устройство и способ для динамического регулирования давления в затрубном пространстве

Формула изобретения

1. Бурильная система для бурения буровой скважины в подземный пласт, содержащая

бурильную колонну, проходящую в буровую скважину; при этом между бурильной колонной и стенкой буровой скважины сформировано затрубное пространство, при этом бурильная колонна включает в себя продольный проход для бурового раствора, имеющий выходное отверстие в нижней концевой части бурильной колонны;

насос для закачивания бурового раствора из источника бурового раствора по продольному проходу для бурового раствора в затрубное пространство;

выпускную трубу раствора, которая сообщается по текучей среде с затрубным пространством, для выпуска бурового раствора;

систему противодавления раствора, которая сообщается по текучей среде с выпускной трубой раствора; при этом система противодавления раствора содержит перепускную трубу и трехходовой клапан, установленный между насосом и продольным проходом для бурового раствора; при этом насос сообщается по текучей среде с выпускной трубой раствора через трехходовой клапан и перепускную трубу, которая обходит, по меньшей мере, часть продольного прохода для раствора.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что имеет средство регулирования противодавления, регулирующее поступление бурового раствора от насоса по перепускной трубе в выпускную трубу.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что система противодавления раствора также содержит регулируемое устройство ограничения потока для ограничения потока в проходе для раствора, при этом упомянутое устройство ограничения потока на одной стороне ограничения расхода осуществляет сообщение по текучей среде и с насосом, и с выпускной трубой раствора.

4. Бурильная система для бурения буровой скважины в подземный пласт, содержащая

бурильную колонну, проходящую в буровую скважину, при этом между бурильной колонной и стенкой буровой скважины сформировано затрубное пространство, при этом бурильная колонна включает в себя продольный проход для бурового раствора, имеющий выходное отверстие в нижней концевой части бурильной колонны;

насос для закачивания бурового раствора из источника бурового раствора по продольному проходу для бурового раствора в затрубное пространство;

выпускную трубу раствора, которая сообщается по текучей среде с затрубным пространством, для выпуска бурового раствора;

систему противодавления раствора, которая сообщается по текучей среде с выпускной трубой раствора, при этом система противодавления раствора содержит перепускную трубу и трехходовое разветвление для текучей среды, причем первое регулируемое устройство ограничения потока установлено между трехходовым разветвлением для текучей среды и продольным проходом для бурового раствора, и второе регулируемое устройство ограничения потока установлено между трехходовым разветвлением для текучей среды и выпускной трубой раствора.

5. Способ бурения буровой скважины в подземном пласте, согласно которому

вводят бурильную колонну в буровую скважину, при этом между бурильной колонной и стенкой буровой скважины формируется затрубное пространство, и бурильная колонна содержит продольный проход для бурового раствора, имеющий выпускное отверстие в нижней концевой части бурильной колонны;

закачивают буровой раствор по продольному проходу для бурового раствора в затрубное пространство с помощью насоса, сообщающегося по текучей среде с источником бурового раствора;

обеспечивают выпускную трубу раствора, которая сообщается по текучей среде с затрубным пространством, для выпуска упомянутого бурового раствора;

обеспечивают систему противодавления раствора, которая сообщается по текучей среде с выпускной трубой раствора; при этом система противодавления раствора содержит перепускную трубу и трехходовой клапан, установленный между насосом и продольным проходом для бурового раствора; и

создают избыточное давление в выпускной трубе раствора с помощью насоса за счет создания сообщения по текучей среде между насосом и выпускной трубой раствора по трехходовому клапану и перепускной трубе, при этом обходя, по меньшей мере, часть продольного прохода для раствора.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что регулирование подачи бурового раствора из насоса по перепускной трубе в выпускную трубу осуществляют за счет регулирования трехходового клапана.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что поток бурового раствора по продольному проходу для раствора в бурильной колонне перекрывают и перекачивающее действие насоса осуществляют для создания избыточного давления в перепускной трубе.

