управление наклонно направленным бурением с использованием периодического возмущающего воздействия на буровое долото

Формула изобретения

1. Устройство для бурения скважины с помощью бурильной колонны и взаимодействующего бурового долота, содержащее: кривой переводник и устройство возмущающего воздействия, содержащее элемент, обеспечивающий осевые и азимутальные составляющие силы, воздействующей на упомянутое буровое долото, в котором упомянутая бурильная колонна и упомянутое устройство возмущающего воздействия оперативно соединены с упомянутым буровым долотом и приводят в действие упомянутое буровое долото независимо от вращения упомянутой бурильной колонны, упомянутое устройство возмущающего воздействия периодически изменяет работу упомянутого бурового долота и упомянутую скважину отклоняют путем упомянутого периодического изменения работы упомянутого бурового долота.

2. Устройство по п.1, в котором упомянутая бурильная колонна непрерывно вращается во время упомянутого отклонения скважины.

3. Устройство по п.1, в котором упомянутое устройство возмущающего воздействия дополнительно содержит забойный турбинный двигатель и взаимодействующий узел тормоза/сцепления.

4. Устройство по п.1, в котором упомянутое устройство возмущающего воздействия дополнительно содержит забойный турбинный двигатель и регулируемое перепускное отверстие для бурового раствора.

5. Устройство по п.1, в котором упомянутая бурильная колонна и упомянутое буровое долото вращаются одновременно.

6. Способ отклонения скважины, разбуриваемой вращающимся буровым долотом, оперативно соединенным с бурильной колонной, в котором с помощью устройства возмущающего воздействия, содержащего элемент, обеспечивающий осевые и азимутальные составляющие силы, воздействующей на упомянутое буровое долото, оказывают периодическое возмущающее воздействие на работу упомянутого бурового долота с целью предпочтительного съема непропорционального количества породы внутри азимутального свода стенки упомянутой скважины при непрерывном вращении упомянутой бурильной колонны.

7. Способ по п.6, в котором упомянутое устройство возмущающего воздействия дополнительно содержит забойный турбинный двигатель и взаимодействующий узел тормоза/сцепления.

8. Способ по п.6, в котором упомянутое устройство возмущающего воздействия дополнительно содержит забойный турбинный двигатель и регулируемое перепускное отверстие для бурового раствора.

9. Способ по п.6, в котором упомянутое устройство возмущающего воздействия оперативно соединено с упомянутым буровым долотом и упомянутой бурильной колонной и упомянутое буровое долото и упомянутая бурильная колонна одновременно вращаются в процессе периодического изменения частоты вращения упомянутого бурового долота.

10. Способ по п.6, в котором упомянутое устройство возмущающего воздействия оперативно соединено с упомянутым буровым долотом и бурильной колонной и периодически изменяют скорость проходки упомянутого бурового долота в процессе одновременного вращения упомянутой бурильной колонны.

11. Способ по п.6, в котором дополнительно при определенном угле отклонения периодически изменяют упомянутую работу упомянутого бурового долота путем перехода с первой частоты вращения на вторую частоту вращения, поддерживают упомянутую вторую частоту вращения на протяжении угла останова и затем возобновляют упомянутую первую частоту вращения.

12. Способ по п.11, в котором дополнительно передают телеметрическим путем с поверхности Земли упомянутый угол отклонения и упомянутый угол останова скважинному процессору, взаимодействующему с упомянутым устройством возмущающего воздействия, и тем самым периодически изменяют упомянутую работу долота.

13. Способ по п.11, в котором дополнительно сохраняют упомянутый угол отклонения и упомянутый угол останова в скважинной памяти и передают упомянутый угол отклонения и упомянутый угол останова скважинному процессору, взаимодействующему с упомянутым устройством возмущающего воздействия, и тем самым периодически изменяют упомянутую работу упомянутого бурового долота.

14. Компоновка наклонной скважины на скважинном конце бурильной колонны, содержащая устройство возмущающего воздействия, содержащее элемент, обеспечивающий осевые и азимутальные составляющие силы, воздействующей на упомянутое буровое долото, взаимодействующее с кривым переводником, вспомогательные датчики, указывающие ориентацию и положение упомянутой компоновки бурильной скважины внутри упомянутой бурильной скважины; телеметрическую систему для связи между упомянутой компоновкой бурильной скважины и поверхностью Земли, и скважинный процессор, в которой упомянутая бурильная колонна и упомянутое устройство возмущающего воздействия оперативно соединены с упомянутым буровым долотом и приводят в действие упомянутое буровое долото независимо от вращения упомянутой бурильной колонны, упомянутую скважину отклоняют путем упомянутого периодического изменения работы упомянутого бурового долота при постоянном вращении упомянутой бурильной колонны и обеспечивают упомянутое периодическое изменение работы упомянутого бурового долота путем комбинирования в упомянутом скважинном процессоре показаний упомянутых вспомогательных датчиков и информации, передаваемой телеметрическим путем с упомянутой поверхности Земли.

