Способ и устройство для бурения и обслуживания подземных скважин

Группа изобретений относится к бурению и/или обслуживанию подземных скважин для добычи содержащих углеводород флюидов, а именно к способу и устройству для бурения и/или обслуживания подземных скважин с использованием вращающейся, намотанной на барабан, бухтованной трубы. Технический результат - усовершенствование способа и устройства для бурения и/или обслуживания подземных скважин с использованием вращающейся бухтованной трубы. В системе для бурения и/или обслуживания скважин с использованием непрерывной бухтованной трубы узел поворотного стола вращает узел барабана бухтованной трубы. Система содержит узел уравновешивания относительно ствола скважины, который позволяет бухтованной трубе вращаться при нахождении в стволе скважины. Инжектор бухтованной трубы может быть расположен на отдельном узле поворотного стола или на том же узле поворотного стола, что и узел барабана. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 18 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение в общем имеет отношение к бурению и/или обслуживанию подземных скважин для добычи содержащих углеводород флюидов, а более конкретно имеет отношение к способу и устройству для бурения и/или обслуживания подземных скважин с использованием вращающейся бухтованной (намотанной на барабан) трубы.

Уровень техники

Исторически (традиционно) подземные скважины бурят при помощи вращающейся буровой коронки, закрепленной на конце сочлененных секций трубы или насосно-компрессорной колонны. Сочлененную колонну труб приводят во вращение с поверхности, и это вращение передается буровой коронке. По мере углубления вращающейся буровой коронки в толщу земли при бурении присоединяют дополнительные секции или плети трубы, чтобы бурить глубже. Теряется много времени и энергии на присоединение новых секций трубы к бурильной колонне.

Бухтованная труба, такая как описанная в патенте США No. 4, 863, 091, имеет практически неограниченную длину и ее уже используют для разведки и добычи углеводородов из подземных скважин. Однако до настоящего времени бухтованные трубы еще не заменили сочлененные трубы в операциях бурения.

Можно полагать, что наиболее обычное использование бухтованной трубы в операциях бурения связано с использованием двигателя или другого источника энергии, расположенного на конце трубы, в непосредственной близости от бурового долота. Одним из типов такого двигателя является гидравлический забойный двигатель, который преобразует энергию имеющего повышенное давление бурового раствора, протекающего по бухтованной трубе, в энергию вращения бурового долота. В этом типе систем бухтованная труба сама по себе не вращается. Например, в патенте США No. 5.360, 075 раскрыто, среди прочего, вращаемое при помощи двигателя буровое долото на конце бухтованной трубы, которым можно управлять за счет скручивания трубы. В статье Introduction to Coiled Tubing Drilling фирмы Leading Edge Advantage International Ltd., копия которой может быть найдена в Интернете по адресу www.lealtd.com, приведен обзор состояния дел в области бурения с использованием не вращающейся бухтованной трубы.

Другой подход к бурению с использованием бухтованной трубы предлагается в патенте США No. 4,515,220, где раскрыто, среди прочего, отрезание бухтованной трубы от катушки перед тем, как отрезанная труба может быть приведена во вращение в операциях бурения.

В патенте США No. 6,315,052 раскрыто устройство, которое физически вращает катушку бухтованной трубы, чтобы производить бурение ствола скважины. В патенте США No. 5,660,235 раскрыто, среди прочего, поддержание бухтованной трубы в состоянии совмещения с держателем инжектора, когда трубу наматывают и разматывают за счет вращения барабана относительно точки поворота и/или за счет поступательного перемещения барабана относительно держателя инжектора.

Настоящее изобретение, выполненное на основании анализа известного уровня техники, направлено на создание усовершенствованного способа и устройства для бурения и/или обслуживания подземных скважин с использованием вращающейся бухтованной трубы.

Сущность изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается система для бурения или обслуживания скважин с использованием бухтованной трубы, которая содержит вращаемое основание или поворотный (вращающийся) стол, содержащий систему подшипника, которая крепит основание к полу с возможностью вращения, и узел барабана, содержащий опорную конструкцию, выполненную с возможностью поддержки барабана бухтованной трубы. Опорная конструкция содержит систему совмещения, позволяющую совмещать бухтованную трубу со скважиной, когда бухтованную трубу сматывают с барабана. Узел барабана расположен вблизи от периметра основания, а держатель инжектора бухтованной трубы совмещен со скважиной. Узел уравновешивания расположен на основании напротив узла барабана и выполнен с возможностью перемещения в направлении приближения к узлу барабана и удаления от него, чтобы поддерживать равновесие системы, когда бухтованную трубу сматывают с барабана. Предусмотрена также система приведения в движение, предназначенная для вращения основания и за счет этого для передачи вращающего момента к бухтованной трубе в скважине.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается система, которая может быть использована как часть передвижной или стационарной установки, которая может быть перемещена из одного места в другое.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан вид сбоку узла барабана и узла поворотного стола в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.2 показаны более подробно узлы, показанные на фиг.1.

На фиг.3 показан альтернативный узел барабана, отличающийся от показанного на фиг.2.

