ITMI991463A1 - Dispositivo e metodo di controllo della traiettoria di una perforazione - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione che ha per titolo:

"DISPOSITIVO E METODO DI CONTROLLO DELLA TRAIETTORIA DI UNA PERFORAZIONE".

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un dispositivo per controllare la traiettoria di un pozzo perforato nel suolo. In particolare, essa può essere applicata a dei pozzi di produzione petrolifera la cui posizione negli strati geologici costituenti serbatoi deve essere definita in modo relativamente preciso. Per questo, bisogna poter controllare l'inclinazione della perforazione rispetto alla verticale, così come il suo azimut.

Si conoscono numerosi sistemi che permettono di controllare l'inclinazione, per esempio l'utilizzazione di uno stabilizzatore a diametro variabile telecomandato. Per la correzione dell'azimut, la professione utilizza da molto tempo un motore di fondo incorporato nell'attrezzatura di perforazione e accoppiato con un raccordo a gomito la cui azione di correzione di direzione si effettua secondo l'orientamento nello spazio del piano del raccordo a gomito. E' chiaro che questa tecnica impone che la parte dell'attrezzatura situata al di sopra del motore sia immobile nel foro. Questo modo di correzione è chiamato "sliding" nella misura in cui l'avanzamento della perforazione si fa "scivolando". Questo modo presenta numerosi inconvenienti, in particolare il fatto che l'insieme dell'attrezzatura di perforazione non è azionato in rotazione. Sono stati sviluppati anche dei mezzi di perforazione direzionali che possono funzionare in modo rotatorio. Tra gli utensili proposti, alcuni esercitano uno sforzo laterale controllato, permanente o periodico, sulla parete del pozzo, in una direzione opposta a quella desiderata, altri imprimono una flessione orientata alla parte delle aste situata immediatamente al di sopra dell'utensile, pur consentendo la loro rotazione. In tutti i casi, la necessità del mantenimento della rotazione delle aste, combinata con quella del controllo di un orientamento fisso nello spazio, porta a delle opzioni meccaniche, idrauliche ed elettroniche, sofisticate e costose. Così, la presente invenzione concerne un dispositivo per il controllo della direzione della traiettoria di un pozzo perforato, comportante un albero azionato in rotazione, un utensile di perforazione solidale all'albero, un corpo sostanzialmente cilindrico coassiale con il detto albero e libero in rotazione rispetto all'albero, uno o più pattini portati dal corpo e che possono spostarsi in modo radiale, dei mezzi di spostamento dei pattini. Nel dispositivo, i mezzi di spostamento comportano individualmente, per ciascun pattino, almeno un dispositivo di spinta il cui spostamento longitudinale rispetto all'asse del dispositivo provoca l'estensione del pattino. Il dispositivo di spinta viene spostato da dei mezzi di attivazione mossi dall'energia idraulica apportata dal fluido di perforazione che circola nell'albero e i mezzi di attivazione comprendono un sistema di selezione dell'assenza di spostamento di almeno un pattino mentre gli altri, se ve ne sono, vengono spostati.

Il corpo può comportare dei mezzi di orientamento per rotazione attorno all'asse del detto albero.

I mezzi di orientamento del corpo possono comprendere una zavorra fissata lungo una generatrice del detto corpo.

I mezzi di attivazione possono comportare un pistone anulare che si sposta longitudinalmente nel detto corpo sotto l'effetto della pressione differenziale tra lo spazio interno dell'albero e l'interno dei pozzo.

Il pistone anulare può spostare longitudinalmente un pezzo cilindrico a forma di barilotto e comportante una fessura secondo la direzione di una generatrice del cilindro, la fessura avendo una lunghezza ed una larghezza corrispondenti alla forma di almeno un dispositivo di spinta di un pattino.

La fessura può essere orientata rispetto al pozzo mediante l'orientamento del corpo.

Il sistema di selezione può comportare un insieme di scanalature ed almeno un dito collegato al detto corpo.

L'insieme di scanalature può essere portato dal detto barilotto, la fessura del barilotto essendo orientata rispetto al corpo mediante la cooperazione del dito e dell'insieme di scanalature.

Nel dispositivo, in assenza di portata del fluido di perforazione, l'insieme di scanalature può essere tale che il barilotto assume sempre la stessa posizione relativa al detto corpo.

L'invenzione concerne anche un metodo per controllare la traiettoria di un pozzo perforato, nel quale si effettuano gli stadi seguenti:

si dispone il dispositivo sopra descritto all'estremità delle aste di perforazione.

si trascina in rotazione l'utensile di perforazione per rotazione dell'albero del dispositivo e si inietta un fluido di perforazione ad una portata Df,

si effettuano delle sequenze di circolazione tra una portata nulla e una portata Da inferiore a Df, in modo da orientare il barilotto nel corpo del dispositivo ed azionare almeno un pattino quando la portata è Df.

