Способ перемещения трубы в скважине при бурении, устройство для его осуществления и пакер для уплотнения трубы

 

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к способу перемещения трубы в скважине, устройству для осуществления способа и пакеру для уплотнения трубы при ее перемещении. Способ включает одновременное перемещение трубы вдоль и относительно ее оси, при этом трубу перемещают относительно ее оси в первой серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах первого предварительно выбранного углового диапазона вращения, являющегося ограниченным, при этом первый предварительно выбранный угловой диапазон содержит, по меньшей мере, один полный оборот вращения на 360є. Устройство для осуществления способа содержит средство для перемещения трубы вдоль и относительно ее оси, включающее привод вращения, подключенный к блоку управления. Пакер для уплотнения трубы, совершающей чередующиеся, противоположные по знаку вращательные движения, содержит средства его жесткого соединения к гибкому подводу текучей среды, при этом пакер и гибкий подвод выполнены с возможностью вращения, по существу вместе с трубой. Изобретение обеспечивает повышение производительности бурения при надежном соединении гибкого провода текучей среды с буровой трубой, возможность бурения наклонно-направленных скважин при реализации изобретения. 3 с. и 24 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к способу осевого перемещения трубы в скважине при бурении, устройству для его осуществления и пакеру для уплотнения трубы.

В патентах Великобритании №591922 и №596715 раскрыт способ осевого перемещения несущей бур трубы в скважине в грунте, при котором трубу одновременно перемещают вдоль и относительно своей оси при совершении серии чередующихся (знакопеременных), противоположных по углу вращательных движений, в пределах ограниченного углового диапазона вращения, составляющего менее чем 180°.

Известен способ осевого перемещения трубы в скважине, в соответствии с которым трубу перемещают одновременно вдоль и относительно ее оси, причем используют бур, скорость выемки материала которого не зависит от направления или скорости вращения трубы вокруг своей оси, причем приводной механизм бура связан с землей и совершает вращение вместе с трубой 1.

Известно устройство для осевого перемещения трубы в скважине, содержащее средство для перемещения трубы вдоль и относительно ее оси и соединительные элементы для соединения приводного механизма бура с землей, установленные на самом нижнем участке трубы и выполненные с возможностью вращения вместе с трубой.

Указанные способ и устройство применяются на практике, например, для осевого введения трубы в скважину или для осевого извлечения трубы из скважины. Такая труба может быть использована для осуществления процесса бурения и одновременно для защиты вновь пробуренного ствола скважины. Эту технологию в данной области техники обычно называют бурением с обсадной колонной. Такая скважина может быть использовала для добычи нефти или газа, а также для других целей, таких как добыча соли или экстракция геотермальной энергии, и, кроме того, для целей гражданского строительства, таких как прокладка трубопроводов под реками.

При использовании известных способов и устройств обычно первую трубную часть, снабженную буром, вводят в скважину в земле. Затем другие трубные части соединяют с верхним концом трубы, входящей в скважину, например, при помощи резьбового и/или зажимного соединения. По мере дальнейшего вхождения трубы в землю следующие трубные части, каждая из которых может быть образована из одного или нескольких предварительно соединенных трубных сочленений, присоединяют к проксимальному (самому верхнему) концу составной секции трубы, выступающему из земли, до тех пор, пока не будет достигнута окончательная длина трубы. При извлечении трубы операции описанного способа проводят в обратном порядке.

В ходе введения или извлечения составная труба приводится во вращение относительно своей оси в фиксированном направлении так, чтобы было достигнуто непрерывное вращение. Это осуществляется для создания силы трения между трубой и окружающей ее средой, имеющей тангенциальную составляющую, за счет чего в результате снижается осевая фрикционная составляющая, что приводит к существенному снижению осевого усилия, необходимого для введения составной трубы в скважину или ее выведения из скважины. Должно быть ясно, что вместо соединенных трубных частей может быть использована и труба единичной длины.

Недостаток известного способа и устройства для осевого перемещения трубы указанным образом состоит в том, что из-за непрерывного вращения трубы проблемой является обеспечение прочного надежного соединения между стационарным грунтом и устройствами, которые вращаются совместно или солидарно с трубой. В частности, в ходе операций бурения, вертлюг, соединяющий трубу с источником бурового раствора, должен иметь качественное вращательное уплотнение. То же самое относится, например, к гидравлическим соединениям с буром, установленным на трубе, или к пневматическим соединениям с пакером, связанным с трубой. В частности, оказалось проблемой создание неискрящих электрических соединений между устройствами, которые вращаются по существу вместе с трубой и землей, часто во взрывоопасных условиях недалеко от скважины.

На практике за счет проблемы создания надежного соединения часто вращение останавливают, когда, например, необходимо отвести бур или когда следует опустить (в скважину) смотровое устройство. Это значительно увеличивает риск застревания трубы за счет усадки грунта или за счет явления, которое в данной области известно как прихват бурильной колонны за счет перепада давления в стволе скважины.

Известно использование при бурении с обсадной колонной управления направлением трубы при помощи устройств, которые выступают из нижнего конца трубы. Применение таких устройств является дорогостоящим, причем степень такого контроля является ограниченной. В результате бурение с обсадной колонной не используют в настоящее время для проведения бурения под большим углом или бурения близких к горизонтальным стволов скважины.

В патенте ФРГ №1171848 раскрыт способ осевого перемещения трубы в скважине в грунте, в соответствии с которым трубу перемещают одновременно вдоль и относительно ее оси, и грунт удаляют у конца трубы, при этом трубу перемещают относительно ее оси в первой серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах предварительно выбранного углового диапазона вращения, являющегося ограниченным диапазоном вращения.

В этом патенте раскрыто также устройство для осевого перемещения трубы в скважине в грунте, содержащее средство для перемещения трубы вдоль и относительно ее оси, содержащее вращательный привод, подключенный к блоку управления для осуществления чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах предварительно выбранного углового диапазона вращения, являющегося ограниченным диапазоном вращения.