На фиг.4 показан вид сверху системы преобразователя, расположенной поверх держателя инжектора в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.5 показан предпочтительный вариант поворотного стола инжектора для использования в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.6 показан альтернативный вариант устройства в соответствии с настоящим изобретением в виде передвижной установки.

На фиг.7 показан вид с торца передвижной установки, показанной на фиг.6.

На фиг.8 показано крепление складной мачты к передвижной установке.

На фиг.9 показан еще один вид складной мачты.

На фиг.10А и 10B показана складная мачта, поднятая и прикрепленная к передвижной установке.

На фиг.11 показана система скольжения для складной мачты.

На фиг.12А и 12B показан подъем верхнего этажа передвижной установки.

На фиг.13 показана доставка узла барабана к передвижной установке.

На фиг.14 показан подъем узла барабана выше верхнего этажа передвижной установки

На фиг.15 показано положение узла барабана над узлом поворотного стола передвижной установки.

На фиг.16 показана передвижная установка с узлом барабана, диспетчерским пунктом и мачтой в заданном положении.

Следует иметь в виду, что описанные выше фигуры и последующее подробное описание изобретения не предназначены для какого-либо ограничения объема патентных притязаний заявителя. Скорее, эти фигуры и подробное описание изобретения предназначены для пояснения изобретения специалистам со ссылкой на конкретные, подробно описанные варианты.

Подробное описание изобретения

Далее описаны пояснительные варианты настоящего изобретения. Следует иметь в виду, что для упрощения понимания изобретения не все характеристики, связанные с конкретной реализацией, содержатся в описании изобретения. Само собой разумеется, что при конкретной реализации настоящего изобретения могут быть введены различные изменения, связанные с решением специфических задач, позволяющих преодолеть системные и экономические ограничения, а также обеспечить соответствие правительственным требованиям, которые могут меняться от одного вида реализации к другому. Более того, следует иметь в виду, что несмотря на то, что такие изменения могут быть сложными и трудоемкими, они все же соответствуют установившейся практике, являются понятными для специалистов и поэтому не выходят за рамки настоящего изобретения.

В общих чертах, в соответствии с настоящим изобретением предлагается усовершенствованные способ, система и/или установка для бурения и/или обслуживания, которые позволяют вращать непрерывную бухтованную трубу, вводимую в скважину при бурении, для разведки и/или для операций добычи. Раскрыта система, в которой по меньшей мере один барабан бухтованной трубы расположен на вращаемой платформе, ориентированной относительно ствола скважины. Барабан с трубой выполнен с возможностью регулировки его положения относительно осевой линии ствола скважины, по мере разматывания с него и наматывания на него трубы. Может быть предусмотрена также система динамического уравновешивания, чтобы компенсировать динамически изменяющийся вес бухтованной трубы, причем она может быть выполнена с возможностью поступательного перемещения в направлении ствола скважины и от него, что может быть необходимо для поддержания вращательного равновесия. Держатель инжектора бухтованной трубы может быть установлен в непосредственной близости от ствола скважины, чтобы производить ввод («инжекцию») бухтованной трубы в скважину и вытаскивание бухтованной трубы из скважины. Настоящее изобретение позволяет использовать обычные или изготовленные третьей стороной трубные барабаны или барабаны собственного изготовления, а также обычное оборудование или оборудование собственного изготовления для перемещения бухтованной трубы, такое как держатель инжектора бухтованной трубы (подающее устройство для спуско-подъема бухтованной трубы). Установка в соответствии с настоящим изобретением может быть установлена на трейлере или на другом средстве передвижения, позволяющем быстро производить монтаж и демонтаж установки и легко перевозить ее от одной буровой площадки до другой буровой площадки. В таком трейлере оси и колеса должны быть расположены на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы оставлять свободными внешние стенки шахты скважины или других структур скважины.

Настоящее изобретение, по меньшей мере один вариант которого описан далее более подробно, существенно повышает эффективность, с которой как скважины с повышенным гидростатическим давлением в стволе скважины, так и скважины с пониженным гидростатическим давлением в стволе скважины могут быть пробурены и завершены; повышает безопасность, связанную с повторным входом, с уходом в сторону боковым стволом и с подземным ремонтом действующих или обедненных скважин; существенно уменьшает время, потраченное в резервуаре и в ходе монтажа и демонтажа по сравнению с обычными операциями бурения. По сравнению с обычными операциями бурения настоящее изобретение позволяет уменьшить численность персонала, уменьшить трение вращения, повысить скорость проникновения, а также позволяет безопасно и одновременно производить бурение, добычу и каротаж ствола скважины.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1 и 2, на которых показан более подробно вариант настоящего изобретения, чтобы облегчить понимание более широких аспектов концепции настоящего изобретения. На фиг.1 показан вид сбоку варианта участка системы, которая здесь выше была описана первой. Система содержит узел 10 поворотного стола и узел 12 барабана (причем узел барабана в повернутом положении обозначен позицией 12'). Узел 10 поворотного стола содержит основание 18 и узел 20 подшипника. Узел 12 барабана содержит барабан 28, на котором намотана труба 14, опорную конструкцию 16, держатель 22 инжектора бухтованной трубы, линии 24 управления и систему 26 уравновешивания. Энергосистема (не показана) обеспечивает систему необходимой мощностью. В соответствии с предпочтительным вариантом используют отдельную передвижную энергосистему, которая представляет собой дизельный двигатель мощностью 300 л.с., позволяющий вырабатывать необходимую электрическую и гидравлическую мощность.

