EA010696B1

EA010696B1 - Система и способ для бурения скважины

Info

Publication number: EA010696B1
Application number: EA200701082A
Authority: EA
Inventors: Бенджамин Джеффрайс
Original assignee: Шлюмбергер Текнолоджи Б.В.
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2005-11-16
Publication date: 2008-10-30
Also published as: NO20150771L; NO337548B1; US20080245568A1; US20120103693A1; NO20072185L; GB0425312D0; US8109345B2; EA012897B1; EA200801237A1; EA200701082A1; NO336737B1; US8567527B2; GB2420358B; WO2006054079A1; GB2420358A

Abstract

Предложены система и способ бурения ствола скважины, при этом система включает в себя долото вращательного бурения, имеющее корпус с множеством механических резцов для срезания пластового материала по мере образования ствола скважины, и устройство для подведения энергии к пласту для обеспечения растрескивания окружающего материала с целью для облегчения бурения по направлению подвода энергии.

Description

Предшествующий уровень техники

Необходимые продуктивные текучие среды существуют в различных подземных условиях. К текучим средам можно получить доступ и добыть их путем бурения скважин, то есть стволов скважин, в подземный пласт, содержащий такие текучие среды. Например, для добычи нефти пробуривают один или несколько стволов скважин в или через пласт, содержащий нефть. Нефть втекает в ствол скважины, из которого ее извлекают в заданное место сбора. Стволы скважин могут быть использованы для выполнения ряда относящихся к ним процедур, таких как процедуры нагнетания. Иногда стволы скважин пробуривают большей частью вертикально, но при других применениях используют горизонтальные или искривленные стволы скважин.

Стволы скважин обычно пробуривают буровым долотом, имеющим резец, вращающийся относительно пластового материала, для вырезания буровой скважины. Искривленные интервалы ствола скважины могут быть образованы путем прижима долота, когда для изменения направления бурения долото прижимают к стенке ствола скважины при его вращении. При других применениях искривленный ствол скважины может быть образован наведением долота в нужное направление, а также использованием груза на долоте для перемещения его в нужное направление. Еще один вариант заключается в использовании несимметричного долота и импульсной силы, прикладываемой к долоту для направления бурения в нужном направлении. Однако при различных применениях каждому из этих способов присущи проблемы. Например, проблемы могут возникать, когда размер ствола скважины переоценен или порода в буровой скважине слишком мягкая. Другие проблемы могут встречаться при попытке бурения через твердые слои при относительно большом угле. В этой последней ситуации для бурового долота характерна тенденция проходить в более мягкую породу и в недостаточной мере проникать в более твердые слои породы.

В публикации международной патентной заявки ^02005/054620 описаны различные электроимпульсные буровые долота, в том числе примеры, согласно которым удаление обломков выбуренной породы осуществляется механическими резцами или скребками, и примеры с отсутствием вращения, согласно которым электрические импульсы подаются в заданном направлении.

Сущность изобретения

В общем, согласно настоящему изобретению предложены система и способ для бурения стволов скважин в различных условиях. Для облегчения вырезания буровых скважин узел бурового долота содержит устройство для подведения энергии к пласту. Хотя, в целом, система и способ могут быть использованы для образования различных стволов скважин, система особенно полезна в качестве устройств для направленного бурения, используемого для образования искривленных стволов скважин.

Краткое описание чертежей

Некоторые варианты осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:

фиг. 1 изображает систему для бурения скважины согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 2 - схематический вид варианта бурового устройства, который может быть использован в системе, показанной на фиг. 1;

фиг. 3 - схематический вид воплощения бурового долота, содержащего устройство для подведения энергии, которое может быть использовано в системе, показанной на фиг. 1;

фиг. 4 - схематический вид альтернативного воплощения бурового долота, содержащего устройство для подведения энергии, которое может быть использовано в системе, показанной на фиг. 1;

фиг. 5 - схематический вид еще одного альтернативного воплощения бурового долота, содержащего устройство для подведения энергии, которое может быть использовано в системе, показанной на фиг. 1;

фиг. 6 - вид спереди бурового устройства, расположенного в горизонтальном стволе скважины, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 7 - вид спереди еще одного воплощения бурового устройства согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг. 8 - вид спереди еще одного воплощения бурового устройства, расположенного в скважине, согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание

Для обеспечения понимания настоящего изобретения в нижеследующем описании изложены многочисленные подробности. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение может быть применено на практике без этих подробностей и что возможны многочисленные изменения или модификации к описанным вариантам осуществления.