Вышеописанные способ и устройство не обеспечивают удаление одинаковых количеств породы по всем направлениям при выемке грунта у конца трубы и, следовательно, не обеспечивают бурение скважины с постоянным азимутом и углом наклона.

Известен пакер для уплотнения трубы, содержащий соединительные средства для жесткого соединения пакера с гибким подводом текучей среды или энергии (см. а.с. СССР №800337, кл. Е 21 В 3/02, 1981).

Гибкий подвод для текучей среды подсоединен к трубе поперечно.

При вращении трубы, раскрытой в указанном авторском свидетельстве, относительно ее продольной оси гибкий подвод для текучей среды вращается вокруг оси, перпендикулярной его оси и, следовательно, могут возникнуть проблемы, связанные со скручиванием гибкого подвода.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание способа и устройства для осевого перемещения трубы в скважине, обеспечивающих одинаковое удаление породы по всем направлениям при выемке грунта из конца трубы и бурение скважины с постоянным азимутом и углом наклона, создание пакера для уплотнения трубы, обеспечивающей предотвращение скручивания гибкого подвода текучей среды или энергии, подсоединенной к нему.

Этот технический результат достигается тем, что в способе осевого перемещения трубы в скважине в грунте, в соответствии с которым трубу перемещают одновременно вдоль и относительно ее оси, и грунт удаляют у конца трубы, при этом трубу перемещают относительно ее оси в первой серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах первого предварительно выбранного углового диапазона вращения, являющегося ограниченным диапазоном вращения, согласно изобретению, первый предварительно выбранный угловой диапазон содержит, по меньшей мере, один полный оборот вращения на 360°.

За счет скручивания трубы относительно ее оси при проведении серии (цикла) чередующихся (знакопеременных), противоположных по углу вращательных движений в пределах ограниченного углового диапазона вращения, возможно использование относительно простых гибких соединений, введенных между фиксированными соединениями для обеспечения связи между устройствами, которые вращаются вместе или солидарно с составной трубой, и стационарным грунтом. Примером такого гибкого соединения, введенного между фиксированными соединениями, является, например, отрезок гибкого трубопровода или трубы, закрепленный при помощи простых зажимов на каждом своем конце для обеспечения жидкостного соединения, или отрезок изолированного кабеля, снабженный вилками на каждом своем конце для взаимодействия с розетками для обеспечения электрического соединения.

Ограниченный диапазон вращения предотвращает слишком большое скручивание (закручивание) гибкого соединения, как это было бы в случае большего угла вращения, вызванного известным ранее вращательным движением.

Более того, в ходе введения или перемещения назад (отвода) устройства, например бура, пакера, датчика или смотрового устройства через внутреннюю часть трубы, труба может колебаться непрерывно, что существенно снижает риск застревания (заедания) трубы.

Первый угловой диапазон вращения можно предварительно выбрать таким образом, что он содержит угол менее чем 1800°, предпочтительно менее чем 1080°, в частности, менее чем 720°.

Например, угол может быть в интервале от 0° до 720° или от -360° до +360°, или может быть множество таких углов, а также меньше одного полного оборота вращения, например угол от 0° до 180° или от -90° до +90°. Предпочтительно после менее 5 полных вращений в одном направлении, например влево, следует осуществить такое же число полных вращений в противоположном направлении, например вращении вправо.

Колебательное движение может быть таким, что каждое чередующееся угловое перемещение имеет по существу одинаковую амплитуду для получения симметричной картины. Однако также возможно осуществлять серию чередующихся вращательных движений, которые не равны по амплитуде, например серию чередующихся движений, обеспечивающих постепенное угловое отклонение, которое может иметь осциллирующую картину, так, чтобы полный угол вращения все время оставался в пределах ограниченного диапазона углов, или отклонение в одном направлении так, чтобы полный угол вращения оставался в пределах ограниченного диапазона углов только в течение ограниченного периода времени. Такой промежуток времени может быть, например, достаточно длительным для того, чтобы осуществить операцию на трубе или с трубой, такую как управление направлением бурения или соединение с трубой другого отрезка трубы.

Должно быть ясно, что в данном контексте угол вращения в пределах заранее выбранного диапазона углов означает абсолютный угол вращения трубы вокруг ее оси относительно земли.

Промежуток времени, необходимый для осуществления двух последовательных, чередующихся противоположных по углу вращательных движений, может составлять, по меньшей мере, 10 с, предпочтительно, по меньшей мере, 20 с.

Частоту чередующихся, противоположных по углу вращательных движений можно выбирать таким образом, что создается колебание, соответствующее базовой собственной частоте трубы или ее гармонике.

Серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах предварительно выбранного углового диапазона вращения предшествует и/или следует за ней неколебательное непрерывное движение вращения относительно оси трубы.

Труба может быть образована посредством жесткого соединения вращательным образом концов последовательных трубных частей. Концы трубных частей могут быть соединены при помощи сварки. Трубные части могут быть соединены в процессе осевого введения трубы в скважину.

Трубу можно переместить по оси в скважине в грунте для образования обсадной колонны скважины.

Трубу можно вводить в скважину в процессе бурения скважины при помощи бура.

После первой серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений можно осуществлять вторую серию аналогичных движений во втором предварительно выбранным угловом диапазоне вращения, при этом второй предварительно выбранный угловой диапазон вращения содержит угол менее чем 360°, предпочтительно менее чем 180°, что позволяет производить выемку грунта в сегменте круга у конца трубы таким образом, что при осевом перемещении трубы в скважину концевой участок трубы движется по криволинейной траектории.