Барабан 28 преимущественно имеет емкость по меньшей мере около 13,000 футов (4,000 метров) бухтованной трубы 14 с внешним диаметром 3¹/₄ дюйма (8.255 см) и с толщиной стенки ¹/₄ дюйма (0.635 см). Несмотря на то что труба 3¹/₄ дюйма и не является широко распространенной, было обнаружено, что такая труба обеспечивает оптимальный баланс усталостной прочности и прочности при кручении. Такая бухтованная труба 3¹/₄ дюйма может быть закуплена на фирме Precision Tube Technology of Houston, Texas. Само собой разумеется, что настоящее изобретение имеет применение для всех типов и размеров бухтованной трубы. Узел 12 барабана дополнительно содержит гидравлический цилиндр 30 (фиг.2), который поддерживает трубу зацентрированной главным образом непосредственно над держателем 22 инжектора. По мере того как трубу наматывают на барабан 28 и сматывают с него, весь барабан 28 при необходимости совершает поступательное перемещение (влево и вправо на фиг.1 и 2). Кроме того, узел 12 барабана содержит гидравлический цилиндр 32, который перемещает или вращает барабан 28 относительно точки 33 поворота, в направлении к держателю 22 инжектора и от него, когда каждый виток бухтованной трубы 14 наматывается на барабан или сматывается с него, чтобы поддержать при намотке трубу 14 зацентрированной с инжектором 22. Преимущественно, как это показано на фиг.3, гидравлический цилиндр 32 используют для перемещения барабана 28 в направлении ствола скважины и в направлении удаления от него, вместо поворота барабана 28 относительно точки 33 поворота.

Узел 12 барабана также содержит систему 15 привода барабана и натяжения, которая позволяет наматывать трубу 14 с усилием около 2,500 psi (фунтов на квадратный дюйм) или меньше. Система 15 привода может иметь один или несколько гидравлических двигателей, расположенных в непосредственной близости от периметра барабана 28 и связанных при помощи цепного механизма или зубчатой передачи с внешним периметром барабана 28. Альтернативно, гидравлический двигатель может быть расположен рядом с осевой линией этого барабана 28, чтобы осуществлять привод и натяжение трубы. Следует иметь в виду, что так как предпочтительным вариантом настоящего изобретения является передвижная установка, то внимание должно быть обращено на перемещаемые веса и ориентацию компонентов. Например, консольный гидравлический двигатель, расположенный вблизи от оси барабана 28, может быть склонен к усталостным отказам. Предпочтительный вариант системы 15 привода содержит единственный гидравлический двигатель и цепь, как это показано на фиг.2.

Сверху или выше от держателя 22 инжектора установлена система 34 преобразователя, которая определяет ориентацию бухтованной трубы относительно держателя 22 инжектора или совмещение трубы с ним. Как это показано на фиг.4, система 34 преобразователя, которая подходит для использования в соответствии с настоящим изобретением, содержит четыре валика 36, эффективно охватывающие трубу 14. Система 34 преобразователя дополнительно содержит электронные, электрические или гидравлические датчики, которые обнаруживают, когда бухтованная труба 14 находится в контакте с одним или несколькими валиками 36. Когда труба 14 входит в контакт с валиком или валиками 36, система 34 преобразователя посылает сигнал на соответствующий контроллер (например, оператору, на программируемый логический контроллер (ПЛК) или на другое логическое устройство), при этом поступает питание на соответствующий гидравлический цилиндр или цилиндры 30 или 32, чтобы перемещать узел 12 барабана и, следовательно, трубу 14 назад в зацентрированное совмещение с держателем 22 инжектора. Следует иметь в виду, что диапазоном перемещения трубы 14 относительно трубного инжектора 22 управляют за счет размещения валиков 36 и изменения чувствительности системы 34 преобразователя, которая может быть оптимизирована для конкретной используемой трубы 14. В соответствии с предпочтительным вариантом, когда используют трубу с внешним диаметром 3¹/₄ дюйма, система 34 преобразователя позволяет трубе отклоняться в любом направлении не более чем ориентировочно на ¹/₂ дюйма от осевой линии скважины, ранее возникновения корректирующего или восстанавливающего действия.

В соответствии с альтернативным вариантом программируемый логический контроллер или другое логическое устройство, а не система преобразователя может непосредственно управлять описанным здесь выше совмещением трубы. Например, когда труба наматывается или сматывается, длина намотки в футах может поступать на логическое устройство при помощи соответствующего преобразователя (такого как одометр). Простая логическая программа позволяет преобразовать длину намотанной трубы в правильную ориентацию узла барабана и посылать соответствующие сигналы управления на систему совмещения, такую как гидравлические цилиндры. Система 34 преобразователя, показанная на фиг.3, может быть использована совместно с такой основанной на логике системой совмещения для осуществления функций повышения надежности и/или ограничения.

