Патент на изобретение №2229012

(54) СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИН И ОДНОВРЕМЕННОГО НАПРАВЛЕНИЯ БУРОВОГО ДОЛОТА АКТИВНО КОНТРОЛИРУЕМЫМ ВРАЩАТЕЛЬНЫМ НАПРАВЛЯЕМЫМ СКВАЖИННЫМ БУРОВЫМ УСТРОЙСТВОМ И ВРАЩАТЕЛЬНОЕ НАПРАВЛЯЕМОЕ СКВАЖИННОЕ БУРОВОЕ УСТРОЙСТВО

(57) 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 пробуриваемым стволом скважины.

На фиг.2 представлена схематическая иллюстрация, на которой показан вращательный направляемый буровой инструмент 26, выполненный в соответствии с изобретением, который приводят во вращение выходным валом 32, в данном случае гибким валом, забойного турбинного двигателя 34, который соединен с вращаемой или невращаемой бурильной колонной 18 или с гибким участком бурильной трубы 28 и приспособлен для управляемого поворота с помощью электронно-генерируемой акустической управляемой пульсацией, которую передают с поверхности по столбу бурового раствора в соответствии с известной технологией.

Для обеспечения контролируемого генерирования пульсации акустический узел 36 генерирования пульсации и контроля присоединен в бурильной колонне и электронно соединен с различными электронно-контролирующими системами вращательного направляемого бурового устройства, включая вращательный направляемый буровой инструмент 26. Процессорный и управляющий узел 36 содержит датчики акустической пульсации для определения телеметрии пульсации бурового раствора от передающего акустическую пульсацию оборудования, расположенного на поверхности, и для генерирования электронных управляющих сигналов, чувствительных к ней. Эти электронные управляющие сигналы затем обрабатывают на бортовых электронных системах для выработки управляющих сигналов, которые можно использовать для управления широким рядом бортовых устройств и систем вращательного направляемого бурового инструмента 26. Например, некоторые из управляющих сигналов могут быть использованы для контролируемого управления буровым долотом 12, чтобы корректировать или изменять направление пробуриваемого ствола скважины в процессе бурения.

Другие управляющие сигналы могут быть использованы для включения и отключения различных бортовых систем, например, систем для измерения удельного сопротивления геологической формации, систем для двухсторонней индукционной телеметрии и систем управления забойного турбинного двигателя. Система 38 передачи сигналов, обычно называемая “быстропередающей системой телеметрии”, может быть присоединена к бурильной колонне для создания индуктивной передачи 37 через формацию, непосредственно окружающую ствол скважины, и обеспечения коммуникации сигналов к и от управляющих систем вращательного направляемого бурового инструмента и, если это требуется, для снабжения электронной системы роторного управляемого бурового инструмента данными об окружающей формации. Эта система обеспечивает интеграцию забойного турбинного двигателя в систему 38 передачи сигналов активно контролируемого вращательного управляемого бурового инструмента 26.

На фиг.3 и 4 показаны соответствующие верхняя и нижняя части активно контролируемого вращательного направляемого бурового инструмента 26, представляющего предпочтительный вариант исполнения настоящего изобретения, причем буровой инструмент 26 оснащен трубчатой скользящей переходной муфтой 40 инструмента, которая предназначена для перемещения со скольжением, в основном, относительно стенок ствола пробуриваемой скважины, причем скольжение может быть линейным или, возможно, медленным вращением под действием внутреннего трения бурильного инструмента по мере ведения бурения. Например, скользящая переходная муфта 40 инструмента может вращаться под действием его внутреннего трения с частотой вращения в несколько оборотов в час, тогда как буровое долото вращают с гораздо более высокой частотой, например 50 мин^-1. Вращение скользящей муфты 40 инструмента с очень низкой скоростью не оказывает влияния на различные механические и электронные системы вращательного управляемого бурового инструмента 26. Вращение скользящей переходной муфты инструмента снижено до минимума с целью защиты различных систем электроники и систем датчиков, размещенных здесь, от повреждений, которые могут быть произведены силами, вызванными вращением, и для поддержания эффективного и стабильного взаимодействия между переходной муфтой инструмента и пробуриваемого ствола скважины.

Трубчатая скользящая переходная муфта 40 инструмента оснащена элементами 42, 44 стабилизатора на соответствующих верхнем и нижнем его концах для обеспечения стабилизации и центрирования переходной муфты 40 инструмента внутри ствола скважины. Антенна для двухсторонней индукционной телеметрии также вмонтирована в переходную муфту инструмента. Кроме того, для препятствования вращению бурового инструмента 26 во время бурения переходная муфта 40 также оснащена множеством, предпочтительно тремя или более, продолговатых изогнутых эластичных элементов для препятствования вращению, два из которых показаны и обозначены поз. 46 и 48, которые имеют соответственно верхние и нижние края, расположенные в существенно фиксированном положении относительно переходной муфты 40 инструмента, в то время как промежуточные их части выступают наружу от переходной муфты 40 инструмента в существенной мере так, что они прогибаются внутрь к муфте 40 инструмента при контакте со стенками ствола скважины. Изогнутые эластичные элементы 46, 48 для препятствования вращению, таким образом, находятся в скользящем контакте со стенками ствола скважины все время и таким образом способствуют сдерживанию вращения переходной муфты 40 инструмента во время бурения до минимальных значений и во многих случаях способствуют исключению вращения переходной муфты 40 инструмента во время бурения. Элементы 46, 48 для препятствования вращению также помогают стабилизаторам в центрировании переходной муфты 40 инструмента внутри ствола скважины. Благодаря предотвращению вращения переходной муфты 40 бурового инструмента 26 эластичные элементы для препятствования вращению обеспечивают возможность использования акселерометров для определения ориентации передней грани (“лица”) инструмента, таким образом исключая или сводя к минимуму необходимость в использовании датчиков с большой шириной спектра сигнала, например гироскопов, в буровом инструменте и, таким образом, в существенной степени упрощая бортовые электронные системы инструмента.