До первой серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений можно осуществлять вторую серию аналогичных движений во втором предварительно выбранном угловом диапазоне, при этом второй предварительно выбранный угловой диапазон вращения содержит угол менее чем 360°, предпочтительно менее чем 180°, что позволяет производить выемку грунта в сегменте круга у конца трубы таким образом, что при осевом перемещении трубы в скважину концевой участок трубы движется по криволинейной траектории.

Частота противоположных вращательных движений или колебаний преимущественно составляет менее нескольких колебаний в минуту, обычно менее 10 колебаний в минуту, причем она может быть выбрана таким образом, чтобы совпадать с собственной частотой трубы в земле. В предложенном способе колебания преимущественно осуществляют на частоте 0,1 или 0,05 Гц. Однако способ не исключает возможности применения более высокой частоты колебаний, например, в типичном диапазоне от 1 до 50 Гц.

Можно измерить вращающий момент, воздействующий на трубу у поверхности, при одновременном осуществлении симметричных по углу, противоположных, вращательных движений в пределах предварительно выбранного углового диапазона вращения для определения средней точки значений нижнего вращающего момента.

За счет измерения этого вращающего момента может быть определено положение средней точки, характеризуемое средней точкой значений нижнего вращающего момента. Азимут этого положения средней точки относительно азимута нанесенной осевой линии позволяет получить азимут конца трубы. Определенный указанным образом азимут конца трубы может быть при необходимости скорректирован для реактивного вращающего момента бурового инструмента, подвешенного на конце трубы.

Можно осуществлять текущий контроль относительной угловой ориентации секций трубы, смещенных по оси друг от друга. При осуществлении текущего контроля можно наблюдать за осевой линией, нанесенной на внешнюю поверхность трубы.

При осуществлении текущего контроля можно определять угловую ориентацию смещенных по оси магнитных меток, нанесенных на внешнюю поверхность трубы.

Накачку бурового раствора при присоединении следующей секции трубы можно продолжать через комбинацию гибкого трубопровода и пакера, герметично соединенную с секцией трубы в стволе скважины.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для осевого перемещения трубы в скважине в грунте, содержащем средство для перемещения трубы вдоль и относительно ее оси, содержащее вращательный привод, подключенный к блоку управления для осуществления чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах первого предварительно выбранного, углового диапазона вращения, являющегося ограниченным диапазоном вращения, согласно изобретению, первый предварительно выбранный угловой диапазон содержит, по меньшей мере, один полный оборот вращения на 360°.

Первый угловой диапазон вращения может быть предварительно выбран таким образом, что он содержит угол менее чем 1800°, предпочтительно менее чем 1080°, в частности менее чем 720°.

Вращательный привод и блок управления могут быть выполнены с возможностью избирательного управления приводом для осуществления непрерывного незнакопеременного движения вращения.

Устройство может содержать сварочный аппарат для сварки сегментов труб конец к концу для образования составной трубы, выполненный с возможностью вращения по существу вместе с трубой, перемещаемой в скважине.

Это позволяет производить непрерывное введение трубы в скважину или ее перемещения назад из скважины, как это будет описано здесь далее. Следует отметить, что сварные или другие вращательные жесткие соединения между последовательными трубными секциями являются особенно предпочтительными по причине их повышенной стойкости к нарушению соединения за счет противоположных по углу вращательных движений по сравнению с резьбовыми соединениями, которые, как правило, использовали ранее для сочленения последовательных трубных частей обсадной колонны или трубы. Вращательные жесткие соединения между трубными частями позволяют производить точный контроль относительной ориентации конца трубы под поверхностью земли и трубной части, которую видно на поверхности. Использование осевой линии, нанесенной на внешнюю поверхность трубы, и точное измерение угла между осевыми линиями на каждой последовательной секции трубы позволяет получать точные сведения относительно ориентации конца трубы ниже поверхности земли.

Устройство может содержать средство для обработки внутренней и/или внешней поверхности трубы перед ее введением в скважину.

Устройство может содержать средство для центровки и установки в заданное положение соединяемых концов трубы.

Блок управления может быть приспособлен для осуществления второй серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах второго предварительно выбранного углового диапазона, следующей за первой серией таких движений, при этом второй предварительно выбранный угловой диапазон вращения содержит угол менее чем 360°, предпочтительно менее чем 180°.

Блок управления может быть приспособлен для осуществления второй серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах второго предварительно выбранного углового диапазона, осуществляемой до первой серии таких движений, при этом второй предварительно выбранный угловой диапазон вращения содержит угол менее чем 360°, предпочтительно менее чем 180°.

Важным преимуществом последовательных противоположных по углу движений является то, что при осуществлении последовательных движений в пределах сегмента круга можно управлять трубой, имеющей изогнутый концевой участок, при ее одновременном осевом введении в землю. Вместо изогнутого концевого участка могут быть использованы и другие виды устройств, смещенных асимметрично от оси у этого конца трубы. Для изменения направления скважины, которую следует пробурить, то есть азимута и угла скважины, выбирают симметричный диапазон колебаний относительно заданного азимута конца трубы, который предусматривает вращение конца трубы на угол менее 360°, например, в диапазоне от -45° до +45°. Эти небольшие колебания позволяют за счет процесса выемки грунта у конца трубы преимущественно удалять породу или грунт в пределах сегмента круга, соответствующего желательному направлению ствола скважины. Этот процесс продолжают до тех пор, пока не будет получен желательный угол конца трубы в стволе скважины и желательный азимут конца трубы. Для продолжения бурения ствола скважины под тем же самым углом ствола скважины при желательном азимуте конца трубы колебания и вращение регулируют таким образом, чтобы процесс выемки грунта у конца трубы позволял удалять одинаковые количества породы по всем направлениям. За счет этого скважина может быть проложена в желательном направлении с использованием измерений на поверхности, основанных на измерениях азимута осевой линии, и измерений угла наклона у конца трубы. Преимущественно используют бур, у которого скорость удаления материала является независимой от направления или скорости вращения, например долото с гидравлическим приводом.

