система для крепления участка ствола скважины

Формула изобретения

1. Система для крепления участка ствола скважины расширяемым трубчатым элементом, содержащая удлиненную колонну труб, проходящую в ствол скважины и снабженную трубчатым элементом в его нерасширенном состоянии, окружающим нижнюю часть колонны труб, расширителем, расположенным у нижней концевой части трубчатого элемента, и средством крепления, предназначенным для закрепления верхней концевой части трубчатого элемента в стволе скважины, отличающаяся тем, что верхняя концевая часть трубчатого элемента проходит в наружный трубчатый элемент, расположенный в стволе скважины и окружающий верхнюю концевую часть, и средство крепления включает средство для расширения в радиальном направлении верхней концевой части трубчатого элемента до наружного трубчатого элемента.

2. Система по п.1, в которой опора трубчатого элемента на колонне труб выполнена с помощью отсоединяемого опорного средства.

3. Система по п.2, в которой опорное средство включает, по меньшей мере, одно удерживающее приспособление, размещенное на колонне труб и выполненное с возможностью смещения между отведенным в радиальном направлении положением, при котором колонна труб может смещаться в аксиальном направлении относительно трубчатого элемента, и выдвинутым в радиальном направлении положением, при котором удерживающее приспособление служит опорой трубчатому элементу.

4. Система по п.3, в которой колонна труб выполнена с продольным каналом для прохода скважинной текучей среды и с кольцевой опорой, расположенной в канале для прохода текучей среды и выполненной с возможностью смещения в аксиальном направлении относительно колонны труб и приведения ее в действие для обеспечения смещения каждого удерживающего приспособления из его выдвинутого положения в его отведенное положение, при смещении опоры в аксиальном направлении с помощью пробки, подаваемой посредством нагнетания по каналу для прохода текучей среды.

5. Система по п.4, в которой канал для прохода текучей среды проходит через расширитель и каждое удерживающее приспособление расположено на том же уровне, что и расширитель.

6. Система по п.5, в которой наружный трубчатый элемент представляет собой один из таких элементов, как обсадная труба, хвостовик и трубчатая накладка.

7. Система по п.5 или 6, в которой средство для расширения в радиальном направлении включает оправку, образованную из множества сегментов, выполненных с возможностью смещения в радиальном направлении.

8. Система по п.7, в которой оправка выполнена с возможностью расширения ее в радиальном направлении с помощью гидравлической приводной системы.

9. Система по п.8, в которой гидравлическая приводная система включает камеру для текучей среды, сообщающуюся с каналом для прохода текучей среды во время расширения оправки в радиальном направлении.

10. Система по любому из пп.1-6, 8, 9, в которой колонна труб представляет собой бурильную колонну, предназначенную для бурения ствола скважины.

11. Способ крепления участка ствола скважины расширяемым трубчатым элементом посредством использования системы по п.10, включающий следующие операции: бурение участка ствола скважины путем использования бурильной колонны, закрепление верхней части трубчатого элемента в стволе скважины путем использования средства крепления, отсоединение бурильной колонны от трубчатого элемента, подъем расширителя с помощью бурильной колонны через трубчатый элемент для расширения трубчатого элемента в радиальном направлении.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к системе для крепления участка ствола скважины расширяемым трубчатым элементом, при этом удлиненная колонна труб проходит в ствол скважины. Примером такой колонны труб является бурильная колонна, используемая для бурения ствола скважины. Во время обычного бурения ствола скважины участки ствола скважины бурят и крепят обсадной трубой или нижней трубой обсадной колонны на последующих стадиях. На каждой стадии бурильную колонну опускают через обсадные трубы, уже установленные в стволе скважины, и новый участок бурят ниже установленных обсадных труб. При данной технологии обсадная труба, которая должна быть установлена на вновь пробуренном участке, должна пройти через ранее установленную обсадную трубу, следовательно, новая обсадная труба должна иметь меньший наружный диаметр по сравнению с внутренним диаметром ранее установленной обсадной трубы. В результате с увеличением глубины диаметр имеющегося ствола скважины уменьшается. В глубоких скважинах это обстоятельство может привести к тому, что будут получены малые диаметры, "непригодные" с практической точки зрения. В нижеприведенном описании ссылки на "обсадную трубу" или "нижнюю обсадную трубу" сделаны без подразумеваемого различия между подобными типами трубчатых элементов. Аналогично, ссылки на "крепление" могут быть поняты как означающие наличие нижней обсадной трубы или обсадной трубы в стволе скважины.