Nel presente metodo, si può misurare la direzione della traiettoria e si può modificare l'orientamento del barilotto se la traiettoria non è corretta.

Il presente dispositivo assicura sia una funzione di centratura, sia una funzione di deviazione, a seconda della sua configurazione, ed è mosso e controllato essenzialmente dalla portata del fluido di perforazione. Questo utensile è così compatibile con le attrezzature e procedure correntemente utilizzate nella perforazione.

L'invenzione sarà meglio compresa e i suoi vantaggi appariranno più chiaramente dalla lettura della descrizione dell'esempio di realizzazione, non limitativo, illustrato nelle figure allegate, nelle quali:

la figura 1 mostra in sezione longitudinale uno schema del dispositivo,

le figure 2a, 2b, 2c, 2d, 2e e 2f, mostrano più sezioni trasversali in funzione dello stato di regolazione del dispositivo,

le figure 3 e 4 mostrano schematicamente un esempio di mezzi di selezione di una posizione determinata.

Un albero 1 è collegato alla base dell’attrezzatura dì perforazione (non rappresentata) tramite la connessione 18. Questo albero porta sulla sua estremità inferiore un utensile di perforazione. 11. L'albero 1 è mobile in rotazione all'interno di un involucro tubolare 2 dotato di un certo numero di pattini 3 regolarmente ripartiti sulla sua circonferenza. Questi pattini possono essere spiegati per entrare in contatto con la parete del pozzo 4 ed esercitarvi uno sforzo radiale di deviazione. L'involucro o corpo 2 assicura la funzione di cuscinetto di rotazione per l'albero I per mezzo di cuscinetti 5 ad aghi, a rulli o a sfere. Il corpo 2 serve anche da guida attiva nel foro in deviazione, tenuto conto dell'orientamento dei pattini che si appoggiano alla parete del pozzo.

Ciascuno dei pattini 3 è azionato da un sistema meccanico o idraulico indipendente gli uni dagli altri. Questo sistema indipendente può essere, per esempio, un circuito idraulico comportante un cilindro 6 nel quale un pistone 7 può spostarsi spingendo dell’olio dal canale 19 verso i pistoni 20 che servono da dispositivo di spinta al pattino 3. Il sistema di azionamento dei pattini può anche comportare un insieme meccanico del tipo dispositivo di spinta/biella o dispositivo di spinta/camma, o qualunque altro sistema atto a convertire uno sforzo o uno spostamento longitudinale parallelo all'asse del dispositivo in uno sforzo o uno spostamento radiale che permette lo spiegamento del pattino fino alla parete del pozzo perforato e la sua applicazione su questa parete con uno sforzo sufficiente per modificare la traiettoria della perforazione. In assenza di attivazione dei mezzi di azionamento dei pattini, dei sistemi di richiamo, per esempio a molle (non rappresentati) mantenendo ciascun pattino retratto e dunque senza alcun contatto con la parete del pozzo.

Lo spostamento, o lo sforzo parallelo all'asse del dispositivo, necessario allo spostamento dei pistoni 7, è procurato da un pezzo a forma di barilotto tubolare 8, a sua volta comandato da un martinetto anulare 9 mosso dalla differenza di pressione esistente tra l'interno dell'attrezzatura di perforazione (aste) e lo spazio anulare situato tra il terreno e le aste. La pressione interna delle aste è trasmessa alla faccia superiore del martinetto anulare da delle aperture 10 praticate nella parte girevole centrale 1 del dispositivo e da altre aperture nella parte di fronte, non girevole. L'orifizio 21 crea una comunicazione tra lo spazio nel quale si trova il barilotto 8 e lo spazio esterno. Così, il pistone 9 comporta dei giunti di tenuta (non rappresentati) tra l'interno del pistone 9 e l'albero 1, e tra l'esterno del pistone 9 e il corpo 2, com’è noto nella professione. Questa differenza di pressione è tipicamente ottenuta dalla circolazione forzata del fluido di perforazione dall'interno delle aste verso l'esterno, attraverso l'utensile di perforazione 11 situato all'estremità dell'albero 1 e munito di boccole. Questa pressione interna è mantenuta durante la rotazione del treno di aste per mezzo di guarnizioni di tenuta girevoli 12. In assenza di circolazione di fluido, il martinetto e il barilotto sono mantenuti in una posizione di riposo da una o più molle di richiamo 13 che agiscono in contrapposizione alla differenza di pressione precitata. Nello schema della figura 1, la molla 13 è distesa quando il barilotto è spostato dalla pressione e si accorcia, in richiamo, con assenza di pressione. Ben inteso, essere utilizzata un'altra disposizione, per esempio con lavoro a compressione. La corsa completa del barilotto è ottenuta dallo sforzo corrispondente ad una portata del fluido di perforazione inferiore o uguale alla portata nominale di perforazione prevista. Sarà possibile realizzare una corsa parziale per mezzo di una portata parziale del fluido di perforazione, la posizione dell'insieme martinetto 9 e barilotto 8, risulterà allora dall'equilibrio tra la forza generata dalla differenza di pressione che agisce sul martinetto e la forza della o delle molle di richiamo 13.