Кроме того, за счет использования камеры бурового раствора, жестко соединенной с источником подачи бурового раствора при помощи двух гибких трубопроводов, подача бурового раствора может продолжаться при одновременном добавлении трубных секций к трубе или при их отделении от нее.

Указанный результат достигается и тем, что в пакере для уплотнения трубы, содержащем соединительные средства для жесткого соединения пакера к гибкому подводу текучей среды или энергии, согласно изобретению, пакер и гибкий подвод текучей среды или энергии выполнены с возможностью вращения по существу совместно с трубой.

Гибкий подвод текучей среды или энергии может проходить от источника текучей среды или энергии.

Указанные ранее и другие признаки настоящего изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного в качестве примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых изображено следующее:

фиг.1 схематически изображает поперечное сечение обсадной колонны, введенной в скважину;

фиг.2 схематически изображает поперечное сечение устройства для образования (составления) обсадной колонны из частей обсадной колонны и введения составной обсадной колонны в скважину при одновременном бурении скважины;

фиг.2А схематически изображает другой вариант устройства для образования обсадной колонны из частей обсадной колонны и введения составной обсадной колонны в скважину;

фиг.3А, 3В, 3С, 3D, 3Е изображают камеру бурового раствора, предназначенную для непрерывной подачи потока бурового раствора на различных стадиях операции бурения;

фиг.4 изображает самую нижнюю часть обсадной колонны с изогнутым концевым участком для направленного бурения;

фиг.5 изображает сегмент круга, соответствующий заранее выбранному угловому диапазону вращения для направленного бурения.

Несмотря на то, что примерные варианты, которые обсуждаются ниже, относятся, как правило, к образованию (составлению) и введению обсадной колонны в скважину в земле при помощи процесса бурения с обсадной колонной, когда подлежащая введению труба несет бур, аналогичные варианты могут быть применены также к введению других типов (составных) труб в скважину в земле или к перемещению назад (отводу) таких труб из такой скважины, когда трубы не несут бур.

На фиг.1 показана обсадная колонна 1, которая введена в скважину 2, пробуренную в земле 3. Обсадная колонна 1 образована за счет соединения последовательных частей 4 обсадной колонны, например 4А и 4В, конец к концу (впритык). Первая или самая нижняя часть 4С обсадной колонны несет разборный бур 5, внешний диаметр которого немного больше диаметра частей обсадной колонны. Бур 5 приводится в движение при помощи гидравлического забойного двигателя 6, приводимого в движение за счет имеющего высокое давление потока бурового раствора, поступающего через внутреннюю часть обсадной колонны 1. Бур может иметь, например, так называемую разборную дробящую или калибровочную буровую коронку для выемки породы. После прохождения через гидравлический забойный двигатель 6 буровой раствор выходит из обсадной колонны 1 у местоположения бура 5 и проходит вверх к поверхности 7 между внешним диаметром обсадной колонны 1 и стенками скважины 2. На фиг.1 путь течения бурового раствора показан стрелками.

Следует отметить, что вместо бура 5, который содержит комбинацию гидравлического забойного двигателя с буровой коронкой, может быть использован блок гидравлического отбойного молотка с разборным долотом, причем альтернативно блок струйного нагнетания высокого давления может быть использован для удаления породы. Вместо гидравлического питания бура, отбойного молотка или блока струйного нагнетания могут быть использованы электрические или пневматические блоки привода.

Следует также отметить, что для создания диаметра ствола скважины 2, достаточно широкого для прохождения обсадной колонны 1, может быть использована режущая конструкция, снаружи от вершины трубы, специально приспособленная для работы при колебательном движении вершины трубы.

Обсадная колонна 1 совершает перемещение вдоль своей оси А в скважине 2 при помощи бурового стола 8, установленного над устьем 9 скважины, который может содержать обычный противовыбросовый превентор. Оборудование устья 9 скважины, которое содержит противовыбросовый превентор, помещают на поверхности 7 для уплотнения зоны между обсадной колонной 1 и скважиной 2.

Буровой стол 8 установлен на стойках 19, эффективная длина которых может быть изменена, например, при помощи гидравлических цилиндров. Буровой стол 8 снабжен захватами 10А, фрикционно зацепляющими внешнюю окружность проксимального конца обсадной колонны 1, выступающего из скважины 2 над поверхностью 7. Эти захваты способны выдерживать полный вес трубы плюс направленное вверх трение и передаваемый влево и вправо вращающий момент трубы, до максимального предела прочности при кручении трубы. При врезании бура 5 в землю 3 производят перемещение вперед обсадной колонны 1 вдоль ее оси А и ее введение в скважину 2 за счет уменьшения длины стоек 19. Для снижения трения в осевом направлении между обсадной колонной 1 и скважиной 2 обсадную колонну перемещают относительно ее оси А при помощи серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах заранее заданного углового диапазона вращения.

Последовательные, противоположные по углу вращательные движения осуществляют, например, прежде всего путем вращения обсадной колонны на 1080° по часовой стрелке вокруг ее оси относительно земли с последующим противоположным вращением на 1080° против часовой стрелки и затем с последующим вращением на 1080° по часовой стрелке и т.д. Таким образом осуществляют колебательное движение в предварительно выбранном диапазоне от 0° до 1080°. Должно быть ясно, что можно также начинать с первого вращения, например, на угол, который составляет половину угла α противоположного движения или в 2 раза превышает этот угол. Должно быть также ясно, что можно осуществлять последовательные, противоположные по углу вращательные движения, которые имеют значения угла α, не равные по размеру, однако при этом все еще оставаться в предварительно выбранном диапазоне, по меньшей мере, в ходе заранее заданного временного интервала.