Было предложено решение проблемы постепенного уменьшения внутренних диаметров обсадной колонны путем установки трубчатого элемента в стволе скважины и последующего расширения трубчатого элемента в радиальном направлении до большего диаметра посредством расширителя, который поднимают, проталкивают вниз или подают с помощью нагнетания через трубчатый элемент. Однако подобный способ требует извлечения бурильной колонны из ствола скважины каждый раз при установке нового расширяемого трубчатого элемента в стволе скважины.

Целью настоящего изобретения является разработка усовершенствованной системы для крепления участка ствола скважины с помощью расширяемого трубчатого элемента, которая позволяет устранить проблемы, характерные для известного уровня техники.

В соответствии с изобретением разработана система для крепления участка ствола скважины расширяемым трубчатым элементом, содержащая удлиненную колонну труб, проходящую в ствол скважины и снабженную трубчатым элементом в его нерасширенном виде, окружающим нижнюю часть колонны труб, расширителем, расположенным у нижней концевой части трубчатого элемента, и средством крепления, предназначенным для закрепления верхней концевой части трубчатого элемента в стволе скважины.

При использовании расширяемый трубчатый элемент (например, нижняя обсадная труба или часть обсадной колонны) вначале опирается на бурильную колонну и на заданной глубине указанный расширяемый трубчатый элемент расширяют до стенки ствола скважины для обеспечения его постоянной установки в стволе скважины, при этом сначала крепят верхнюю концевую часть к внутренней стороне существующей обсадной колонны, стенке ствола скважины или другому трубчатому элементу, а затем тянут расширитель вверх через трубчатый элемент. После этого бурильная колонна может быть полностью поднята на поверхность. С помощью данного способа бурильная колонна с расширяемым трубчатым элементом, расположенным на ней, может быть приведена в действие для бурения ствола скважины аналогично тому, как это обычно делается при бурении скважин в земле без уменьшения прочности. При нерасширенном состоянии расширяемого трубчатого элемента вся бурильная колонна может быть поднята на поверхность для замены изношенных частей в том случае, если это станет необходимым. Способ может быть реализован повторно для бурения другого нового участка ствола, находящегося ниже ранее расширенного трубчатого элемента. Расширенный элемент может быть дополнительно уплотнен внутри ствола скважины путем нагнетания затвердевающей текучей среды в любое остающееся кольцевое пространство между расширенным элементом и стенкой ствола скважины.

Изобретение будет описано ниже более подробно и в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 схематично показывает выполненный частично в сечении продольный вид варианта осуществления системы по изобретению;

фиг.2А схематично показывает продольное сечение расширителя, используемого в варианте осуществления по фиг.1, при его прикреплении к нижнему концу колонны труб;

фиг.2 В схематично показывает продольное сечение расширителя по фиг.2А при его отсоединении от колонны труб;

фиг.3А схематично показывает продольное сечение системы крепления, используемой в варианте осуществления по фиг.1, перед приведением ее в действие;

фиг.3 В схематично показывает продольное сечение системы крепления по фиг.3А во время начальной стадии приведения ее в действие;

фиг.3С схематично показывает продольное сечение системы крепления по фиг.3 В во время последующей стадии приведения ее в действие;

фиг.4 схематично показывает сечение 4-4 на фиг.3А;

фиг.5 схематично показывает сечение 5-5 на фиг.3В; и

фиг.6 схематично показывает деталь расширителя по фиг.2А и 2В.