15. Компоновка по п.14, в которой упомянутое устройство возмущающего воздействия дополнительно содержит забойный турбинный двигатель и взаимодействующий узел тормоза/сцепления или забойный турбинный двигатель и регулируемое перепускное отверстие для бурового раствора.

16. Компоновка по п.14, в которой упомянутую работу упомянутого бурового долота изменяют путем периодического изменения частоты вращения упомянутого бурового долота.

17. Компоновка по п.14, в которой упомянутое периодическое изменение работы упомянутого бурового долота осуществляют путем периодического изменения скорости проходки упомянутого бурового долота.

18. Компоновка по п.14, в которой упомянутая бурильная колонна и упомянутое буровое долото вращаются одновременно.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к наклонно направленному бурению испытательной скважины. Более точно, изобретение относится к управлению направлением скважины, разбуриваемой долотом вращательного бурения, путем оказания периодического возмущающего воздействия на буровое долото во время вращения бурильной колонны, с которой оперативно соединено буровое долото, чтобы тем самым управлять траекторией скважины во время непрерывного вращения бурильной колонны.

Предпосылки создания изобретения

Для бурения нефтяных скважин со сложными траекториями и множеством направлений необходимо точное определение траектории испытательной скважины и гибкость для постоянного обеспечения управления траекторией. Предпочтительно управлять направлением или траекторией скважины в ходе буровых работ. Дополнительно предпочтительно быстро управлять траекторией во время буровых работ на любой глубине и при любом направлении в процессе бурения скважины.

Наклонно направленное бурение осложнено необходимостью использовать устройство управления буровым долотом в суровых скважинных условиях. Устройство управления обычно расположено вблизи бурового долота на нижнем или "скважинном" конце бурильной колонны. Для обеспечения желаемого управления направлением в реальном времени работой устройства управления предпочтительно управляют в дистанционном режиме с поверхности земли. Кроме того, для обеспечения желаемой траектории и направления бурения устройство управления должно работать при нахождении по возможности на большой глубине внутри скважины и одновременно поддерживать практически осуществимые скорости бурения. Наконец, устройство управления должно надежно работать в исключительных условиях температуры, давления и вибрации, которые могут возникать во время буровых работ.

Из уровня техники известны устройства управления направлением бурения многих типов, имеющие двигатель, помещающийся в корпусе, ось которого отклонена от оси бурильной колонны. Двигателем может являться двигатель разнообразных типов, включая электродвигатель или гидравлический двигатель. Гидротурбинные двигатели, приводимые в действие циркулирующим буровым раствором, известны как забойные турбинные двигатели. К валу двигателя прикреплено шарошечное долото, которое вращается под действием двигателя. Смещенный по оси корпус двигателя, обычно называемый кривым переводником, обеспечивает осевое отклонение, которое может использоваться для изменения траектории скважины. При вращении бурового долота вместе с двигателем и одновременном вращении бурового долота вместе с бурильной колонной обеспечивается траектория разбуриваемой скважины, параллельная оси бурильной колонны. При вращении бурового долота только вместе с двигателем обеспечивается отклонение траектории скважины от оси невращающейся бурильной колонны. Путем чередования этих двух способов вращения бурового долота можно управлять траекторией скважины. Более подробное описание наклонно направленного бурения с использованием идеи кривого переводника приведено в патентах US 3260318 и 3841420, которые в порядке ссылки включены в настоящее описание.

Из уровня техники известны способы и устройства для корректирования угла или "кривизны" кривого переводника, с помощью которых задают угол отклонения скважины как функцию этого угла. Из уровня техники также известны устройства и способы борьбы с нежелательным крутящим моментом, возникающим при управлении направлением, включая сцепления для управления непериодическим вращением для выбора необходимого азимутального положения долота внутри ствола скважины. В основу известных из уровня техники систем управления с использованием вариантов идеи кривого переводника обычно положено приложение непериодических непрерывных толкающих или направляющих усилий и применение соответствующего оборудования для направления траектории скважины путем оказания на долото высокого давления перпендикулярно траектории скважины при одновременном вращении бурильной колонны.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предложены устройства и способы управления направлением скважины, разбуриваемой за счет режущего эффекта долота вращательного бурения, расположенного на нижнем или "скважинном" конце бурильной колонны. Во время вращения искривленного корпуса или "кривого переводника", расположенного на бурильной колонне и прикрепленного к буровому долоту, на режущий эффект или работу долота периодически оказывается возмущающее воздействие, в результате чего с азимутального свода стенки скважины срезается непропорционально большое количество породы, что приводит к азимутальному отклонению направления скважины во время непрерывного вращения бурильной колонны. Возмущающее воздействие может представлять собой периодическое изменение частоты вращения бурового долота или в качестве альтернативы любое периодическое изменение скорости проходки (СП или ROP, от английского - rate of penetration) бурового долота.

