системы и способы для использования прохода сквозь подземные пласты

Формула изобретения

1. Система для создания материала для борьбы с поглощением и сдерживания возникновения и распространения трещин в пластах внутри стенки прохода сквозь подземные пласты (52), содержащая: по меньшей мере, один буровой инструмент (35, 47), соединенный с, по меньшей мере, одной колонной (50, 51) обсадных труб и создающий обломки горных пород на конце, по меньшей мере, одной колонны обсадных труб; по меньшей мере, одно устройство (56, 57, 63, 65), содержащее, по меньшей мере, один элемент для механического и гидравлического нанесения, приспособленный для дробления обломков (126) горных пород, при этом по меньшей мере часть, по меньшей мере, одного элемента для механического и гидравлического нанесения выполнена подвижной для перемещения, сталкивания, дробления или их комбинаций обломков горных пород к ударной поверхности указанного, по меньшей мере, одного устройства, или подземные пласты для образования материала для борьбы с поглощением, при этом циркулирующий буровой раствор для нанесения на стенку пластов внутри зоны образования трещин в проходе сквозь подземные пласты (52) несет обломки горных пород и материал для борьбы с поглощением, при этом, по меньшей мере, одна колонна обсадных труб проходит через зону образования трещин прохода через подземные пласты и выступает в осевом направлении вниз внутри стенки пробуренных пластов от самой внешней защитной колонны обсадных труб, облицовывающих верхний конец прохода сквозь подземные пласты; при этом, по меньшей мере, один элемент для механического и гидравлического нанесения, по меньшей мере, одного устройства (56, 57, 63, 65) несет, по меньшей мере, одна колонна (50, 51) обсадных труб, причем вышеуказанный элемент расположен в зоне образования трещин, причем, по меньшей мере, один элемент для механического и гидравлического нанесения способен зацеплять обломки горных пород для осуществления разрушения или сталкивания обломков горных пород у ударной поверхности для образования материала для борьбы с поглощением и нанесения материала для борьбы с поглощением между буровым инструментом и верхним концом зоны образования трещин путем уменьшения размера частиц обломков горных пород, перемещаемых в осевом направлении вверх циркулирующим буровым раствором для покрытия стенки пробуренных пластов, по меньшей мере, одним элементом для механического и гидравлического нанесения, для сдерживания, при использовании, возникновения или распространения трещин в пластах для увеличения способности сдерживания перепада давления зоны образования трещин, образованной стенкой пробуренных пластов с помощью материала для борьбы с поглощением.

2. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одно устройство (65) содержит, по меньшей мере, одну лопасть (56А, 111), удерживаемую, по меньшей мере, одной колонной (50, 51) обсадных труб и выполненную с возможностью дробления или продвижения обломков (126) горных пород радиально наружу к ударным поверхностям (123) внутри внутренней периферии окружающей стенки (51А), которая способна зацеплять стенку прохода сквозь подземные пласты (52).

3. Система по п.2, в которой, по меньшей мере, одна колонна обсадных труб несет подвижную дополнительную внутреннюю стенку (51В), вращающуюся вокруг, по меньшей мере, одной колонны обсадных труб и расположенную между, по меньшей мере, одной колонной (50) обсадных труб и окружающей стенкой (51А), причем, по меньшей мере, одна лопасть, ударные поверхности или их комбинации прикреплены к, по меньшей мере, одной колонне (50) обсадных труб, подвижной дополнительной внутренней стенке (51В) или их комбинации.

4. Система по п.2 или 3, в которой, по меньшей мере, одна лопасть (56А, 111) содержит одну или более лопастей, проходящих радиально наружу эксцентрично, вертикально, наклонно или в их комбинациях относительно оси вращения, по меньшей мере, одной колонны (50) обсадных труб.

5. Система по п.3, дополнительно содержащая, по меньшей мере, один двигатель, по меньшей мере, одну зубчатую передачу или их комбинации для увеличения относительной угловой скорости между, по меньшей мере, одной колонной (50) обсадных труб, подвижной дополнительной внутренней стенкой (51В), окружающей стенкой (51А) или их комбинациями для усиления дробления или продвижения обломков (126) горных пород к ударным поверхностям (123).

6. Система по п.3, в которой, по меньшей мере, одна лопасть, втулка, подвижная дополнительная внутренняя стенка (51В) или их комбинации содержат подвижную часть с ударной поверхностью (123), имеющую гладкую поверхность, ступенчатый профиль, ряд нерегулярных ударных поверхностей, содержащих выступы, проходящие радиально наружу или внутрь от ударной поверхности, или их комбинации.

7. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одна колонна (50, 51) обсадных труб выполнена с возможностью вращения при использовании, и, по меньшей мере, один элемент для механического и гидравлического нанесения, выполненный с возможностью дробления обломков горных пород, содержит породоразрушающий инструмент (57) и, по меньшей мере, одну лопасть или втулку, выступающую радиально наружу от внешней поверхности, по меньшей мере, одной колонны обсадных труб, при этом, по меньшей мере, одно устройство выполнено с возможностью размалывания обломков (126) горных пород при взаимодействии со стенкой прохода сквозь подземные пласты.

8. Система по п.7, в которой породоразрушающий инструмент содержит, по меньшей мере, одну эксцентриковую втулочную фрезу (124).

9. Система по п.8, в которой породоразрушающий инструмент содержит пакет эксцентриковых втулочных фрез (124), упорных подшипников (125), ударных поверхностей (123) или их комбинаций, при этом эксцентриковые втулочные фрезы способны последовательно смещаться под углом во время вращения первой стенки (50), по меньшей мере, одной колонны обсадных труб, контакта с обломками (126) горных пород, контакта с указанной стенкой прохода сквозь подземные пласты или в их комбинации.

10. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одна колонна (50, 51) обсадных труб содержит внутреннюю колонну (50) обсадных труб, расположенную внутри окружающей колонны (51) обсадных труб, способной вращаться при использовании, при этом, по меньшей мере, один элемент для механического и гидравлического нанесения содержит породоразрушающий инструмент (56) с эксцентриковой лопастью с выступами ударной поверхности (123), проходящими радиально наружу от эксцентриковой внешней поверхности, прикрепленной к окружающей колонне обсадных труб, и приспособленными для размалывания обломков (126) горных пород при взаимодействии со стенкой прохода сквозь подземные пласты.

11. Система по п.1, в которой, по меньшей мере, одна колонна (50, 51) обсадных труб способна вращаться при использовании, и указанный, по меньшей мере, один элемент для механического и гидравлического нанесения содержит инструмент (63) для расширения скважины со множеством ступенчатых выступов ударной поверхности (123) для расширения скважины, проходящих радиально наружу и вверх от, по меньшей мере, одной колонны обсадных труб и приспособленных для измельчения обломков (126) горных пород против двух или более ступеней, сформированных ступенчатым расширением стенки прохода сквозь подземные пласты.

12. Система по п.11, в которой две или более ступени, сформированные выступами бурильной расширяющей ударной поверхности (123), прикреплены к стенке (51Е), сцепленной с, по меньшей мере, одной колонной (50, 51) обсадных труб и окружающей ее, причем осевое движение между указанной стенкой и, по меньшей мере, одной колонной обсадных труб выдвигает или втягивает выступы бурильной расширяющей ударной поверхности (123).

13. Способ создания материала для борьбы с поглощением и сдерживания возникновения и распространения трещин в пластах внутри стенки подземного прохода (52), содержащий следующие этапы: обеспечение, по меньшей мере, одного бурового инструмента (35, 47), соединенного с, по меньшей мере, одной колонной (50, 51) обсадных труб через разрушаемую проксимальную зону ниже самой внешней защитной колонны обсадных труб, облицовывающую подземный проход; действие, по меньшей мере, одного бурового инструмента (35, 47) для создания обломков горных пород; циркуляция бурового раствора для направления обломков горных пород вверх внутри бурового раствора внутри зоны образования трещин; и введение в контакт обломков горных пород с, по меньшей мере, одним устройством (56, 57, 63, 65), содержащим, по меньшей мере, один элемент для механического и гидравлического нанесения с подвижной частью, которая зацепляет обломки горных пород у ударной поверхности или подземных пластов для уменьшения их размера для образования материала для борьбы с поглощением, причем циркуляция обломков горных пород наносит указанный материал для борьбы с поглощением на стенку подземного прохода для сдерживания возникновения или распространения трещин в разрушаемой зоне для увеличения способности сдерживания перепада давления стенки пласта подземного прохода с покрытием из материала для борьбы с поглощением.

14. Способ по п.13, в котором обломки горных пород содержат частицы размера, допускающего сцепление с, по меньшей мере, одним указанным устройством, причем способ содержит этап многократного сцепления частиц с подвижной частью, содержащей лопасть, по меньшей мере, одного элемента для механического и гидравлического нанесения (56, 57, 63, 65), втулки или их комбинаций, для переноса частиц внутри циркулирующего бурового раствора, направляемого стенкой подземного прохода в направлении циркуляции бурового раствора.

15. Способ по п.14, в котором этап циркуляции обломков горных пород внутри подземного прохода содержит циркуляцию обломков горных пород через искривленный канал, способный пропускать частицы уменьшенного размера через выступы, по меньшей мере, одного устройства (56, 57, 63, 65) для дробления обломков горных пород для уменьшения их размера из больших частиц к меньшим частицам, таким образом увеличивая время пребывания больших частиц, посредством изменения скорости и соответствующей способности переноса больших частиц бурового раствора, проходящего через, по меньшей мере, одно устройство через искривленный канал, таким образом увеличивая возможность неоднократного зацепления и дробления больших частиц на более малые частицы, что способствует прохождению через искривленный канал.

16. Способ по п.15, дополнительно содержащий этап размещения, по меньшей мере, одного устройства для увеличения времени удерживания больших частиц в искривленном канале для уменьшения размера частиц большей фракции больших частиц (126) до меньших частиц, имеющих размеры в пределах от 250 микронов до 600 микронов, чтобы способствовать, при использовании, прохождению через искривленный канал, обеспечить нанесение покрытия из материала для борьбы с поглощением или их комбинаций.

17. Способ по п.16, дополнительно содержащий этап достижения более глубоких подземных пластов с использованием освобожденной пропускной способности бурового раствора посредством создания в непосредственной близости меньших частиц для добавления дополнительной поверхности добавленного материала для борьбы с поглощением к буровому раствору, при этом элемент для механического и гидравлического нанесения дополнительной поверхности добавленного материала для борьбы с поглощением и проксимально образованный материал для борьбы с поглощением используют для бурения удлиненного прохода сквозь подземные пласты и зацепления более глубокой внешней защитной колонны обсадных труб, предназначенной для облицовки в нем.

Описание изобретения к патенту

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Объекты настоящего изобретения относятся в целом к системам и способам, используемым для генерирования и применения материала для борьбы с поглощением (LCM) из обломков горных пород при выполнении операций внутри прохода сквозь подземные пласты, включая ограничение возникновения и распространения трещин внутри подземных пластов, перед размещением нижней обсадной колонны или хвостовика и цементированием для бурения, бурения обсадной колонной, бурения хвостовиком, заканчиванием, трубопроводным узлам с контролируемым давлением согласно изобретению и их комбинациям за пределами обычных глубин спуска обсадной колонны посредством усиления герметичности ствола скважины.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Варианты осуществления настоящего изобретения касаются подземного создания материала для борьбы с поглощением (LCM) из запаса обломков горных пород внутри пробуренного прохода, используемого для сдерживания возникновения или распространения трещин в стенке прохода сквозь подземные пласты. Устройства для использования этого первого объекта могут взаимодействовать с бурильными колоннами для генерирования LCM в непосредственной близости к вновь обнаженным стенкам разрушаемых пластов пробуренной части прохода сквозь подземные пласты для своевременного нанесения указанного генерированного под землей LCM на указанные стенки.