Обратимся опять к рассмотрению фиг.2, на которой показан предпочтительный узел 20 подшипника для основного поворотного стола 10, который содержит сдвоенный подшипник диаметром 120 дюймов, такой как подшипник типа D20-111N1 фирмы Kaydon of Dallas, Texas. Внешняя часть 38 узла 20 подшипника прикреплена, например, к полу 40 установки, а внутренняя секция 42 узла подшипника 20 установлена на основании 18. Средства крепления узла подшипника 20 могут быть изменены в зависимости от конструктивных соображений. Кольцевое зубчатое колесо (зубчатый венец) 44 может быть установлено на внутренней секции узла 20 подшипника и/или на основании 18. Два гидравлических двигателя 46, имеющих малую скорость и высокий вращающий момент, укомплектованные надежными тормозами сброса давления и ведущим механизмом, преимущественно установлены на полу установки. Ведущие зубчатые колеса входят в зацепление с кольцевым зубчатым колесом 44 в двух местах, преимущественно сдвинутых на 180° друг от друга. В соответствии с предпочтительным вариантом указанные двигатели 46 создают объединенный вращающий момент ориентировочно от 8,500 до 13,000 фут-фунт трубы 14 и создают скорости ориентировочно от 0 до 20 и до 50 об/мин в каждом направлении.

В соответствии с предпочтительным вариантом используют трубный инжектор 22 типа Hydra-Rig model HR-5100 с емкость узла держателя инжектора, составляющей 100,000 фунтов. Трубный инжектор HR 5100 позволяет работать с бухтованными трубами, имеющими внешний диаметр от дюйма до дюйма. Он может работать с гидравлическими системами, имеющими как разомкнутую, так и замкнутую петлю обратной связи. Как это показано на фиг.5, инжектор 22 преимущественно не жестко соединен с узлом 10 основного поворотного стола. Другими словами, инжектор 22 преимущественно свободно вращается относительно барабана 28 и, следовательно, относительно основного поворотного стола 10. Это отсутствие жесткого соединения позволяет оператору управлять реактивным или дифференциальным вращающим моментом. Как это показано на фиг.5, инжектор 22 преимущественно установлен на отдельном поворотном столе 60, так что возможен относительный поворот между основным поворотным столом 10 и поворотным столом 60 инжектора. Поворотный стол 60 инжектора может иметь, например, секцию трубы большого диаметра, на одном конце которой может быть установлен инжектор 22. Другой конец трубы может быть соединен с возможностью вращения с конструкцией, такой как пол 40 установки, при помощи обычной системы 62 подшипника.

Когда отсутствуют реактивные силы или существуют незначительные реактивные силы, воздействующие внутри скважины на бухтованную трубу, инжектор 22 и основной поворотный стол 10 будут вращаться вместе. Однако, если реактивные силы, такие как сопротивление трения, возрастают внутри скважины, то вращение инжектора 22 может иметь запаздывание относительно вращения основного поворотного стола 10 на величину, определяемую реактивными силами, воздействующими внутри скважины на трубу. Эти реактивные силы могут быть измерены самым различным образом. Например, измерительная реактивная штанга 64 может быть установлена между поворотным столом 60 инжектора и основным поворотным столом 10. Когда реактивные силы внутри скважины возрастают, тогда механическое напряжение, приложенное к реактивной штанге 64, будет возрастать, что может быть использовано для измерения реактивных сил внутри скважины. Альтернативно, может быть использован отдельный двигатель 66 для поворотного стола 60 инжектора. Система управления, такая как упомянутый здесь выше программируемый логический контроллер, может быть использована для управления вращением поворотного стола 60 инжектора синхронно с основным поворотным столом 10. Когда реактивные силы внутри скважины возрастают, тогда большую мощность следует подводить к двигателю 66 поворотного стола 60 инжектора, чтобы удерживать инжектор в синхронизме с барабаном 20 и с основным поворотным столом 10. Само собой разумеется, что инжектор 22 может быть также соединен с основным поворотным столом 10, при этом отсутствует относительное вращение между ними.

В зависимости от вида выбранной системы инжектора 22 может быть выгодно устанавливать инжектор 22 на скользящем основании, что позволяет перемещать его наружу, чтобы освободить доступ в скважину. Полностью убранный инжектор 22 может храниться внутри опорной конструкции 16, в том числе и тогда, когда установку перемещают (например, на другую буровую площадку).

