Способ бурения скважин и одновременного направления бурового долота активно контролируемым вращательным направляемым скважинным буровым устройством и вращательное направляемое скважинное буровое устройство

Способ бурения скважин и одновременного направления бурового долота активно контролируемым вращательным направляемым скважинным буровым устройством и вращательное направляемое скважинное буровое устройство

Реферат

 

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано при бурении наклонно направленных и горизонтальных скважин. Вращают внутри ствола пробуриваемой скважины приводной компонент внутри скользящей переходной муфты бурового инструмента, находящийся во вращательном отношении с отклоняющей оправкой, расположенной с возможностью поворота внутри скользящей переходной муфты инструмента и несущей буровое долото. Генерируют управляющие сигналы направления, в соответствии с которыми гидравлически позиционируют отклоняющую оправку относительно ее шарнирной опоры во время приводного вращения отклоняющей оправки с помощью вращательного приводного компонента для поддержания оси отклоняющей оправки в существенной степени геостационарно и под предварительно определенными углами наклона и азимута. Скользящую переходную муфту инструмента перемещают со скольжением в соприкосновении со стенками ствола скважины во время бурения, предотвращая ее вращение. Изобретение направлено на повышение точности и надежности проводки скважины. 2 с. и 22 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится в общем к способам бурения скважин и к устройствам для их осуществления, особенно скважин для добычи нефтепродуктов, и, более конкретно, к активно управляемому вращательному направляемому устройству для бурения скважин, которое можно присоединить непосредственно к вращаемой бурильной колонне или можно встроить во вращаемую бурильную колонну в сборе с забойным турбинным двигателем и/или с толкателем, и/или с гибким переходником, чтобы обеспечить возможность бурения отклоненных участков скважин и ответвлений скважин. Изобретение также относится к способам и устройствам, позволяющим точно контролировать направление бурения скважины. Это изобретение также относится к активно управляемому вращательному направляемому буровому устройству, содержащему гидравлически приводимый в действие механизм позиционирования вала долота для выполнения автоматического геостационарного позиционирования оси отклоняющей оправки и бурового долота во время вращения отклоняющей оправки и бурового долота роторной бурильной колонной, забойным турбинным двигателем или этими двумя устройствами вместе. Это изобретение также относится к продолговатым эластичным лопастям, предназначенным для препятствования вращению, направленным радиально от скользящей переходной муфты инструмента для удержания от вращения бурового инструмента относительно стенок ствола скважины.

Нефтяная или газовая скважина часто имеет подземный участок, который бурят направленно, т.е. наклонно под углом к вертикальному направлению и под наклоном, имеющим конкретный компасный курс, или азимут. Хотя скважины, содержащие отклоненные участки, могут быть пробурены в любом желаемом направлении, например ствол скважины может быть пробурен в “горизонтальном” направлении, или могут быть созданы наклонные ответвленные скважины от основной скважины, например значительное количество наклонных скважин, пробуренных в условиях моря. В таком случае ряд наклонных скважин бурят с одной морской производственной платформы таким образом, что нижние части стволов скважин распределены по большой площади продуктивного пласта, над центром которого обычно расположена платформа, и устья всех скважин находятся в структуре платформы.

В условиях, когда бурят скважину со сложной траекторией, возможности, обеспечиваемые вращательным направляемым буровым устройством, выполненным в соответствии с изобретением, заключающиеся в том, чтобы направлять буровое долото в то время, как буровое долото вращают с помощью переходной муфты инструмента, позволяют бурильщикам четко направлять буровую скважину, которую бурят из одного продуктивного пласта, находящегося под землей, в другой. Вращательный направляемый буровой инструмент, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, позволяет направлять скважину как по наклону, так и по азимуту так, что две или более зоны, представляющие интерес и находящиеся под землей, могут быть контролируемо пересечены прокладываемой скважиной.