Варианты выполнения породоразрушающих инструментов могут включать: инструменты для расширения прохода (63 на фиг.5-7), эксцентриковые фрезы (56 на фиг.8-9), втулочные фрезы (57 на фиг.10-12) и инструменты для получения суспензии горной породы (65 на фиг.15-39). Пригодные варианты инструментов для расширения прохода и эксцентриковых фрез зависят от буровых установок или трубопроводных узлов с регулируемым давлением (49 на фиг.45-47), описанных в патенте США № 8387693, которые избраны для использования. Варианты указанных втулочных фрез представляют существенные усовершенствования подобных обычных инструментов, описанных в патенте США № 3982594, который включен сюда во всей полноте в качестве ссылочного материала. Варианты осуществления изобретения, относящиеся к инструментам для получения суспензии горной породы (65 на фиг.15-39), представляют существенные усовершенствования обычной наземной технологии, описанной в патенте США № 4090673, который включен сюда во всей полноте в качестве ссылочного материала, и их помещают внутри бурильной колонны для генерирования LCM из обломков горных пород в подземной окружающей среде. Варианты осуществления изобретения, касающиеся указанных инструментов для получения суспензии горной породы, измельчают обломки горных пород или другие хрупкие материалы, содержащиеся в шламе, посредством столкновения с вращающимся рабочим колесом или посредством центробежного ускорения указанных обломков горных пород или добавленного материала, для столкновения с относительно неподвижной или противоположной вращательной поверхностью.

В вариантах осуществления породоразрушающих инструментов также используют получение суспензии горной породы и фрезерование запаса обломков горных пород, генерируемых буровым долотом или буровым расширителем, для генерирования LCM, в то время как обычные способы основаны на добавлении на поверхность LCM с присущим ему запаздыванием между обнаружением подземных трещин на основе поглощения циркулирующего жидкого бурового раствора и последующим добавлением LCM. Варианты осуществления настоящего изобретения сдерживают возникновение или распространение трещин в пластах, генерируя LCM из запаса обломков горных пород, увлекаемых через пробуренный проход циркулирующим буровым раствором, покрывающим стенку пластов указанного прохода до возникновения или существенного распространения трещин.

Вследствие ее относительно жесткой природы горная порода имеет тенденцию образовывать трещины при бурении и циркуляции бурового раствора под давлением. Со своевременным нанесением LCM варианты осуществления настоящего изобретения могут использоваться для более глубоких подземных пластов до облицовки прохода в пластах защитной обсадной колонной, улучшая барьер для перепада давления, известный как фильтрационная корка, между подземными пластами и циркулирующим буровым раствором посредством нагнетания LCM в пространства пор, разрывов или малых трещин в указанной стенке, покрытой циркулирующим буровым раствором своевременно для снижения тенденции образования и распространения трещин. Закладка LCM внутрь фильтрационной корки, покрывающей поровое пространство всей горной породы, сдерживает возникновение трещин посредством улучшения природы удерживания перепада давления указанной фильтрационной корки. Различные способы ограничения возникновения и распространения трещин внутри пластов существуют и описаны в патенте США № 5207282, который включен сюда во всей полноте в качестве ссылочного материала.

Варианты осуществления настоящего изобретения, включая породоразрушающие инструменты (56, 57, 63, 65), могут применяться с инструментами для прохождения бурового раствора (58 на фиг.45-47) и вставными колонными инструментами (49 на фиг.45-47) согласно настоящему изобретению, с использованием механического и под давлением нанесения генерированного под землей LCM для дополнения и/или замещения добавляемого на поверхности LCM в поры пластов и пространства трещин, дополнительно усиливая способность сдерживания перепада давления указанной фильтрационной корки для дополнительного сдерживания возникновения или распространения трещин со своевременным нанесением и уплотнением указанного LCM, называемым специалистами в данной области техники также усилением зоны кольцевых сжимающих напряжений ствола скважины. Обычные способы в целом требуют остановки бурения для выполнения усиления зоны кольцевых сжимающих напряжений ствола скважины, в то время как варианты осуществления настоящего изобретения могут использоваться для непрерывного генерирования, нанесения и забивки LCM при помощи сталкивающихся поверхностей в ствол скважины для укрепления ствола скважины при бурении, циркуляции и/или вращения колонны обсадных труб, несущей указанные варианты осуществления изобретения.

Варианты осуществления настоящего изобретения включают породоразрушающие инструменты (56, 57, 63, 65), которые могут использоваться с обычными бурильными колоннами или при бурении обсадными колоннами и обсадными колоннами-хвостовиками, которые используют для образования защитной облицовки внутри подземного пласта без необходимости извлечения бурильной колонны. Когда необходимая глубина бурения подземного пласта достигнута, весь или часть породоразрушающего инструмента или трубопроводного узла с регулируемым давлением (49 на фиг.45-47) может быть отделен от одной или более концентрических колонн и сцеплен с проходом в подземных пластах. Породоразрушающие инструменты (56, 57, 63, 65), соответствующие настоящему изобретению, до извлечения могут применяться для снижения тенденции возникновения и распространения трещин, пока подземные пласты не будут изолированы защитной облицовкой. Это мероприятие устраняет риски необходимости, во-первых, извлечения бурильной колонны и затем спуска хвостовика обсадной колонны, заканчивающей или другой защитной колонны крепи в осевом направлении вниз в проход подземного пласта, когда время для возможности устранить опасные ситуации в подземных пластах ограничено.

Бурение хвостовиком подобно бурению обсадной колонной с различием, состоящим в наличии узла перекрестного потока в бурильной колонне на ее верхнем конце. Поскольку указанный узел перекрестного потока в целом не расположен внутри подземных пластов и не оказывает большого влияния на скорости и давления в кольцевом пространстве, испытываемые скважиной в пластах, бурение хвостовиком и бурение обсадной колонной в дальнейшем описании упоминаются синонимично.

Дополнительно, где большой диаметр буровой установки для бурения обсадной колонной предшествующего уровня техники дает преимущество эффекта смазки буровым раствором, в целом неприменимого с бурильными колоннами меньшего диаметра, дополнение породоразрушающих инструментов (56, 57, 63, 65) и вставного колонного инструмента согласно изобретению (49 на фиг.45-47) также имитируют указанный эффект смазки, не требуя более высоких скоростей в кольцевом пространстве и фрикционных потерь, связанных с обычным бурением обсадной колонной. Это осуществляется посредством генерирования LCM против или смежно со стенкой пласта для уплотнения или нагнетания под давлением LCM в трещины или фильтрационную корку в контакте и посредством направления потока во внутреннем кольцевом проходе в том же осевом направлении, в котором циркулирует флюид в кольцевом проходе между пластами и бурильной колонной, таким образом, увеличивая пропускную способность и уменьшая скорость и связанную с этим потерю давления в направлении кольцевого потока.

Варианты осуществления изобретения могут применяться независимо или в комбинации с обычными бурильными или обсадными бурильными колоннами, или могут быть, согласно настоящему изобретению, объедены в единую систему инструментов (49 на фиг.45-47), имеющую множество колонн обсадных груб с инструментами (58 на фиг.45-47) для прохождения бурового раствора, многофункциональными инструментами, управляющими указанными инструментами для прохождения бурового раствора, и подземными инструментами для генерирования LCM (56, 57, 63, 65 на фиг.5-39) для получения преимуществ целевых подземных глубин, которые больше возможны в настоящее время с использованием обычной технологии.

Существует потребность в системах и способах для увеличения доступного количества LCM для своевременного нанесения на подземные слои для последующего снижения тенденции возникновения и распространения трещин в пластах.

Существуют существенные риски и затраты относительно недопустимых потерь бурового раствора, связанных с существующей технологией, в пластах, имеющих тенденцию растрескивания, которые при умножении на количество проходов и размещенных защитных облицовок, требуемых для предотвращения таких потерь бурового раствора, составляют существенную стоимость операций.

Существует потребность в системах и способах создания LCM, которые могут сцепляться с бурильными колоннами, защитными облицовками, обсадными колоннами и оборудованием заканчивания, расположенными в подземных пластах, без недопустимых потерь или необходимости извлечения бурильной колонны для операций бурения обсадной колонной.

Также существует потребность в системах и способах, в целом применимых в подземных пластах, восприимчивых к образованию трещин, для достижения больших глубин, чем в настоящее время практически или реально достижимо с существующей технологией, до размещения защитных облицовок при бурении и заканчивании.

Настоящее изобретение направлено на эти потребности.

СУЩНОСТЬ И30БРЕТЕНИЯ

Описанные здесь варианты осуществления изобретения относятся к системам и способам для получения и применения материала для борьбы с поглощением (LCM), образуемым из обломков горных пород, для сдерживания начала образования и/или распространения трещин в пласте. Один или более бурильных инструментов могут быть расположены в состоянии сообщения с колонной труб, проходящей в зоне трещиноватости подземного прохода, проходящей вниз от внешней защитной колонны труб, которая облицовывает верхний конец подземного прохода.

В ходе работы одного или более бурильных инструментов производятся обломки горных пород, которые циркулируют в шламе в подземном проходе, например в искривленном проходе уменьшенной пропускной способности по размерам для изменения скорости частиц, таким образом, увеличивая тенденцию многократного сцепления и дробления больших частиц на меньшие частицы. Одно или более устройств может применяться для введения в контакт обломков горных пород, например, с лопастями, которые выступают радиально наружу эксцентрически, вертикально и/или под наклоном для продвижения обломков к ударным поверхностям окружающего инструмента или стенке пласта, которая может включать гладкую поверхность, ступенчатый профиль, серию нерегулярных ударных поверхностей с выступами, проходящими радиально внутрь, или их комбинации. Размер частиц обломков горных пород, таким образом, уменьшается по мере их продвижения в осевом направлении вверх посредством циркуляции жидкого бурового раствора для покрытия стенки пробуренного пласта для сдерживания начала образования и/или распространения трещин в пласте, что может увеличивать способность удерживания давления покрытого, подверженного образованию трещин района. Зацепление частиц лопастями или подобными элементами способствует переносу частиц в буровом растворе и/или нанесению на стенку пласта. В целом, частицы могут быть уменьшены до размеров в диапазоне от 250 мкм до 600 мкм.

Варианты осуществления изобретения, взаимодействующие с колонной труб, могут вращаться в ходе применения и могут включать один или более элементов, формирующих систему для генерирования и нанесения LCM, например инструменты для образования шлама из горных пород, размалывания и разрушения горных пород, которые выступают наружу от нее, для размалывания обломков горных пород или LCM во взаимодействии со стенкой пласта. Такие инструменты для размалывания/разрушения горных пород могут включать одну или блок втулочных фрез, насосы для образования шлама, упорные подшипники, ударные поверхности или их комбинации. Эксцентриковые втулочные фрезы могут успешно смещаться под углом в ходе вращения колонны труб и/или входить в контакт с обломками горных пород. Многие варианты осуществления изобретения также могут включать внешнюю колонну труб, которая вращается, вызывая измельчение инструментом с эксцентриковой лопастью для измельчения/разрушения горных пород с выступами с ударными поверхностями обломков горной породы во взаимодействии со стенкой прохода. В другом варианте осуществления изобретения осевое перемещения между колоннами труб может вызывать выдвижение или убирание выступов с ударными поверхностями.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В подробном описании различных вариантов осуществления настоящего изобретения, представленном ниже, сделаны ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1-4 - иллюстрации способов предшествующего уровня техники для определения глубины, на которой должна быть размещена техническая обсадная колонна в подземных пластах, выраженной величиной градиента давления гидравлического разрыва пласта и требуемой плотностью бурового раствора, для предотвращения возникновения и распространения трещин, включая способы предшествующего уровня техники, которыми указанное возникновение и распространение трещин может объясняться и контролироваться.