Il barilotto tubolare 8 presenta atta sua estremità inferiore un profilo particolare, come per esempio una tacca 14 la cui profondità permette di evitare di azionare uno dei pattini. In effetti, il o i pistoni 7 che si trovano di fronte questa tacca non sono spostati quando il barilotto è spinto dalla pressione del fluido. Il o i pattini corrispondenti a questo o questi pistoni 7 resteranno cosi retratti mentre gli altri saranno estratti per esercitare uno sforzo radiale sulla parete del pozzo. Nel caso (preferenziale) di una realizzazione con quattro pattini, il dispositivo permette di fare uscire tre pattini per esercitare così, sulla parete del pozzo, tre contatti o sforzi: due opposti che assicureranno un centraggio in un piano ed uno perpendicolare a questo piano. La direzione della deviazione della traiettoria si trova nella direzione del pattino retratto. Si potrà scegliere anche il profilo dell'estremità inferiore del barilotto, vale a dire la larghezza della tacca 14, in modo da azionare un solo pattino o un gruppo di pattini nella direzione scelta.

La scelta del pattino da non estrarre richiede l'identificazione preventiva di questo pattino, o gruppo di pattini, e l'orientamento corretto del barilotto rispetto all'asse del pozzo, prima che il barilotto realizzi la sua corsa longitudinale per spostare i pattini.

Si realizza l'orientamento dei pattini relativamente alla verticale per mezzo di una zavorra 15 sutficiente e disposta per esempio lungo una generatrice dell’involucro esterno nel prolungamento di uno dei pattini 3. A segmento di un arresto della circolazione del fluido di perforazione, tutti i pattini sono ripiegati grazie al loro sistema di richiamo. L'insieme barilotto 8 e martinetto anulare 9 è in posizione di riposo tramite il sistema di richiamo con la molla 13. Nel caso in cui il pozzo è inclinato, grazie alla forza di gravità la zavorra si troverà in posizione inferiore rispetto al buco perforato. Gli attriti delle guarnizioni di tenuta e dei cuscinetti di rotolamento devono essere sufficientemente ridotti perché la rotazione del corpo 2 possa effettuarsi attorno all'albero 1 sotto l'azione della zavorra. Così, due pattini sono orientati in un piano verticale e gli altri due in un piano inclinato perpendicolare a questo piano verticale.

Una volta che i pattini sono così posizionati rispetto alla verticale, la posizione del barilotto, rispetto al corpo 2, è ottenuta per esempio a mezzo di una o più dita 16, fisse rispetto al corpo esterno e impegnate in scanalature 17 fresate sulla superficie di questo stesso barilotto. Queste dita 16 sono montate in forature radiali al corpo 2 su delle molle, in modo da essere telescopiche e dà seguire la profondità variabile delle scanalature. Il profilo e la profondità delle scanalature sono tali per cui un ciclo di portate parziali e di arresti di circolazione del fluido di perforazione provoca la rotazione del barilotto fino ad una posizione predeterminata relativamente agli azionatori a forma di pistone 7 dei pattini 3. Dopo l'orientamento, la portata nominale di perforazione prevista è allora realizzata e provoca la corsa completa del barilotto che aziona i pattini desiderati nelle direzioni desiderate.

L'orientamento dei pattini può effettuarsi anche per mezzo di una individuazione elettronica rispetto alla generatrice inferiore del pozzo e di un sistema meccanico di collegamento con l'attrezzatura di perforazione, utilizzata allora dalla superficie per effettuare la rotazione dell'involucro. L'informazione di individuazione può essere trasmessa alla superficie da un sistema MWD (Measurement While Drilling) convenzionale.

Le figure da 2a a 2f mostrano in sezione le differenti regolazioni del dispositivo in funzione dalla posizione del barilotto.