Типичная процедура бурения направленной скважины заключается в том, чтобы удалить бурильную колонну и буровое долото, с помощью которых была пробурена начальная вертикальная часть скважины с использованием обычного вращательного бурильного оборудования, и ввести в действие забойный, турбинный двигатель, имеющий изогнутый корпус на нижнем конце бурильной колонны, с помощью которого приводят долото под действием циркулирующего бурового раствора. Изогнутый корпус образует угол искривления так, что ось, расположенная ниже точки перегиба, которая соответствует оси вращения долота, составляет угол, при котором передняя поверхность инструмента отклоняется относительно эталона, если смотреть сверху.

Угол передней поверхности инструмента или просто “лицо” инструмента образует азимутное, или компасное, направление, в котором бурят наклонную часть скважины, когда работает забойный турбинный двигатель. После того как создана “лицевая” поверхность инструмента при медленном вращении бурильной колонны и после обследования выходных параметров различных устройств для определения ориентации, опускают забойный турбинный двигатель и буровое долото при невращающейся бурильной колонне, чтобы сохранять выбранное направление “лицевой” поверхности инструмента, и насосы для подачи бурового раствора приводят в действие для создания потока жидкости в бурильной колонне и забойном турбинном двигателе, таким образом сообщая вращательное движение выходному валу забойного турбинного двигателя и буровому долоту, которое прикреплено к нему. Наличие угла искривления понуждает долото бурить по кривой до тех пор, пока не будет достигнут желаемый наклон скважины. Для того чтобы пробурить участок скважины вдоль желаемого угла наклона и азимута, буровую колонну затем вращают так, что ее вращение накладывается на вращение выходного вала гидравлического забойного двигателя, что понуждает криволинейную часть просто идти вдоль оси скважины так, что буровое долото движется прямо вперед под тем углом наклона и по тому азимуту, которые были приняты. Если требуется, то то же самое буровое оборудование для направленного бурения может быть использовано до тех пор, пока не будет достигнута максимальная глубина скважины, чтобы повернуть скважину и направить по горизонтали, а затем пробурить ее в горизонтальном направлении в/или через продуктивную зону. Системы исследования при бурении обычно размещают в бурильной колонне над забойным турбинным двигателем для осуществления мониторинга процесса бурения скважины для того, чтобы можно было вводить корректирующие меры, если наблюдаются отклонения в различных параметрах скважины от заложенных в проекте.

Могут возникнуть различные проблемы, когда участки скважины бурят с использованием невращаемой бурильной колонны и с помощью забойного турбинного двигателя, приводимого в действие потоком бурового раствора. Реактивный крутящий момент, создаваемый при действии забойного турбинного двигателя, может вызвать существенное изменение направления “лица” инструмента так, что скважина может быть не заглублена по требуемому азимуту. Если направление не скорректировать, то скважина может пройти в точку, которая расположена слишком близко к другой скважине, скважина может “потерять” желаемую “подземную цель” или скважина может просто оказаться большей длины из-за “отклонения”. Эти нежелательные факторы могут привести к чрезмерному повышению стоимости бурения скважины и к снижению эффективности добычи ископаемого из подземного пласта, представляющего интерес. Кроме того, невращаемая бурильная колонна может создавать повышенное сопротивление трения, в результате чего меньший контроль за действием силы “веса на долото” может быть осуществлен, и скорость проходки бурового долота может снизиться, что может привести к существенному увеличению стоимости бурения. Конечно, невращаемая бурильная колонна скорее всего будет “затянута” в скважине, чем сможет вращаться там, где бурильная колонна проходит через проницаемую зону, что может вызвать значительное наращивание корки на стенках ствола буровой скважины.

Патентом, относящимся к существу настоящего изобретения, является патент США № 5113953, опубл. в 1992 г. В этом патенте описано устройство для направленного бурения и способ, при котором буровое долото присоединено к нижнему концу бурильной колонны посредством универсального шарнира.