Фиг.5-7 - вариант выполнения инструмента для расширения скважины для расширения подземной скважины с двумя или больше ступенями выдвигаемых и задвигаемых режущих инструментов.

Фиг.8-9 - вариант выполнения инструмента для фрезерования горных пород, имеющего фиксированную конструкцию для фрезерования выступов стенки прохода в пластах и дробления частиц горной породы, переносимых жидким буровым раствором, при взаимодействии со стенкой прохода в пластах.

Фиг.10-12 - вариант выполнения втулочной фрезы, имеющей множество эксцентриковых вращающихся конструкций для фрезерования выступов стенки прохода в пластах с захватом и дроблением частиц горных пород, переносимых жидким буровым раствором, при взаимодействии со стенкой указанного прохода в пластах.

Фиг.13-14 - устройство предшествующего уровня техники для центробежного дробления частиц горных пород.

Фиг.15 и фиг.18-22 - вариант выполнения инструмента для получения суспензии горной породы, в котором стенка прохода сквозь подземные пласты сцепляется со стенкой указанного инструмента, имеющего различные варианты его выполнения, в которых внутренняя дополнительная стенка, расположенная внутри указанной стенки, сцепляющейся с пластами, вращается относительно внутреннего рабочего колеса, прикрепленного к внутренней вращающейся колонне обсадных труб, и предназначена при использовании для ускорения, соударения и дробления обломков горных пород, прокачиваемых через внутреннюю полость указанного инструмента, после чего раздробленные обломки горных пород откачиваются из указанной внутренней полости.

Фиг.16-17 - два примера ударных поверхностей, которые могут взаимодействовать с ударной поверхностью для содействия дроблению или резанию горной породы.

Фиг.23-25 - два варианта выполнения инструментов для получения суспензии горной породы, которые могут быть сцеплены с одностенной колонной обсадных труб или двустенной колонной обсадных труб, соответственно, для создания LCM посредством прокачивания обломков горных пород, содержащихся в жидком буровом растворе, через центральную полость указанных инструментов, которые соударяются и создают центробежное ускорение более плотных обломков горных пород через рабочее колесо для содействия дроблению указанных обломков горных пород.

Фиг.26-31 - составные части варианта выполнения инструмента для получения суспензии горной породы по этапам сцепления указанных составных частей указанного инструмента, причем части сцепляются последовательно от фиг.26 до фиг.30, при этом полученный узел показан на фиг.30 как имеющий размеры для сцепления изнутри ударной стенки, показанной на фиг.31.

Фиг.32 - вариант выполнения инструмента для получения суспензии горной породы согласно настоящему изобретению, состоящего из составных частей, показанных на фиг.26-31, в котором ударная стенка, показанная на фиг.31, расположена вокруг внутренних составных частей, показанных на фиг.30, с вращательными соединениями колонны и поверхностями упорного подшипника, взаимодействующими с обоими концами для сцепления с бурильной колонной обсадных труб, расположенных внутри подземных пластов.

Фиг.33-34 - варианты выполнения составных частей инструмента для получения суспензии горной породы, который может быть скомбинирован с инструментом для получения суспензии горной породы, показанным на фиг.32, в котором инструмент, показанный на фиг.33 может быть сцеплен с одностенной бурильной колонной обсадных труб, и инструмент, показанный на фиг.34, может быть сцеплен с двустенной колонной обсадных труб, имеющей внешнюю колонну обсадных труб, сцепленную с концами элемента, показанного на фиг.34, и в котором инструмент, показанный на фиг.32, может быть извлечен с внутренней обсадной колонной.

Фиг.35-39 - инструмент, показанный на фиг.32, сцепленный с составной частью, показанной на фиг.34, для создания инструмента для получения суспензии горной породы для вращательной одностенной колонны обсадных труб.

Фиг.40-44 - примеры примеров известного уровня техники бурения и бурения обсадной колонной, которые показывают местоположения, где могут применяться инструменты для разрушения горных пород согласно настоящему изобретению.

Фиг.45-47 - иллюстрируют два варианта составленной колонны труб, в которых нижняя часть колонны, показанная на фиг.45, может быть скомбинирована с любой из двух верхних частей колонны, показанной на фиг.46 и 47.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Перед ознакомлением с подробным описанием избранных вариантов осуществления настоящего изобретения следует понимать, что настоящее изобретение не ограничено описанными здесь конкретными вариантами его осуществления, и что настоящее изобретение может быть осуществлено или выполнено различными способами.

Настоящее изобретение относится в целом к своевременному генерированию и нанесению материала для борьбы с поглощением (LCM) из обломков горных пород для осаждения внутри трещины и/или барьера, известного как фильтрационная корка, которая может сцепляться со стенкой пласта для уплотнения перепада давлений относительно поровых пространств и трещин, таким образом, сдерживая возникновение или распространение трещин внутри пластов.

На фиг.1 показан изометрический вид общепринятых диаграмм предшествующего уровня техники, наложенных на разрез подземных пластов с двумя скважинами, связывающих подземные глубины с консистенциями шлама и эквивалентными градиентами давления пор и трещин подземных пластов. Диаграммы показывают, что плотность (3) флюида, увеличивающаяся с плотностью эффективно циркулирующего бурового раствора сверх давления (1) пор подземных пластов, должна поддерживаться для предотвращения притока нежелательных подземных веществ в указанный циркулирующий буровой раствор и/или обрушающихся под давлением горных пород со стенок прохода в пластах.

На фиг.1 также показано, что плотность (3) бурового раствора должна быть между давлением (2) трещин подземных пластов и подземным поровым давлением (1) для предотвращения возникновения трещин или поглощения циркулирующего жидкого бурового раствора, соответственно, включая приток пластовых флюидов или газов и/или обрушения горных пород со стенок пластов.

Во многих заявках предшествующего уровня техники плотность (3) бурового раствора должна поддерживаться внутри приемлемых границ (1 и 2) до установки защитной облицовки (3А), позволяющей впоследствии увеличить плотность (3) шлама, когда установлена защитная облицовка, для предотвращения притоков или потерь жидкого бурового раствора, если плотность (3) меньше порового давления подземного пласта или больше градиента (2) трещин, когда происходит возникновение и распространение трещин в пластах. После этого процесс может повторяться, и дополнительные защитные облицовки (3В и 3С) могут быть установлены до достижения конечной глубины.

Согласно настоящему изобретению используются варианты (56А-56С, 57А-57В, 63А-63С, 65A-65J) выполнения породоразрушающих инструментов (56, 57, 63, 65 на фиг.5-39) для увеличения градиента (2) давления гидравлического разрыва пласта до более высокого градиента (6) посредством заделывания LCM в фильтрационную корку и существующие трещины, известного также как усиление зоны кольцевых сжимающих напряжений. Заделывание трещин и фильтрующей корки увеличивает градиент давления гидравлического разрыва пласта и дифференциально уплотняет давлением пространства пор и трещин внутри пласта, допуская изменение плотности эффективной циркуляции между новыми границами (1 и 6) до установки (4В) защитных облицовок для предотвращения возникновения и распространения трещин в пластах для потенциального устранения необходимости в защитной облицовке (3В или 3С).

Поскольку способность содержания LCM в жидких буровых растворах ограничена, подземное генерирование LCM может заместить или дополнить добавка на поверхности LCM. Это позволяет добавлять дополнительно материал для борьбы с поглощением с меньшим размером частиц на поверхности и увеличивать общее количество LCM, доступного для усиления скважинной зоны кольцевых сжимающих напряжений.

Увеличивая градиент давления гидравлического разрыва пласта (от 2 до 6) с усилением скважинной зоны кольцевых сжимающих напряжений, можно задавать новую целевую глубину, увеличивая плотность (4) бурового раствора внутри подземных пластов без возникновения или распространения трещин до размещения более глубокой защитной облицовки (4В), потенциально экономя время и расходы. В примере, показанном на фиг.1, при увеличенном градиенте давления (6) гидравлического разрыва пласта использовали на одну защитную облицовку или обсадную колонну (4А, 4В) меньше бурового раствора для достижения конечной глубины, чем с использованием облицовки или обсадных колонн (3А, 3В, 3С) при нижнем градиенте давления (2) гидравлического разрыва пласта, таким образом, экономя время и расходы.

Если бы новая целевая глубина была достигнута с использованием обычных способов и устройств бурения, то жидкий буровой раствор мог бы создавать трещины в пластах и был бы поглощен указанными трещинами, когда плотность (4) эффективной циркуляции бурового раствора превышает градиент (2) давления гидравлического разрыва пласта с различными комбинациями плотности и глубины, содержащими зону (5) потери циркуляции на фиг.1.

На фиг.2 показан изометрический вид куба подземных пластов. Чертеж иллюстрирует модель зависимости, согласно предшествующему уровню техники, между подземными трещинами более прочного подземного пласта (7), лежащего на более слабом и раздробленном подземном формировании (8), перекрывающем более прочное подземное формирование (9), где существует стенка подверженного разрушению прохода (17) сквозь подземные пласты горных пород.

На фиг.2 и 3 силы, действующие на модель, показанную на фиг.2, и более слабый разрушенный пласт (8), показанный как изометрический вид на фиг.3, включают в себя существенное давление покрывающих пластов (10 на фиг.2), созданное весом верхней горной породы, и включают в себя силы, действующие в плоскости максимального горизонтального напряжения (11, 12 и 13 на фиг.2 и 20 на фиг.3), и силы, действующие в плоскости минимального горизонтального напряжения (14, 15 и 16 на фиг.2 и 21 на фиг.3).

Сопротивление образованию трещин в плоскости максимального горизонтального напряжения увеличивается с глубиной, но уменьшается более слабыми пластами. В этом примере плотность эффективной циркуляции бурового раствора (ECD), показанная как противодействующая сила (13), меньше силы (11) сопротивления более прочных пластов (7 и 9), но превышает силу (12) сопротивления более слабых пластов (8) для сопротивления указанной силе, и в результате возникает и/или распространяется разрыв (18).

Сопротивление образованию трещин в плоскости минимального горизонтального напряжения также увеличивается с глубиной (14), но может уменьшаться более слабыми пластами с плотностью (ECD) эффективной циркуляции, равной показанной в плоскости (13) максимального горизонтального напряжения, и показано как противодействующая сила (16), которая меньше сил более прочных пластов (7 и 9) горных пород, но превышает силу (15) сопротивления более слабых пластов (8), и, в результате, возникает и/или распространяется разрыв (18) в плоскости максимального напряжения.

Как показано на фиг.3, вследствие относительно жесткой природы большинства подземных горных пород, малые подземные горизонтальные разрывы (23) в целом формируются в плоскости максимального горизонтального напряжения. Это можно наблюдать как кольцевые напряжения (22), распространяющиеся от плоскости максимального (20) до плоскости минимального (21) горизонтального напряжения, создающие малый разрыв (23) в стенке подверженного разрушению прохода (17) (то есть скважины).

Если силы горизонтального напряжения, противостоящие распространению трещин (12 и 15 на фиг.2), меньше давления (13 и 16 на фиг.2), прилагаемого плотностью эффективной циркуляции (ECD) циркулирующего жидкого бурового раствора или статическим гидростатическим давлением статического жидкого бурового раствора (3 на фиг.1), трещина (23) будет распространяться (24) с максимальными кольцевыми напряжениями (22) в плоскости горизонтального напряжения, содействуя указанному распространению (24), поскольку они стремятся в плоскость (21) минимального горизонтального напряжения, как показано заштрихованными выпуклыми стрелками, воздействуя на кромки указанной трещины и точку распространения (25) трещин.

