автономная система для бурения дренажных скважин

Формула изобретения

1. Автономная система для бурения дренажной скважины (10) в направлении вбок от ствола (12) скважины, содержащая:

буровую головку (14) с инструментом (16) для бурения дренажных скважин (10) и самоходное устройство (18), предназначенное для продвижения головки в дренажной скважине во время бурения;

релейный блок (20), опущенный в ствол (12) скважины и предназначенный для позиционирования буровой головки (14) напротив боковой стенки (22) ствола (12) скважины с тем, чтобы инициировать процесс бурения дренажной скважины (10) вбок от ствола (12) скважины;

кабель (24) для подачи электрического тока к буровой головке (14), разматывающийся из релейного блока (20); и

механическая система для удаления бурового шлама из дренажной скважины во время бурения, при этом удаленные обломки породы падают в забой скважины.

2. Система по п.1, в которой система для удаления бурового шлама содержит кабель (24) для подачи электрического тока, вращающийся вокруг своей оси в дренажной скважине (10).

3. Система по п.2, в которой кабель (24) для подачи электрического тока содержит рисунок или рельеф, сформированный или закрепленный на его поверхности.

4. Система по п.3, в которой кабель (24) для подачи электрического тока имеет, в основном, винтообразный рисунок.

5. Система по любому из пп.1-4, в которой буровая головка (14) содержит двигатель для вращения силового кабеля.

6. Система по любому из пп.1-4, в которой релейный блок также содержит двигатель (50) для вращения участка релейного блока (20), в котором хранится силовой кабель.

7. Система по п.5, в которой релейный блок также содержит двигатель (50) для вращения участка релейного блока (20), в котором хранится силовой кабель.

8. Система по любому из пп.1-4, 7, в которой буровая головка (14) имеет поперечное сечение с диаметром меньше 10 см.

9. Система по п.5, в которой буровая головка (14) имеет поперечное сечение с диаметром меньше 10 см.

10. Система по п.6, в которой буровая головка (14) имеет поперечное сечение с диаметром меньше 10 см.

11. Способ для добычи нефти или газа, в котором ствол (12) скважины пробуривается в природный резервуар нефти или газа, находящийся в подпочвенном слое, содержащий следующие этапы:

опускание релейного блока (20) в ствол (12) скважины;

бурение, по меньшей мере, одной дренажной скважины (10) вбок от ствола (12) скважины с буровой головкой (14), получающей электропитание через кабель (24) для подачи электрического тока, разматывающийся из релейного блока (20), буровой головкой (14), содержащей инструмент (16) для бурения дренажной скважины и самоходное устройство (18), предназначенное для продвижения головки (14) в дренажной скважине (10) во время бурения;

удаление бурового шлама из дренажной скважины во время бурения механической системой, при этом удаленные обломки породы падают в забой скважины; и

извлечение нефти или газа из природного резервуара через дренажную скважину (10) и ствол (12) скважины.

12. Способ по п.11, в котором винтообразный рисунок формируется на кабеле (24) для подачи электрического тока, а кабель вращается вокруг своей оси в дренажной скважине (10) для удаления бурового шлама.

13. Способ по любому из пп.11 и 12, в котором дренажная скважина имеет диаметр, составляющий менее 10 см.

14. Способ по любому из пп.11 и 12, в котором природный резервуар нефти или газа находится в подпочвенном слое, имеющем проницаемость ниже, чем 0,1 mD.

15. Способ по п.13, в котором природный резервуар нефти или газа находится в подпочвенном слое, имеющем проницаемость ниже, чем 0,1 mD.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к автономной системе для бурения дренажных скважин вбок от ствола скважины, в частности, для добычи нефти или газа, особенно в очень труднодоступных газовых пластах, также называемых газовыми пластами в плотных породах.

Газовые пласты в плотных породах - это природные газовые резервуары, в которых материнская порода имеет очень низкую проницаемость, например ниже чем 0,5 mD (миллидарси), или даже ниже чем 0,1 mD. В этих очень компактных резервуарах коэффициенты извлечения составляют около 10%, если применять промышленные технологии, существующие на сегодняшний день. Поэтому простое бурение скважины является неэффективным, чтобы получить экономичное производство газа.