Однако вал долота вращают с возможностью поворота в управляемой переходной муфте бурового инструмента при скорости, которая равна и противоположно направлена относительно скорости вращения бурильной колонны. Кроме того, угол расположения вала долота или удлинителя относительно оси вращения секции обсадной колонны является фиксируемым.

Другие патенты, относящиеся к настоящему изобретению: английские патенты GB № 2177738 В, GB № 2172324 В и GB № 2172325 В, опубл. в 1988 г. Эти патенты раскрывают буровые устройства, характеризующиеся использованием специальных элементов для изменения направления пробуриваемой скважины. В частности, в патенте № 2177738, названном “Управление направлением бурения при бурении стволов скважин”, описан буровой инструмент с управляющим стабилизатором, содержащим четыре исполнительных механизма. Однако исполнительные механизмы выполнены в форме гибких шлангов или труб, которые выборочно накачивают для приложения бокового усилия на переходную муфту бура с целью отклонения воротника бура, и таким образом изменяют направление ствола пробуриваемой скважины. Патент № 2172324 представляет интерес в отношении настоящего изобретения в том, что в нем представлен управляемый буровой инструмент, снабженный стабилизаторами с управляющим модулем, расположенным между ними, для выполнения управляемого отклонения бурильной штанги, для изменения направления пробуриваемой скважины. Патент № 2172325 представляет интерес в отношении настоящего изобретения в том, что в нем описан управляемый буровой инструмент, снабженный корпусом стабилизаторов, который содержит датчик и его удерживают в существенной степени в стационарном состоянии во время бурения с помощью устройства для предотвращения вращения. Движение бурильной штанги относительно узла, контактирующего со стенками, осуществляют путем приложения различного давления контролируемым образом к каждому из четырех исполнительных механизмов. Управление буровым долотом выполняют с помощью датчиков, чувствительных к отклонению направления бурильной штанги. В этом патенте указано, что гидравлические поршни могут быть использованы для создания отклоняющей силы, но конкретной конструкции не описано.

В патенте США № 5265682, опубл. в 1993 г., описано устройство для поддержания комплекта инструментов для бурения нисходящей скважины в стабилизированном от вращения положении с помощью крыльчатки. Стабилизированный от вращения инструментарий используют для модулирования давления жидкости, действующей на группу радиальных поршней, которые последовательно приводят в действие для подачи долота в требуемом направлении. Однако система управляемого бурового долота, описанная в этом патенте, использует поршни, которые реагируют на стенки ствола скважины, чтобы давить на долото в требуемом боковом направлении в скважине.

Принципиальной особенностью настоящего изобретения является создание нового бурового устройства, которое приводят в действие вращательной бурильной колонной или забойным турбинным двигателем, присоединенным к вращательной или невращательной бурильной колонне, и с помощью которого можно производить избирательное бурение криволинейных участков ствола скважины путем точного управления буровым долотом, которое вращают с помощью бурильной колонны и управляемого бурового инструмента.

Еще одной особенностью настоящего изобретения является создание нового активно контролируемого вращательного направленного устройства для бурения скважин, содержащего вал долота, который приводят во вращение посредством переходной муфты бура во время выполнения операции бурения и который установлен в средней части его длины для осуществления шарнирных перемещений в переходной муфте инструмента с целью геостационарного позиционирования вала долота и бурового долота относительно переходной муфты инструмента, чтобы, таким образом, постоянно нацеливать буровое долото, поддерживаемое таким образом под требуемыми углами наклона и азимута, для бурения криволинейного ствола скважины до предполагаемой цели.

Еще одной особенностью настоящего изобретения является создание нового активно управляемого вращательного направляемого устройства для бурения скважин, содержащего отклоняющую оправку или вал долота, который удерживают в стационарном положении под предварительно определенным наклоном и азимутом для нацеливания пробуриваемого ствола скважины в направлении предварительно определенной подземной цели.