8. Способ бурения буровой скважины в подземном пласте, согласно которому

вводят бурильную колонну в буровую скважину, при этом между бурильной колонной и стенкой буровой скважины формируется затрубное пространство, и бурильная колонна содержит продольный проход для бурового раствора, имеющий выпускное отверстие в нижней концевой части бурильной колонны;

закачивают буровой раствор по продольному проходу для бурового раствора в затрубное пространство с помощью насоса, сообщающегося по текучей среде с источником бурового раствора;

обеспечивают выпускную трубу раствора, которая сообщается по текучей среде с затрубным пространством, для выпуска упомянутого бурового раствора;

обеспечивают систему противодавления раствора, которая сообщается по текучей среде с выпускной трубой раствора; при этом система противодавления раствора содержит перепускную трубу и трехходовое разветвление для текучей среды, причем первое регулируемое устройство ограничения потока устанавливают между трехходовым разветвлением для текучей среды и продольным проходом для бурового раствора, и второе регулируемое устройство ограничения потока устанавливают между трехходовым разветвлением для текучей среды и выпускной трубой раствора; и подачу бурового раствора из насоса по перепускной трубе в выпускную трубу регулируют путем регулирования одного или обоих первого и второго регулируемых устройств ограничения потока.

Приоритет по пунктам:

18.02.2003 по пп.1-3, 5, 6, 8;

01.08.2003 по пп.4, 7.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к способу и устройству для динамического регулирования давления в затрубном пространстве, в частности - к избирательно замкнутому нагнетательному способу регулирования давления в буровой скважине во время бурения и заканчивания скважины.

Уровень техники

Для разведки и добычи углеводородов из подземных пластов в конечном счете требуется обеспечение способа доступа к углеводородам в пласте и извлечения их из него. Обычно этот способ заключается в бурении скважины буровой установкой. В своей самой простой форме это наземная буровая установка, в которой установлена и которая вращает бурильную колонну, состоящую из ряда бурильных труб, и на конце которой установлена буровая коронка. При этом используется насосная система для циркуляции бурового раствора, состоящего из основной жидкости - обычно воды или нефти и из различных добавок, вниз по бурильной колонне; при этом раствор затем выходит через вращающуюся буровую коронку и течет обратно к поверхности через затрубное пространство, сформированное между стенкой буровой скважины и буровой коронкой. Буровой раствор служит для следующих целей: (а) поддерживает стенку буровой скважины, (б) предотвращает поступление флюидов или газов из пласта в скважину, (в) уносит создаваемый буровой коронкой буровой шлам к поверхности, (г) передает гидравлическую энергию инструментам, прикрепленным к бурильной колонне, (д) охлаждает коронку. Выполнив циркуляцию по скважине, буровой раствор течет обратно в систему выполнения работ с буровым раствором, которая обычно состоит из вибростола, который удаляет твердое вещество, приемной емкости для бурового раствора и ручного или автоматического средства для постоянного обеспечения свойств возвратного раствора из скважины, нужных для бурения. После обработки раствора он вновь циркулирует в скважину повторным нагнетанием в верх бурильной колонны с помощью насосной системы.

Во время бурения раствор прилагает давление на стенку ствола скважины, и в основном давление состоит из его гидростатической составляющей - веса столба бурового раствора в скважине и из его динамической части, относящейся к потерям напора от трения, обусловленным, например, скоростью циркуляции раствора или перемещением бурильной колонны. Совокупное давление (динамическое + статическое), которое прилагается раствором на стенку ствола скважины, обычно выражают в эквивалентной плотности или «эквивалентной циркуляционной плотности» (ЭЦП). Давление раствора в скважине подбирают таким, чтобы - когда раствор находится в статическом состоянии, или во время бурения - оно не превышало давления гидравлического разрыва пласта или прочности пласта. Если прочность пласта превышена, то происходят разрывы пласта, которые создают такие проблемы бурения, как потери раствора или нестабильность буровой скважины. С другой стороны, плотность раствора подбирают такой, чтобы давление в скважине всегда превышало поровое давление для того, чтобы пластовые флюиды не поступали в скважину (первичное регулирование скважины). Разница давления между поровым давлением, с одной стороны, и прочностью пласта, с другой стороны, называется «рабочим окном».

Для безопасности и для регулирования давления в устье скважины можно установить противовыбросовое устройство под полом буровой установки, которое может перекрывать ствол скважины в случае втекания в ствол скважины ненужных флюидов или газов (вторичное регулирование скважины). Эти ненужные втекания обычно называют «выбросами». Противовыбросовое устройство обычно используется в крайних случаях, т.е. в ситуациях регулирования скважины.