Для простоты на фиг.2А, 2В, 3А, 3В показана только половина соответствующего продольного сечения, при этом другая половина симметрична первой половине относительно продольной оси (обозначенной ссылочным номером 5).

На фигурах аналогичные ссылочные номера относятся к аналогичным компонентам.

На фиг.1 показана трубчатая бурильная колонна 1, проходящая в ствол 2 скважины, образованный в пласте 3 земли. Верхняя часть ствола 2 скважины снабжена обсадной колонной 4, имеющей продольную ось 5. Вновь пробуренная часть 6 ствола скважины, не закрепленная обсадными трубами, проходит ниже обсадной колонны 4. Бурильная колонна 1 включает множество соединенных частей 8 бурильной колонны (то есть секций бурильной трубы) и имеет нижнюю часть 10, вокруг которой расширяемая нижняя обсадная труба 12 расположена по существу концентрично. Нижняя концевая часть бурильной колонны 1, то есть часть, расположенная ниже нижней обсадной трубы 12, образована оборудованием 14 низа бурильной колонны, которое включает буровое долото 16 типа долота с двумя центрами или эксцентричного долота, двигатель 18 для выполнения бурения, предназначенный для приведения в действие бурового долота 16, и прибор 20 для измерения забойных параметров в процессе бурения, предназначенный для того, чтобы способствовать процессу направленного бурения ствола скважины вдоль заданной траектории до определенного места под поверхностью земли. Сверху над прибором 20 для измерения забойных параметров в процессе бурения могут быть предусмотрены другие элементы, которые обычно используются при бурении скважин. Отличительной особенностью бурового долота 16 с двумя центрами является то, что оно обеспечивает бурение участков ствола скважины, имеющих больший диаметр по сравнению с диаметром самого долота, поскольку долото при его приведении во вращение описывает большую круговую зону (окружность), чем в состоянии, когда оно не приведено во вращение. Бурильная колонна 1 дополнительно снабжена расширяющим коническим элементом 22, расположенным сверху над оборудованием 14 низа бурильной колонны и предназначенным для расширения нижней обсадной трубы 12 за счет пластического деформирования путем перемещения расширяющего конического элемента 22 через нижнюю обсадную трубу 12. Нижняя часть 10 бурильной колонны 1 включает аксиальный удлинительный переводник 23, который обеспечивает возможность смещения бурильной колонны 1 на небольшое расстояние в аксиальном направлении относительно нижней обсадной трубы 12 для компенсации разности размеров, обусловленной различным тепловым расширением бурильной колонны 1 и нижней обсадной трубы 12.

Как показано далее на фиг.2А и 2 В, расширяющий конический элемент 22 выполнен с отсоединяемым опорным средством, предназначенным для обеспечения опоры для нижней обсадной трубы 12, при этом опорное средство включает множество отводимых удерживающих колодок 24, расположенных на определенном расстоянии друг от друга в окружном направлении на наружной поверхности конического элемента 22 и расположенных в соответствующих отверстиях 26, выполненных на конической наружной поверхности расширяющего конического элемента 22. Наружные поверхности удерживающих колодок 24 совместно образуют профиль 28 резьбы, подобный упорной резьбе, при этом указанная резьба 28 образует соединение с взаимодействующей резьбой 30, подобной упорной резьбе и выполненной на нижнем конце нижней обсадной трубы 12. Соединение резьбы 28 с резьбой 30 осуществляется путем смещения нижнего конца нижней обсадной трубы 12 с резьбой 30 над резьбой 28 отводимых удерживающих колодок 24. В процессе соединения нижняя обсадная труба 12 может смещаться только вниз, а не вверх. В альтернативном варианте нижний конец нижней обсадной трубы 12 может быть навинчен на удерживающие колодки 24, при этом предпочтительное направление навинчивания представляет собой направление против часовой стрелки. Защитная гильза 32 прикреплена к нижнему концу нижней обсадной трубы 12 для предотвращения повреждения наружной поверхности расширяющего конического элемента 22.