Еще одной особенностью настоящего изобретения является создание нового активно контролируемого вращательного направляемого устройства для бурения скважин, содержащего в инструменте гидравлический насос, приводимый в действие буровым раствором, с помощью которого подают гидравлическую жидкость под давлением для управления положением отклоняющей оправки посредством соленоидно управляемого введения в действие гидравлически позиционируемых поршней, посредством которых выполняют геостационарное позиционирование шарнирной отклоняющей оправки с целью управления буровым долотом.

Еще одной особенностью настоящего изобретения является создание нового активно контролируемого вращательного направляемого устройства для бурения скважин, содержащего “на борту” электронные средства для энергопитания, чувствительные датчики положения и системы управления, установленные по всей длине невращаемого компонента инструмента и, таким образом, защищенные от возможных повреждений, которые могут быть вызваны вращением.

Еще одной особенностью настоящего изобретения является создание нового активно контролируемого вращательного направляемого устройства для бурения скважин, содержащего стабилизирующую переходную муфту, внутри которой установлены с возможностью вращения вращаемые компоненты управляемого бурового инструмента, так что стабилизирующую переходную муфту не приводят во вращение, и, таким образом, ей предоставлена возможность скольжения или медленного вращения под действием внутреннего трения инструмента, которое может преодолеть трение переходной муфты инструмента о стенки ствола скважины, когда эту муфту перемещают вдоль стенки ствола скважины во время бурения.

Еще одной особенностью настоящего изобретения является создание нового активно контролируемого вращательного направляемого устройства для бурения скважин, содержащего в существенной степени невращаемую поворотную муфту инструмента и удлиненные изогнутые эластичные стабилизирующие лопасти, с помощью которых поддерживают контакт скольжения со стенками ствола скважины во время бурения.

Целью настоящего изобретения является создание системы или инструментальной структуры, которая в отличие от устройства с фиксированным углом, описанным в патенте США № 5113953, предназначена для варьируемого позиционирования вала долота или оправки.

Другой целью изобретения является создание вместо управляющих устройств с гибким шлангом в соответствии с Английскими патентами GB 2177738 В, GB 2172324 В и GB 2172325 В системы или инструментальной структуры, которой обеспечивают управление буровым долотом путем гидравлического удерживания отклоняющей оправки, к которой присоединено долото.

Еще одной целью изобретения является создание вместо управляющих устройств, предложенных в Английском патенте GB 2172325 В, системы или инструментальной структуры, которой обеспечивают управление буровым долотом посредством гидравлического удерживания отклоняющей оправки, к которой присоединено буровое долото, в геостационарном положении и ориентированной относительно шарнира или точки поворота, расположенной внутри скользящей переходной муфты инструмента, в то время как отклоняющую оправку приводят во вращение внутри скользящей переходной муфты инструмента.

И наконец, еще одной целью изобретения является создание вместо системы управления буровым долотом в соответствии с патентом США № 5265682 системы, содержащей гидравлическую систему, как это описано, для поддержания вала долота в геостационарном и в угловом отношении сориентированным относительно скользящей переходной муфты инструмента, чтобы удерживать буровое долото нацеленным в требуемом направлении скважины. Изобретение далее отличается тем, что гидравлическая система позиционирования вала долота, с помощью которой позиционируют ось вала долота в его шарнирном отклонителе или опоре универсального шарнира, расположена внутри скользящей переходной муфты инструмента, чтобы удерживать буровое долото нацеленным в требуемом направлении. Настоящее изобретение отличается далее от решений, используемых в данной области техники, сборкой управляемого забойного турбинного двигателя, толкателя и гибкого переходника бурового устройства, которые могут быть установлены в любой подходящей сборке для обеспечения направленного управляемого процесса бурения, избирательно снабжаемого энергией от вращаемой бурильной колонны, забойного турбинного двигателя или от обоих устройств вместе так, чтобы обеспечить возможность точного контроля действия веса на долото и точность ориентирования бурового долота во время бурения. И наконец, активно контролируемое вращательное направленное устройство для бурения скважин, выполненное в соответствии с настоящим изобретением, содержит различные системы для точного определения положения и для управления положением в ответ на управляющие сигналы. Таким образом, в объем настоящего изобретения входят различные датчики положения и электронные средства инструмента, расположенные в скользящей переходной муфте бурового инструмента, скорее чем во вращаемом компоненте, для обеспечения точности и продолжительного срока службы устройства.