В общем, настоящее изобретение относится к бурению стволов скважин. Буровое устройство используют для образования, в целом, вертикальных и/или искривленных стволов скважин. Устройство для подведения энергии используют для раздробления, раскалывания или ослабления пластового материала, когда буровое устройство перемещается через подземный пласт. Устройство для подведения энергии облегчает процесс бурения и также может быть использовано в устройстве для направленного бурения для облегчения бурения, например, искривленных стволов скважин. Однако устройства и способы на

- 1 010696 стоящего изобретения не ограничены использованием в конкретных областях применения, которые описываются в настоящей заявке.

На фиг. 1 показана система 20 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 20 содержит буровое устройство 22, используемое для формирования ствола 24 скважины. Буровое устройство 22 перемещается в подземном пласте посредством соответствующей бурильной колонны 26 или другой системы перемещения. Часто ствол 24 скважины пробуривают от поверхности 28 вниз до требуемого пласта 30. Согласно показанному варианту осуществления ствол 24 скважины имеет большей частью вертикальный интервал 32, который переходит в искривленный интервал 34, когда буровое устройство 22 направляют для образования бокового ствола скважины.

В данном варианте буровое устройство 22 является устройством для вращательного, направленного бурения, имеющим один или несколько фиксированных резцов 36, которые вращаются относительно пласта 30, срезая пластовый материал при образовании ствола скважины. Буровое устройство 22 также содержит устройство 38 для подведения энергии, используемое для раскалывания, разрушения или ослабления пластового материала вблизи бурового устройства 22 при образовании ствола 24 скважины. Устройство 38 осуществляет подведение энергии, например электромагнитной энергии, к пласту для раздробления или иного повреждения пластового материала. Эта не создающая резания энергия дополняет действие резцов 36, облегчая задачу образования ствола 24 скважины. Кроме того, не создающая резания энергия может быть направлена на определенные области пласта 30 для обеспечения возможно сти направления бурового устройства 22 даже сквозь твердые или в других отношениях трудные для резания пластовые материалы.

На фиг. 2 согласно одному варианту осуществления схематически показаны элементы бурового устройства 22. В буровом устройстве 22 использовано буровое долото 40, имеющее корпус 41 долота и один или несколько механических резцов 36 для резания пластового материала. Механические резцы закреплены на корпусе 41 долота. Буровое долото 40 вращается посредством источника 42 механической энергии, такого как электродвигатель, который может вращать бурильную колонну 26, находясь на поверхности или в забое скважины, и также может вращаться посредством скважинного электродвигателя или другого средства, такого как гидравлический двигатель, примерами которого являются объемные двигатели и турбины. Кроме того, электрическая энергия подается от источника 44 электропитания. Электрическая энергия может быть использована для питания устройства 38, предназначенного для обеспечения управляемого раздробления пластового материала вблизи бурового долота. Кроме того, для управления подведением энергии к окружающему пластовому материалу может быть использован блок 4 6 управления подведением энергией.

Использование направленной энергии в сочетании с механическим долотом улучшает резание пластовых материалов, особенно таких материалов, как твердая порода. Направленная энергия может быть подведена к пласту 30 с помощью, например, элементов 48 для подведения энергии, которые распределены по окружности бурового долота 40. Как рассматривается более подробно ниже, такие элементы 48 могут быть использованы для бокового резания, то есть вызывающего поворот бурового устройства 22 в требуемую сторону при подаче энергии к элементам на боковой поверхности долота, которая соответствует требуемому изменению направления. Если скорость поворота становится чрезмерной, избирательная подача энергии на определенные элементы 48 может быть прервана на некоторое время или больше энергии может быть распределено к другим боковым поверхностям бурового долота для увеличения выемки породы в других местах около бурового долота 40. Примером направленной энергии является электромагнитная энергия, которая может быть подведена в нескольких различных формах.