На фиг.4 показан изометрический вид двух горизонтальных трещин через стенку подверженного разрушению прохода (17) сквозь подземные пласты, покрытые фильтрационной коркой (26). Обломки (27) горных пород размеров, превышающих размеры распределения частиц LCM, не могут быть достаточно набиты внутрь трещины и создают большие поровые пространства, через которые давление может пройти (28) к точке распространения (25) трещин, допуская дальнейшее распространение трещин. Распространение трещин может сдерживаться посредством закладки частиц (29) с размером LCM внутрь трещин (18), позволяя фильтрационной корке (26) создавать перекрытие и уплотнение между частицами LCM для уплотнения перепада давления точки распространения (25) трещин от гидростатического давления или больших давлений ECD и дальнейшего распространения.

Варианты (56А-56Е, 57А-57Е, 63А-63С, 65A-65L) выполнения породоразрушающих инструментов (56, 57, 63, 65 на фиг.5-39) могут использоваться для генерирования LCM вблизи поровых пространств и трещин (18) пластов для замещения или дополнения добавленного на поверхности LCM, в то время как варианты (58A-58Z) выполнения инструментов (58 на фиг.45-47) для прохождения бурового раствора могут использоваться для уменьшения ECD и связанных потерь жидкого бурового раствора, пока достаточное количество LCM не будет размещено в разрыве. Кроме того, породоразрушающие инструменты могут использоваться для нагнетания под давлением или уплотнения под давлением указанного LCM с более высокой ECD, возникающей в ограниченном или извилистом, возможно, кольцевом проходе, сформированном посредством взаимодействия породоразрушающего инструмента со стенкой пласта, при этом указанное взаимодействие может намазывать и/или уплотнять фильтрационную корку и LCM на пространства пор и трещин стенки пласта для возникновения или распространения разрыва пласта.

Варианты осуществления настоящего изобретения обрабатывают трещины в горизонтальной плоскости (18 на фиг.2-4) и трещины не в горизонтальной плоскости (19 на фиг.2) одинаково, заполняя или материалом для борьбы с поглощением, генерированным внутри скважины, добавленным на поверхности материалом для борьбы с поглощением или их комбинациями с механическим нанесением посредством взаимодействия породоразрушающего инструмента со стенкой пласта, что может быть скомбинировано с избирательным манипулированием эффективной плотностью циркуляции для своевременного контроля возникновения горизонтального разрыва и уплотнения поровых пространств и трещин пластов фильтрационной коркой и материалом для борьбы с поглощением для предотвращения дальнейшего возникновения или распространения.

На фиг.5-39 показаны варианты выполнения породоразрушаюших инструментов, используемых для генерирования внутри скважины LCM, которые включают: инструменты для расширения скважины (63 на фиг.5-7), эксцентриковые фрезы (56 на фиг.8-9), эксцентриковые втулочные фрезы (57 на фиг.10-12), инструменты для получения суспензии горной породы (65 на фиг.15-39) и комбинации указанных расширяющих, фрезерующих и формирующих суспензию инструментов, показанных на фиг.45-47.

Превалирующая практика определяет LCM как включающий частицы, имеющие размеры в диапазоне от 250 микронов до 600 микронов, или визуально между размерами мелкого и крупного песка, подаваемые в достаточном количестве для сдерживания возникновения и распространения трещин. Например, если технология с режущим инструментом с поликристаллическим алмазным резцом будет использоваться для получения относительно однородного размера частиц для большинства типов горных пород, и вероятность дробления частиц горных пород соотносится с размером обломков горных пород, генерируемых указанной технологией с поликристаллическим алмазным резцом, то приблизительно 4-5 дроблений обломков горных пород будут приводить к тому, что больше половины запаса частиц обломков горных пород, увлеченных из пробуренного прохода в пластах циркулирующим жидким буровым раствором, будет преобразована в частицы размера LCM. Тяжесть и скорости проскальзывания через циркулирующий буровой раствор в вертикальных и наклонных скважинах в комбинации с вращающимися извилистыми проходами и увеличенной трудностью прохождения больших частиц через породоразрушающие варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают достаточное время пребывания для больших частиц внутри запаса обломков горных пород, которые будут раздроблены 4-5 раз, прежде чем они будут эффективно доведены до требуемого размера для использования с циркулирующим буровым раствором.

Породоразрушающие инструменты (56, 57, 63 или 65), используемые для подземного генерирования LCM, могут также улучшать фрикционную природу стенки прохода сквозь подземные пласты шлифующим действием, снижая сопротивление трения, вращающий момент и гидродинамическое сопротивление, при вбивании фильтрационной корки и LCM в поровое пространство и трещины пластов.

Когда обломки горных пород от бурения раздроблены на частицы размера LCM и нанесены на фильтрационную корку, пространства пор пласта и трещины прохода в пласте, возникновение и распространение трещин может сдерживаться, и количество обломков горных пород, которые должны быть извлечены из скважины, уменьшается, и такие обломки легче переносятся вследствие уменьшенных размеров их частиц и уменьшения связанной с этим плотности.

В то время как обычные способы включают добавление на поверхности больших частиц LCM, таких как дробленая скорлупа орехов и другие твердые частицы, эти частицы обычно теряются во время обработки, когда возвратный жидкий буровой раствор проходит вибрационное сито. Наоборот, варианты осуществления настоящего изобретения непрерывно замещают указанные большие частицы, позволяя легче переносить более малые частицы, которые менее вероятно будут потеряны во время обработки, оставаясь в жидком буровом растворе, что снижает затраты на непрерывное поверхностное добавление больших частиц.

Комбинация разных размеров частиц полезна для уплотнения подземных трещин для создания эффективного уплотнения перепада давлений в комбинации с фильтрационной коркой. Когда большие частицы теряются во время обработки бурового раствора, более малые частицы обычно остаются, если буровые центробежные сепараторы исключены. Комбинация LCM с меньшим размером частиц, добавленного на поверхности, с LCM с большим размером частиц, генерируемым внутри скважины, может использоваться для увеличения уровней доступного LCM и сокращения числа дроблений и/или породоразрушающих инструментов, необходимых для генерирования достаточных уровней LCM.

Варианты осуществления настоящего изобретения, таким образом, уменьшают потребность непрерывно добавлять частицы LCM и уменьшают время между распространением трещины и обработкой благодаря непрерывному созданию внутри скважины LCM около трещин при нагнетании вдоль прохода сквозь подземные пласты в осевом направлении вниз. Комбинация фильтрационной корки и LCM усиливает ствол скважины, уплотняя точку распространения трещин. Обычные буровые установки не обращаются к проблеме создания или своевременного нанесения LCM, или только случайно, по существу после точки распространения трещин, когда большая фракция обломков горных пород меньшего размера, наблюдаемая на вибрационных ситах, генерируется случайными соударениями внутри технической обсадной колонны (51V на фиг.46-47), где она больше не требуется.

В целом, породоразрушающие инструменты (56, 57, 63 или 65) могут иметь верхний конец, сцепляемый с нижним концом прохода от выпуска одного или более шламовых насосов, и нижний конец, сцепляемый с верхним концом одного или более проходов для выпуска накачанного бурового раствора через одну или более вращательных буровых установок.

Изображенные варианты выполнения породоразрушающих инструментов показаны как имеющие одну или более окружающих или дополнительных стенок (51U), включающих эксцентрические поверхности лопастей (56А-56С) и/или втулки (124) и/или упорный подшипник (125), которые могут окружать стенку первой колонны (50) с верхним и нижним концами, сцепленными с трубами бурильной колонны обсадных труб, имеющей внутренний проход (53), который нагнетает буровой раствор в осевом направлении вниз к указанной буровой установке. Указанные одна или более окружающих стенок могут сцепляться с обломками горных пород и/или стенкой пробуренного прохода, где фреза (56А-56Е, 61, 61А-61С, 111А-111Н), выступ или подобный элемент породоразрушающего инструмента дробит обломки горных пород, взаимодействуя с ударной стенкой для последующего нанесения под давлением, или соударяется со стенкой пласта для шлифовки указанной стенки пласта и вбивания частиц с размером LCM в пространства пор и трещин пластов.

Окружающая стенка указанных породоразрушающих инструментов может направлять буровой раствор к стенке и/или через меньший проход вверх, создавая извилистый проход и изменение давления на уровне указанного инструмента, сдерживая прохождение больших обломков горных пород для дальнейшего дробления измельчения и/или нагнетания LCM в подверженный разрушению район благодаря указанному изменению давления.

Варианты выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы могут включать внутреннюю полость между стенками колонны труб (50, 51, 51A-51U), в которой используются рабочее колесо или лопасть для накачивания бурового раствора от кольцевого прохода между указанным инструментом и стенкой скважины в пластах во внутреннюю полость, где большие частицы сталкиваются и дробятся центробежным способом. Затем они откачиваются из внутренней полости в кольцевой проход.

На фиг.5 и фиг.6 показан изометрический вид варианта (63А) породоразрушающего инструмента и инструмента (63) расширения буровой скважины для расширения скважин внутри подземных горных пород двумя или более этапами. На фиг.5 изображен телескопически удлиняемый сборочный узел с втянутыми режущими инструментами. На фиг.6 показаны телескопически развернутые (68) ступени режущего инструмента, выдвинутые (71 на фиг.6) в результате указанного развертывания. Режущие инструменты (61), содержащие режущие инструменты (61А) первой ступени, режущие инструменты (61В) второй ступени и режущие инструменты (61С) третьей ступени с ударными поверхностями (123) в варианте (123D), которые могут включать средства технологии с поликристаллическим алмазным резцом, показаны телескопически выдвинутыми (68) наружу (71 на фиг.6). Первая колонна (50) обсадных труб несет буровой раствор внутри ее внутреннего прохода (53) и приводит в действие указанные режущие инструменты, сцепленные со стенкой (51Е), которые могут сцепляться со стенкой (51D на фиг.7) дополнительной колонны (51 на фиг.7) труб. Вращение вокруг центральной оси (67) инструмента вводит в зацепление указанные режущие инструменты первой и последующих ступеней со стенкой пласта для резания горной породы и расширения прохода сквозь подземные пласты. Наличие двух или больше ступеней режущих инструментов уменьшает размеры частиц обломков горных пород и создает ступенчатый извилистый проход, увеличивая тенденцию генерирования LCM и сокращая количество дополнительных дроблений, требуемых для генерирования LCM внутри прохода сквозь подземные пласты.

На фиг.7 показан изометрический вид варианта выполнения дополнительной стенки (51) инструмента для расширения скважины с отверстиями (59) и гнездами (89), через которые ступенчатые (61А, 61В, 61С на фиг.5 и 6) режущие инструменты (61) могут быть выдвинуты и задвинуты. Отверстия или гнезда создают боковую поддержку для ступенчатых режущих инструментов, когда они вращаются. Верхний конец стенки дополнительной колонны (51) труб может быть сцеплен с дополнительной стенкой инструмента для прохождения бурового раствора (58 на фиг.45-47) или вставного колонного инструмента (49 на фиг.45-47) для расширения скважины для прохождения дополнительных инструментов.