Обратимся опять к рассмотрению фиг.2, на которой показана расположенная напротив узла 12 барабана система 26 уравновешивания. Эта система 26, которая в своем самом простом виде содержит емкость со стальными или чугунными отходами в качестве противовеса, служит для уравновешивания нагрузки узла 12 барабана. Один или несколько, а преимущественно два гидравлических цилиндра 50 позволяют перемещать противовесы в направлении к узлу барабана 12 и в противоположном направлении, чтобы главным образом уравновешивать нагрузку, воздействующую на узел 20 подшипника. Например, когда центр масс барабана 28 движется в направлении оси скважины, центр масс противовеса также должен двигаться в направлении оси скважины, и наоборот. Другие один или несколько гидравлических цилиндров используют для перемещения противовесов влево и вправо относительно направления движения барабана, когда трубу разматывают или наматывают. Следует иметь в виду, что этот тип гидравлического управления может быть реализован при соответствующей герметизации линий управления. Могут быть использованы также и более сложные системы управления, в том числе и система, построенная на базе программируемого логического контроллера.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг.6-16, на которых показаны другие аспекты построения предлагаемой системы и ее использования. На фиг.6 показан предпочтительный вариант передвижной установки 100 для бурения и обслуживания скважин, построенной с использованием различных аспектов настоящего изобретения. Передвижная установка 100 может быть доставлена на трейлере на специфическую буровую площадку, где ее закрепляют подпорками и совмещают с устьем скважины. В таком трейлере оси и колеса должны быть расположены на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы оставлять свободными внешние стенки шахты скважины или других структур скважины. Конструктивные элементы установки могут быть изготовлены из конструкционной стали, позволяющей выдерживать вращательную нагрузку около 441,000 фунтов (200 тонн), причем поворотный стол установки может быть установлен заподлицо с поверхностью буровой площадки. В непосредственной близости от установки развертывают передвижные вспомогательные системы питания и управления (не показаны), которые соединяют с установкой соответствующим образом.

На фиг.7 показан вид с торца передвижной установки 100, где можно видеть секции правой стороны верхнего 102 и нижнего 104 этажей установки, опущенных из их положения транспортирования в горизонтальное или рабочее положение. Секции 106, 108 левой стороны также опускают в рабочее положение, после чего все секции блокируют (закрепляют) на месте, например, с использованием шпилек 110. Различные механизмы могут быть использованы для опускания секций пола в рабочее положение (и для поднимания их в положение транспортирования), такие как (но без ограничения) гидравлические цилиндры, канатные системы или ручные домкраты. В варианте, показанном на фиг.7, одну или несколько стоечных тележек (не показаны) используют для опускания секций пола в рабочее положение. Если установка 100 имеет колеса 112, они могут быть втянуты или выдвинуты так, чтобы нижний этаж (пол) 114 установки опирался на грунт или подходящий фундамент. Верхний этаж установки, содержащий левые и правые секции 106, 102 и центральную секцию 116, содержит указатели уровня, что позволяет при необходимости регулировать уровень верхнего этажа установки, например, с использованием прокладок. Преимущественно следует произвести опускание пола установки в рабочее положение и его фиксацию ранее втягивания колес 112.

На фиг.8 показана складная мачта 118, которая годится для использования совместно с передвижной установкой 100. Во время транспортирования верхняя секция мачты может быть закреплена внутри нижней секции. После доставки на буровую площадку мачта 118 может быть развернута с использованием гидравлической лебедки и системы проводной связи (не показана) или другой подходящей системы. Показана мачта 118 с двумя из четырех нижних соединительных точек 120, соединенных шпильками с нижним этажом передвижной установки 100. Складная мачта 118 может быть развернута с использованием различных средств, в том числе (но без ограничения) при помощи тягача, показанного на фиг.8, и блокирована в рабочем положении при помощи, среди прочего, шпилек. На фиг.9 показан другой вид складной мачты 118, которая имеет расширение 35 футов на уровне бурового пола установки и чистую высоту крюка около 55 футов. Вершина мачты может консольно выступать с передней стороны установки. На вершине могут быть закреплены один или несколько подъемных механизмов, а преимущественно закреплен 100-тонный подъемный механизм, который выполнен с возможностью перемещения от центра скважины до кромки нижнего этажа установки. Мачта 118 может содержать нижние секции 150, 152 и верхние секции 154, 156. Система вращения, показанная на фиг.1 и 2, будет вращаться внутри основания (посадочного места) мачты 118.

На фиг.10А и 10B показана складная мачта 118, которую поднимают в заданное положение относительно передвижной установки 100. Мачта 118 может быть поднята в вертикальное положение и опущена в горизонтальное положение при помощи различных систем, хорошо известных сами по себе, в том числе при помощи двух гидравлических цилиндров двойного действия, имеющих три ступени. Система управления обоими гидравлическими устройствами может находиться на панели управления оператора, расположенной в непосредственной близости от секции основания мачты 118. Верхние секции мачты 118 защелкиваются в нижних секциях. В качестве дополнительного предохранительного устройства может быть использован ручной фиксатор. Защелки обеспечивают легкий визуальный контроль надлежащего функционирования из положения на земле. В качестве дополнительных предохранительных средств могут быть использованы отверстия в подъемных цилиндрах, которые позволяют управлять скоростью опускания мачты в случае отказа гидравлической системы во время монтажа или демонтажа установки.

На фиг.11 показано основание 134 мачты, которое подходит для использования с мачтой 118. Основание содержит множество валиков Хиллмана 136. Валики 136 могут иметь втянутые и опущенные (выдвинутые) положения, причем опущенные положения позволяют перемещать или катить мачту 118 относительно нижнего этажа (пола) установки. Перемещение мачты 118 может быть осуществлено, среди прочего, при помощи гидравлических или электрических двигателей или тяговых систем. Кодирующие устройства и/или концевые выключатели могут быть использованы для отслеживания перемещения мачты 118 и/или для ограничения ее перемещения.