Устройство управления, расположенное на скважинном конце бурильной колонны, представляет собой устройство возмущающего воздействия на буровое долото, расположенное над кривым переводником. Это устройство возмущающего воздействия на долото может содержать забойный турбинный двигатель и взаимодействующий механизм тормоза/сцепления, который периодически изменяет частоту вращения бурового долота. В качестве альтернативы устройство возмущающего воздействия на долото может содержать забойный турбинный двигатель и взаимодействующее регулируемое перепускное отверстие для бурового раствора, которое периодически меняет частоту вращения бурового долота. Наконец, устройство возмущающего воздействия на долото может содержать бурильные молотки для вращательного бурения, вибраторы и т.п., которые периодически меняют СП бурового долота.

Буровое долото предпочтительно оперативно соединено валом с устройством возмущающего воздействия на долото. Буровому долоту может быть сообщено вращение как посредством устройства возмущающего воздействия на долото, так и вращения бурильной колонны. В качестве альтернативы вращение буровому долоту может быть сообщено только посредством устройства возмущающего воздействия на долото или только вращения бурильной колонны.

Как указано выше, система управления сконструирована такими образом, что буровое долото непропорционально срезает породу со стенки скважины внутри предварительно заданного азимутального свода, направляя продвижение скважины по заданной траектории. В описанных вариантах осуществления изобретения действие долота, расположенного ниже кривого переводника, периодически меняют внутри этого предварительно заданного свода, чтобы срезать непропорционально малое количество породы со стенки скважины. В результате долото перемещается к противоположной стороне скважины и срезает непропорционально большее количество породы со стенки скважины. Затем скважина обычно искривляется и продвигается в азимутальном направлении, в котором со стенки скважины было снято непропорционально большое количество породы. Этот непропорциональный съем породы осуществляют одновременно с непрерывным вращением бурильной колонны.

Съем породы со стенки скважины и тем самым управление траекторией скважины осуществляют путем периодического изменения работы бурового долота во время вращения бурильной колонны, при этом буровое долото взаимодействует с кривым переводником. Если устройство возмущающего воздействия на долото содержит двигатель, в системе управления могут использоваться два элемента для вращения бурового долота. Первым элементом, используемым для вращения бурового долота, является вращающаяся бурильная колонна. Вторым элементом, используемым для вращения бурового долота, является двигатель, расположенный над кривым переводником и оперативно соединенный с буровым долотом. Конечная частота вращения бурового долота представляет собой сумму частот вращения, обеспечиваемых бурильной колонной и двигателем.

Предпочтительно, чтобы как бурильная колонна, так и двигатель вращались одновременно. Если желательной является постоянная траектория скважины, во время вращения бурильной колонны поддерживают постоянную частоту вращения как бурильной колонны, так и двигателя или СП долота. В процессе вращения долота в скважине со стенки скважины снимается в азимутальном направлении преимущественно одинаковое количество породы.

Если желательной является отклоненная траектория скважины, периодически меняют частоту вращения или СП бурового долота по мере его прохождения через предварительно заданный азимутальный участок стенки скважины. Это периодическое изменение работы бурового долота может осуществляться путем периодического изменения частоты вращения двигателя, путем периодического изменения частоты вращения бурильной колонны или путем периодического изменения СП бурового долота. Эти способы позволяет снимать непропорционально малые количества породы с одной стороны скважины и непропорционально большие количества породы с противоположной стороны скважины. Скважина искривляется в направлении непропорционально большого количества снятой породы. Эти способы подробно рассмотрены далее в последующих разделах настоящего описания.

Краткое описание чертежей

Кратко перечисленные выше признаки и преимущества могут быть подробно поняты из вариантов осуществления, проиллюстрированных на приложенных чертежах.