На фиг.8 показан изометрический вид варианта (56В) выполнения эксцентрикового инструмента (56) для фрезерования горных пород. Инструмент (56) включает эксцентриковую фрезу (56В) и ударные поверхности (123) в варианте (123Е), такие как вкладыши из твердого сплава или режущие инструменты с поликристаллическим алмазным резцом, формирующие неотъемлемую часть стенки (51F) дополнительной колонны (51) обсадных труб, расположенной вокруг первой колонны (50) обсадных труб. Верхний и нижний концы инструмента для фрезерования горных пород могут быть размещены между обсадными трубами двустенной колонны или вставного колонного инструмента (49 на фиг.45-47) для нагнетания раздробленного запаса горной породы посредством захвата и дробления горной породы при взаимодействии со стенкой прохода или зацепления с выступами горных пород от стенок пластов, вызывая создание частиц с размером LCM из обломков горных пород.

На фиг.9 показан вид сечения в плане породоразрушающего инструмента, показанного на фиг.8. На чертеже показана эксцентриковая фреза (56В), имеющая радиус (R2) и смещение (D) от центральной оси инструмента и относительно внутреннего диаметра (ID) и радиус (R) вставленной дополнительной стенки (51) с ударными поверхностями (123), такими как режущие инструменты с поликристаллическим алмазным резцом или вкладыши из твердого сплава, соединенные с указанной фрезой. При использовании инструмент может быть расположен между обсадными трубами двустенной колонны или вставляемого колонного варианта выполнения инструмента (49 на фиг.45-47).

На фиг.10 показан изометрический вид варианта (57А) выполнения втулочной фрезы (57). Инструмент (57) включает множество расположенных стопой дополнительных вращательных стенок или втулок (124), имеющих эксцентриковые поверхности, сцепленных с твердыми свободно вращающимися (1231) ударными поверхностями (123) и промежуточными упорными подшипниками (125 на фиг.12). Изображенная втулочная фреза имеет фрезерные втулки с эксцентриковыми поверхностями (124), расположенными вокруг вставленной стенки (51G) дополнительной колонны (51) труб, и первую колонну (50) обсадных труб для использования со вставленным колонным инструментом (49 на фиг.45-47). Множество вращающихся эксцентриковых втулочных фрез (124) могут свободно вращаться и расположены вокруг двустенной колонны (49 на фиг.46-47), имеющей соединения (72) с колонной обсадных труб, расположенной внутри прохода для содействия дроблению обломков горных пород на частицы с размером LCM.

На фиг.11 показан вид в плане варианта (57В) выполнения втулочной фрезы (57), расположенной внутри прохода сквозь подземные пласты (52), с линией АА-АА сечения, показанной на фиг.12. Свободно вращающиеся эксцентриковые фрезерные втулки (124) создают извилистый канал для бурового раствора внутри прохода сквозь подземные пласты (52) таким образом, что обломки горных пород в первом кольцевом проходе (55 фиг.15) захватываются и дробятся между указанной втулочной фрезой (57) и стенкой прохода сквозь подземные пласты (52), вызывая вращение индивидуальных втулок и также вызывая дробление породы на частицы с размером LCM.

На фиг.12 показан вид вертикального сечения втулочной фрезы (57), показанной на фиг.11, как сечение АА-АА, выполненное по линии АА-АА на фиг.11, при удалении прохода сквозь подземные пласты для показа извилистого канала для бурового раствора, созданного инструментом. Фрикционное вращение колонны по обломкам горных пород, захваченных рядом с неэксцентриковой поверхностью втулки, заставляет эксцентриковую поверхность вращаться, и обломки горных пород могут далее захватываться выше в осевом направлении эксцентриковыми втулками (124), которые захватывают и дробят большие частицы, в то время как более малые частицы движутся по указанному извилистому проходу втулок, будучи увлекаемыми циркулирующим буровым раствором вокруг одностенной бурильной колонны (33 на фиг.40-41 и 40 на фиг.42). Также показана конфигурация (125) упорных подшипников, отделяющих эксцентриковые втулки (124) втулочной фрезы (57).

На фиг.13 показан вид в плане центробежной камнедробилки предшествующего уровня техники по линии АВ-АВ сечения на фиг.14. Камнедробилка мечет обломки (126) горной породы на ударную поверхность посредством подачи указанных обломков через центральный питающий или принимающий проход (127) и захвата указанных обломков вращающимся рабочим колесом.

На фиг.14 показан изометрический вид сечения центробежной камнедробилки предшествующего уровня техники, показанной на фиг.13, выполненного по линии АВ-АВ. На фиг.14 изображен центральный проход (127), подающий обломки горной породы (126) к рабочему колесу (111), которое вращается в изображенном направлении (71А). Рабочее колесо (111) мечет обломки горных пород на ударную поверхность (128) таким образом, что взаимодействие с рабочим колесом (111) и/или поверхностью (128) вызывает дробление обломков горной породы, которые затем удаляются через выходной проход (129).

На фиг.15-39 показаны различные варианты (65A-65F) выполнения инструментов (65) для получения суспензии горной породы, которые приводят в действие одну или более лопастей (111А-111Н) рабочего колеса и/или эксцентриковых лопастей (56А, 56С), которые могут быть прикреплены к первой стенке (50) или к дополнительным стенкам (51A-51U) и взаимодействовать со стенкой (52) пласта. Первая стенка (50) вращается, приводя в действие одну или более дополнительных лопастей (111А-111С) рабочего колеса, входящих во взаимодействие со стенкой лопастей (111D-111H) и/или эксцентриковых лопастей (56А, 56С), прикрепленных или к указанной первой стенке (50), или к дополнительной стенке (51В, 51К, 51М), расположенной вокруг указанной первой стенки, и приводится зубчатой передачей между указанной первой стенкой (50) и дополнительной стенкой (51А, 51C-51J, 51N-51U), взаимодействующей со стенкой пласта сцепляющимися со стенкой лопастями (111D-111H). Дополнительная стенка (51В, 51К, 51М), расположенная между первой стенкой (50) и дополнительной стенкой (51А, 51C-51J, 51N-51U), сцепляющейся со стенкой пласта, может вращаться при помощи зубчатой передачи в одном или противоположном направлении вращения и может иметь прикрепленные лопасти (56А, 56С, 111, 111А-111C) для продвижения обломков горных пород или для действия как ударная поверхность для продвигаемых обломков горных пород. Сцепление частиц обломков горных пород более высокой плотности с лопастями (111, 111А-111С) рабочего колеса или эксцентриковыми лопастями (56А) вызывает соударения и дробление и/или центробежное ускорение указанных элементов более высокой плотности к ударным стенкам и ножам рабочего колеса.

Относительные угловые скорости и направления вращения между лопастями (111A-111C) рабочего колеса, взаимодействующими со стенкой лопастями (111D-111H), эксцентриковыми лопастями (56А-56С) и/или ударными стенками (50, 51, 51A-51U, 52), могут быть различны для увеличения производительности дробления и/или предотвращения загрязнения инструментов уплотненными обломками горных пород.

На фиг.15 показан вид сечения в плане со штриховыми линиями, показывающими скрытые поверхности, варианта выполнения инструмента (65А) для получения суспензии горной породы. На чертеже показан буровой раствор, накачиваемый в осевом направлении вниз через внутренний проход (53) и возвращающийся через первый кольцевой проход (55) между инструментом (65) для получения суспензии горной породы и проходом сквозь подземные пласты (52). Инструмент (65) для получения суспензии горной породы действует как центробежный насос, забирающий буровой раствор из указанного первого кольцевого прохода (55) через вход (127) и в дополнительный кольцевой проход (54), где лопасть рабочего колеса (111) соударяется и вызывает дробление и/или ускорение плотных частиц (126) обломков горных пород к ударной стенке (51Н), имеющей ударные поверхности (123) для дробления указанных ускоренных плотных частиц (126) обломков горных пород. Сцепления между лопастями рабочего колеса (111), частицами (126) обломков горных пород и ударными стенками (51Н) продолжаются, пока указанный буровой раствор не будет удален через выходной канал (129). Ударная стенка (51Н) имеет шлицевое средство (91) для вращения стенки (56А) с эксцентриковыми лопастями и может быть удалена, если эксцентриковая стенка является частью защитной облицовки двустенной колонны (51) или трубопроводного узла (49 на фиг.45-47) с регулируемым давлением.

В различных вариантах осуществления изобретения дополнительная внутренняя стенка (51В) на фиг.15 и 21-22, 51К на фиг.23, 51М на фиг.24-25, прикрепленные лопасти рабочего колеса (111), лопасти с регулируемым диаметром (например, 111Н на фиг.23) и/или лопасти (111А, 111В и 111С на фиг.23-24 и 32) вытесняющего рабочего колеса могут вращаться при помощи соединения с вращаемой первой колонной (50) обсадных труб объемного гидродвигателя, который может быть расположен в осевом направлении выше или ниже указанной дополнительной стенки и прикреплен к ней, с зубчатой передачей между лопастью рабочего колеса (111) или дополнительной стенкой (51А на фиг.18 и 21-22, 51J на фиг.23, 51М на фиг.24-25, 51U на фиг.27-29) и другой стенкой, взаимодействующей со стенкой пласта, с взаимодействующей со стенкой лопастью (111D на фиг.18 и 21, 111G на фиг.22, 111Н на фиг.23 и 111Е на фиг.33-39) или эксцентриковой лопастью (56А на фиг.15, 56С на фиг.24-25) или их комбинациями. Ударная поверхность (123) может содержать или может быть сцеплена с дополнительной стенкой (51Н), показанной на фиг.15, (51R) на фиг.33 и 35-39 и (51Т) на фиг.34, которая показана как прикрепленная к стенке (52) пласта. Лопасть рабочего колеса (111) и/или дополнительная стенка (51В, 51К и 51М) может вращаться внутри другой дополнительной стенки (51А, 51J, 51N) или облицовки (51V), которая сцепляется со стенкой (52) пласта лопастью (11D, 111G, 111Н и 111Е), с использованием колонны (50, 51) труб, двигателя и/или зубчатой передачи, например, как показано на фиг.18-25, в том же или противоположном направлении относительно первой колонны (50) обсадных труб.

На фиг.16 и 17 показаны изометрические изображения вариантов выполнения форм (123А, 123В соответственно) используемых ударных поверхностей (123), которые могут быть сцеплены с различными вариантами выполнения ударной стенки (51, 51А-51T), лопастью и/или втулкой, такими как вариант, показанный на фиг.15, или режущими инструментами, показанными на фиг.5-12. Ударные поверхности могут быть выполнены из любого обычно твердого материала, используемого внутри окружающей среды внутри скважины, такого как закаленная сталь, или с использованием технологии с поликристаллическим алмазным резцом. На фиг.16 показана ударная поверхность (123), имеющая округленную форму (123А), в то время как на фиг.17 показана ударная поверхность (123), имеющая пирамидальную форму (123В). Однако следует отметить, что ударные поверхности (123), имеющие любую форму (например, 123А-123Н), могут использоваться в зависимости от природы пробуриваемых или разрушаемых пластов.

На фиг.18 показан изометрический вид с удалением четверти стенки пластов, показывающий срез составной части варианта (65В) выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.21. На чертеже показано сцепление вертикальных лопастей (111D), имеющих ударные поверхности (123) варианта (123G) выполнения со стенкой прохода сквозь подземные пласты (52). Изображенное сцепление служит для увлечения зубчатой передачи (130), которая может быть прикреплена к дополнительной стенке (51А), в почти неподвижное состояние, в то время как буровой раствор может нагнетаться через первый кольцевой проход (55) между частью инструмента для получения суспензии горной породы и стенкой (52) пласта. Буровой раствор нагнетается с большей ECD из-за гидродинамического трения при ограничении прохода (55), вызванного взаимодействием лопасти (111D) со стенкой (52) пласта для уплотнения LCM под давлением из выходных каналов (129 на фиг.20-21) насоса для образования суспензии.