На внутренней поверхности расширяющего конического элемента 22 размещено кольцо 34, расположенное в кольцевой выемке 36 конического элемента 22 таким образом, что данное кольцо может смещаться в аксиальном направлении в кольцевой выемке 36. Как четко видно на фиг.2А, 2 В, отверстия 26 сообщаются по текучей среде с кольцевой выемкой 36 и кольцо 34 и удерживающие колодки взаимодействуют таким образом, что смещение кольца вниз приводит к отводу удерживающих колодок 24 в радиальном направлении. Кольцо имеет контактный участок 38 с определенным профилем, который сопрягается с закрывающей пробкой 40 (показанной на фиг.1, 3А, 3В), которая может быть подана посредством нагнетания через бурильную колонну 1. Когда закрывающая пробка 40 опирается на контактный участок 38 с определенным профилем, канал, обеспечивающий возможность циркуляции текучей среды через бурильную колонну 1, оказывается заблокированным. Продолжающееся нагнетание текучей среды через бурильную колонну 1 приводит к увеличению давления текучей среды над закрывающей пробкой 40 и тем самым к смещению кольца 34 вниз. В результате обеспечивается возможность отвода удерживающих колодок 24 радиально внутрь, так что в результате этого расширяющий конический элемент 22 отсоединяется от нижней обсадной трубы 12.

Как показано на фиг.3А и 3В, бурильная колонна 1 включает расширяющее устройство 42, расположенное у верхнего конца нижней обсадной трубы 12 и предназначенное для расширения нижней обсадной трубы 12 в радиальном направлении до обсадной колонны 4 так, чтобы образовать прочное соединение с обсадной колонной 4 и уплотнение по отношению к текучей среде. Расширяющее устройство 42 включает соответствующие верхний и нижний трубчатые элементы 44, 46, которые выполнены с возможностью смещения в аксиальном направлении друг относительно друга за счет наличия шлицевого соединения 48, обеспечивающего возможность передачи крутящего момента между элементами 44, 46. Небольшие зазоры между шлицами двух элементов 44, 46 образуют множество небольших продольных каналов 49 для прохода текучей среды, из которых некоторые сообщаются по текучей среде с внутренним пространством 50 бурильной колонны 1 через отверстия 52, выполненные в нижнем элементе 46. Наружная поверхность нижнего элемента 46 герметично уплотнена относительно внутренней поверхности верхнего элемента 44 с помощью кольцевых уплотнений 54, расположенных над отверстиями 52. Нижний элемент 46 уплотнен относительно нижней обсадной трубы 12 с помощью кольцевых уплотнений 56.

Два элемента 44, 46 зафиксированы друг относительно друга с помощью фиксирующего кольца 58, которое расположено в кольцевой выемке 60 нижнего элемента 46 и которое проходит в кольцевую выемку 62 верхнего элемента 44 так, чтобы обеспечить возможность передачи осевых усилий между двумя элементами 44, 46. Фиксирующее кольцо 58 подпружинено, так что при освобождении его оно будет полностью смещаться назад в кольцевую выемку 60. Разрезное опорное кольцо 64 расположено в нижнем элементе 46 на той же высоте, что и кольцевая выемка 60, так, чтобы перекрывать выемку 60, при этом опорное кольцо 64 выполнено с возможностью смещения в аксиальном направлении относительно нижнего элемента 46. Часть выемки 60, находящаяся между опорным кольцом 64 и фиксирующим кольцом 58, заполнена несжимаемой текучей средой. Стопорное кольцо 65 неподвижно присоединено к внутренней поверхности нижнего элемента 46 на соответствующем расстоянии от кольцевой выемки 60 под ней.