Коротко говоря, различные цели и особенности настоящего изобретения реализуют посредством создания активно управляемого вращательного направляемого бурового устройства, содержащего вращаемую приводную оправку, которая присоединена непосредственно к вращаемому приводному компоненту бурильной колонны, например, выходному валу забойного турбинного двигателя или вращаемой бурильной колонне, которую приводят с помощью буровой установки. Отклоняющая оправка, которую также иногда в данной заявке называют валом долота, установлена внутри скользящей поворотной муфты инструмента посредством универсальной опоры или шарнирного бурового отклонителя и с возможностью вращения непосредственно с помощью вращаемой приводной оправки с целью выполнения бурения. Нижняя часть отклоняющей оправки выступает из нижнего конца скользящей переходной муфты инструмента и обеспечивает место сочленения, к которому буровое долото присоединено резьбовым соединением. В соответствии с концепцией настоящего изобретения ось отклоняющей оправки поддерживают нацеленной в заданном направлении, которое наклонено под варьируемым углом относительно оси вращаемой приводной оправки во время вращения отклоняющей оправки с помощью вращаемой приводной оправки, обеспечивая таким образом возможность того, чтобы буровое долото производило бурение криволинейной скважины вдоль кривизны, которую определяют выбранным углом. Прямолинейная скважина может быть пробурена путем установки угла между осью вала долота и осью инструмента, равного нулю.

Угол между осью вращаемой приводной оправки и осью отклоняющей оправки поддерживают с помощью ряда гидравлических поршней, которые размещены внутри скользящей переходной муфты инструмента и которыми выборочно управляют и позиционируют с помощью реагирующих на сигналы датчиков электромагнитных клапанов, чтобы поддерживать ось отклоняющей оправки геостационарно и под предварительно определенными углами наклона и азимута. Кроме того, эти предварительно определенные углы наклона и азимута можно избирательно регулировать с помощью управляющих сигналов, генерируемых на поверхности, сигналов, генерируемых компьютером, сигналов, генерируемых датчиками, или комбинацией сигналов. Таким образом, вращаемым управляемым буровым инструментом, выполненным в соответствии с настоящим изобретением, можно управлять в то время, когда инструмент находится на глубине в скважине и во время бурения, для контролируемого изменения угла отклоняющей оправки относительно скользящей переходной муфты инструмента, что требуется с целью контролируемого управления буровым долотом, которое поворачивают с помощью отклоняющей оправки инструмента.

Крутящий момент передают от вращаемой приводной оправки к отклоняющей оправке непосредственно через шарнирное приводное соединение. Кроме того, гидравлические позиционирующие поршни оправки являются сервоуправляемыми для гарантирования того, чтобы предварительно определенное “лицо” инструмента сохранялось при наличии внешних возмущений. Так как инструмент должен всегда оставаться в геостационарном положении, отклоняющую оправку удерживают в ее геостационарном положении внутри скользящей переходной муфты инструмента с помощью гидравлически вводимых в действие поршней, которые установлены с возможностью перемещения внутри скользящей переходной муфты инструмента. Эта цель достигается с помощью автоматического, управляемого соленоида, введения в действие с использованием гидравлических средств позиционирующих поршней, положением которых с высокой точностью управляют в ответ на сигналы от различных датчиков положения и в ответ на различные силы, которые имеют тенденцию изменять ориентацию оси скользящей переходной муфты инструмента и отклоняющей оправки.