На фиг.19 показан изометрический вид составной части варианта (65В) выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.21. На фиг.21 первая стенка (50) с внутренним проходом (53), используемым для нагнетания бурового раствора, вращается (67), и зафиксированное зубчатое колесо (132) и сцепленное рабочее колесо (111) также вращаются (67) против дополнительной стенки (51В на фиг.20).

На фиг.20 показан изометрический вид составной части варианта (65В) выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.21. На чертеже изображена дополнительная стенка (51В) со ступенчатой (123С) ударной поверхностью (123) и зубчатой передачей (131), имеющей впускной канал (127) на ее нижнем конце и выпускные отверстия или выпускной канал (129) в ее стенке. Дополнительная стенка (51В) может вращаться (71А) для предотвращения загрязнения и улучшения относительной скорости соударения между лопастью рабочего колеса (111 на фиг.19), обломками горных пород и дополнительной стенкой (51В), дополнительно вызывая дробление породы и увеличение тенденции создания частиц с размером LCM.

На фиг.21 показан изометрический вид варианта (65В) выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, составленного сцепленными составными частями, показанными на фиг.18-20. На чертеже показано половинное сечение зубчатой передачи (130), показанной на фиг.18, и сечение на три четверти дополнительной стенки (51В на фиг.20), показывающее, что относительная угловая скорость между лопастью рабочего колеса (111) и дополнительной ударной стенкой (51В) может быть увеличена при помощи зубчатой передачи (130, 131 и 132) для вызова противоположного вращения (67 и 71А) лопасти рабочего колеса (111) и дополнительной стенки (51В), таким образом, увеличивая относительную скорость соударения обломков горных пород, взаимодействующих с лопастью рабочего колеса (111) и ударной поверхностью (123) в варианте (123С) выполнения дополнительной стенки (51В), дополнительно содействуя дроблению горной породы и увеличению тенденции создания частиц с размером LCM.

На фиг.22 показан частичный вид в плане вращательной зубчатой передачи варианта (65G) выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, показывающий зубчатые передачи (130, 131 и 132) для привода зубчатого колеса (132) с первой стенкой (50), вращающей (67) другое зубчатое колесо (130), прикрепленное к дополнительной стенке (51А), сцепленной лопастью (111G) со стенкой прохода сквозь подземные пласты. Вращение (71В) второй зубчатой передачи (130) вызывает вращение третьей зубчатой передачи (131), прикрепленной к дополнительной стенке (51В), вращаемой внутри окружающей дополнительной стенки (51А) в другом направлении (71А) относительно вращения (67) первой стенки.

На фиг.23 показан вид в плане варианта выполнения инструмента (65С) для получения суспензии горной породы со связанной линией АС-АС показанного выше изометрического вида сечения варианта выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы. Показаны соединители (72) для сцепления труб одностенной бурильной колонны на ее верхнем и нижнем концах. Лопасть (111Н) рабочего колеса регулируемого диаметра, выступающая через окружающую дополнительную стенку (51J), может быть выдвинута или задвинута посредством осевого перемещения заклинивающей втулки (133), таким образом вызывая сцепление и отделение лопасти (111Н) от стенки пласта, когда прилагается и устраняется давление колонны (50) труб, соответственно. При использовании сцепление лопасти (111Н) со стенкой пласта удерживает окружающую дополнительную стенку (51J) для работы зубчатых передач (130) для вращения окружающей дополнительной стенки (51К) против вращаемого колонной (50) труб рабочего колеса (111), и буровой раствор, содержащий обломки горных пород, принимается (127А) из первого кольцевого прохода между инструментом для получения суспензии горной породы и пластами через входной проход (127) и превращается в суспензию при помощи вращения противостоящей лопасти рабочего колеса (111) и окружающей дополнительной стенки (51К) и внутренней (123F) ударной поверхности (123). Затем суспензия выпускается (129А) из выпускного прохода (129) назад к первому кольцевому проходу после дробления внутри него указанных обломков горных пород на частицы размера LCM. Также показано телескопическое шлицевое устройство (125) с упорным подшипником внутри инструмента для получения суспензии горной породы для обеспечения сцепления заклинивающей втулки (133) с первой стенкой (50) со шлицевым зацеплением нижнего вращательного соединения (72) и связанного устройства, например бурового долота. Дополнительное вытесняющее рабочее колесо (111А) включено над зубчатой передачей (130), приводящей вращающуюся внутреннюю дополнительную стенку (51К) для содействия прохождению и предотвращению загрязнения выпускного прохода.

На фиг.24 показан вид в плане варианта (65D) выполнения инструмента для получения суспензии горной породы со связанной линией AD-AD показанного выше изометрического вида сечения. Изображены соединители (72) для сцепления с обсадными трубами двустенной бурильной колонны на ее верхнем и нижнем концах. Эксцентриковая фреза (56С) с внутренними (123F) и внешними (123Н) ударными поверхностями (123) может сцепляться со стенками внутри пластов. При использовании буровой раствор, содержащий обломки горных пород, отбирается (127А) из первого кольцевого прохода между инструментом для получения суспензии горной породы и пластами через входной проход (127) и выпускается (129А) из выпускного прохода (129) назад к первому кольцевому проходу после дробления внутри него указанных обломков горных пород на частицы размера LCM. Изображенный вариант осуществления изобретения также имеет впускной (127) и выпускной (129) проходы внутри эксцентриковой фрезы (56С), изолированные дополнительной частичной стенкой (51С) от бурового раствора, проходящего в осевом направлении (69) вверх через указанную эксцентриковую фрезу между внутренней стенкой указанной эксцентриковой лопасти и дополнительной примыкающей стенкой (51N) вокруг дополнительной частичной стенки (51С) для сообщения по жидкости между дополнительными кольцевыми проходами выше и ниже инструмента. Внутренняя составная часть для получения суспензии горной породы также может быть удалена, оставляя эксцентриковую фрезу (56А) и окружающую стенку как часть дополнительной стенки (51).

На фиг.25 показан увеличенный вид части инструмента для получения суспензии горной породы в пределах линии АЕ на фиг.24. На чертеже показан входной проход (127) и устройство для потока вокруг указанного впускного прохода потока (69) вверх в осевом направлении в промежуточном дополнительном кольцевом проходе (54) через проход в эксцентриковой фрезе (56С). Дополнительная стенка (51C) может быть перемещена в осевом направлении вверх во время извлечения внутренней составной части для получения суспензии горной породы дополнительной стенки (51М), оставляя стенку (51М) и эксцентриковую фрезу (56С) прикрепленными к дополнительной облицовке, таким образом покрывая и закрывая входной (127) и выпускной (129) проходы внутри указанной эксцентриковой фрезы.

На фиг.26 показан изометрический вид составной части стенки первой колонны (50) труб инструмента для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.35-39, в котором узел (132А) зубчатой передачи сцеплен с первой колонной (50) обсадных труб.

На фиг.27 показан изометрический вид дополнительной стенки (51U), имеющей лопасть рабочего колеса (111) и зубчатую передачу (131А), расположенную вокруг первой колонны (50) обсадных труб, показанной на фиг.26. Изображенные дополнительные стенки (50, 51U) являются составными частями инструмента (65) для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.35-39. Дополнительная стенка (51U) и зубчатая передача (131А) могут вращаться независимо от первой стенки (50) и зубчатой передачи (132А).

На фиг.28 показан изометрический вид зубчатой передачи (130А), сцепленной с зубчатыми передачами (131А) дополнительной стенки (51U) зубчатыми передачами (123А) и первой колонны (50 на фиг.27) обсадных труб, показанных на фиг.27. На чертеже указанные сборочные узлы являются составными частями варианта (65F) выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.35-39. Зубчатая передача (132А), сцепленная с первой колонной (50) обсадных труб, сцеплена и вращает зубчатую передачу (130А), которая, в свою очередь, сцеплена и вращает зубчатое колесо (131А), прикрепленное к дополнительной стенке (51U), расположенной вокруг первой колонны (50) обсадных труб, для увеличения скорости, с которой вращаются указанная дополнительная стенка и лопасти рабочего колеса.

На фиг.29 показан изометрический вид корпуса (134) зубчатой передачи, сцепленного с зубчатой передачей (132А), дополнительной стенкой (51U) и первой колонной (50) обсадных труб, показанных на фиг.28. На чертеже указанные сборочные узлы являются составными частями варианта выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.35-39, и где корпус зубчатой передачи удерживает зубчатую передачу (132А).

На фиг.30 показан изометрический вид составных частей впускного прохода (127) и выпускного прохода (129), сцепленных с корпусом (134) зубчатой передачи дополнительной стенкой (51U) и первой колонной (50) обсадных труб, показанной на фиг.28 и 29. На фиг.29 указанные сборочные узлы являются составными частями варианта выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.35-39. Входной проход (127) используется для увлечения бурового раствора, содержащего обломки горных пород, для столкновения с лопастью (111) рабочего колеса, после чего буровой раствор и раздробленные обломки горных пород удаляются через выпускной проход (129) и возвращаются к проходу, из которого они были получены.

На фиг.31 показан изометрический вид варианта выполнения дополнительной стенки (51Q), имеющей ударные поверхности (123) в варианте (123С) для взаимодействия со сборочным узлом, показанным на фиг.30, в котором указанные ударные поверхности (123) используются для зацепления с плотными частицами обломков горных пород, продвигающихся внутри бурового раствора.

На фиг.32 показан изометрический вид варианта (65Е) выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы без внешних центробежных или эксцентриковых лопастей. Изображенный вариант осуществления изобретения включает составную часть, показанную на фиг.31, расположенную вокруг составных частей, показанных на фиг.30, с соединителями (72) трубы на дистальных концах первой колонны (50). Прибавление внешнего рабочего колеса с лопастями, показанного на фиг.33, к изображенному варианту осуществления изобретения создает инструмент (65) для получения суспензии горной породы, показанный на фиг.35-39. Инструмент (65) для получения суспензии горной породы также может включать упорные подшипники (125) и дополнительные лопасти (111C) рабочего колеса для дополнительного увлечения бурового раствора из канала (129) для вытеснения и предотвращения загрязнения указанного канала.

На фиг.33 показан изометрический вид дополнительной стенки (51R) с входным проходом (127) для всасывающего и выпускающего выходного канала (129), имеющим внешние взаимодействующие со стенкой лопасти (111Е), расположенные на нем, и связанные с ним упорные подшипники (125). После сборки с составной частью, показанной на фиг.32, получают инструмент (65) для получения суспензии горной породы, показанный на фиг.35-39.

На фиг.34 показан изометрический вид альтернативного варианта выполнения дополнительной стенки (51Т), имеющей входные отверстия (127) для всасывания и выпускные отверстия (129), которая может взаимодействовать со связанными с ней упорными подшипниками (125), как изображено на фиг.32, для использования с двустенными бурильными колоннами. Дистальные концы указанной дополнительной стенки (51Т) могут взаимодействовать со стенками двустенной колонны, такой как показанная в варианте выполнения вставного колонного инструмента (49 на фиг.45-47) с первыми стенками (50), показанными на фиг.32, сцепленными со стенками первой колонны обсадных труб изображенного вставного колонного инструмента. Если требуется промежуточный проход, могут присутствовать перепускные проходы через отверстия в лопасти (111F) для направления внутреннего кольцевого прохода в обход внутренних компонентов (58) для получения суспензии горной породы, показанных на фиг.32, которые могут быть извлечены с внутренней колонной после размещения внешней колонны указанной двустенной колонны.