La figura 2a mostra una sezione trasversale del dispositivo al livello del barilotto 8. La sezione del barilotto è compresa tra l'albero 1 cavo e il corpo 2. Il riferimento 14 designa la sezione della fessura. La zavorra 15 orienta il corpo 2 e il barilotto 8, il quale è orientato in modo che la fessura 14 sia a 45° a sinistra della verticale. Nella figura 2a, la circolazione del fluido di perforazione è arrestata e dunque nessuno dei pattini 3 è estratto. Si nota che, come orientato, il barilotto ricopre tutti i pistoni di azionamento dei pattini, poiché la fessura si situa tra due pistoni consecutivi. La figura 2b mostra la regolazione del dispositivo come disposto secondo la figura 2a, ma quando la portata di perforazione è ristabilita. I quattro pattini sono allora estratti per effettuare una centratura dell'albero 1 nel foro perforato. Questa regolazione del dispositivo è destinata a perforare rettilineamente.

Le sezioni secondo le figure 2c, 2d, 2e e 2f mostrano rispettivamente le altre quattro regolazioni: perforazione in salita, in discesa, a destra ed a sinistra, secondo la direzione del pattino retratto. Rispetto alla posizione di riposo o di perforazione dritta (figure 2a e 2b), il barilotto assume differenti posizioni in rotazione nel corpo 2. Sulla figura 2c, il barilotto ha effettuato una rotazione a destra di 45° in modo che la fessura 14 venga a situarsi davanti ai pistoni di azionamento del pattino superiore, per cui questo non sarà estratto durante la perforazione. Nella figura 2d, il barilotto ha effettuato una rotazione di 90°, il pattino di destra resterà retratto durante la perforazione. Le altre due posizioni (figure 2e e 2f) corrispondono a due rotazioni successive del barilotto di 90°.

Le figure 3 e 4 mostrano una realizzazione dei mezzi di regolazione del barilotto nel corpo. Ben inteso, questa realizzazione descritta come esempio non è la sola che permetta la messa in opera dell'invenzione. In effetti si può disporre di un'energia sufficiente per equipaggiare il barilotto con un motore (idraulico o elettrico) al fine di effettuarne la rotazione. Si potranno comandare le rotazioni di regolazione a partire dalla superficie, per esempio con gli apparecchi (MWD) noti nel ramo. Sempre nel caso di una realizzazione con quattro pattini, il disegno dello sviluppo delle scanalature sul barilotto (figure 3 e 4) permette le procedure seguenti:

1. Centratura senza deviazione: all'arresto della circolazione (ad esempio per un'aggiunta di barra), il dito a molla 16 si trova nella posizione NO. La messa in moto della circolazione del fluido di perforazione fino alla portata nominale senza altro intervento porta il dito nella posizione FO dove i quattro pattini sono estratti. L'applicazione del peso sull'utensile e la messa in rotazione delle aste permette allora di perforare senza deviare, i pattini impedendo la rotazione del corpo 2 nel pozzo grazie alla resistenza di attrito sulla parete del pozzo. L'arresto della circolazione riporta il dito nella posizione NO attraverso il circuito segnato con frecce. La scanalatura B è più profonda della scanalatura H in modo che il dito segua obbligatoriamente il cammino delle frecce al ritorno e non il cammino dell'andata da NO a FO. Questa tecnica di posizionamento è ben nota dall'uomo del mestiere.

2. Deviazione verso l'alto: dato che la circolazione del fluido e la rotazione delle aste sono arrestate, il dito si trova nella posizione NO. I pattini 3 sono retratti e la zavorra 15 posiziona l'involucro tubolare 2 rispetto alla verticale. Una portata parziale del fluido di perforazione crea una forza sul pistone 9 che sposta il barilotto parzialmente e porta il dito nella posizione PO. L'arresto della circolazione provoca il ritorno del barilotto per richiamo e, a causa del gioco delle differenti profondità delle scanalature, il dito risulta forzato verso la posizione N1 dove il barilotto ha effettuato una rotazione di 45 gradi (secondo la figura 2c). La messa in moto della circolazione del fluido di perforazione fino alla portata nominale porta il dito nella posizione F1 dove solo i tre pattini inferiori sono estratti. La risultante degli sforzi, o delle reazioni sulla parete, esercitate dai pattini, è diretta verso l'alto. Dato che l'involucro tubolare 2 è bloccato in rotazione dai contatti dei pattini sulla parete, l'orientamento della risultante degli sforzi esercitati dai pattini sarà mantenuto. L'applicazione del peso sull’utensile e la messa in rotazione delle aste permette allora di perforare deviando verso l'alto, fino al prossimo arresto di circolazione che riporterà il dito nella posizione NO attraverso il circuito indicato dalie frecce.