Примеры буровых долот 40, объединенных с устройствами 38 подведения направленной энергии, дополнительно показаны на фиг. 3-5. На чертежах показаны несколько воплощений, пригодных для использования электромагнитной энергии при создании трещин в подземных материалах с целью образования буровых скважин. Для примера, на фиг. 3 элементы подведения направленной энергии содержат множество волноводов 50, таких как волоконно-оптические кабели или элементы, заполненные газом/жидкостью. Согласно этому воплощению электрическая энергия, вырабатываемая источником 44 электропитания, является импульсной и преобразуется лазером 52 в импульсную оптическую энергию. Энергия лазера направляется к пластовому материалу, окружающему буровое долото 40, по волноводам 50. Энергией лазера нагреваются порода и любая текучая среда, содержащаяся в пласте, до уровня, при котором порода разрушается за счет наведенного термически раскалывания, расширения порового флюида или расплавления материала. Целевой или пластовый материал, на который направляется энергия лазера, может отслеживаться с помощью блока 46 управления. Например, переключающая система может быть использована для направления импульсной оптической энергии в определенные волноводы 50, которые расположены вдоль одной боковой поверхности бурового долота 40. Это облегчает направленный поворот бурового долота с целью образования, например, бокового ствола скважины.

Согласно еще одному воплощению, показанному на фиг. 4, элементы 48 для подведения энергии содержат множество электродов 54. Электроды 54 могут быть использованы при подведении электромагнитной энергии к материалу, окружающему буровое долото 40, с целью разрывания материалов и повышения потенциальных возможностей бурового снаряда при образовании ствола скважины. Соглас

- 2 010696 но этому конкретному воплощению электроды 54 используют для электрогидравлического бурения, при котором буровое долото 40 и устройство 38 для подведения энергии погружают в текучую среду. Выбранные электроды 54 изолируют от провода заземления, подключают к высокому напряжению и поднимают напряжение до возникновения разряда через текучую среду. Этим создают локальное расширение текучей среды и, следовательно, импульс давления. В результате приложения импульса давления вблизи пластового материала, окружающего буровое долото 40, материал раскалывается или разрывается на куски. Это разрушение материала может быть усилено путем использования группы фазированных электродов. И в этом случае путем подачи электрической энергии на выбранные электроды 54 разрушение окружающего материала может быть сконцентрировано вдоль одной боковой поверхности бурового долота 40, в результате чего повышается возможность поворота бурового устройства 22 в это конкретное направление.

Устройство 38 для подведения энергии согласно еще одному воплощению показано на фиг. 5. В данном воплощении для подачи электрических импульсов на электроды 56 электрическая энергия обеспечивается источником 44 электропитания, а регулируется блоком 46 управления энергии. Электрическими импульсами обеспечивается возможность электрического импульсного бурения, при котором электрический потенциал разряжается через окружающую породу, а не через окружающую текучую среду, как при электрогидравлическом бурении. При разряде напряжения через породу вблизи электродов 56 порода или другой материал растрескивается, что облегчает образование ствола 24 скважины. Как и в случае других воплощений, описанных выше, для повышения управляемости бурового устройства 22 электрическая энергия может избирательно подводится к электродам 56 вдоль одной боковой поверхности бурового долота 40.

В воплощениях, рассмотренных выше, элементы 48 подведения направленной энергии вращаются вместе с буровым долотом 40. Поэтому нет необходимости в том, чтобы компоненты оставались механически неподвижными относительно окружающего пласта. Однако в других конструкциях и при других применениях можно использовать неподвижные компоненты, такие как неподвижное устройство для подведения энергии.

Кроме того, элементы 48 для подведения энергии могут быть скомпонованы с образованием ряда конфигураций и расположены в различных местах. Как показано, каждый из элементов 48 может проходить до торца 58 бурового долота 40. Это способствует передаче энергии к близлежащему окружающему пластовому материалу, что усиливает разрушение близлежащего пластового материала.