Колебательное движение производят под контролем блока 30 управления, управляющего двигателем 11, который приводит в движение выполненный с возможностью вращения верхний участок 12 бурового стола 8, совершающий последовательные, противоположные по углу вращательные движения. Указанный верхний участок 12 несет зажимы или захваты 10А, предназначенные для передачи вращающего момента между верхним участком 12 и обсадной колонной 1. Должно быть ясно, что вся конструкция стоек 19 выполнена таким образом, что верхний участок совершает колебания как единое целое. Промежуток времени, необходимый для осуществления двух последовательных противоположных угловых перемещений, составляет, например, 10 с, что соответствует частоте колебаний 0,1 Гц.

Можно также изменять время полного периода колебания во время введения трубы для того, например, чтобы адаптировать частоту колебаний к изменениям длины и собственной частоты трубы или чтобы адаптировать частоту колебаний к требованиям, вызываемым операциями, проводимыми на трубе или с трубой, такими как присоединение следующего отрезка трубы или изменение направления концевого участка трубы.

Как это показано на фиг.1, источник бурового раствора 13 имеет простое, прочное и надежное соединение между поверхностью 7 и колеблющейся обсадной колонной 1. Источник 13 бурового раствора имеет гибкий трубопровод 14, который жестко соединен с насосом 15 бурового раствора при помощи зажимов на одном конце и жестко присоединен при помощи зажимов на другом конце к пакеру 16, который совершает вращение вместе с обсадной колонной 1. За счет того, что абсолютный угол α осевого вращения обсадной колонны остается в предварительно выбранном диапазоне, гибкий трубопровод 14 между насосом 15 бурового раствора и пакером 16 не будет скручиваться и поэтому нет необходимости использовать вращательное уплотнение, которое известно специалистам в данной области как вертлюг.

Более того, также можно использовать гидравлическое, пневматическое и/или электрическое соединение, выполненное аналогично, например, в виде гибких гидравлических шлангов 17, предназначенных для работы пакера 16, которые жестко соединены с пакером 16 на одном конце и с источником 18 гидравлического давления на другом конце.

Должно быть ясно, что в ходе введения или перемещения назад обсадной колонны 1 колебательное движение осуществляют одновременно с осевым перемещением. Однако когда осевое смещение обсадной колонны не является необходимым, например, когда гидравлический забойный двигатель 6 и/или бур 5 убраны, колебательное движение может продолжаться, за счет чего существенно снижается риск застревания обсадной колонны 1 в скважине 2. При работе обсадная колонна 1 будет действовать как пружина кручения, содействуя двигателю 11 при создании колебаний обсадной колонны.

На фиг.2 показан другой вариант настоящего изобретения, в котором для уменьшения времени простоя и обеспечения непрерывного введения составной обсадной колонны 1 в скважину 2 предусмотрен второй буровой стол 20. Этот буровой стол имеет конструкцию, аналогичную конструкции бурового стола 8, причем он также снабжен регулируемыми гидравлически стойками 21, выполненными с возможностью вращения верхним участком 22 с приводом от двигателя 23 и зажимами 24.

Второй буровой стол 20 также имеет направляющее средство 25, в которое может быть введена часть 4В обсадной колонны таким образом, что она будет совмещена по оси с проксимальным концом обсадной колонны 1, выступающим из скважины, и может быть синхронизирована по осевому колебанию с ней при помощи приводов 31, подключенных к блоку 30 управления. Когда трубные части 4А, 4В установлены конец к концу, они могут быть сварены вместе при помощи сварочного аппарата 26, установленного на верхнем участке 22 второго бурового стола 20, таким образом, что он может совершать вращение по существу вместе с обсадной колонной 1. За счет колебательного движения в пределах заранее выбранного диапазона углов электрические соединения 33 между поверхностью 7 и сварочным аппаратом 26 могут быть выполнены в виде кабелей с вилками на каждом конце, причем необходимость в коммутации исключена. Сварочный аппарат 26 расположен в среде нейтрального газа, проходящей как радиально вне обсадной колонны 1 и части 4В обсадной колонны, подсоединяемой к ней, так и радиально внутри обсадной колонны. Радиально вне обсадной колонны среда нейтрального газа обеспечена в виде камеры 28, в то время как внутри обсадной колонны среда нейтрального газа обеспечена, например, при помощи уплотняющей прокладки 34, которая совместно с пакером 16 образует камеру 29, создающую взрывобезопасную среду для процесса сварки или резки. Вместо нейтрального газа сварочная камера и кольцевое пространство подсоединительной части могут продуваться воздухом из безопасного источника, что позволяет устранить опасность взрыва.

Сварочный аппарат выполнен с возможностью вращения вокруг оси А обсадной колонны, что позволяет создавать кольцевой сварной шов между трубными частями.

Длину трубных частей 4А, 4В, 4С преимущественно выбирают в зависимости от скорости синхронизации и скорости сварки из условия, чтобы при полной скорости введения обсадной колонны в скважину следующая трубная часть 4В могла быть соединена с обсадной колонной 1 ранее завершения осевого введения сегмента трубы. Следует отметить, что для обеспечения постоянного осевого введения буровые столы 8, 20 должны взаимодействовать надежным образом так, чтобы в любой момент времени, по меньшей мере, один буровой стол приводил во вращение обсадную колонну и одновременно вводил (продвигал) обсадную колонну по оси в скважину 2, в то время как другой буровой стол втягивал его стойки. Оба стола 8, 20 могут быть объединены в один блок, который совершает колебания как единое целое. Так как трубные части имеют привод радиально снаружи, то двигатели 11, 23 могут быть установлены относительно близко к поверхности 7 и верхний привод может быть исключен. При этом часть обсадной колонны может быть поднята и введена в направляющее средство 25 при помощи обычного крана и поэтому нет необходимости в строительстве буровой установки.