На фиг.1 проиллюстрирована расположенная в испытательной скважине компоновка низа бурильной колонны с кривым переводником на бурильной колонне, оперативно соединенной с роторной буровой установкой,

на фиг.2 проиллюстрировано устройство возмущающего воздействия на долото, содержащее забойный турбинный двигатель 14а и взаимодействующий узел тормоза/сцепления,

на фиг.3 проиллюстрировано устройство возмущающего воздействия на долото, содержащее забойный турбинный двигатель и регулируемое перепускное отверстие для бурового раствора,

на фиг.4 проиллюстрировано устройство возмущающего воздействия на долото, содержащее узел, который периодически меняет скорость проходки бурового долота,

на фиг.5 показано поперечное сечение цилиндрической скважина для определения некоторых параметров, используемых в способе управления с использованием периодического изменения частоты вращения и СП долота,

на фиг.6 показано поперечное сечение скважины, в которой частота вращения или, в качестве альтернативы, СП бурового долота периодически меняют с целью съема непропорционально малого количества породы с одной стороны скважины и непропорционально большого количества породы с противоположной стороны скважины,

на фиг.7а показана зависимость постоянной частоты вращения бурового долота или постоянной СП бурового долота от множества циклов поворота и

на фиг.7б показана зависимость периодического уменьшения частота вращения бурового долота или СП бурового долота от множества оборотов бурильной колонны.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления

В настоящем изобретении предложены устройства и способы управления направлением скважины, разбуриваемой за счет режущего эффекта долота вращательного бурения. Изобретение, раскрытое на примере трех вариантов осуществления, будет рассмотрено по частям. В первой части описана аппаратура. Во второй части подробно рассмотрены принципы действия изобретения. В третьей части подробно рассмотрены три варианта осуществления изобретения, которые обеспечивают желаемые результаты управления направлением скважины.

Наклонно направленное бурение осуществляют путем периодического возмущающего воздействия на работу бурового долота. С точки зрения настоящего описания термин "периодическое изменение" означает варьирование частоты вращения бурового долота в диапазоне множества 360-градусных поворотов или "циклов" поворота бурильной колонны при одинаковом азимутальном своде во время множества оборотов.

Аппаратура

Рассмотрим на фиг.1, на которой проиллюстрирована компоновка 10 низа бурильной колонны (КНБК), подвешенная в скважине 30, ограниченной стенкой 50 и пробуренной в земной толще 36. Верхний конец КНБК 10 соответствующим соединителем 20 оперативно соединен с нижним концом бурильной трубы 35. Верхний конец бурильной трубы 35 оперативно соединен с роторной буровой установкой, которая хорошо известна из техники и концептуально обозначена позицией 38. Из скважины 30 на поверхность 30 земли выходит кондукторная обсадная колонна 32. Внутри кривого переводника 16 КНБК 10 расположены элементы устройства управления. С кривым переводником 16 валом 17 оперативно соединено долото 18 вращательного бурения. Вращение бурового долота 18 концептуально проиллюстрировано стрелкой R _B.

Как показано на фиг.1, КНБК 10 также содержит вспомогательный участок 22 датчиков, участок 24 энергоснабжения, участок 26 электронного оборудования и участок 28 скважинной телеметрии. Вспомогательный участок 22 датчиков содержит датчики направления, такие как магнитометры и инклинометры, которые могут использоваться для указания ориентации КНБК 10 внутри скважины 30. Эта информация в свою очередь используется при управлении направлением для определения прохождения траектории скважины. Вспомогательный участок 22 датчиков также может содержать другие датчики, используемые для измерений во время бурения (MWD, от английского - measurement-while-drilling) или для каротажа во время бурения (LWD, от английского - logging while drilling), включая без ограничения датчики, реагирующие на гамма-излучение, нейтронное излучение и электромагнитные поля. Участок 26 электронного оборудования содержит электронные схемы для обеспечения работы и управления другими элементами внутри КНБК 10. Участок 26 электронного оборудования предпочтительно содержит скважинную память (не показана) для хранения параметров наклонно направленного бурения, результатов измерений, осуществленных на участке датчиков, и режимов наклонно направленного бурения. Участок 26 электронного оборудования также предпочтительно содержит скважинный процессор для управления элементами, образующими КНБК 10, и для обработки различных результатов измерений и данных телеметрии. Элементы внутри КНБК 10 посредством участка 28 скважинной телеметрии связаны с поверхностью 44 земли. Участок 28 скважинной телеметрии обменивается данными с наземным участком телеметрии, установленным возле устья скважины (не показан), который предпочтительно размещается внутри наземного оборудования 42. Могут применяться системы скважинной телеметрии различных типов, включая телеметрические системы с гидроимпульсным каналом связи, сиренные системы контроля состояния и свойств бурового раствора, электромагнитные системы и акустические системы. Участок 24 энергоснабжения подает электроэнергию, необходимую для работы других элементов внутри КНБК 10. Источником энергии обычно являются батареи.

Как показано на фиг.1, буровой флюид или буровой раствор поступает с поверхности 44 вниз по бурильной колонне, содержащей бурильную трубу 35 и КНБК 10, выходит через буровое долото 18 и возвращается на поверхность через затрубное кольцевое пространство. Циркуляция бурового раствора концептуально обозначена стрелками 12. Система подачи бурового раствора хорошо известна из техники и концептуально представлена позицией 40.