На фиг.35 показан вид в плане варианта (65F) выполнения инструмента (65) для получения суспензии горной породы, построенного из составных частей, показанных на фиг.32 и 33, в котором линия Х-Х сечения включена для образования видов, изображенных на фиг.36-39.

На фиг.36 показан вид вертикального сечения по линии Х-Х инструмента для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.35. На чертеже стенка первой колонны (50) труб, имеющая упорные подшипники (125), сцепляется с самой внешней вставленной дополнительной стенкой (51R), имеющей большие всасывающие отверстия (127) и меньшие выпускные каналы (129) для приема и выпуска бурового раствора и обломков горных пород, соответственно. Кроме того, показана зубчатая передача (130А), сцепленная с корпусом (134 на фиг.38) зубчатой передачи, прикрепленным к указанной самой внешней дополнительной стенке (51R), имеющей сцепляющиеся со стенкой лопасти (111Е) в сцеплении со стенкой пласта. Изображенные верхний и нижний соединители (72) могут сцепляться с одностенной бурильной колонной для накачивания бурового раствора через ее внутренний проход для возвращения между инструментом для получения суспензии горной породы и стенкой пластов, неся обломки горных пород, которые доводятся до размера частиц LCM соударением лопастей (111) рабочего колеса и дополнительной стенки (51Q), после чего они выталкиваются через выпускной канал (129) для нанесения на стенку пластов для снижения тенденции образования или распространения трещин.

На фиг.37 показан изометрический вид инструмента для получения суспензии горной породы, показанного на фиг.36, с включением линий Y и Z. Фиг.37 изображает внутренние элементы инструмента для получения суспензии горной породы, включая зубчатую передачу (130А), прикрепленную к дополнительной стенке (51R) и используемую для вращения внутренних лопастей (111) рабочего колеса вокруг первой стенки (50).

На фиг.38 показан увеличенный изометрический вид области инструмента, показанного на фиг.37, изнутри от линии Y. На чертеже изображена верхняя зубчатая передача, содержащая редуктор (132А), прикрепленный к вращаемой стенке первой колонны (50) труб, которая передает вращение зубчатой передаче (130А) внутри корпуса (134), прикрепленного к самой внешней дополнительной стенке (51R), сцепленной с пластами через внешние лопасти рабочего колеса (111). Используются зубчатые колеса свободного хода, расположенные вокруг стенки (50) первой колонны обсадных труб, и передаточные числа для увеличения скорости вращения указанной зубчатой передачи (130А) для передачи существенно увеличенной угловой скорости зубчатому колесу (131А), прикрепленному к внутренней лопасти рабочего колеса (111), и дополнительной стенке (51U), расположенной и вращающейся вокруг указанной внутренней стенки (50). Существенно увеличенная угловая скорость внутренней лопасти рабочего колеса и последующий контакт с обломками горных пород во взаимодействии с ударными поверхностями (123) дополнительной стенки (51Q), которые сцепляются с проходом через подземные пласты посредством наружных сцепляющихся со стенкой лопастей (111Е), существенно увеличивает создание частиц с размером LCM, выпускаемых из канала (129) для вытеснения для сцепления со стенкой пластов.

На фиг.39 показан увеличенный изометрический вид области инструмента, показанного на фиг.37, изнутри от линии Z. На чертеже показан корпус (134) нижней зубчатой передачи и всасывающее отверстие или впускной канал (127), приспособленный для увлечения бурового раствора к централизованному начальному сцеплению с лопастью рабочего колеса (111) для увеличения эффективности центробежного ускорения обломков горных пород к ступенчатым (123С) ударным поверхностям (123).

Из описанных вариантов выполнения породоразрушающих инструментов различные варианты этих инструментов могут быть скомбинированы с одностенными или двустенными конфигурациями колонн для облегчения систематического подземного создания LCM в ходе бурения, облицовки и/или заканчивания подземного пласта.

На фиг.40-44 показаны вертикальные виды в сечении, показывающие бурение предшествующего уровня техники и бурение обсадной колонной предшествующего уровня техники подземных горных пород, когда используется буровая вышка (31) для подъема одностенной бурильной колонны (33, 40), оборудования (34, 42-48), бурового инструмента (47) и бурового долота (35) через буровой ротор (32) для бурения пластов (30). Согласно превалирующим способам предшествующего уровня техники используют одностенное колонное устройство для бурения прохода в подземных пластах, в то время как описанные здесь различные варианты осуществления изобретения могут использоваться с одностенными и двустенными колоннами, сформированными посредством размещения одностенных колонн внутри одной или более одностенных колонн для создания колонны, имеющей множество стенок и связанных с ними вариантов использования.

На фиг.41 и 42 показан увеличенный вид части оборудования низа бурильной колонны (ВНА), показанной на фиг.40, ограниченной линией AQ, слева на фиг.42, показывающей изометрический вид конфигурации для бурения обсадной колонной. На фиг.41 изображено оборудование низа бурильной колонны большого диаметра с воротниками (34) бура и одностенной бурильной колонной малого диаметра в осевом направлении выше, в то время как на фиг.42 изображено одностенное оборудование низа бурильной колонны для бурения обсадной колонной ниже одностенной бурильной обсадной колонны (40) большего диаметра (например, бурильной обсадной колонны). На фиг.42 изображено использование бурового инструмента (47), сообщающегося с колонной труб, где может применяться вариант (63В) выполнения породоразрушающего инструмента. Обе изображенные конфигурации, показанные на фиг.41 и 42, включают одностенные колонны (30, 40). Варианты (56D, 56Е, 57С, 57D, 63В, 65Н, 65J) породоразрушающих инструментов (56, 57, 63 и 65 на фиг.5-39) могут формировать часть либо одностенной колонны, либо оборудования низа бурильной колонны. Нанесение или намазывание LCM, генерируемого этими породоразрушающими инструментами или соударением оборудования низа бурильной колонны большого диаметра или одностенной колонны со стенкой пласта, ухудшается из-за меньшего кольцевого пространства между колонной большего эффективного диаметра или оборудования низа бурильной колонны и пластом по сравнению с колонной меньшего эффективного диаметра или оборудованием низа бурильной колонны, где трение, скорость и давление воздействуют на плотность эффективной циркуляции бурового раствора флюида, циркулирующего вверх, когда она существенно выше в ограниченном кольцевом проходе, чем в менее ограниченном кольцевом проходе с эквивалентными расходами нанесения под давлением LCM.

На фиг.43 и 44 показаны вертикальные виды бурения наклонной скважины и прямой вертикальной скважины обсадной колонной, соответственно, где фиг.43 изображает гибкое или изогнутое соединение (44) и оборудование (43) низа бурильной колонны, прикрепленные (42) к одностенной обсадной колонне (40) до бурения наклонной скважины. Фиг.144 изображает оборудование низа бурильной колонны, используемое для бурения прямого вертикального интервала. Оборудование (46) низа бурильной колонны, показанное на фиг.43, расположенное ниже гибкого соединения или изогнутого соединения (44), включает двигатель, используемый для вращения бурового долота (35) для бурения наклонной скважины, в то время как фиг.144 изображает момент, в котором обсадная колонна (40) вращается, и двигатель вращает буровое долото (35) в противоположном направлении ниже вертлюжного соединения (48). Варианты выполнения породоразрушающих инструментов (56, 57, 63 и 65, показанных на фиг.5-39) могут быть дополнены в любую конфигурацию подземных бурильных колонн, включая показанные на фиг.43-44, подобно показанной на фиг.45.

На фиг.45-47 показаны варианты (49A-49Z) выполнения вставного колонного инструмента (49) согласно настоящему изобретению в вертикальном виде с сечением половины прохода сквозь подземные пласты (52) с использованием различных вариантов (56Е, 57D, 57Е 63С, 65К, 65L) выполнения породоразрушающих инструментов (56, 57, 63, 65 на фиг.5-39) и различных вариантов выполнения инструментов для прохождения бурового раствора (58 на фиг.45-47) с использованием многофункциональных инструментов для увлечения первых колонн обсадных труб (50) и вставленных дополнительных колонн (51) обсадных труб в осевом направлении вниз при бурении указанного прохода сквозь подземные пласты, формируя разрушаемую область (17, 62, 64, 66), проходящую в осевом направлении ниже облицовки (51V) и зацементированной (30С) скважине (17U) в пласте. Скорость движения бурового раствора и связанная с ней эффективная плотность бурения в первом кольцевом проходе между инструментами и пластами могут регулироваться с использованием инструментов (58) для прохождения бурового раствора неоднократно при помощи многофункциональных инструментов с использованием приводных инструментов, ловильных инструментов и корзин, также регулируя поглощение бурового раствора и вводя и уплотняя материал для борьбы с поглощением, созданный породоразрушающими инструментами (56, 57, 63, 65), для сдерживания возникновения или распространения трещин внутри подземных пластов. Дополнительно, породоразрушающие инструменты (56, 57, 61, 63, 65) и большой диаметр двустенной бурильной колонны механически шлифуют проход сквозь подземные пласты, снижая вращательное и осевое трение. Инструменты и большой диаметр двустенной колонны также механически наносят и уплотняют материал для борьбы с поглощением на покрытую фильтрационной коркой стенку пластов в поровые пространства и трещины для дополнительного сдерживания возникновения или распространения трещин внутри подземных пластов.

Для бурения прохода сквозь подземные пласты в осевом направлении вниз буровое долото (35) вращается первой колонной (50) и/или двигателем для создания направляющей скважины в подверженном разрушению районе (66), внутри которого оборудование низа бурильной колонны, которое включает породоразрушающий инструмент (65) с противостоящим рабочим колесом и/или эксцентриковыми лопастями для дробления частиц обломков горных пород, генерируемых буровым долотом (35) внутри относительно указанных инструментов (65) или против стенок пластов указанными инструментами (56, 57, 63, 65), таким образом, смазывая и шлифуя стенки прохода сквозь подземные пласты.

Противоположные лопасти породоразрушающих инструментов (63С, 65L) и эксцентриковые лопасти породоразрушающих инструментов (56Е, 57D, 57Е, 65К) могут быть снабжены структурами для резания, дробления или измельчения, включенными в противоположные или эксцентриковые лопасти, для соударения или удаления выступов горных пород со стенки прохода сквозь подземные пласты или соударения обломков горных пород внутри и центробежным способом. Дополнительно, когда нет необходимости использовать породоразрушающий инструмент (65L) для дальнейшего разрушения или дробления обломков горных пород, или если породоразрушающий инструмент (65L) становится неработоспособным, породоразрушающий инструмент (65L) также функционирует как стабилизатор вдоль изображенных колонн.

Когда дополнительная колонна (51) обсадных труб вставного колонного инструмента (49) больше направляющей скважины (66), породоразрушающие инструменты (63) с инструментами (61А, показанными на фиг.5 и 6) для резания горных пород первой ступени, могут использоваться для расширения нижней части прохода сквозь подземные пласты, например подверженную разрушению область (62), и режущие инструменты (61В и 61С, показанные на фиг.5 и 6) для разрушения горных пород второй и/или последующей ступени могут далее расширять проход, показанный как подверженная разрушению область (64), пока дополнительная колонна (51) обсадных труб со сцепленным оборудованием не будет способна пройти через расширенный подверженный разрушению проход (17) через пласты. Использование множества ступеней для расширения скважины создает более малые частицы горных пород, которые могут быть раздроблены и/или измельчены для формирования LCM более легко, создавая извилистый проход, через который затруднено прохождение больших частиц обломков горных пород без разрушения в процессе прохождения. В зависимости от сил в подземных пластах и желательного уровня генерирования LCM породоразрушающие инструменты могут быть расположены выше ступенчатых инструментов для расширения прохода и породоразрушающих инструментов.