На фиг.12А показано, что верхний этаж (102, 106 & 116) соединен с возможностью поворота с нижним этажом при помощи множества стоек 122. Верхний этаж перемещают за счет поворота в рабочее положение, например, при помощи лебедки и фиксируют при помощи штифтов. Например, мачта 118 может быть использована для подъема лебедкой верхнего этажа в рабочее положение. Дополнительные раскосы могут быть использованы при необходимости для поддержки верхнего этажа. Стойки 122 преимущественно обеспечивают вертикальный зазор около 27 футов над землей или над нижним этажом установки. Верхний этаж имеет габариты с длиной около 39 футов и с шириной 39 футов. На фиг.12B показан вид спереди поднятой мачты 118. Можно видеть, что узел 112 барабана и поворотный стол 110 выполнены с возможностью вращения внутри основания мачты 118.

На фиг.13 показан узел 124 барабана, доставленный к передвижной установке 100. Узел 124 барабана содержит барабан 28 с намотанной на него трубой 14, опорную конструкцию 16, основание 18, держатель 22 инжектора бухтованной трубы и противовес 26 (см. фиг.2). Гидравлические цилиндры на трейлере узла барабана могут быть использованы для подъема и установки в рабочее положение узла 124 барабана относительно мачты 118. Следует иметь в виду, что в вариантах системы, в которых используют отдельный поворотный стол 60 инжектора, инжектор 22 может быть компонентом описанного узла 124 барабана, но может и не входить в него.

На фиг.14 показан узел 124 барабана, поднятый над верхним этажом установки при помощи складной мачты 118. Различные средства могут быть использованы для подъема узла 124 барабана, однако предпочтительным является использование мачтовой лебедки 150 для подъема узла 124 барабана на верхний этаж.

На фиг.15 показано перемещение мачты 118 к центру узла 124 барабана поверх его монтажных подушек 126 на узле 128 поворотного стола. В соответствии с предпочтительным вариантом каждая стойка мачты 118 имеет лебедку с двумя барабанами. Канат наматывается против часовой стрелки на одном барабане и по часовой стрелке на другом барабане. Свободные концы каната прикреплены к держателям на полу установки. Основание 134 мачты содержит валики Хиллмана 136 (фиг.11), которые гидравлически поднимаются и опускаются. Когда они опущены, могут быть приведены в действие два барабана лебедки, чтобы перемещать мачту 118 в желательном направлении. Альтернативно, система с механизмом реечной передачи, цепная система, гидравлические цилиндры или другие аналогичные устройства могут быть использованы для перемещения мачты 118.

На фиг.16 показано, что узел 124 барабана опущен в рабочее положение и соединен шпильками с монтажными подушками 126 на узле 128 поворотного стола. Узел 124 барабана переведен из его состояния транспортирования за счет перемещения держателя 22 инжектора в рабочее положение над осевой линией скважины 130. Держатель инжектора может быть установлен на направляющих и перемещен при помощи гидравлических цилиндров, при помощи каната и барабана или при помощи других подобных устройств. Для тех вариантов, в которых держатель 22 инжектора соединен с его собственным поворотным столом 60, инжектор может быть перемещен в рабочее положение поверх поворотного стола 60 инжектора и соединен с ним. Противовес 26 также устанавливают на узле 128 поворотного стола напротив барабана 28. Диспетчерский пункт 132 также перемещают за счет скольжения по направляющим или катят по валикам в рабочее положение. В соответствии с предпочтительным вариантом валики Хиллмана используют для установки диспетчерского пункта в рабочее положение. После установки узла барабана в рабочее положение складная мачта 118 может быть возвращена к передней стороне передвижной установки 100.

Со ссылкой на фиг.1-16 была описана усовершенствованная система для бурения и/или обслуживания скважин с использованием вращающейся бухтованной трубы, причем, несмотря на то что (некоторые) сложные конструктивные детали не были объяснены, специалисты после прочтения описания легко поймут, как может быть спроектирована и внедрена такая усовершенствованная система. Следует учесть, что предложенная усовершенствованная система позволяет производить бурение с использованием бухтованной трубы при ее вращении со скоростью около 20 об/мин или выше в любом направлении. Предложенная усовершенствованная система может быть использована как на скважинах с повышенным гидростатическим давлением в стволе скважины, так и на скважинах с пониженным гидростатическим давлением в стволе скважины. Что касается скважин с пониженным гидростатическим давлением в стволе скважины, то особенности проведения бурения на них могут быть найдены в публикации Introduction to Underbalanced Drilling by Leading Edge Advantage, Ltd (2002), которая может быть найдена в Интернете по адресу www.lealtd.com и которая включена в данное описание в качестве ссылки.