Как упомянуто ранее, управление направлением осуществляют с использованием устройства возмущающего воздействия на буровое долото. Раскрыты три варианта осуществления устройства возмущающего воздействия на долото. Подразумевается, что они являются общими и могут быть усовершенствованы с целью получения сходных результатов.

На фиг.2 проиллюстрировано устройство 14 возмущающего воздействия на долото, содержащее забойный турбинный двигатель 14а и взаимодействующий узел 15 тормоза/сцепления. Забойный турбинный двигатель 14а расположен внутри кривого переводника 16. Узел 15 тормоза/сцепления расположен внутри двигателя 14а и взаимодействует с двигателем, периодически меняя частоту вращения бурового долота 18, которое валом 17 оперативно соединено с двигателем 14. Двигателем 14 может являться винтовой насос Moyno или двигатель турбинного типа. Нисходящий поток бурового раствора сообщает вращение буровому долоту 18 посредством вала 17, как указано стрелкой R_M на фиг.2.

Хотя показанное на фиг.2 устройство возмущающего воздействия на долото расположено внутри двигателя 14а, подразумевается, что узел 15 тормоза/сцепления может располагаться в других местах внутри цепи привода двигатель-долото. Один из примеров узла тормоза/сцепления описан в патенте US 3841420, который в порядке ссылки включен в настоящее описание. Другие варианты осуществления узлов тормоза/сцепления описаны в патентах US 5738178 и 3713500. Узел 15 тормоза/сцепления может содержать обычный тормоз, многодисковую гидравлическую муфту или гистерезисную муфту, расположенную внутри цепи привода двигатель-долото или внутри бурильной колонны 35 над двигателем 14. Узел 15 взаимодействует со скважинным процессором участка 26 электронного оборудования и периодически приводится в действие во время вращения КНБК 10. В результате происходит периодическое изменение частоты вращения R_M бурового долота, за счет чего со стенки скважины снимается порода предпочтительно внутри предварительно заданного азимутального свода. В результате этого в свою очередь обеспечивается управление направлением, как это будет подробно рассмотрено в следующем разделе описания. В более сложном варианте осуществления узел 15 тормоза/сцепления может содержать два или более редукторов, которые можно выбирать с целью дополнительного периодического изменения частоты вращения бурового долота 18.

На фиг.3 проиллюстрировано устройство 14 возмущающего воздействия на долото, содержащее забойный турбинный двигатель 14а и регулируемое перепускное отверстие 19 для бурового раствора для регулирования потока бурового раствора через забойный турбинный двигатель. Идея регулируемого перепускного отверстия использована в известных из уровня техники системах телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, таких как система, описанная в патенте US 4869100. Перепускные отверстия и клапаны, взаимодействующие с турбинными двигателями, описаны в патентах US 3802575 и 7086486. В патентах US 3958217, 4742498 и 4401134 описаны клапаны, которые вращаются с помощью ротора с каналами. Эти документы в порядки ссылки включены в настоящее описание. Поскольку изменения потока сопровождаются минимальными колебаниями давления, требуется меньшая мощность наземных насосов. Любое периодическое изменение потока флюида через перепускное отверстие приводит к соответствующему периодическому изменению частоты вращения R_M бурового долота 18. Хотя показано, что перепускное отверстие 19 расположено непосредственно над забойным турбинным двигателем 14а, подразумевается, что регулируемое перепускное отверстие 19 может располагаться в других местах в бурильной колонне над забойным турбинным двигателем или, в качестве альтернативы, внутри узла забойного турбинного двигателя. Регулируемое перепускное отверстие взаимодействует со скважинным процессором участка 26 электронного оборудования и периодически приводится в действие во время вращения КНБК 10 и кривого переводника 16. В результате происходит периодическое изменение частоты вращения R_M бурового долота, за счет чего со стенки скважины снимается порода предпочтительно внутри предварительно заданного азимутального свода, и тем самым траектория скважины отклоняется в предварительно заданном направлении.

На фиг.4 проиллюстрировано устройство 14 возмущающего воздействия на долото, содержащее узел 14b, который периодически меняет скорость проходки (СП), а не частоту вращения бурового долота 18. Эти элементы обеспечивают осевые и азимутальные составляющие силы, воздействующей на торец бурового долота, и могут включать без ограничения молотки и вибраторы.