Для того чтобы преодолеть эту проблему, можно использовать один из альтернативных способов, который заключается в увеличении поверхности обмена между материнской породой и скважиной. В настоящий момент эта поверхность обмена обычно увеличивается с помощью технологии, называемой гидравлический разрыв. Эта технология заключается в создании с помощью гидравлических способов трещины, которая сохраняется открытой после установки в нее поддерживающих элементов. Это позволяет создать большую обменную поверхность между материнской породой и скважиной.

Однако технология гидравлического разрыва имеет несколько недостатков:

- эта технология является дорогой в применении и требует специального оборудования на поверхности скважины;

- при применении этого способа невозможно контролировать направление разрыва. Это связано с тем, что трещины стремятся продвигаться согласно полю напряжений в материнской породе;

- и последнее, закачивание находящейся под давлением жидкости может привести к повреждению и загрязнению поверхности обмена, создаваемой при бурении скважины.

Также существуют альтернативные гидравлическому разрыву технологии для эффективного увеличения поверхности контакта между скважиной и природным газовым резервуаром. В частности, технологии для бурения горизонтальных дренажных скважин используются на протяжении многих лет (например, «Система горизонтального радиального бурения» R.W.Dickinson, 1985, Society of Petroleum Engineers - Общество Инженеров по Нефтедобыче). Эти технологии применяются с помощью буровых установок, традиционно применяемых в промышленности, содержащих направленную буровую коронку, которая приводится в движение с помощью жидкости для бурения.

Недостаток этого типа бурения, кроме высоких требований к поверхности со стороны оборудования, также состоит в необходимости бурильного инструмента, который должен обеспечить циркуляцию жидкости для привода буровой коронки, а также возможность повреждения дренажных скважин при контакте с пластом.

Отдельной задачей настоящего изобретения является преодоление этих недостатков с помощью автономной системы для бурения дренажных скважин вбок от ствола скважины, содержащей:

- буровую головку, содержащую инструмент для бурения дренажных скважин и самоходное устройство, приспособленное для продвижения головки в дренажной скважине во время бурения;

- релейный блок, спущенный в скважину и подготовленный для того чтобы позиционировать буровую головку напротив боковой стенки скважины, для того, чтобы инициировать процесс бурения дренажной скважины вбок от ствола скважины;

- кабель для подачи электрического тока к буровой головке, разматывающийся из релейного блока; и

- механическую систему для удаления бурового шлама из дренажной скважины во время бурения, при этом удаленные обломки породы падают в забой скважины.

В определенных вариантах осуществления изобретения, система для бурения, согласно изобретению, с помощью самоходной головки служит для бурения дренажной скважины на заданное расстояние от скважины в боковом направлении. Бурение дренажной скважины, преимущественно, служит для увеличения поверхности обмена между природным газовым резервуаром и скважиной.

Главное направление горизонтальной дренажной скважины контролируется с помощью самоходного устройства буровой головки и, преимущественно, это направление не зависит от поля напряжений в материнской породе. Поэтому становится возможным оптимально ориентировать эту поверхность обмена в зависимости от распределения резервов газа в материнской породе.

Более того, использование системы, согласно определенным вариантам осуществления изобретения, не подвергает риску повреждения и загрязнения поверхности обмена, создаваемой при бурении скважины. Фактически, определенные варианты осуществления изобретения абсолютно не требуют применения закачивания находящейся под давлением жидкости, которое может привести к повреждению и/или загрязнению поверхности обмена.

Кроме того, система, согласно изобретению, требует только применения легковесного поверхностного оборудования в отличие от других устройств, например такого устройства, которое описано в патентном документе US 6220372. В определенных вариантах осуществления изобретения, для использования изобретенного устройства достаточно иметь грузовик, оборудованный лебедкой и электрогенератором.

Предпочтительно, чтобы система, согласно изобретению, имела бы одно или более следующих свойств:

- система для удаления бурового шлама содержит кабель электропитания, который может поворачиваться относительно своего положения внутри дренажной скважины;

- кабель электропитания содержит рельефный рисунок, сформированный или закрепленный на его поверхности;

- кабель электропитания имеет, в основном, винтообразный рисунок;

- буровая головка содержит двигатель для вращения кабеля электропитания;

- релейный блок также содержит двигатель для вращения участка релейного блока, в котором содержится кабель электропитания;

- буровая головка имеет поперечное сечение с диаметром, который меньше чем 10 см.