Как показано на фиг.4 и 5, верхний элемент 44 выполнен с расширяемой кольцеобразной оправкой 66, которая разделена в окружном направлении на множество сегментов 68 оправки для обеспечения возможности управления смещением оправки 66 из положения, в котором сегменты отведены в радиальном направлении (как показано на фиг.4) и при котором соседние сегменты контактируют друг с другом, в положение, в котором оправка расширена в радиальном направлении (как показано на фиг.5) и при котором соседние сегменты отделены друг от друга в окружном направлении, и обратно. Оправка 66 имеет нижнюю поверхность 70 (фиг.3А, 3В), которая скошена вниз в направлении радиально наружу с образованием конической поверхности, и верхнюю поверхность 71, которая скошена вверх в направлении радиально наружу с образованием конической поверхности. Нижняя поверхность 70 расположена так, что она находится в контакте с представляющей собой поверхность усеченного конуса сопряженной поверхностью 72 первого кольцевого приводного элемента 74, который образует неотъемлемую часть верхнего элемента 44. Верхняя поверхность 71 расположена так, что она находится в контакте с представляющей собой поверхность усеченного конуса сопряженной поверхностью 76 второго кольцевого приводного элемента 78, который поджат к оправке с помощью пружинного устройства 80. С помощью этой конструкции обеспечивается возможность смещения оправки 68 в положение, при котором она расширена в радиальном направлении, когда верхний элемент 44 смещается вверх относительно нижнего элемента 46. Между первым приводным элементом 74 и нижним элементом 46 образована камера 82 для текучей среды, которая сообщается по текучей среде с внутренним пространством 50 бурильной колонны 1 посредством небольших каналов 49 для прохода текучей среды и отверстий 52. Таким образом, при нагнетании бурового раствора из внутреннего пространства 50 бурильной колонны 1 через отверстия 52 и каналы 49 для прохода текучей среды в камеру 82 для текучей среды обеспечивается принудительное смещение верхнего элемента 44 вверх относительно нижнего элемента 46. Оправка 66 имеет радиально наружную поверхность, имеющую качество, аналогичное качеству наружной поверхности расширяющего конического элемента 22. Сегменты 68 соединены друг с другом соединительными элементами 84 (фиг.5), которые также служат для перекрытия зазоров, образующихся между сегментами 68 при их смещении радиально наружу. Зазоры также могут быть перекрыты заданными входящими в зацепление друг с другом профилями сегментов 68.

Во время нормальной работы новый участок 6 ствола скважины, не закрепленный обсадными трубами, бурят под обсадной колонной 4, при этом бурильную колонну 1 спускают через обсадную колонну 4. Буровое долото 16 с двумя центрами бурит новый участок 6 ствола скважины до диаметра, который приблизительно равен диаметру верхнего участка 2 ствола скважины. Во время бурения буровой раствор в виде струи закачивают по внутреннему каналу 50 бурильной колонны 1. После того как участок 6 будет пробурен, бурильную колонну 1 устанавливают таким образом, чтобы верхняя концевая часть нижней обсадной трубы 12 была расположена внутри обсадной колонны 4. После этого закрывающую пробку 40 подают посредством закачивания вместе с потоком бурового раствора в бурильную колонну 1 до ее размещения на опорном кольце 64. Таким образом, закрывающая пробка 40 будет перекрывать канал 50 для прохода текучей среды и продолжающееся закачивание бурового раствора в бурильную колонну 1 вызовет смещение опорного кольца 64 вниз к стопорному кольцу 65. За счет этого смещения отверстия 52 открываются и сжимаемая среда будет выталкиваться фиксирующим кольцом 58, которое полностью смещается назад в кольцевую выемку 60. Таким образом, верхний элемент 44 перестает быть зафиксированным относительно нижнего элемента 46.