Устройство 14b возмущающего воздействия на долото также может содержать электрический или забойный турбинный двигатель. Вибраторы и молотки могут быть рассчитаны на приводимые в движение флюидом массы, которые поднимаются и падают согласно периодической очередности, которую скважинный процессор передает на участок 26 электронного оборудования, за счет чего улучшается перенос массы на буровое долото 18. В качестве альтернативы для сообщения периодической вибрации КНБК 10 может использоваться вращающаяся масса согласно периодической очередности, заданной скважинным процессором, за счет чего улучшается перенос массы на торец бурового долота 18. В результате этого переноса в свою очередь повышается СП. Хотя молотки и вибраторы прилагают достаточно большую периодическую силу вдоль оси кривого переводника, азимутальная составляющая этой силы обеспечивает съем породы со стенки скважины предпочтительно внутри предварительно заданного азимутального свода, за счет чего ствол скважины отклоняется в предварительно заданном направлении. В патенте US 701391 приведен пример устройства, используемого для изменения СП, который в порядке ссылки включен в настоящее описание. Изменение СП достигается за счет возвратно-поступательного движения вдоль оси долота под действием меняющейся скорости потока бурового раствора. В патенте US 6053261 описаны устройство и способы, сходные по идеям с описанными в патенте US 701391.

Основные принципы действия

Когда КНБК 10, показанная на фиг.1, вращается с постоянной частотой вращения или действует с непериодической СП внутри скважины 30, она проходит по круговой траектории и бурит скважины, диаметр которых немного превышает диаметр бурового долота 18. Этот больший диаметр, ограниченный стенкой 50 скважины, возникает из-за угла, образованного осью бурильной трубы 35 и осью корпуса кривого переводника 16.

Периодическое изменение частоты вращения долота

Сначала рассмотрим варианты осуществления, в которых обеспечивается периодическое изменение частоты вращения бурового долота. Как указано ранее, могут иметься две составляющие вращения бурового долота. Первая составляющая является результатом действия буровой установки 38, которая вращает всю бурильную колонну с частотой вращения R_D. Вторая составляющая вращения является результатом действия двигателя 10, который вращает долото с частотой вращения R_M. Частота вращения R_B бурового долота является суммой этих двух составляющих. В математическом выражении частота вращения долота R_B равна

(1) R_B=R_D+R_M

Как указано выше, обе составляющие R_D и R_M , образующие конечную частоту вращения R_B бурового долота, обычно рассматриваются по отдельности, когда требуется управление направлением. В качестве примера из известного уровня техники, если величина R_D установлена на уровне ноля, двигатель 14 будет продолжать вращать буровое долото 18 с частотой вращения R_M. Буровое долото будет увеличивать угол отклонения скважины на постоянный азимутальный угол, заданный положением невращающегося кривого переводника 16, при этом бурильная колонна опускается в скважину позади продвигающегося бурового долота. В качестве альтернативы, если требуется бурение скважины с постоянной траекторией, инициируют вращение R_D бурильной колонны в сочетании с вращением R_M двигателя, при этом из-за вращения КНБК 10 азимутальный угол кривого переводника 16 уже не является постоянным, а буровое долото, вращающееся с частотой вращения R_B=R_M+R_D , равномерно срезает породу со всех сторон скважины.

В процессе описанного выше периодического прохождения бурового долота вокруг стенки, когда R_D и R_M равны нолю, буровое долото 18 срезает породу с различных по азимуту участков скважины в зависимости от времени прохождения. Именно во время этого периодического прохождения бурового долота можно мгновенно и периодически менять R_B во время каждого оборота КНБК 10, чтобы скорость съема породы с одной стороны скважины предпочтительно отличалась от скорости ее съема с противоположной стороны скважины. В результате также увеличивается угол отклонения скважины при продолжающемся вращении бурильной колонны. С точки зрения эксплуатации выгодно продолжать вращение бурильной колонны, что рассмотрено в следующем разделе описания. Периодическое изменение R_B за один оборот бурильной колонны можно осуществлять путем изменения R_D или R_M, что подробно описано в следующих разделах описания.

Периодическое изменение СП

Далее рассмотрим вариант осуществления, в котором периодически меняют СП бурового долота с целью отклонения направления скважины. Если требуется бурение скважины с постоянной траекторией, поддерживают постоянную СП бурового долота P _B на протяжении заданного поворота бурильной колонны. Если P_B периодически меняют путем включения и выключения элементов устройства возмущающего воздействия на долото, буровое долото 18 срезает породу с различных по азимуту участков скважины в зависимости от времени прохождения. Именно во время этого периодического прохождения бурового долота можно мгновенно и периодически менять R_B во время каждого оборота КНБК 10, чтобы скорость съема породы с одной стороны скважины предпочтительно отличалась от скорости ее съема с противоположной стороны скважины. В результате также увеличивается угол отклонения скважины при продолжающемся вращении бурильной колонны.