В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения, показанным на фиг. 2А, процесс сварки или резки не связан с верхним столом 20, чтобы сократить длину стоек, например, для обеспечения типичного хода менее 3 м. Процесс сварки или резки в этом варианте проводят при помощи сварочного аппарата 26А, который зажимает трубу 1 при помощи зажимов 26В и содержит средство центровки для совмещения трубной части 4В. Сварочный аппарат 26А выполнен с возможностью осевого перемещения вдоль трубы 1. Стол 8А установлен с возможностью вращения на противовыбросовом превенторе 9А и позволяет осуществлять осевое введение, причем предусмотрены зажимы 10В для удержания трубы, когда стойки 19А удлиняются при ходе вверх.

Должно быть ясно, что также имеется возможность осевого перемещения назад обсадной колонны 1 из скважины 2 с использованием устройства, показанного на фиг.2 и 2А. В этом случае вместо сварочного аппарата 26, 26А может быть установлен абразивный резак или использован любой другой известный процесс резки.

Следует отметить, что могут быть предусмотрены средства, например, на сварочном аппарате для термической обработки соединения после сварки.

Следует отметить, что могут быть предусмотрены дополнительные средства, например, на комплекте гибкого трубопровода 14 и пакера 16, предназначенные для удаления избытка материала с внутренней стороны зоны сварки. Такие средства могут обеспечивать полную зачистку или полировку внутренней поверхности зоны сварки. Такие средства преимущественно производят зачистку или полировку всей внутренней поверхности трубной части 4В или нанесение на нее покрытия.

Следует отметить, что комплект гибкого трубопровода 14 и пакера 16 может содержать средства для надлежащей внутренней центровки конца трубы (4А), выступающего из ствола скважины, и новой трубной части 4В. Такое центровочное средство может быть выполнено в виде единого целого со сварочным аппаратом.

Следует отметить, что сварочный аппарат может быть снабжен любыми типами инструмента для удаления избытка сварочного материала и для зачистки или полировки внешней поверхности зоны сварки. Такие средства также преимущественно производят зачистку или полировку всей внешней поверхности трубной части 4В или нанесение на нее покрытия.

Должно быть ясно, что можно выбрать только некоторые элементы системы, которые совершают колебания. Состав системы может быть, например, таким, что сварку или резку и замену бурового инструмента производят в режиме колебаний, в то время как в ходе нормального бурения могут производиться вращения вправо и влево. В этом случае вертлюг может иметь, например, вращательное уплотнение для шланга подачи бурового раствора. Вообще говоря, может быть выбрана любая комбинация режимов колебания и вращения, позволяющая улучшить параметры бурения, оптимизировать конструкцию оборудования и т.п. В частности, способ может предусматривать проведение колебательных вращательных движений в ходе сварки и/или управления и проведение непрерывных вращательных движений в ходе бурения.

Конструктивные детали бурового стола более подробно не описываются, так как специалистам известно множество путей реализации таких конструкций. Для получения более подробной информации по этому вопросу следует обратиться к международным патентным публикациям WO 99/34089, WO 99/34091 и PCT/NL 98/00597.

Следует отметить, что двигатели 11, 23 могут быть снабжены средствами аккумулирования (накопления) энергии, например маховиком или пружинами, которые помогают работе двигателей 11, 23 при реверсировании углового вращательного движения.

Должно быть ясно, что буровые столы преимущественно могут быть использованы сами по себе. В частности, выполненный с возможностью вращения стол с захватами 10 и двигателем 11, снабженный блоком 30 управления для создания чередующихся, противоположных по углу вращательных движений, сам может быть использован для создания колебаний трубы или обсадной колонны, что снижает риск застревания трубы в скважине.

На фиг.3А, 3В, 3С, 3D, 3Е показано, каким образом за счет колебательного движения подача бурового раствора может продолжаться при одновременном подключении следующих частей обсадной колонны. На фиг.3А показано, что пакер 16 соединен с гибким трубопроводом 14 источника бурового раствора 13 при помощи быстросоединяемого соединения 41. Когда нужно подсоединить следующую часть 4В обсадной колонны к самой верхней части 4А обсадной колонны, камеру 42 бурового раствора устанавливают на верхней части 4А обсадной колонны, как это показано на фиг.3В. Камера 42 бурового раствора может быть или не быть частью конструкции устройства для сварки или резки. Камера 42 бурового раствора имеет боковой вход 43, который используют для жесткого подсоединения к камере 42 бурового раствора вспомогательного гибкого трубопровода 14А, например, при помощи зажимного соединения. Так как камера 42 бурового раствора совершает колебания вместе с обсадной колонной, то в качестве соединения между камерой 42 бурового раствора и насосом 15 бурового раствора может быть использовано простое гибкое соединение. Камера 42 бурового раствора дополнительно содержит уплотняющие прокладки 44 для ее герметичного соединения с обсадной колонной 1. Камера 42 бурового раствора дополнительно содержит регулируемую уплотняющую прокладку 45, например, приводимую в действие гидравлически диафрагму, через которую герметично может проходить вспомогательный гибкий трубопровод 14А.

На первом этапе камеру 42 бурового раствора перемещают по оси вверх (фиг.3В) и используют источник 13 бурового раствора для подачи бурового раствора через вспомогательный гибкий трубопровод 14А, в то время как подачу через гибкий трубопровод 14 прекращают (фиг.3С). Это может быть осуществлено при помощи набора соответствующих клапанов. Поток бурового раствора показан стрелками Р и Р1. Одновременно освобождают пакер 16, например, при помощи гидравлической операции, и втягивают его через гибкий трубопровод 14 до тех пор, пока он не займет место в камере 42 бурового раствора вблизи от регулируемого уплотнения 45.