3. Deviazione verso destra, in basso, o sinistra; esse saranno ottenute con la ripetizione delle portate parziali seguite da un arresto rispettivamente verso N2, N3 e N4. Si noterà che il barilotto effettuerà allora degli incrementi di rotazione di 90 gradi.

E' importante notare che ogni arresto della circolazione di fluido dopo la realizzazione della portata nominale riporterà sistematicamente il dito 16 nella posizione NO delle scanalature del barilotto, grazie al gioco delle profondità e degli angoli delle scanalature. Le differenti regolazioni sono dunque ottenute per sequenze successive di portata parziale, quattro per arrivare in N4, tre per N3, due per N2 e una per N1.

E' chiaro che il presente dispositivo non si limita a quattro posizioni.

E' verosimile che l'avanzamento della perforazione sarà facilitato dalla presenza sui pattini dei dispositivi di rotolamento come di rulli o delle ruote limitanti l’attrito longitudinale, pur frenando la rotazione del corpo 2.

li dispositivo non è limitato a comportare quattro pattini; si può chiaramente applicare la presente invenzione ad un dispositivo ad uno, due, tre pattini, o più di quattro.

L'apparecchio così descritto sarà vantaggiosamente utilizzato come complemento di un apparecchio di misura della deviazione durante la perforazione (MWD), che permetterà all'operatore di decidere del momento e della durata di una corretta traiettoria, ed anche di verificarne l'efficacia.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per il controllo della direzione della traiettoria di un pozzo perforato, comportante un albero (1 ) trascinato in rotazione, un utensile di perforazione (11) solidale all’albero, un corpo (2) sostanzialmente cilindrico coassiale con il detto albero e libero in rotazione rispetto al detto albero, almeno un pattino (3) portato dal detto corpo e che può spostarsi in modo radiale, dei mezzi di spostamento dei detti pattini, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di spostamento comportano individualmente per ciascun pattino almeno un dispositivo di spinta (7) il cui spostamento longitudinale rispetto all'asse del dispositivo provoca l’estensione del detto pattino, e dal fatto che il detto dispositivo di spinta è spostato da dei mezzi di attivazione (9) mossi dall’energia idraulica apportata dal fluido di perforazione che circola nell'albero, e dal fatto che i detti mezzi di attivazione comprendono un sistema di selezione (8) dell’assenza di spostamento di almeno un pattino.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 , nel quale il detto corpo comporta dei mezzi di orientamento (15) per rotazione attorno all'asse del detto albero.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, nel quale i detti mezzi di orientamento del corpo comprendono una zavorra fissata lungo una generatrice del detto corpo.
4. 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale i detti mezzi di attivazione comportano un pistone anulare (9) che si sposta longitudinalmente nel detto corpo sotto l'effetto della pressione differenziale fra lo spazio inferno dell'albero e l'inferno del pozzo.
5. 5. Disposifivo secondo la rivendicazione 4, nel quale il detto pistone anulare sposta longitudinalmente un pezzo cilindrico a forma di barilotto (8) e comportante una fessura (14) secondo la direzione di una generatrice del cilindro, la detta fessura avendo una larghezza e una lunghezza corrispondenti alla forma di almeno un disposifivo di spinta (7) di un pattino.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, nel quale la detta fessura è orientata rispetto al pozzo mediante orientamento del corpo.
7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale il detto sistema di selezione comporta un insieme di scanalature (17) ed almeno un difo (16) collegato al detto corpo.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, nel quale il detto insieme di scanalature è portato dal detto barilotto, la fessura del detto barilotto essendo orientata rispetto al corpo mediante la cooperazione del dito e dell'insieme delle scanalature.
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, nel quale, in assenza di portata di fluido di perforazione, l'insieme delle scanalature è tale che il barilotto assume sempre la stessa posizione relativa al detto corpo.
10. 10. Metodo per il controllo della traiettoria di un pozzo perforato, nel quale si effettuano gli stadi seguenti: . si dispone il dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9 all'estremità delle aste di perforazione, si trascina in rotazione l'utensile di perforazione mediante rotazione dell'albero del dispositivo e si inietta un fluido di perforazione ad una portata Df, . sì effettuano delle sequenze di circolazione tra una portata nulla ed una portata Da inferiore a Df, in modo da orientare il barilotto nel corpo del dispositivo ed azionare almeno un pattino quando la portata è Df.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, nel quale si misura la direzione della traiettoria e si modifica l'orientamento de! barilotto se la traiettoria non è corretta.