Для решения проблем работающих при повышенном гидростатическом давлении систем с открытой циркуляцией раствора разработаны несколько замкнутых систем обработки раствора. Например: патент США №6035952, Bradfield et al., и переуступленный компании Baker Hughes Incorporated. Согласно этому патенту замкнутая система используется для бурения при пониженном гидростатическом давлении в стволе скважины, т.е. давление в затрубном пространстве поддерживают в значениях ниже порового давления в пласте.

Еще один способ и система описываются в патенте США №6374925, H.L.Elkins, и в продолжающей заявке США 2002/0108783. Согласно этим изобретениям давление изолируют внутри затрубного пространства путем полного перекрытия выхода из затрубного пространства, когда циркуляция прерывается.

Данное изобретение также основывается на изобретении согласно патенту США №6352129, принадлежащему компании Shell Oil Company. Этот патент описывает способ и систему для регулирования давления раствора во время бурения с помощью насоса противодавления, который посредством текучей среды сообщается с выпускной трубой затрубного пространства, в дополнение к первичному насосу для циркуляции бурового раствора через затрубное пространство по бурильной колонне.

Сущность изобретения

Согласно настоящему изобретению обеспечивается бурильная система для бурения буровой скважины в подземный пласт, содержащая:

бурильную колонну, проходящую в буровую скважину; при этом между бурильной колонной и стенкой буровой скважины сформировано затрубное пространство, при этом бурильная колонна включает в себя продольный проход для бурового раствора, имеющий выходное отверстие в нижней концевой части бурильной колонны;

насос для закачивания бурого раствора из источника бурового раствора по продольному проходу для бурового раствора в затрубное пространство;

выпускную трубу раствора, которая сообщается по текучей среде с затрубным пространством, для выпуска бурового раствора;

систему противодавления раствора, которая сообщается по текучей среде с выпускной трубой раствора; при этом система противодавления раствора содержит перепускную трубу и трехходовой клапан, установленный между насосом и продольным проходом бурового раствора; при этом насос сообщается по текучей среде с выпускной трубой раствора через трехходовой клапан и перепускную трубу, которая обходит продольный проход для раствора.

Согласно своей второй особенности настоящее изобретение обеспечивает способ бурения буровой скважины в подземном пласте, согласно которому

вводят бурильную колонну в буровую скважину, при этом между бурильной колонной и стенкой буровой скважины формируется затрубное пространство, и бурильная колонна содержит продольный проход для бурового раствора, имеющий выпускное отверстие в нижней концевой части бурильной колонны;

закачивают буровой раствор по продольному проходу для бурового раствора в затрубное пространство с помощью насоса, сообщающегося по текучей среде с источником бурового раствора;

обеспечивают выпускную трубу раствора, которая сообщается по текучей среде с упомянутым затрубным пространством, для выпуска упомянутого бурового раствора;

обеспечивают систему противодавления раствора, которая сообщается по текучей среде с упомянутой выпускной трубой раствора; при этом упомянутая система противодавления раствора содержит перепускную трубу и трехходовой клапан, установленный между насосом и продольным проходом для бурового раствора; и

создают избыточное давление в выпускной трубе раствора с помощью упомянутого насоса за счет создания сообщения по текучей среде между насосом и выпускной трубой раствора по трехходовому клапану и перепускной трубе, при этом обходя, по меньшей мере, часть продольного прохода для раствора.

Поскольку согласно настоящему изобретению насос используется и для подачи бурового раствора в продольный проход для раствора, и для создания противодавления в выпускной трубе раствора, поэтому устраняется необходимость обеспечения насоса противодавления.

Краткое описание чертежей

Изобретение далее описывается более подробно и в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 схематически показывает осуществление устройства в соответствии с изобретением;

Фиг.2 - еще одно осуществление устройства согласно настоящему изобретению;

Фиг.3 - еще одно осуществление устройства согласно настоящему изобретению.

Подробное описание вариантов осуществления изобретения

Изобретение предназначено для обеспечения динамического регулирования давления в затрубном пространстве (ДРДЗП) в стволе скважины во время бурения, заканчивания и вмешательства в работу скважины.