Отклонение скважины

На фиг.5 показано поперечное сечение цилиндрической скважины 30 для определения некоторых параметров, используемых в способе управления с использованием периодического изменения как частоты вращения, так и СП долота. Центр скважины обозначен позицией 52, а относительный угол скважины или "нулевой" азимутальный угол обозначен позицией 51. В вариантах осуществления с использованием изменения частоты вращения долота частоту вращения долота R_B снижают до величины R_Bd, начиная преимущественно с угла отклонения , обозначенного позицией 54, вплоть до угла "останова" , обозначенного позицией 60. Аналогичным образом в вариантах осуществления с использованием изменения СП долота P_B уменьшают до величины P_Bd путем выключения узла возмущающего воздействия на долото, преимущественно начиная с угла отклонения , обозначенного позицией 54, вплоть до угла "останова" , обозначенного позицией 60. Азимутальное положение угла отклонения а предпочтительно задано по отношению к относительному углу 51. В этом случае частоту вращения или СП долота на протяжении остального цикла 360-градусного поворота восстанавливают преимущественно до R_B и P_B соответственно.

В более общем смысле, первую частоту вращения долота меняют на вторую частоту вращения при угле отклонения . На протяжении угла останова поддерживают вторую частоту вращения, а затем возвращаются к первой частоте вращения. В результате этих периодических изменений R_B и P_B уменьшается мощность резания на протяжении угла останова (обозначенного позицией 60), и преимущественно при азимутальном угле останова на стенке скважины остается избыток породы. Естественно, что этот избыток породы заставляет буровое долото перемещаться по радиусу к противоположной стороне скважины на участок /2 азимутального свода, обозначенный позицией 57, который заканчивается под углом , при этом:

(2) = -180°+ /2,

a обозначен позицией 56. Частота вращения или СП бурового долота на участке от свода /2 до угла превышает R_Bd или P_Bd. В результате со стенки скважины преимущественно внутри азимутального свода 57 снимается непропорционально большое количество породы, что приводит к отклонению скважины в этом азимутальном направлении.

Ранее рассмотренные результаты изменения частоты вращения или СП бурового долота концептуально проиллюстрированы на фиг.6, на которой показано поперечное сечение скважины. Когда долото достигает положения под углом , обозначенного позицией 54, на работу бурового долота оказывают возмущающее воздействие путем изменения частоты вращения с R_B до R_Bd или изменения СП с P_B до P_Bd. Буровое долото в этом азимутальном положении обозначено позицией 18а. Вследствие уменьшения частоты вращения или СП долота на стенке скважины в положении 50а, которое соответствует углу останова , показанному на фиг.2, остается избыток породы. Затем частоту вращения или СП бурового долота увеличивают до R _B или P_B соответственно, и долото перемещается на противоположную сторону скважины 30 в азимутальный свод 57, заканчивающийся под углом . Буровое долото в этом положении концептуально обозначено позицией 18b. В положении 50b со стенки скважины снимают непропорционально большое количество породы. При периодическом уменьшении R _B или P_B под углом отклонения а во время вращения КНБК внутри скважины 30 в азимутальной области, ограниченной сводом 57 и углом , продолжает нарастать угол отклонения скважины.

Подразумевается, что отклонение скважины также может быть достигнуто путем увеличения R_B или P_B, чтобы тем самым снимать непропорционально большое количество породы со стенки скважины под углом периодического увеличения частоты вращения.

На фиг.7а и 7б наглядно представлены результаты осуществления рассмотренных выше вариантов осуществления изобретения с использованием способов изменения частоты вращения и СП долота. Результаты являются принципиально одинаковыми при периодическом изменении как R _B, так и P_B. Изменение R_B дополнительно проиллюстрировано в упомянутой ранее патентной заявке US 11/848328.

Кривой 70 на фиг.7а обозначена R_B или P_B (ось ординат) в качестве функции угла (ось абсцисс) вращения КНБК 10. R_B отложена по левой оси ординат, а P_B отложена по правой оси ординат. Величины по обеим осям ординат отложены в произвольных единицах. Согласно рассмотренным выше и проиллюстрированным на фиг.5 и 6 примерам относительный или "нулевой" угол также обозначен позицией 51. Полный цикл 360-градусного поворота КНБК обозначен позицией 59, при этом проиллюстрированы три таких цикла. Таким образом, буровое долото вращается с постоянной частотой вращения R_B , обозначенной позицией 53а, или имеет постоянную скорость проходки P_B, обозначенную позицией 53b.