Обычный комплекс оборудования для спуско-подъема труб под давлением может быть использован в усовершенствованной системе для того, чтобы сделать ее главным образом автономной и позволяющей производить подготовку и заканчивание как скважин с повышенным гидростатическим давлением в стволе скважины, так и скважин с пониженным гидростатическим давлением в стволе скважины. Предполагается, что установка в соответствии с вариантом настоящего изобретения может быть смонтирована и введена в строй в течение времени около 6 часов после прибытия на буровую площадку. Так как бухтованная труба вращается, то усовершенствованная система меньше подвержена фрикционному заеданию, а также имеет меньшие ограничения, связанные с промывкой ствола и весом перемещения буровой коронки. Кроме того, существующее или обычное оборудование низа бурильной колонны (ВНА) с успехом может быть использовано совместно с предлагаемой здесь системой. Например, можно ожидать, что усовершенствованная система позволит производить спуско-подъемную операцию в 4 раза быстрее, чем обычная установка с сочленяемыми трубами, без увеличения числа рабочих по сравнению с обычными операциями бурения. Усовершенствованная система может быть использована совместно с существующими или обычными разделительными блоками для бурения с пониженным гидростатическим давлением в стволе скважины, причем наиболее эффективно она может быть использована совместно с полностью интегрированной, передвижной системой бурения с пониженным гидростатическим давлением в стволе скважины (UBD).

В применениях с пониженным гидростатическим давлением в стволе скважины оборудование низа бурильной колонны (ВНА) может быть развернуто с использованием обычного лубрикатора. Имеется ряд вариантов ВНА, начиная от вариантов с применением стандартного двигателя объемного вытеснения до вариантов с применением турбин для ротационных управляемых систем, в которых используют технологию пульсации бурового раствора или электромагнитную технологию (EMWD) для различных применений бурения.

На практике сначала производят соединение ВНА с бухтованной трубой и проверяют давление. Затем ВНА вводят в скважину, чтобы начать бурение. Когда требуется вращение трубы, барабан бухтованной трубы и, следовательно, бухтованная труба в скважине может быть приведена во вращение со скоростью около 20 об/мин или выше, если это желательно. Если реактивный вращающий момент создает проблему, то тогда барабан также может быть приведен во вращение в противоположном направлении. При проведении направленного бурения вращение барабана может быть остановлено, чтобы облегчить необходимое изменение траектории скважины, причем после проведения необходимой корректировки может быть проведено бурение прямой секции. Все операции перемещения и бурения могут быть осуществлены без проведения операций сочленения, что позволяет поддерживать постоянное давление внутри скважины и предотвращать повышение давления до уровня, потенциально опасного для продуктового пласта, или до уровня, сводящего на нет преимущества бурения с пониженным гидростатическим давлением в стволе скважины.

При подъеме из скважины система может при обратном перемещении непрерывно расширять ствол скважины без подключения трубных секций к башмаку или отключения трубных секций от башмака, что помогает очищать скважину и снижает потенциальную опасность застревания трубы. Когда буровая коронка находится у башмака, вращение трубы может быть остановлено, чтобы исключить возможность повреждения буровой коронки, причем бухтованную трубу поднимают из скважины на поверхность при поддержании пониженного гидростатического давления в стволе скважины. Оборудование ВНА может быть извлечено из скважины, и система может начинать процесс демонтажа установки или повторного заканчивания скважины в соответствии с заданной программой работы установки.

Как уже было упомянуто выше, система в соответствии с настоящим изобретением может быть использована совместно с обычным оборудование низа бурильной колонны и с гидравлическими забойными двигателями, в дополнение к обычным узлам, обеспечивающим управляемое вращение бухтованных труб. Возможность использования различных ВНА или других возможных узлов позволяет снизить синусоидальные колебания, которые часто встречаются при традиционном бурении скважин с использованием ВНА с бухтованной трубой. Следует иметь в виду, что настоящее изобретение может быть использовано во всех случаях бурения нисходящей скважины, каротажа, ловильных работ, ликвидации скважины, добычи, а также может быть использовано с другими инструментами или процессами. Кроме того, бухтованная труба может быть приведена во вращение в противоположном направлении относительно вращения двигателя бурового долота, что позволяет снизить реакцию трубы на колебания держателя и позволяет благоприятно снизить синусоидальные колебания трубы в скважине.

Несмотря на то что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки формулы изобретения.

1. Система для бурения или обслуживания скважин с пониженным или с повышенным гидростатическим давлением в стволе скважины, с использованием бухтованной трубы, содержащая:
вращаемое основание, содержащее систему подшипника, соединяющую основание с полом с возможностью вращения, узел барабана, содержащий опорную конструкцию, позволяющую поддерживать барабан бухтованной трубы, причем опорная конструкция содержит систему совмещения, позволяющую совмещать бухтованную трубу со скважиной, когда бухтованную трубу наматывают на барабан и сматывают с него; при этом узел барабана расположен в непосредственной близости от периметра основания;
держатель инжектора бухтованной трубы, расположенный в непосредственной близости от узла барабана и совмещенный со скважиной;
узел уравновешивания, расположенный на основании, главным образом, напротив узла барабана и выполненный с возможностью перемещения в направлении приближения к узлу барабана и удаления от него, чтобы поддерживать равновесие вращающегося основания, когда бухтованную трубу наматывают на барабан и сматывают с барабана; и
систему приведения в движение, предназначенную для вращения основания и за счет этого для передачи вращающего момента к бухтованной трубе в скважине.

2. Система по п.1, которая дополнительно включает в себя второе вращаемое основание, с которым соединен инжектор, причем первое вращаемое основание и второе вращаемое основание выполнены с возможностью вращения относительно друг друга.