Буровой раствор, который поступает в камеру 82 для текучей среды через отверстия 52 и каналы 49 для прохода текучей среды, заставляет камеру 82 для текучей среды действовать в качестве гидравлического цилиндра, в результате чего верхний элемент 44 принудительно смещается вверх относительно нижнего элемента 46. В результате этого нижняя конусообразно скошенная поверхность 72 оправки 66 подвергается воздействию силы, действующей в направлении вверх со стороны верхнего элемента 44, а верхняя конусообразно скошенная поверхность 71 оправки 66 подвергается воздействию силы реакции, действующей в направлении вниз со стороны пружинного устройства 80. В результате этого сегменты 68 оправки принудительно смещаются радиально наружу так, что оправка 66 смещается в ее положение, при котором она расширена в радиальном направлении (фиг.3 В), тем самым верхняя концевая часть нижней обсадной трубы 12 пластически деформируется и становится расширенной в радиальном направлении до обсадной колонны 4. После этого верхний элемент 44 продолжает смещаться вверх, тем самым обеспечивая расширение остальной части верхнего конца нижней обсадной трубы 12 (фиг.3С). Когда верхний конец нижней обсадной трубы 12 будет полностью расширен до существующей обсадной колонны 4, верхний элемент 44 достигнет упора (непоказанного), предназначенного для ограничения дальнейшего перемещения. В результате этого верхний конец нижней обсадной трубы 12 окажется прочно прикрепленным к обсадной колонне 4.

После этого закрывающую пробку 40 отсоединяют от опорного кольца 64 путем подачи увеличенного давления при нагнетании так, что стопорное кольцо 65 разрушается и обеспечивается возможность смещения опорного кольца 64 дальше вниз в аксиальное положение, в котором оно может расширяться до большего диаметра. Закрывающую пробку 40 подают дальше вниз в бурильной колонне 1 путем нагнетания до ее опирания на контактный участок 38 кольца 34. Продолжающееся нагнетание бурового раствора через бурильную колонну 1 приводит к смещению кольца 34 вниз в кольцевую выемку 36 и тем самым вызывает отвод удерживающих колодок 24 назад в радиальном направлении. Таким образом, расширяющий конический элемент 22 отсоединяется от нижней обсадной трубы 12.

На следующей операции бурильную колонну 1 вместе с расширяющим коническим элементом 22 поднимают вверх через нижнюю обсадную трубу 12, при этом нижняя обсадная труба 12 удерживается от смещения в аксиальном направлении благодаря ее закрепленной верхней концевой части. За счет подъема расширяющего конического элемента 22 через нижнюю обсадную трубу 12 нижнюю обсадную трубу 12 расширяют до наружного диаметра, почти равного диаметру ствола 2 скважины.

Толщина стенки верхнего конца нижней обсадной трубы 12 может отличаться от толщины стенки остальной части нижней обсадной трубы 12, в частности, стенка верхнего конца нижней обсадной трубы 12 может быть выполнена с меньшей толщиной по сравнению с толщиной стенки остальной части нижней обсадной трубы 12 для уменьшения усилия, необходимого для расширения нижней обсадной трубы.

Вместо бурового долота с двумя центрами может быть использован раздвижной расширитель ствола скважины или расширяемое долото (универсальное долото с переменным диаметром).

Расширяемая нижняя обсадная труба (хвостовик) может иметь заранее заданную длину, которая больше длины исходно запланированного, вновь пробуренного участка ствола скважины, так что будет иметь место перекрытие с существующей обсадной колонной. Расширяемая нижняя обсадная труба может быть установлена на любой другой промежуточной глубине в случае необходимости.

Расширяемая нижняя обсадная труба может иметь предварительно выполненные в ней отверстия, которые закрыты при нерасширенном состоянии и которые раскрываются во время расширения для обеспечения возможности закачивания затвердевающей текучей среды в кольцевое пространство между расширенной нижней обсадной трубой и стенкой ствола скважины.

Вместо использования пружинного устройства 80 для создания силы реакции, действующей в направлении вниз на второй кольцевой приводной элемент 78 в ответ на смещение верхнего элемента 44 вверх к оправке 66, может быть использован гидравлический цилиндр для создания силы реакции, действующей в направлении вниз на второй кольцевой приводной элемент 78. Такой силовой цилиндр соответственно приводится в действие с помощью давления текучей среды, создаваемого текучей средой, имеющейся во внутреннем пространстве 50 бурильной колонны 1.