Буровое долото 40 может иметь различные компоновки механических резцов 36, соединенных с корпусом 41 долота. Например, механические резцы 36 могут быть прикреплены к корпусу 41 долота и/или буровое долото может быть образовано в виде долота со смещенным центром. Кроме того, в буровом долоте 40 могут быть образованы промывочные каналы 60 для пропускания по ним бурового раствора. Промывочные каналы 60 могут быть образованы непосредственно в корпусе 41 долота, или они могут быть образованы в сменном сопле, предназначенном для выпуска бурового раствора через торец 58 долота. Буровой раствор, пропускаемый по промывочным каналам 60, способствует вымыванию обломков выбуренной породы от бурового долота 40. Следует отметить, что это только небольшая часть примеров многих возможных вариантов бурового долота 40 и что буровые долота других видов могут быть использованы совместно с устройством 38 для подведения энергии.

На фиг. 6 показан детализированный вариант бурового устройства 22, которое представляет собой устройство для вращательного направленного бурения. Данное буровое устройство 22 содержит утяжеленные бурильные трубы 62, через которые проходит проточный канал 64 для подведения бурового раствора к выпускным промывочным каналам 60, проходящим через торец 58 долота. В показанном воплощении проточный канал 64 находится вблизи центральной линии утяжеленных бурильных труб 62, а другие компоненты окружают проточный канал. Однако согласно альтернативному воплощению компоненты могут находится вблизи центральной линии, а буровой раствор может быть направлен по кольцевому каналу.

Как показано, устройство 38 для подведения энергии содержит элементы 48 для подведения энергии в виде электродов 56, окруженных изоляционным материалом 66. Электрическая энергия вырабатывается, например, турбиной 68, расположенной в устройстве 22. Однако вырабатывающая электрическую энергию турбина 68 также может быть расположена на удалении от устройства 22. Электрическая энергия, вырабатываемая турбиной 68, используется для зарядки устройства 70 для создания периодической пульсирующей энергии. Согласно этому воплощению устройство 70 для создания пульсирующей энергии расположено между турбиной 70 и буровым долотом 40, однако, эти компоненты могут быть размещены в других местах. Одним примером устройства 70 является генератор Маркса.

Импульсы с выхода устройства 70 могут быть сжаты магнитным компрессором 72 импульсов. Например, при некоторых применениях импульсы с выхода устройства 70 могут не иметь достаточно устойчивой скорости нарастания, необходимой для электрического импульсного бурения. При таких применениях для сжатия импульсов может быть использован магнитный компрессор 72 импульсов. В промежутках между разрядами через электроды 56 отдельные импульсы могут быть подключены между другими электродами 56. Как рассмотрено выше, использование определенных электродов, расположен

- 3 010696 ных, например, вдоль одной боковой поверхности бурового долота 40, значительно повышает управляемость бурового устройства 22.

Более эффективная управляемость в течение поворота бурового устройства 22 может быть достигнута с помощью блока 46 управления подведением энергии, который согласно этому воплощению содержит блок 74 задающих направление датчиков. Блок 74 датчиков содержит, например, акселерометры 16 и магнитометры 78 для определения, между какими электродами должен быть осуществлен импульсный разряд для сохранения или изменения направления бурения. В этом варианте электроды 56 размещены с образованием симметричной конфигурации вокруг передней поверхности бурового долота 40. Однако для других применений могут быть выбраны иные компоновки элементов 48 для подведения направленной энергии. Кроме того, для более эффективного образования обломков выбуренной породы и обеспечения большей управляемости бурового устройства 22 устройство 38 для подведения энергии используют совместно с механическими резцами 36.