3. Система по п.2, которая дополнительно включает в себя систему измерения вращающего момента, которая позволяет определять величину реактивного вращающего момента, приложенного к трубе в скважине.

4. Система по п.1, в которой система совмещения содержит первый комплект, содержащий один или несколько гидравлических цилиндров, который перемещает барабан в направлении к скважине, когда бухтованная труба разматывается, и второй комплект, содержащий один или несколько гидравлических цилиндров, который поступательно перемещает барабан относительно скважины, когда бухтованная труба разматывается.

5. Система по п.2, в которой держатель инжектора дополнительно содержит систему преобразователя, которая определяет ориентацию бухтованной трубы относительно осевой линии скважины и вырабатывает один или несколько сигналов, поступающих на систему совмещения, чтобы привести бухтованную трубу назад в состояние совмещения.

6. Система по п.1, в которой система приведения в движение содержит один или несколько гидравлических двигателей, который входят в зацепление с кольцевым зубчатым колесом, связанным с основанием.

7. Система по п.1, в которой система приведения в движение приводит основание во вращение со скоростью ориентировочно до 20 об/мин.

8. Система по п.1, в которой пол содержит множество секций, положение которых в ходе перемещения бухтованной трубы может быть изменено.

9. Система по п.8, которая дополнительно включает в себя передвижную установку.

10. Система для бурения или обслуживания скважин с пониженным или с повышенным гидростатическим давлением в стволе скважины, с использованием бухтованной трубы, содержащая:
узел платформы, имеющий нижний участок и верхний участок, расположенный с промежутком над нижним участком;
первое вращаемое основание, имеющее ось вращения, которая, главным образом, совпадает с осью скважины, причем это основание расположено на верхнем участке платформы и содержит систему подшипника, соединяющую основание с возможностью вращения с верхним участком;
узел барабана, расположенный на первом основании, содержащий опорную конструкцию, позволяющую поддерживать барабан бухтованной трубы, причем опорная конструкция содержит систему совмещения, позволяющую совмещать барабан бухтованной трубы по меньшей мере в двух направлениях со скважиной, когда бухтованную трубу наматывают на барабан и сматывают с него;
инжектор бухтованной трубы, расположенный на втором вращаемом основании, имеющем ось вращения, которая, главным образом, совпадает с осью скважины, причем инжектор бухтованной трубы и первое основание выполнены с возможностью относительного вращения между собой;
узел уравновешивания, расположенный на первом вращаемом основании, главным образом, напротив узла барабана и выполненный с возможностью перемещения в направлении приближения к узлу барабана и удаления от него, а также в боковом направлении относительно узла барабана, чтобы поддерживать равновесие первого вращаемого основания, когда бухтованную трубу наматывают на барабан и сматывают с него; и
систему приведения в движение, предназначенную для вращения первого основания и за счет этого для передачи вращающего момента к бухтованной трубе в скважине.

11. Система по п.10, которая дополнительно включает в себя систему измерения вращающего момента, которая позволяет определять величину дифференциального вращающего момента между первым и вторым вращаемыми основаниями.

12. Система по п.10, в которой инжектор дополнительно содержит систему преобразователя, которая определяет ориентацию бухтованной трубы относительно оси скважины и вырабатывает один или несколько сигналов, поступающих на систему совмещения, чтобы привести бухтованную трубу назад в состояние совмещения.

13. Система по п.10, в которой система приведения в движение содержит один или несколько гидравлических двигателей, которые входят в зацепление с кольцевым зубчатым колесом, связанным с основанием.

14. Система по п.13, в которой система приведения в движение приводит первое основание во вращение со скоростью ориентировочно до 20 об/мин.

15. Система по п.10, которая дополнительно включает в себя передвижную установку.

16. Система по п.15, в которой пол содержит множество секций, положение которых в ходе перемещения бухтованной трубы может быть изменено.

17. Способ бурения или обслуживания скважины, который включает в себя следующие операции:
использование узла пола, ориентированного относительно скважины;
использование первой вращающейся конструкции, связанной с полом и имеющей ось вращения, главным образом, совмещенную с осью скважины, и содержащей узел барабана бухтованной трубы и узел уравновешивания;
использование второй вращающейся конструкции, имеющей ось вращения, главным образом, совмещенную с осью скважины, и содержащей инжектор трубы;
разматывание трубы с барабана и введение ее в инжектор;
введение размотанной трубы в скважину;
регулировку положения узла барабана, чтобы поддерживать бухтованную трубу, главным образом, в состоянии совмещения со скважиной;
регулировку узла уравновешивания, чтобы поддерживать равновесие первой вращающейся конструкции по мере разматывания трубы; и вращение первой вращающейся конструкции, чтобы за счет этого вращать размотанную трубу в скважине.

18. Способ по п.17, в котором скважина имеет пониженное гидростатическое давление в стволе скважины.

19. Способ по п.17, в котором скважина имеет повышенное гидростатическое давление в стволе скважины.

20. Способ по п.17, который дополнительно предусматривает определение любого дифференциального вращающего момента между первой вращающейся конструкцией и второй вращающейся конструкцией.
Приоритет по пунктам:

01.07.2004 по пп.1-20.