На фиг.76 кривой 72 обозначена R_B или P_B в качестве функции угла вращения КНБК 10. Как и на фиг.7а, относительный угол цикла поворота бурильной колонны обозначен позицией 51, при этом также показаны три цикла 59. Стандартное буровое долото вращается с постоянной частотой вращения R_B 53а или имеет постоянную скорость проходки P_B 53b. Согласно рассмотренным выше и проиллюстрированным на фиг.5 и 6 примерам периодически уменьшают R_B или P_B, как обозначено отклонениями 76, до величин 74а и 74b соответственно. Эти уменьшения инициируют под углом 54 (который соответствует углу отклонения ) при угле останова 60 (который соответствует углу останова ). В зависимости от варианта осуществления изобретения изменения R_B или P_B периодически повторяют на протяжении циклов поворота бурильной колонны. Как указано ранее, в результате уменьшения частоты вращения или СП долота с одной стороны скважины буровое долото перемещается на противоположную сторону скважины, с которой частота вращения или СП долота возвращается к нормальной величине или даже превышает ее.

Периодическое изменение R_B или P_B можно регулировать в реальном времени во время бурения с использованием различных методов. Обратимся снова к фиг.1, а также фиг.7а и 7б. В этих способах управления в реальном времени обычно используется ориентация и положение КНБК 10, определяемое датчиками вспомогательного участка 22 датчиков. Первый способ состоит в том, что в скважинной памяти участка 26 электронного оборудования сохраняют множество частот вращения долота (в качестве функции и ). Затем с помощью переданного с поверхности телеметрического сигнала выбирают соответствующую последовательность исходя из ориентации КНБК, переданной телеметрическим путем на поверхность, а также из известного проекта скважины. Соответствующую последовательность обычно задают с использованием наземного процессора, установленного внутри наземного оборудования 42. Этот способ сходен с идеей "справочной таблицы", используемой во множестве систем электронного оборудования. Второй состоит в том, что наземное оборудование 42 телеметрическим путем передает КНБК 10 значения и , чтобы направить бурение согласно проекту. Значения и также выбирают исходя как из данных ориентации КНБК (полученных с помощью датчиков вспомогательного участка 22 датчиков), телеметрическим путем переданных на поверхность, так и объекта наклонно направленного бурения. Переданные телеметрическим путем значения частоты вращения и углов и останова долота соответственно вводят в резидентную операционную программу скважинного процессора на участке 26 электронного оборудования. Затем выходные данные скважинного процессора используют для регулирования периодического изменения частоты вращения двигателя или, в качестве альтернативы, СП долота с целью направления скважины 30 к желаемому разрабатываемому пласту. Если сформулировать вкратце, устройство 14 возмущающего воздействия на долото, взаимодействующее со скважинным процессором, исходя из показаний вспомогательных датчиков и предпочтительно информации о направлении, телеметрическим путем передаваемой с поверхности земли, периодически меняет работу бурового долота 18.

Подразумевается, что для осуществления периодических изменений R_B или P_B могут применяться другие методы, включая без ограничения использование предварительно запрограммированных команд изменения, хранящихся в скважинной памяти участка 26 электронного оборудования, в сочетании с данными ориентации КНБК, которые получают с помощью датчиков вспомогательного участка 22 датчиков. Для осуществления этого способа не требуется телеметрическая связь в реальном времени с наземным оборудованием 42.

Резюме

В настоящем изобретении предложены устройства и способы управления направлением скважины, разбуриваемой за счет режущего эффекта долота вращательного бурения. Управление осуществляют с использованием устройства возмущающего воздействия на долото, которое на протяжении 360-градусного цикла поворота бурильной колонны периодически меняет частоту вращения бурового долота или, в качестве альтернативы, СП бурового долота. В результате этих периодических изменений со стенки скважины в пределах предварительно заданных азимутальных сводов срезаются различные количества породы. Скважина отклоняется в азимутальном направлении, в котором со стенки скважины было срезано пропорционально большее количество породы. В изобретении требуется приложение небольших, если вообще требуется, усилий, перпендикулярных оси скважины. Вместо этого отклонение достигается за счет применения только устройства возмущающего воздействия на долото, взаимодействующего с кривым переводником и буровым долотом таким образом, чтобы предпочтительно снимать породу со стенки скважины при одновременно продолжающемся вращении бурильной колонны. За счет этого можно достигать объектов траектории скважины с использованием меньших усилий, менее дорогостоящих материалов, которые требуются в других таких способах и соответствующих устройствах. Кроме того, в изобретении не требуется использовать гидравлическую технику, взаимодействующую со стенкой скважины, чтобы продвигать элементы бурильной колонны в желаемом направлении отклонения. За счет непрерывного вращения бурильной колонны во время бурения как прямой, так и отклоняющейся скважины обеспечивается более эффективное рассеяние тепла и более высокий крутящий момент на буровом долоте.

Изложенное выше описание следует считать иллюстрирующим, а не ограничивающим изобретение, которое ограничено только следующей далее формулой изобретения.