После этого отключают гибкий трубопровод 14 от быстросоединяемого соединения 41 и пропускают его по оси через часть 4В обсадной колонны до ее соединения с частью 4А обсадной колонны. Затем вновь соединяют быстросоединяемое соединение 41 и устанавливают следующую часть 4В обсадной колонны (фиг.3D). После этого пакер 16 опускают в часть 4А обсадной колонны, как это показано на фиг.3Е. При установке пакера 16 на свое место он приводится в действие для герметичного входа в зацепление с внутренним участком части 4А обсадной колонны, причем одновременно поток бурового раствора переключают от вспомогательного гибкого трубопровода 14А назад на гибкий трубопровод 14. Камера 42 бурового раствора теперь может быть перемещена по оси вверх в часть 4В обсадной колонны, при этом примыкающие кромки частей 4А и 4В обсадной колонны освобождаются для проведения сварки. После выполнения сварного соединения пакер 16 может быть перемещен по оси вверх, что приводит к завершению рабочего цикла подключения части 4В.

Альтернативные способы введения части 4В обсадной колонны предусматривают предварительную установку гибкого трубопровода 14 и пакера 16 в подсоединяемой части обсадной колонны. При этом камера 42 бурового раствора должна быть выполнена таким образом, что позволяет полностью снять гибкий трубопровод 14 и пакер 16 с конца 4А трубы, после чего может быть установлена часть 4В, которая содержит предварительно установленный комплект гибкого трубопровода 14 и пакера 16.

Конструктивные части камеры 42 бурового раствора, уплотняющих прокладок 44, 45, пакера 16, быстросоединяемого соединения 41 и клапанов, необходимых для направления потока бурового раствора через гибкие трубопроводы, хорошо известны специалистам. В частности, ряд предпочтительных конструктивных частей камеры обсуждается в заявке PCT/NL 98/00597. Следует отметить, что способ обеспечения непрерывной циркуляции бурового раствора при использовании указанной камеры бурового раствора сам по себе имеет множество преимуществ. В частности, использование фиксированных, невращательных соединений между гибкими трубопроводами 14, 14А обеспечивает простую и надежную работу.

В другом варианте настоящего изобретения в ходе перемещения трубы используют способ, который в данной области известен как обратная циркуляция. Этот способ особенно хорошо подходит для установки обсадных колонн большого наружного диаметра, обычно больше чем 13 3/8’’, а также для условий с формациями слабого грунта в секции необсаженного ствола скважины. При использовании способа обратной циркуляции буровой раствор вводят в кольцевое пространство между установленной обсадной колонной и предыдущей, как правило, зацементированной обсадной колонной. Однако буровой раствор может быть также введен между установленной обсадной колонной и внутренней трубой. Обратный поток бурового раствора и фрагменты формации, полученные за счет процесса бурения, будут протекать через установленную обсадную колонну или через внутреннюю трубу, которая подсоединена к буровому модулю. Для проведения процесса бурения в модуле может быть использована электрическая, гидравлическая или пневматическая энергия. Дифференциальное давление между потоком бурового раствора, входящим в кольцевое пространство, и обратным потоком на поверхность может быть создано за счет нагнетания воздуха или негорючих газов в обратный поток, за счет использования технологии, известной специалистам как эрлифт, или за счет любого другого средства поддержания достаточного дифференциального давления.

На фиг.4 и 5 показано, как обсадная колонна 1 может быть использована для направленного бурения. Для этого самая нижняя часть 4С обсадной колонны имеет концевой участок 51, проходящий под углом β относительно участка 52. Для большей ясности угол β показан в увеличенном масштабе. Однако на практике выбирают относительно малый угол β, например 5° или меньше, а преимущественно 1-3°. Альтернативно самая нижняя часть обсадной колонны может быть снабжена, например, приспособлениями, несимметрично смещенными от оси А, предназначенными для принудительного смещения обсадной колонны от прямолинейного пути. При вращении самой нижней части 4С обсадной колонны относительно продольной оси А в пределах полного сегмента круга, то есть в угловом диапазоне вращения, составляющем, по меньшей мере, 360°, обсадная колонна 1 будет перемещаться по прямой линии, когда она входит по оси в землю 3. Однако в том случае, когда самая нижняя часть 4С обсадной колонны колеблется и совершает ряд чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах сегмента круга, то есть менее чем 360°, например, в диапазоне углового вращения 90°, от 45° до 135°, то выемка грунта будет происходить только в части окружности у дна самого нижнего сегмента и обсадная колонна 1 будет идти по криволинейной траектории при ее продвижении в землю 3.

Даже в том случае, когда используется обсадная колонна 1 с высоким сопротивлением кручению, например обсадная колонна большого диаметра или обсадная колонна, имеющая композитную конструкцию, например, выполненная из упрочненного волокном пластика (из волокнитов), запаздывание кручения между верхним участком обсадной колонны, выступающим из поверхности 7 земли 3, и самой нижней частью обсадной колонны, несущей бур 5, будет относительно небольшим, что позволяет достичь высокой точности при направленном бурении.

Должно быть ясно, что самая нижняя часть 4С обсадной колонны, концевой участок которой идет под углом β, может быть также использована для направленного бурения трубы, которая содержит только один сегмент, или трубы, трубные части которой соединены до начала бурения. Можно даже предусмотреть создание колебаний в пределах сегмента круга для такой части обсадной колонны в ходе обычного бурения с вращением, чтобы изменять направление.

Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, специалистам должно быть ясно, что изобретение не ограничено этими вариантами, причем многие аспекты настоящего изобретения могут быть использованы независимо друг от друга или в комбинации. В частности, предложенный способ может быть использован в открытом море для бурения на морском дне. Кроме того, этот способ может быть использован при несбалансированных условиях. Более того, этот способ может быть использован для введения трубы в предварительно пробуренную скважину и/или при использовании обычной буровой вышки. Все такие изменения и дополнения не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Способ осевого перемещения трубы в скважине в грунте, в соответствии с которым трубу перемещают одновременно вдоль и относительно ее оси и грунт удаляют у конца трубы, при этом трубу перемещают относительно ее оси в первой серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах первого предварительно выбранного углового диапазона вращения, являющегося ограниченным диапазоном вращения, отличающийся тем, что первый предварительно выбранный угловой диапазон содержит, по меньшей мере, один полный оборот вращения на 360°.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что первый угловой диапазон вращения предварительно выбирают таким образом, что он содержит угол менее чем 1800°, предпочтительно менее чем 1080°, в частности менее чем 720°.