Другая задача изобретения относится к способу добычи нефти или газа, в котором скважина пробуривается в природный резервуар с нефтью или газом, находящийся в подпочвенном слое; при этом способ содержит следующие этапы:

- опускание релейного блока в скважину;

- бурение, по меньшей мере, одной дренажной скважины по направлению вбок от ствола скважины с буровой головкой, имеющей электрическое питание, поступающее через силовой кабель, разматывающийся из релейного блока, при этом буровая головка содержит инструмент для бурения дренажной скважины и самоходное устройство, приспособленное для продвижения головки в дренажной скважине во время бурения;

- удаление бурового шлама из дренажной скважины во время бурения механической системой, при этом удаленные обломки породы падают в ствол скважины;

- извлечение нефти или газа из природного резервуара через дренажную скважину и ствол скважины.

Предпочтительно, чтобы способ, согласно изобретению, имел бы одно или более следующих свойств:

- винтообразный рисунок сформирован на силовом кабеле, при этом силовой кабель может поворачиваться относительно своего положения внутри дренажной скважины, чтобы удалить буровой шлам;

- дренажная скважина имеет диаметр меньше чем 10 см;

- природный резервуар с нефтью или газом находится в подпочвенном слое, имеющем проницаемость ниже чем 0,1 mD.

Другие свойства и преимущества настоящего изобретения прояснятся из приведенного ниже описания, не ограничивающего примеры осуществления изобретения, со ссылками на сопровождающие чертежи, в которых:

- на фиг.1 представлена схема системы, согласно настоящему изобретению;

- на фиг.2 представлен вид буровой головки автономной буровой системы согласно варианту осуществления изобретения;

- на фиг.3 представлена схема системы, согласно варианту осуществления изобретения;

- на фиг.4(а-д) представлена схема различных этапов способа добычи природного газа, согласно изобретению.

Для целей большей ясности в представлении изобретения различные элементы, показанные на фигурах, необязательно соответствуют масштабу.

Фиг.1 показывает автономную систему для бурения дренажной скважины 10 в боковом направлении относительно скважины 12 в узкий природный резервуар газа согласно первому варианту осуществления изобретения.

Обычно ствол скважины имеет диаметр, составляющий примерно от 10 до 50 см и глубину, достигающую несколько сотен или тысяч метров. Дренажная скважина 10, пробуренная системой, согласно изобретению, имеет диаметр меньше чем 10 см и длину около 200 м.

В этом первом варианте осуществления изобретения, автономная система бурения, согласно изобретению, содержит буровую головку 14 с инструментом 16 для бурения дренажной скважины 10 и самоходное устройство 18, предназначенное для продвижения буровой головки 14 в дренажной скважине 10 во время бурения. Система, согласно изобретению, дополнительно содержит релейный блок 20, опускаемый в ствол 12 скважины, предназначенный для позиционирования буровой головки 14 напротив боковой стенки 22 ствола 12 скважины, с тем чтобы инициировать процесс бурения дренажной скважины 10 в направлении вбок от ствола 12 скважины. Система, согласно изобретению, также снабжена кабелем 24 для питания электрическим током буровой головки 14, разматывающимся из релейного блока 20, и механическая система для удаления бурового шлама из дренажной скважины 10 во время бурения, при этом удаленные обломки породы падают в ствол 12 скважины.

Буровые коронки, содержащие самоходные головки 14, известны специалистам в данной области техники и описаны, например, в патентном документе US 7055625.

Самоходное устройство 18 служит для продвижения буровой головки в дренажной скважине 10, и для установки вышеуказанной буровой головки 14 на месте во время бурения вышеуказанной дренажной скважины 10 буровым инструментом 16. Могут использоваться также различные известные специалистам в данной области техники, движители для продвижения головки.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, буровой инструмент 16 может, например, содержать электродвигатель 26, вращающий буровую коронку 28 для бурения дренажной скважины 10, имеющую, например, диаметр около 7 см.

Согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.2, самоходное устройство 18 может, например, содержать заднюю упорную стойку 30 и переднюю упорную стойку 32. Вышеупомянутое самоходное устройство 18 дополнительно содержит осевой поршень 34. Принцип работы системы для бурения, согласно этому изобретению, содержит следующие пять последовательных этапов:

- этап закрепления задней упорной стойки, во время которого задняя упорная стойка 30 оказывает давление на поверхность дренажной скважины в направлении, перпендикулярном оси буровой головки 14;

- этап бурения, во время которого буровой инструмент 16 пробуривает участок дренажной скважины 10 под воздействием осевого усилия, создаваемого осевым поршнем 34;

- этап закрепления передней упорной стойки, во время которого передняя упорная стойка 32 оказывает давление на поверхность дренажной скважины в направлении, перпендикулярном осевому направлению, и во время которого задняя упорная стойка 30 убирается;

- этап продвижения, во время которого осевой поршень 34 выдвигается; и

- этап закрепления задней упорной стойки, во время которого задняя упорная стойка 30 закрепляется на поверхности дренажной скважины 10, а передняя упорная стойка 32 убирается и освобождается из вышеупомянутой поверхности дренажной скважины. Цикл проникновения самоходного устройства повторяется столько раз, сколько необходимо.

Буровая головка 14 запитывается через кабель 24 для питания электрическим током, который разматывается и подается из релейного блока 20. Вышеупомянутый силовой кабель вращается двигателем 35.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, релейный блок 20 содержит натяжной модуль 36, модуль 38 хранения кабеля и позиционирующий модуль 39.

Натяжной модуль 36 закрепляется на стенках, например, с помощью упорных стоек (не показаны), способных оказывать давление на боковые стенки ствола 12 скважины, в направлении, перпендикулярном главной оси ствола скважины.

Согласно этому варианту осуществления изобретения, натяжной модуль 36 распределяет электрическую мощность другим модулям релейного блока 20. Электрическая мощность может передаваться через общий электрический кабель 41, который электрически соединяет натяжной модуль 36 с поверхностью.

В этом варианте осуществления изобретения, натяжной модуль 36 передает электрический ток кабелю модуля 38 хранения через вращающийся коммутатор 40. Вращающийся коммутатор 40 служит для передачи электроэнергии между двумя модулями несмотря на вращение модуля 38 хранения кабеля.

Кроме того, различные элементы модуля позиционирования обеспечиваются электрической мощностью, например, с помощью обычных электрических кабелей.

Модуль 38 хранения кабеля служит для хранения кабеля 24, который используется для питания электрическим током буровой головки 14. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, силовой кабель находится в закрученном состоянии. Кабель 24 для питания электрическим током может иметь на своей поверхности рисунок, например винтообразный рисунок, или просто иметь шероховатую поверхность.

Модуль 38 хранения кабеля соединен с позиционирующим модулем 39 через вращающийся поддерживающий блок 42. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, вращающийся поддерживающий блок 42 опирается на шариковый подшипник 43 и содержит устройство для фиксации кабеля (не показано).

Устройство для фиксации кабеля служит для управления разматыванием кабеля 24 для питания электрическим током из модуля 38 хранения кабеля.

В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.3, позиционирующий модуль 39 содержит первую фиксирующую пластину 44 и вторую пластину 46 и направляющую трубку 52. Первая и вторая фиксирующие пластины расположены практически перпендикулярно к главной оси ствола 12 скважины.

Эти пластины фиксируются, например, с помощью распорных стоек 48, которые оказывают давление на боковые стенки ствола 12 скважины в направлении, перпендикулярном оси ствола скважины.

Первая фиксирующая пластина 44 поддерживает шариковый подшипник 42*, на который опирается модуль 38 хранения кабеля. Первая фиксирующая пластина 44 также поддерживает электродвигатель 50 и вращающий модуль 38 хранения кабеля.

Вторая фиксирующая пластина 46 соединена механически с первой фиксирующей пластиной 44 эластичными механическими соединяющими элементами 54, например пружинами. Вторая фиксирующая пластина 46 также соединена электрически с первой фиксирующей пластиной 44, например, с помощью механических соединительных элементов, или даже через гибкий электрический кабель 56.

Вторая фиксирующая пластина 46 имеет такую форму, чтобы образовавшийся в процессе бурения буровой шлам мог падать на дно ствола 12 скважины. Например, вторая фиксирующая пластина 46 может содержать набор отверстий, позволяющих буровому шламу проходить через отверстия и проваливаться вниз.

В этом варианте осуществления изобретения, позиционирующий модуль 39 содержит направляющую трубку 52 между первой 44 и второй 46 фиксирующими пластинами.