Породоразрушающие инструменты (56, 57, 63, 65) оборудования низа бурильной колонны (ВНА) и дополнительная колонна (51) обсадных труб вставного колонного инструмента (49) оборудования низа бурильной колонны (ВНА) увеличивают диаметр бурильной колонны и создают более узкий внешний кольцевой зазор или допуск между колонной и окружностью подземного прохода, таким образом, увеличивая скорость бурового раствора в кольцевом пространстве через проход с эквивалентными расходами, увеличивая трение в кольцевом пространстве и связанное с ним давление бурового раствора, подаваемого через проход, и увеличивая давление, прилагаемое к подземным пластам циркуляционной системой, для покрытия жидкостью под давлением стенки пласта.

На фиг.45 показан вертикальный вид, иллюстрирующий вариант (49А) выполнения вставного колонного инструмента (49), расположенного внутри сечения прохода (52) в пластах, используемого для имитации скоростей в кольцевом пространстве и связанных с ними давлений обычного бурения или бурения обсадной колонной. Изображенный вставленный колонный инструмент (49) может включать инструменты (58S, содержащие, например, 58 на фиг.45-47) для прохождения бурового раствора с простым отверстием, показанные для представления указанных инструментов и многофункциональных инструментов и породоразрушающих инструментов (56Е, 57D, 57Е, 63С, 65К, 65L, включая, например, 56, 57, 63, 65 на фиг.5-39) для расширения скважины, продвигая проход в осевом направлении вниз сквозь подземные пласты и создавая материал для борьбы с поглощением.

Фиг.45 изображает нижний конец вставного колонного инструмента (49), включающего дополнительную колонну (51) обсадных труб, расположенных вокруг первой колонны (50) обсадных труб, образуя дополнительный кольцевой проход (54) между внутренним проходом (53) первой колонны (50) обсадных труб и стенкой прохода сквозь подземные пласты (52). Также показаны породоразрушающие инструменты (56Е, 57D, 57Е, 63С, 65К, 65L) с инструментом (58S) для прохождения бурового раствора, используемым для отвода бурового раствора между первым кольцевым проходом (55) между указанным вставленным колонным инструментом (49) и подземными пластами, дополнительным кольцевым проходом (54), внутренним проходом (53) или их комбинациями.

На фиг.46 показан вертикальный вид верхней части варианта (49В) выполнения вставного колонного инструмента (49), расположенного внутри сечения прохода сквозь пласты (52), содержащего верхнюю облицованную (51V) скважину в пластах или верхнюю подверженную разрушению область (17U) и нижнюю подверженную разрушению область (17) с первым трубопроводом (50), проходящим через дополнительную колонну (51) обсадных труб. Изображенная нижняя часть вставного колонного инструмента может быть сцеплена с верхней частью вставного колонного инструмента, изображенного на фиг.45, в котором дополнительная колонна (51) обсадных труб используется для вращения (67) вставленного колонного инструмента (49) подобно обычному бурению обсадной колонной.

На фиг.46 показан инструмент (58Т) для прохождения бурового раствора, сцепленный с дополнительной колонной (51) обсадных труб и первой колонной (50) обсадных труб, в котором буровой раствор проходит в осевом направлении (68) вниз через внутренний проход (54А) дополнительной колонны (51) обсадных труб до достижения инструмента (58Т) для прохождения бурового раствора, после чего буровой раствор проходит вниз по дополнительному кольцевому проходу (54) и внутри внутреннего прохода (53) первой колонны (50) обсадных труб.

Буровой раствор возвращается в осевом направлении (69) вверх внутри первого кольцевого прохода (55), который включает слияние первого кольцевого прохода сквозь подземные пласты, увлекаемый вставленной инструментальной колонной (49), первого кольцевого прохода сквозь подземные пласты, увлекаемый предыдущей бурильной колонной и кольцевым зазором между дополнительной колонной (51) обсадных труб и ранее размещенной защитной облицовкой (51V), зацементированной (30С) в пределах части подверженной разрушению предшествующей области (17U), которая, по меньшей мере, частично формирует стенку прохода сквозь подземные пласты (52).

В изображенном варианте осуществления изобретения вставленный колонный инструмент (49) имитирует давления обычной бурильной колонны обсадных труб вследствие внутреннего и наружного диаметров обсадной колонны или дополнительной колонны (51) обсадных труб, используемой как одностенная бурильная колонна на ее верхнем конце. Хотя обычные бурильные обсадные колонны могут случайно генерировать материал для борьбы с поглощением, когда колонна большого диаметра входит в контакт с окружностью прохода во время вращения, большая часть видимого генерируемого LCM, наблюдаемого на вибрационном сите во время бурения обсадной колонной, будет генерироваться между указанной колонной обсадных труб большого диаметра и ранее размещенной защитной обсадной колонной, где указанный генерируемый материал для борьбы с поглощением бесполезен.

На фиг.47 показан вертикальный вид верхней части конфигурации (49С) вставного колонного инструмента (49), расположенного внутри сечения прохода сквозь подземные пласты (52), содержащего подверженную разрушению нижнюю область (17) и верхнюю подверженную разрушению область (17U), которая защищена облицовкой (51V), зацементированной (30С) на месте, и через которую первая колонна (50) труб и дополнительная колонна (51) обсадных труб расположены ниже инструментов (58А, 58N, 58R) для прохождения бурового раствора. Изображенная нижняя часть вставного колонного инструмента (49) может сцепляться с верхней частью вставного колонного инструмента, показанного на фиг.45. Первая колонна (50) обсадных труб показана как сборная колонна бурильных труб, сцепленная с инструментом (58N, 58R) для прохождения бурового раствора, используемым для вращения вставленного колонного инструмента (49) в выбранном направлении (67), в котором создается соединение между внутренней (50) и внешней (51) колоннами с использованием инструмента (58Т) для прохождения бурового раствора, показанного на фиг.46. Изображенный вариант выполнения вставного колонного инструмента внешне имитирует сценарий бурения хвостовиком, но способен имитировать скорости обычной бурильной колонны и связанные с ними давления, поскольку поток флюида может возникать в осевом направлении вверх между внутренней (50) и наружной (51) колоннами труб, как показано изображенным вставленным колонным инструментом с использованием двустенной бурильной колонны и инструментов (58Т, 58N, 58R, 58А) для прохождения бурового раствора.

Вставленный колонный инструмент (49), показанный на фиг.47, иллюстрирует: первую колонну (50) обсадных труб с буровым раствором, текущим в осевом направлении (68) вниз через внутренний проход первой колонны (50) обсадных труб с инструментом (58Т) для прохождения бурового раствора, сцепленным с первой колонной (50) обсадных труб и вставленной дополнительной колонной (51) обсадных труб, и с буровым раствором, нагнетаемым в осевом направлении (69) вверх через первый кольцевой проход (55) и дополнительный кольцевой проход (54).

В этом варианте выполнения вставного колонного инструмента (49) пропускная способность дополнительного кольцевого прохода между первой колонной обсадных труб (50) и вставленной дополнительной колонной (51) обсадных труб может быть прибавлена к буровому раствору, нагнетаемому в осевом направлении (69) вверх, для выборочной имитации обычных скоростей и давлений в кольцевом пространстве, связанных с бурением.

Дополнительно, когда бурение обсадной колонной предшествующего уровня техники обычно основано на извлечении канатом и замене оборудования низа бурильной колонны с извлечением буровой трубы, используемых как возможность при нештатной ситуации, изображенный вариант осуществления изобретения позволяет использовать первую колонну (50) обсадных труб, как основную возможность для извлечения, ремонта и замены внутренних составных частей вставного колонного инструмента (49), допуская возможность возобновления бурения после отцепления защитной обсадной колонны.

Хотя извлечение канатом в целом эффективно, размер канатных устройств, требуемых для извлечения тяжелого оборудования низа бурильной колонны, в целом недопустим для многих операций с ограниченным доступным пространством, таких как морские операции. Дополнительно, длина обсадной колонны предшествующего уровня техники для бурения ниже оборудования низа бурильной колонны часто ограничивается вследствие ограничений по массе, связанных с извлечением канатом, таким образом, снижая полезность и эффективность извлечения канатом, например, в ситуациях, когда требуется длинное и тяжелое оборудование низа бурильной колонны.

Поскольку трубы вставного колонного инструмента (49) прочнее канатной линии, внутренние колонны труб могут использоваться для размещения одной или более внешних вставных колонн труб, служащих защитной облицовкой, без предварительного извлечения указанной бурильной колонны.

Усовершенствования, представленные описанными и изображенными вариантами осуществления изобретения, обеспечивают существенное преимущество для бурения и заканчивания скважин, где давления формирования трещин являются проблемой, или при обстоятельствах, когда необходимо увлекать защитные облицовки глубже, чем согласно существующей практике с использованием обычной технологии.

Материал для борьбы с поглощением, генерируемый с использованием одного или более вариантов осуществления настоящего изобретения, может быть применен в подземных пластах относительно трещин и разрывов и/или может использоваться для дополнения добавок на поверхности LCM, увеличивая полное доступное количество LCM, доступного для сдерживания возникновения или распространения указанных трещин.

Подземное генерирование LCM с использованием запаса обломков горных пород внутри прохода сквозь подземные пласты снижает количество и размер обломков, которые должны быть удалены из ствола скважины, таким образом, облегчая улучшенное извлечение и перенос неиспользованных обломков из подземной скважины. Поскольку формации подвергаются давлениям и силам бурения и системы циркуляции бурового раствора, материал для борьбы с поглощением, генерируемый вблизи только что вскрытых подземных пластов горных пород и структур, может быстро воздействовать на зону потери бурового раствора своевременно, поскольку обнаружение не требуется вследствие указанной близости и относительно короткого времени передачи, связанного с подземным генерированием LCM.

Подземное генерирование LCM также исключает потенциальные конфликты со скважинными инструментами, такими как гидравлические забойные двигатели и инструменты для каротажа при бурении, генерируя частицы большего размера после того, как буровой раствор прошел указанные инструменты.

Подземное генерирование больших частиц LCM вблизи подверженной разрушению области увеличивает возможность использования доступной способности содержания буровым раствором более малых частиц LCM и/или других материалов и химических продуктов, добавленных в буровой раствор на поверхности, таким образом увеличивая общее количество частиц с размером LCM и потенциально улучшая свойства циркулирующего бурового раствора.

Варианты осуществления настоящего изобретения также обеспечивают получение средства для нанесения и уплотнения LCM при помощи средств нагнетания под давлением и/или механических средств.

Варианты осуществления настоящего изобретения также обеспечивают способность управлять давлением в первом кольцевом проходе между устройством и проходом сквозь подземные пласты для сдерживания возникновения и распространения трещин и ограничения потерь бурового раствора, связанных с трещинами. Применение этих изменяющих давление инструментов и способов может изменяться и повторно избираться без извлечения колонны обсадных труб для бурения или заканчивания, используемой для продвижения прохода сквозь подземные пласты.

Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения сдерживают возникновение или распространение трещин внутри подземных пластов посредством своевременного генерирования, подачи и нанесения LCM на целевых больших глубинах под землей, чем практикуемые в настоящее время согласно предшествующему уровню техники.

Варианты осуществления настоящего изобретения, таким образом, обеспечивают получение систем и способов, которые допускают любую конфигурацию или ориентацию одностенных или двустенных колонн обсадных труб с использованием прохода сквозь подземные пласты для генерирования под землей LCM для достижения больших глубин, чем в настоящее время практикуется с существующей технологией.

Хотя были описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что в рамках прилагаемой формулы изобретения настоящее изобретение может быть осуществлено иначе, чем здесь описано конкретно.