Фиг.1-3 схематически показывают действующие на поверхности бурильные системы с применением осуществлений настоящего изобретения. Нужно отметить, что это изобретение можно также применить и в морских бурильных системах. Согласно чертежам бурильная система 100 состоит из буровой установки 102, выполняющей бурильные работы. Многие компоненты, используемые в буровой установке 102, такие как ведущая бурильная труба, приводной трубный ключ, буровая лебедка и др., для упрощения не показаны. Буровая установка 102 используется для буровых и разведывательных работ в пласте 104. Буровая скважина 106 уже частично пробурена, обсадная труба 108 установлена и зацементирована 109 на месте. Согласно предпочтительному осуществлению механизм перекрытия обсадной трубы, или скважинный клапан, 110 установлен в обсадной трубе 108 для возможного перекрытия затрубного пространства и действия в качестве клапана для перекрытия необсаженной секции скважины, когда вся бурильная колонна расположена над клапаном.

На бурильной колонне 112 установлен узел 113 низа бурильной колонны, который содержит буровую коронку 120, забойный турбинный двигатель 118, блок 119 датчиков скважинных/геофизических исследований во время бурения, включая датчик 116 давления для определения давления в затрубном пространстве, запорный клапан 118 для предотвращения противотока раствора из затрубного пространств. Она также содержит телеметрический блок 122, который передает данные о давлении, данные скважинных/геофизических исследований в процессе бурения и также данные о бурении, принимаемые на поверхности.

Как указано выше, для процесса бурения требуется применение бурового раствора 150, который хранится в резервуаре 136. Резервуар 136 сообщается по текучей среде с одним или несколькими буровыми насосами 138, которые закачивают буровой раствор 150 по трубе 140. Также можно обеспечить дополнительно расходомер 152, установленный последовательно с одним или несколькими буровыми насосами либо до него, либо после него. Труба 140 соединена с последним звеном бурильной колонны 112, проходящим через головку регулирования вращения наверху противовыбросового устройства 142. Головка регулирования вращения наверху противовыбросового устройства формирует во время ее действия затвор вокруг бурильной колонны 112, изолируя давление, но при этом обеспечивая возможность вращения и возвратно-поступательного перемещения бурильной колонны.

Раствор 150 закачивается вниз по бурильной колонне 112 и узлу низа бурильной колонны 113 и выходит из буровой коронки 120, где он циркуляцией отводит буровой шлам от коронки 120 и возвращает его в затрубное пространство 115 необсаженного ствола и затем в затрубное пространство, образованное между обсадной трубой 108 и бурильной колонной 112. Раствор 150 возвращается к поверхности и проходит через боковой выход под затвором вращающейся головки наверху противовыбросового устройства через трубу 124 и, как вариант, через различные уравнительные резервуары и системы телеметрии (не показано).

Затем раствор 150 обычно поступает в т.н. систему 131, 132, 133 противодавления. Раствор 150 поступает в систему 131, 132, 133 противодавления и проходит через, если таковой установлен, расходомер 126. Расходомер 126 может быть расходомером массового-балансового типа или другим расходомером высокой разрешающей способности. С помощью расходомера 126 и 152 оператор сможет определять количество раствора 150, закаченного в скважину по бурильной колонне 112, и количество раствора 150, возвращающегося из скважины. По разнице между закаченным количеством раствора 150 и вернувшимся количеством раствора 150 оператор сможет определить, есть ли потери раствора 150 в пласт 104, т.е. имеется ли значительный отрицательный перепад раствора, который может указывать на факт разрыва пласта. Аналогично значительный положительный перепад будет указывать на то, что в ствол скважины поступает флюид или газ пласта (выброс).

Раствор 150 идет к износостойкому штуцеру 130, установленному на трубе 124. Нужно отметить, что имеются штуцеры, выполненные с возможностью работы в среде, в которой буровой раствор 150 имеет существенное содержание бурового шлама и других твердых веществ. Штуцер 130 является штуцером такого типа, и он также выполнен с возможностью работы под разным давлением, с разными значениями расхода и с многоцикловыми режимами работы.

На Фиг.1 показано, раствор выходит из штуцера 130 и идет через клапан 121. Раствор 150 затем обрабатывается в ряде фильтров и вибростолом 129 для удаления загрязнителей, включая шлам, из раствора 150. Раствор 150 затем возвращается в резервуар 136.

На Фиг.1 трехходовой клапан 6 установлен в трубе 140 после бурового насоса 138 и до продольного прохода для бурового раствора в бурильной колонне 112. Перепускная труба 7 посредством текучей среды соединяет буровой насос 138 с выпускной трубой 124 бурового раствора в бурильной колонне 112 через трехходовой клапан 6, в результате чего обеспечивается обход продольного прохода для бурового раствора в бурильной колонне 112. С помощью этого клапана 6 раствор из буровых насосов полностью отводится из трубы 140 в трубу 7, и при этом исключается возможность его течения из бурового насоса 138 в бурильную колонну 112. Перекачивающее действие насоса 138 обеспечивает достаточный поток через патрубок 130 для регулирования противодавления.