Для повышения гибкости действия активно контролируемого вращательного управляемого бурового инструмента обеспечена возможность выборочного введения в состав инструмента множества электронных чувствительных элементов, измерительных средств, систем обратной связи и позиционирования. В трехкоординатной системе позиционирования инструмента могут быть использованы магнитные датчики для определения магнитного поля земли и могут быть использованы акселерометры и гироскопические датчики для точного определения положения инструмента в любой момент времени. Для управления вращательным направляемым буровым инструментом его обычно оснащают тремя акселерометрами и тремя магнитометрами. Один гироскопический датчик обычно устанавливают внутри инструмента для обеспечения обратной связи по скорости вращения для способствования стабилизации оправки, хотя может быть использовано множество гироскопических датчиков без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Система обработки сигналов от электронных средств, находящихся “на борту” инструмента, обеспечивает измерения положения в реальном времени, в то время когда отклоняющую оправку инструмента приводят во вращение.

Датчики и система обработки данных электронных средств инструмента также обеспечивают возможность постоянного измерения азимута и реального угла наклона по мере бурения так, что неотложные меры для корректировки могут быть предприняты в реальном времени без необходимости прерывания процесса бурения. Инструмент содержит цепь управления, основанную на его расположении, в которой используют магнитные датчики, акселерометры и гироскопические датчики для генерирования сигналов положения для контролирования ориентации оси отклоняющей оправки. Также с точки зрения операционной гибкости инструмент может содержать систему обратной связи, средства для определения гамма-излучения, для каротажа сопротивления, каротажа плотности и пористости, акустического каротажа, для формирования изображения ствола скважины, датчики наблюдения за тем, что впереди и вокруг, и для измерения уклона у долота, скорости вращения долота, вибрации, веса, действующего на долото, крутящего момента на долоте и, например, бокового усилия, действующего на долото.

Кроме того, электронные средства и контрольный инструментарий вращательного направляемого бурового инструмента обеспечивают возможность программирования действия инструмента с поверхности так, чтобы задать или изменять азимут и наклонение и задать или изменять соотношение угла кривизны между отклоняющей оправкой и переходной муфтой инструмента. Электронная память электронной системы “на борту” инструмента может сохранять, использовать и передавать весь профиль ствола скважины и выполнять геоуправляемые возможности на глубине скважины так, что ее можно использовать от начала до расширенного бурения. Кроме того, гибкий переходник может быть использован с инструментом для отделения вращательного направляемого бурового инструмента от остальной части сборки, находящейся в нижней части ствола скважины, и бурильной колонны, и позволяет вести проводку скважины с помощью электронной системы вращательного управляемого бурильного устройства.

В дополнение к другим чувствительным элементам и измерительным средствам настоящего изобретения активно контролируемый вращательный направляемый буровой инструмент может быть также оснащен индукционной катушкой для телеметрии или катушками для передачи каротажа и информации о процессе бурения, которая была получена во время процессов бурения, в систему исследований при бурении по двум направлениям через гибкий переходник и другие измерительные переходники. Для осуществления индукционной телеметрии вращательный направляемый буровой инструмент может также содержать индуктор в переходной муфте инструмента. Инструмент может также содержать передатчики и приемники, расположенные в предварительно определенных, отстоящих друг от друга в осевом направлении местах так, чтобы таким образом генерировать сигналы, которые преодолевали бы предварительно определенные расстояния в подземных пластах рядом со скважиной, чтобы таким образом измерять его удельное сопротивление в то время, когда процесс бурения находится в развитии.

Электронные блоки для определения удельного сопротивления инструмента, так же как и электронные блоки для различных измерений и контрольных систем, размещены внутри переходной муфты инструмента, который, как упомянуто выше, может скользить вдоль стенки ствола скважины или может медленно вращаться, скорее чем его можно вращать вместе с вращаемыми компонентами инструмента. Таким образом электронные блоки защищены от потенциальной возможности повреждения в результате вращения по мере ведения буровых операций.

В предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения гидравлический насос размещен внутри скользящей переходной муфты вращательного направляемого бурового инструмента для создания гидравлического давления в бортовой гидравлической системе инструмента, для приведения в действие гидравлически задействуемых компонентов. Гидравлический насос приводят в действие путем относительного вращения вращаемой приводной оправки относительно трубчатой скользящей переходной муфты инструмента путем прямого вращательного взаимодействия либо через последовательность зубчатых передач, чтобы обеспечить оптимальный диапазон скоростей вращения гидравлического насоса относительно скорости вращения вращаемой приводной оправки. Гидравлическую жидкость под давлением контролируемо подают в камеры поршней, реагирующих на сигнал датчика, вызывающий введение в действие электромагнитных клапанов для поддержания оси отклоняющей оправки геостационарно и под требуемыми углами наклона и азимута во время бурения. Гидравлическое давление, создаваемое гидравлическим насосом, может также быть использовано в бортовой системе, включающей дифференциальные трансформаторы линейного напряжения (ДТЛН), предназначенные для измерения радиального смещения эластичных лопастей, препятствующих вращению, для идентификации точного положения активно контролируемого вращательного направляемого инструмента относительно центральной оси пробуреваемой скважины. ДТЛН также используют для определения смещения поршней, предназначенных для введения в действие оправки, и для генерирования сигналов смещения, которые обрабатывают и используют для контролирования гидравлического действия поршней.

С целью обеспечения механической эффективности согласно предпочтительному варианту исполнения в системе позиционирования отклоняющей оправки используют универсальную опору отклоняющей оправки в форме любого подходящего универсального шарнира или шарнирного бурового отклонителя для обеспечения отклоняющей оправки эффективной опорой как в осевом направлении, так и для восприятия крутящих моментов, и в то же время для снижения до минимума трения в универсальном шарнире. Трение в универсальном шарнире также сводят к минимуму путем обеспечения наличия смазочного масла вокруг его компонентов и путем исключения попадания бурового раствора в универсальный шарнир, в то же время обеспечивая существенное циклическое управляющее движение отклоняющей оправки относительно переходной муфты инструмента и вращаемой приводной оправки во время бурения. Универсальный шарнир обычно может иметь форму суставов позвонков; универсальный шарнир может включать шлицы и кольца, или универсальный шарнир может включать множество шариков, которые обеспечивают относительное угловое расположение оси отклоняющей оправки относительно оси вращаемой приводной оправки, которая расположена внутри и концентрично относительно воротника инструмента.

Энергопитание для управления и работы электромагнитных клапанов и электронных систем бурового инструмента генерируют находящимся “на борту” генератором переменного тока, который также приводят в действие путем вращения вращаемой приводной оправки относительно скользящей переходной муфты инструмента при относительном вращении, передаваемом через систему передач для вращения вала генератора переменного тока в диапазоне скоростей вращения, который достаточен для обеспечения на выходе электрической энергии, которая необходима для различных электронных систем инструмента. Электрический выход генератора переменного тока может быть также использован для подзарядки блока электробатарей, от которых производят электропитание бортовой электроники и работы различного другого бортового оборудования в те периоды времени, когда генератор переменного тока не задействован с помощью потока жидкости.

Для того чтобы способ, посредством которого достигаются упомянутые выше возможности, преимущества и цели настоящего изобретения, мог быть понят в деталях, более подробное описание изобретения, кратко изложенное выше, приведено ниже со ссылками на предпочтительный вариант его исполнения, который проиллюстрирован на прилагаемых фигурах.

Следует, однако, отметить, что на прилагаемых фигурах проиллюстрирован только типичный вариант исполнения настоящего изобретения, и поэтому их не следует рассматривать как ограничивающие объем изобретения, так как оно может быть воплощено в других эквивалентных и эффективных вариантах исполнения.

