствола буровой скважины. Система управления может быть запрограммирована на регулирование фактической осевой нагрузки посредством регулирования степени пробуксовывания муфты сцепления, чтобы свести к минимуму различие между фактической осевой нагрузкой и заданной величиной осевой нагрузки. В случае, если фактическая осевая нагрузка регулируется только степенью пробуксовки муфты 19 сцепления, контактные усилия между валиками 23, 27 и стенкой ствола буровой скважины остаются постоянными.

Более того, вместо этого или дополнительно к использованию упомянутого выше узла муфты сцепления инструмент можно альтернативно снабдить регулятором подачи энергии, который будет регулировать количество подаваемой в двигатель энергии для регулирования вращающего момента двигателя. Регулятор подачи энергии контролируется системой управления и может иметь форму регулируемого гидравлического байпасса для уже упоминавшегося выше двигателя Moineau. Если вместо двигателя Moineau используется электродвигатель, тогда регулятор подачи электроэнергии может быть выполнен в виде регулятора электрического тока, режим работы которого будет регулироваться системой управления самого инструмента.

В описанном выше варианте изобретения двигатель Moineau имеет внутренний продольный вал, выполняющий функцию ротора, и внешний цилиндрический корпус, выполняющий функцию статора, при этом ротор имеет продольное отверстие, через которое центральный вал соединяет между собой верхние и нижние удлинения соединительного элемента. Можно использовать альтернативный вариант реверсированного двигателя Moineau, который будет иметь внутренний продольный вал, выполняющий функцию статора, и внешний цилиндрический корпус, выполняющий функцию ротора. Затем внутренний вал образует часть центрального вала, соединяющего между собой верхний соединительный элемент и нижний соединительный элемент, а цилиндрический корпус посредством муфты сцепления будет приводить в движение каждое цилиндрическое тело.

Более того, вместо описанного выше узла муфты сцепления, который имеет три позиции переключения, при этом во второй позиции переключения второе вращающееся тело имеет более высокую скорость вращения, чем первое вращающееся тело, появляется возможность использовать узел зубчатой передачи, который не имеет переключающих позиций, но который непрерывно приводит в движение второе вращающееся тело с более высокой скоростью вращения. Переключение между движением инструмента через ствол скважины при низкой и высокой скоростях достигается посредством избирательного перемещения валиков первого вращающегося тела или валиков второго вращающегося тела к стенке ствола буровой скважины.

Следует иметь в виду, что описанный выше скважинный инструмент можно использовать в комбинации с любой пригодной для этого буровой установкой, например с установкой, включающей в себя одно или более следующих компонентов: направляющий инструмент для направленного бурения, прибор для измерения продвижения буровой установки и спиральную трубу.

Формула изобретения

1. Скважинный инструмент для приложения осевой нагрузки на удлиненное тело, расположенное в стволе буровой скважины, образованной в подземной формации, содержащий, по меньшей мере, одно, установленное с возможностью вращения тело, снабженное множеством валиков, способных радиально перемещаться к стенке ствола буровой скважины при выбранном контактном усилии между валиком и стенкой ствола буровой скважины, при этом валики ориентированы после перемещения к стенке ствола буровой скважины так, чтобы они могли катиться вдоль спиральной траектории по стенке ствола буровой скважины, двигатель для вращения каждого вращающегося тела, отличающийся тем, что он дополнительно содержит средство для измерения осевой нагрузки, создаваемой инструментом, и систему управления для регулирования этой осевой нагрузки посредством регулирования вращающего момента вращающегося тела в ответ на измеренную осевую нагрузку.

2. Скважинный источник по п.1, отличающийся тем, что система управления способна регулировать вращающий момент посредством регулирования выбранного контактного усилия между каждым валиком и стенкой ствола буровой скважины.

3. Скважинный инструмент по п.2, отличающийся тем, что ось вращения каждого валика способна радиально перемещаться для прижатия валика к стенке ствола буровой скважины, при этом контактное усилие будет регулироваться за счет регулирования радиального перемещения оси вращения валика.

4. Скважинный инструмент по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что система управления способна регулировать вращающий момент, необходимый для вращения вращающегося тела, посредством регулирования вращающего момента, прикладываемого двигателя к вращающемуся телу.

5. Скважинный инструмент по п.4, отличающийся тем, что дополнительно содержит узел муфты сцепления для передачи вращающего момента от двигателя на вращающееся тело, при этом система управления способна регулировать вращающий момент, необходимый для вращения вращающегося тела посредством регулирования степени скольжения узла муфты сцепления.

6. Скважинный инструмент по п.4 или 5, отличающийся тем, что дополнительно содержит регулятор подачи энергии, регулирующий количество энергии, подаваемое к двигателю, при этом система управления способна регулировать вращающий момент, необходимый для вращения вращающегося тела, посредством регулирования количества энергии, подаваемой в двигатель с помощью регулятора подачи энергии.

7. Скважинный инструмент по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что дополнительно содержит переключающее средство для обеспечения переключения между первым режимом работы и вторым режимом работы инструмента, при этом в первом режиме работы инструмент способен перемещаться по стволу буровой скважины при более низкой скорости, чем во втором режиме работы.

8. Скважинный инструмент по п.7, отличающийся тем, что переключающее средство включает в себя зубчатую передачу для переключения между первой скоростью вращения тела и второй скоростью вращения вращающегося тела, причем первая скорость вращения меньше второй скорости вращения.

9. Скважинный инструмент по п.7, отличающийся тем, что содержит первое и второе вращающиеся тела, а переключающее средство включает в себя зубчатую передачу для переключения между вращением первого вращающегося тела и вращением второго вращающегося тела, при этом скорость первого вращающегося тела меньше скорости вращения второго вращающегося тела.

10. Скважинный инструмент по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что двигатель выполнен в виде двигателя Moineau, имеющего статор в форме корпуса двигателя и внутренний ротор, или реверсивного двигателя Moineau, имеющего внутренний статор и ротор в форме корпуса двигателя, или лопастного двигателя или турбины или электродвигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1