3. Способ по одному из п.1 или 2, отличающийся тем, что промежуток времени, необходимый для осуществления двух последовательных, чередующихся, противоположных по углу вращательных движений составляет, по меньшей мере, 10 с, предпочтительно, по меньшей мере, 20 с.

4. Способ по одному из п.1 или 2, отличающийся тем, что частоту чередующихся, противоположных по углу вращательных движений выбирают таким образом, что создается колебание, соответствующее базовой собственной частоте трубы или ее гармонике.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах предварительно выбранного углового диапазона вращения предшествует и/или следует за ней не колебательное непрерывное движение вращения относительно оси трубы.

6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что трубу образуют посредством жесткого соединения вращательным образом концов последовательных трубных частей.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что концы трубных частей соединяют при помощи сварки.

8. Способ по одному из п.6 или 7, отличающийся тем, что трубные части соединяют в процессе осевого введения трубы в скважину.

9. Способ по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что трубу перемещают по оси в скважине в грунте для образования обсадной колонны скважины.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что трубу вводят в скважину в процессе бурения скважины при помощи бура.

11. Способ по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что после первой серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений осуществляют вторую серию аналогичных движений во втором предварительно выбранном угловом диапазоне вращения, при этом второй предварительно выбранный угловой диапазон вращения содержит угол менее чем 360°, предпочтительно менее чем 180°, что позволяет производить выемку грунта в сегменте круга у конца трубы таким образом, что при осевом перемещении трубы в скважину концевой участок трубы движется по криволинейной траектории.

12. Способ по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что до первой серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений осуществляют вторую серию аналогичных движений во втором предварительно выбранном угловом диапазоне, при этом второй предварительно выбранный угловой диапазон вращения содержит угол менее чем 360°, предпочтительно менее чем 180°, что позволяет производить выемку грунта в сегменте круга у конца трубы таким образом, что при осевом перемещении трубы в скважину концевой участок трубы движется по криволинейной траектории.

13. Способ по одному из пп.1-12, отличающийся тем, что измеряют вращающий момент, воздействующий на трубу у поверхности, при одновременном осуществлении симметричных по углу, противоположных, вращательных движений в пределах предварительно выбранного углового диапазона вращения для определения средней точки значений нижнего вращающего момента.

14. Способ по одному из пп.1-13, отличающийся тем, что осуществляют текущий контроль относительной угловой ориентации секций трубы, смещенных по оси друг от друга.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что при осуществлении текущего контроля наблюдают за осевой линией, нанесенной на внешнюю поверхность трубы.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что при осуществлении текущего контроля определяют угловую ориентацию смещенных по оси магнитных меток, нанесенных на внешнюю поверхность трубы.

17. Способ по одному из пп.1-16, отличающийся тем, что накачку бурового раствора при присоединении следующей секции трубы продолжают через комбинацию гибкого трубопровода и пакера, герметично соединенную с секцией трубы в стволе скважины.

18. Устройство для осевого перемещения трубы в скважине в грунте, содержащее средство для перемещения трубы вдоль и относительно ее оси, содержащее вращательный привод, подключенный к блоку управления для осуществления чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах первого предварительно выбранного углового диапазона вращения, являющегося ограниченным диапазоном вращения, отличающееся тем, что первый предварительно выбранный угловой диапазон содержит, по меньшей мере, один полный оборот вращения на 360°.

19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что первый угловой диапазон вращения предварительно выбран таким образом, что он содержит угол менее чем 1800°, предпочтительно менее чем 1080°, в частности менее чем 720°.

20. Устройство по п.18 или 19, отличающееся тем, что вращательный привод и блок управления выполнены с возможностью избирательного управления приводом для осуществления непрерывного незнакопеременного движения вращения.

21. Устройство по одному из пп.18-20, отличающееся тем, что оно содержит сварочный аппарат для сварки сегментов труб конец к концу для образования составной трубы, выполненный с возможностью вращения, по существу, вместе с трубой, перемещаемой в скважине.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что оно содержит средство для обработки внутренней и/или внешней поверхности трубы перед ее введением в скважину.

23. Устройство по одному из п.21 или 22, отличающееся тем, что оно содержит средство для центровки и установки в заданное положение соединяемых концов трубы.

24. Устройство по одному из пп.18-23, отличающееся тем, что блок управления приспособлен для осуществления второй серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах второго предварительно выбранного углового диапазона, следующей за первой серией таких движений, при этом второй предварительно выбранный угловой диапазон вращения содержит угол менее чем 360°, предпочтительно менее чем 180°.

25. Устройство по одному из пп.18-23, отличающееся тем, что блок управления приспособлен для осуществления второй серии чередующихся, противоположных по углу вращательных движений в пределах второго предварительно выбранного углового диапазона, осуществляемой до первой серии таких движений, при этом второй предварительно выбранный угловой диапазон вращения содержит угол менее чем 360°, предпочтительно менее чем 180°.

26. Пакер для уплотнения трубы, содержащий соединительные средства для жесткого соединения пакера к гибкому подводу текучей среды или энергии, отличающийся тем, что пакер и гибкий подвод текучей среды или энергии выполнены с возможностью вращения, по существу, совместно с трубой.

27. Пакер по п.26, отличающийся тем, что гибкий подвод текучей среды или энергии проходит от источника текучей среды или энергии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10