На фигурах изображено следующее:

фиг.1 представляет схематический вид скважины, которую бурят в соответствии с настоящим изобретением, на котором показано отклонение нижней части ствола скважины, выполненное с помощью активно управляемого вращательного направляемого бурового устройства и с использованием предлагаемого способа;

фиг.2 - альтернативный схематический вид, на котором показан вращательный направляемый буровой инструмент, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, соединенный для привода с забойным турбинным двигателем;

фиг.3 - верхняя часть вращательного направляемого бурового устройства в разрезе, выполненного в соответствии с принципами настоящего изобретения;

фиг.4 - нижняя часть вращательного направляемого бурового устройства, представленного на фиг.3, и часть бурового долота, соединенного с ним, в разрезе, для выполнения бурения;

фиг.5 - сечение V-V на фиг.4, на котором показаны гидравлически приводимые в действие позиционирующие поршни отклоняющей оправки и возвращающие элементы поршней и схематическое изображение гидравлической цепи управления системы приведения в действие гидравлических поршней вращательного направляемого бурового инструмента.

На фиг.1 показана скважина 10, пробуренная буровым долотом 12, которое присоединено к нижнему концу бурильной колонны 14, направленной вверх к поверхности, где ее приводят в действие с помощью ротора 16 обычной буровой установки (на чертеже не показана). Бурильная колонна 14 обычно содержит бурильную трубу 18, имеющую один или несколько переходных муфт 20, соединенных с ней с целью приложения силы веса к буровому долоту 12. Ствол скважины 10 имеет вертикальную или, в основном, вертикальную верхнюю часть 22 и отклоненную криволинейную или горизонтальную нижнюю часть 24, которая пробурена под контролем активно контролируемого вращательного направляемого бурового инструмента 26, который выполнен в соответствии с настоящим изобретением. Для обеспечения гибкости, которая необходима при проходке криволинейной нижней части 24 ствола скважины, нижняя часть бурильной трубы 28 может быть использована для соединения удлинителей (утяжеленных бурильных труб) 20 с буровым инструментом 26 так, чтобы удлинители оставались в верхней вертикальной части 22 ствола скважины 10. Нижняя часть 24 ствола скважины 10 должна быть отклонена от вертикального направления верхней части 22 путем управляемого действия бурового инструмента 26 в соответствии с принципами, раскрытыми в настоящей заявке. Бурильная труба 28, показанная непосредственно рядом с вращательным направляемым буровым инструментом 26, может содержать гибкий переходник, с помощью которого можно сообщать инструменту 26 повышенную точность бурения. В соответствии с обычной практикой буровой раствор нагнетают насосом, расположенным на поверхности (на чертеже не показан), вниз через бурильную колонну 14, где он выходит через форсунки, которые выполнены в буровом долоте 12, и возвращается на поверхность по каналу 30 кольцевого сечения между бурильной колонной 14 и стенками ствола скважины 10.

Как будет описано более подробно ниже, вращательный направляемый буровой инструмент 26 выполнен и расположен так, чтобы обеспечить буровым долотом 12, прикрепленным к нему, бурение вдоль криволинейной траектории, определяемой контролирующими средствами бурильного инструмента 26. Угол расположения отклоняющей оправки, поддерживающей буровое долото 12 в контролируемом угловом положении относительно переходной муфты бурового инструмента, поддерживают даже тогда, когда буровое долото и промежуточную вращаемую приводную оправку бурового инструмента приводят во вращение бурильной колонной, забойным турбинным двигателем или с помощью других вращающих механизмов, таким образом обеспечивая управление буровым долотом при бурении криволинейной части ствола скважины. Управление буровым инструментом осуществляют избирательно с точки зрения наклона и с точки зрения азимута. Кроме того, установки отклоняющей оправки вращательного направляемого бурового инструмента могут быть изменены при желании, например, с помощью телеметрии по пульсации давления бурового раствора для обеспечения буровым долотом избирательного изменения направления пробуриваемого ствола скважины так, чтобы таким образом направлять отклоняемую часть ствола скважины относительно осей X, Y и Z для точного управления буровым долотом, и, таким образом, осуществлять точный контроль за пр