Направляющая трубка 52 - это пустотелая изогнутая трубка, имеющая диаметр, практически равный диаметру буровой коронки 28 самоходной буровой головки 14. Вышеупомянутая направляющая трубка 52 имеет такую форму, которая позволяет производить удаление образовавшегося в процессе бурения бурового шлама; например, она содержит на своей поверхности набор отверстий, позволяющих буровому шламу проходить через отверстия и проваливаться вниз.

Во время установки автономной системы для бурения, согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.3, буровая головка 14 помещается в направляющую трубку 52, а питающий электрический кабель подключается к буровой головке 14.

Фиг.4(а-д) показывает различные этапы способа для добычи нефти и газа, согласно изобретению. Согласно этому способу, пробуривается практически вертикальная скважина для доступа к природному резервуару, расположенному в подпочвенном слое.

Во время первого этапа, релейный блок 20 опускается на желаемую глубину в ствол 12 скважины.

Затем вторая фиксирующая пластина 46 фиксируется в позиции, находящейся напротив боковой стенки ствола 12 скважины, с помощью распорных стоек 48.

Затем пружины 54 сжимаются, например, под воздействием веса релейного блока 20 до тех пор, пока направляющая трубка 52 не остановится напротив боковой стенки ствола 12 скважины.

После этого первая фиксирующая пластина 44 фиксируется в позиции распорными стойками 48.

Инструмент 16 для бурения вставляется в направляющую трубку 52, для того чтобы позиционировать его напротив боковой стенки ствола 12 скважины.

Затем самоходное устройство 18 фиксируется внутри внутренней части направляющей трубки 52 и устанавливается в инструменте 16 для бурения, таким образом, формируя буровую головку 14. Вышеуказанная буровая головка 14 получает электропитание через силовой кабель, разматывающийся из релейного блока, если более точно, то из модуля хранения кабеля.

Самоходное устройство плотно располагается внутри направляющей трубки 52, чтобы начать бурение дренажной скважины буровым инструментом 16.

В этом отдельном варианте осуществления изобретения, кабель 24 электропитания содержит винтообразный рисунок.

Буровой шлам удаляется посредством вращения электрического кабеля 24 с помощью электродвигателя 35, установленного за самоходным устройством 18.

Буровой шлам затем выводится за пределы дренажной скважины вращающимся кабелем 24 электропитания и падает на дно ствола 12 скважины.

Модуль 38 хранения кабеля вращается вокруг устройства доступа к главной линии электропитания практически параллельно оси ствола 12 скважины, чтобы предотвратить скручивание кабеля 24 электропитания во время вращения. Предпочтительно, чтобы модуль 38 хранения кабеля вращался на той же самой скорости и/или в том же самом направлении, как и электродвигатель 35, вращающий кабель 24 электропитания.

Кабель 24 электропитания разматывается из модуля 38 хранения кабеля с помощью вращения вышеуказанного модуля хранения и с помощью освобождения кабеля блокирующим устройством (не показано) во время продвижения буровой головки 14 в дренажной скважине 10.

Рельеф на поверхности электрического силового кабеля оказывает благоприятное воздействие на увеличение трения между буровым шламом и вращающимся кабелем, таким образом, обеспечивая более эффективное удаление бурового шлама.

Также благоприятное воздействие оказывает то, что разница в давлении между природным газом, содержащимся в сжатом природном газовом резервуаре, и скважиной 12 приводит к потоку газа в дренажной скважине 10 по направлению к скважине 12, таким образом, способствуя удалению бурового шлама.

Когда весь кабель 24 электропитания оказывается размотанным из модуля 38 хранения кабеля, вышеуказанный кабель 24 электропитания может быть снова смотан внутрь модуля хранения кабеля, и релейный блок может быть поднят на поверхность. Буровая головка 14 может быть вытянута кабелем по направлению к стволу скважины или отсоединена от кабеля 24 электропитания на уровне самоходного устройства 18 и оставлена на дне дренажной скважины или вытащена назад, на поверхность, с помощью любого другого способа, известного специалистам в данной области техники.

Следует заметить, что может быть обеспечено много альтернативных вариантов для структуры и способа, описанных выше.

Изобретение не ограничивается этими типичными вариантами осуществления изобретения и должно быть интерпретировано как неограниченное ими, включая в себя любые эквивалентные варианты.