В осуществлениях согласно Фиг.2 и 3 раствор 150 выходит из штуцера 130 и идет через клапан 5. Клапан 5 обеспечивает раствору, возвращающемуся из скважины, возможность поступления в дегазатор 1 и в оборудование 129 отделения твердых веществ или в резервуар 2, которым может быть доливочный резервуар. Дополнительно предусматриваемые дегазатор 1 и оборудование 129 отделения твердых веществ удаляют газообразные загрязнители, включая шлам, от раствора 150. После его прохождения через оборудование 129 отделения твердых веществ раствор 150 возвращается в резервуар 136.

Доливочный резервуар обычно используется в буровой установке для контролирования поступлений и потерь раствора во время спускоподъемных операций. Эти функциональные возможности обеспечиваются согласно настоящему изобретению.

Действие клапана 6 в осуществлении согласно Фиг.2 аналогично действию клапана 6 согласно Фиг.1. Клапан 6 может быть регулируемым клапаном, позволяющим регулируемое разделение совокупного выхода насоса для подачи в трубу 140 и в продольный проход для бурового раствора в бурильной трубе 112, с одной стороны, и в перепускную трубу 7, с другой. Таким образом, буровой раствор можно закачивать и в продольный проход для бурового раствора бурильной колонны 112, и в систему 131, 132, 133 противодавления.

В работе буровой насос 138 таким образом обеспечивает давление для восполнения потерь давления циркуляции в бурильной колонне и потерь давления циркуляции в затрубном пространстве. В зависимости от заданного противодавления регулируемый клапан 6 открывается, чтобы впустить поток бурового раствора в перепускную трубу 7 для создания нужного противодавления. Клапан 6 или, если таковой установлен, штуцер 130, или они оба регулируют для создания нужного противодавления.

Трехходовой клапан может быть выполнен согласно Фиг.3: в трубе 140 обеспечено разветвление 8 для текучей среды, и при этом первое регулируемое устройство 9 ограничения потока установлено между трехходовым разветвлением 8 для текучей среды и продольным проходом для бурового раствора; и второе регулируемое устройство 10 ограничения потока установлено между трехходовым разветвлением 8 для текучей среды и выпускной трубой 124 раствора.

Возможность обеспечения регулируемого противодавления в течение всего процесса бурения и заканчивания является значительным усовершенствованием по сравнению с обычными бурильными системами.

Нужно отметить, что в течение процесса бурения время от времени возникает необходимость в перекрытии циркуляции бурового раствора по продольному проходу для раствора в бурильной колонне 112 и по затрубному пространству 115, например - для выполнения последующих звеньев бурильной трубы. При перекрытии циркуляции бурового раствора давление в затрубном пространстве снизится до гидростатического давления. Аналогично при возобновлении циркуляции давление в затрубном пространстве повышается. Циклическая нагрузка на стенку буровой скважины может вызвать усталость скважины.

Применение этого изобретения позволит оператору непрерывно регулировать давление в затрубном пространстве путем регулирования противодавления на поверхности с помощью регулирующего штуцера 130, и/или клапана 6, и/или первого и второго регулируемых устройств 9, 10 ограничения потока. Таким образом, давление в забое можно изменять таким образом, что оно будет оставаться по существу постоянным и в пределах рабочего окна, ограничиваемого поровым давлением и давлением разрыва. Нужно отметить, что разница между таким образом обеспечиваемым давлением в затрубном пространстве и поровым давлением, известная как повышенное гидростатическое давление, может стать существенно меньшей, чем повышенное гидростатическое давление согласно известным способам.

Во всех осуществлениях согласно Фиг.1-3 отдельный насос противодавления не требуется для обеспечения достаточного противодавления в затрубном пространстве по трубе 124 и течения через штуцерную систему 130, когда поток через скважину нужно перекрыть по какой бы то ни было причине, например - для введения дополнительного звена бурильной трубы.

Несмотря на то, что настоящее изобретение изложено со ссылкой на определенное осуществление, нужно отметить, что в описываемых здесь системе и способе можно сделать модификации в рамках идеи настоящего изобретения.