Буровое устройство 22 согласно еще одному воплощению показано на фиг. 7. Буровое устройство 22 содержит акустическую систему 80 для формирования изображения, предназначенную для формирования изображения забоя скважины в процессе бурения. Акустическая система 80 содержит, например, секцию 82 акустических приемников, снабженную акустическим приемником, а обычно множеством акустических приемников 84. Только для примера, акустические приемники 84 могут содержать пьезоэлектрические преобразователи. Секция 82 акустических приемников может быть образована в виде втулки, соединенной с демпфирующей секцией 86. Демпфирующая секция 86 может быть выполнена из металла, способного обеспечивать затухание акустических волн, проходящих сквозь него к акустическим приемникам 84. Иначе говоря, в данном варианте электроды 56 образуют акустический источник во время электрических разрядов, используемых для разрушения пластового материала. Акустические приемники 84 используются для обнаружения излученных акустических волн после отражения от различных материалов, образующих пласт породы, и этим обеспечивается формирование изображения пласта вниз по скважине в процессе бурения.

Следует отметить, что устройство 38 для подведения энергии может быть использовано в различных буровых устройствах и при различных применениях. Например, хотя использование не создающей резания направленной энергии значительно способствует управляемости бурового устройства, использование устройства 38 также облегчает прямолинейное бурение. Как показано на фиг. 8, устройство 38 может быть использовано совместно с рядом буровых долот 40, в том числе с буровыми долотами без механических резцов. Значительной подведенной энергией можно в достаточной степени разрушать пластовые материалы без механического резания. Как и в обычных системах, получающиеся в результате обломки горной породы могут вымываться буровым раствором. Кроме того, размер, число и компоновку элементов 48 подведения направленной энергии можно изменять в соответствии с конструкцией бурового устройства 22, размером ствола 24 скважины, информацией об обнаруживаемых материалах 30 и другими факторами, влияющими на образование буровой скважины.

Кроме того, буровое устройство 22 пригодно для использования совместно с другими или дополнительными компонентами или буровыми долотами других типов. Например, устройство 38 для подведения энергии можно сочетать с буровыми системами, имеющими различные конфигурации. В дополнение к этому, устройство для подведения энергии можно сочетать с альтернативными устройствами для направленного бурения, включающими в себя буровые устройства с наведением долота и с прижимом долота.

В соответствии с изложенным, хотя выше подробно описаны только несколько вариантов осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть без труда понятно, что многочисленные модификации возможны без существенного отступления от идей этого изобретения. Поэтому такие модификации предполагаются включенными в объем этого изобретения, обозначенный в формуле изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система для бурения скважины в пласте, содержащая буровое долото с корпусом, снабженным множеством механических резцов для срезания пластового материала при образовании ствола скважины, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство для подведения к пласту электромагнитной энергии, обеспечивающей растрескивание окружающего материала для облегчения бурения по направлению подведенной энергии.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок управления, задающий направление подводимой электромагнитной энергии.
3. Система по п.2, отличающаяся тем, что блок управления содержит магнитометр.
4. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство для подведения электромагнитной энергии является лазером.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство является электрогидравлическим устройством.
6. Система по п.1, отличающаяся тем, что устройство для подведения электромагнитной энергии для подведения электромагнитной энергии

- 4 010696 является устройством формирования электрических импульсов.
7. Способ бурения скважины в пласте, в котором скважину в пласте бурят с использованием долота вращательного бурения, имеющего множество механических резцов для резания пластового материала при образовании ствола скважины, отличающийся тем, что к пласту дополнительно подводят электромагнитную энергию для растрескивания участков пласта, ближайших к буровому долоту.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что к пласту подводят электромагнитную энергию для бокового резания с целью образования искривленного ствола скважины.
9. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют энергию лазера.
10. Способ по п.7, отличающийся тем, что используют электрические импульсы.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что электрические импульсы подают через текучую среду.
12. Способ по п.10, отличающийся тем, что электрические импульсы подают через материал породы пласта.
13. Способ по п.7, отличающийся тем, что электромагнитную энергию дополнительно используют для формирования изображения.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что помещают акустические приемники на компоновку для направленного бурения.
15. Способ по п.13, отличающийся тем, что подводят электромагнитную энергию посредством по меньшей мере одного электрода, установленного на буровом долоте.