Кроме того, могут также быть измерены относительное отклонение эластичных элементов 46, 48, препятствующих вращению, и, таким образом, положение переходной муфты 40 инструмента внутри ствола скважины. Эластичные элементы 46, 48, препятствующие вращению, и переходная муфта 40 инструмента могут быть оснащены узлами гидравлических дифференциальных трансформаторов линейного напряжения (ДТЛН) типа поршень-цилиндр, которые обозначены в общем поз. 50 и 51 на фиг.4, с помощью которых измеряют вытеснение гидравлической жидкости по мере перемещения элементов, препятствующих вращению, в радиальном направлении внутрь и наружу по мере того, как переходная муфта 40 инструмента временно смещается от центральной оси ствола скважины, и которые генерируют сигналы положения, которые обрабатывают электронными средствами и используют для управления во время бурения. Эти сигналы положения используют для проведения измерений по типу измерения кронциркулем путем измерения осевого смещения каждого из эластичных элементов, препятствующих вращению.

Вращательный приводной вал 54, который может быть выходным валом забойного турбинного двигателя, например, обозначенного поз. 32 на фиг.2, ведущим соединительным переходником, приводимым выходным валом забойного турбинного двигателя, ведущим соединительным звеном вращательной бурильной колонны или каким-либо другим соответствующим вращательным приводным средством, проходящим в переходную муфту 40 инструмента и вращаемым с целью сообщения приводящего в движение усилия отклоняющей оправке 56, которая будет описана более подробно ниже. Во время его вращения вращательный приводной вал 54 вращается внутри переходной муфты 40 инструмента, в то время как муфта 40 инструмента удерживается от вращения с той скоростью, с которой вращается вал 54, благодаря трению при скольжении эластичных элементов 46, 48, препятствующих вращению, относительно стенок ствола скважины. Вращательный приводной вал 54 уплотнен относительно переходной муфты 40 инструмента с помощью уплотнительного узла или сальника 57.

Уплотнительный узел или сальник 57 взаимодействует с валом 54 и переходной муфтой 40 инструмента для образования направленного вверх по стволу скважины конца внутренней масляной камеры 60, которая изолирована у нижнего края уплотнительным узлом или сальником 58 от бурового раствора, подаваемого в инструмент через вал 54. Масляная камера 60 содержит определенное количество масла или другого смазочного вещества и защитной жидкой среды. Уплотнительным узлом или сальником 58 также изолируют буровой раствор, находящийся под давлением, от внутренней масляной камеры 60. В валу 54 выполнен внутренний проход 62 для потока, через который буровой раствор проходит к буровому долоту 12. Вал 54 взаимодействует с продолговатой вращательной приводной оправкой 64, которая зафиксирована на приводном валу 54, например, путем резьбового соединения, в которой также выполнен внутренний проход 66, составляющий часть проходного канала для бурового раствора через буровой инструмент. Приводная оправка 64 взаимодействует с переходной муфтой 40 инструмента так, чтобы образовать подшипниковую камеру, имеющую упорные заплечики, в которой установлены подшипники 52 так, что ориентированные в осевом и радиальном направлении силы давления, возникающие между вращательной приводной оправкой 64 и переходной муфтой 40 инструмента, воспринимались во время бурения. Вращательная приводная оправка 64 снабжена нижней трубчатой приводной частью 68, около которой расположен уплотнительный узел или сальник 58 и которая образует концевое приводное соединение 70, имеющее шарнирное приводное соединение с приводной втулкой 74.

Множество сферических приводных элементов 76 установлено между конечным приводным соединением 70 и верхним концом приводной втулки 74 и размещено в приводных приемниках, которые совместно образованы конечным приводным соединением 70 и верхним концом приводной втулки 74. Приводную вращательную оправку 64 и ее нижнюю трубчатую приводную часть 68 поддерживают в соосном взаимном расположении с переходной муфтой 40 инструмента с помощью подшипников 52, в то время как приводной втулке 74 предоставлена возможность шарнирного поворота, но при этом поддерживают ее приводное соединение с отклоняющей оправкой 56. Нижний конец приводной втулки 74 является в существенной степени дубликатом его верхнего конца. Сферические приводные элементы 78, захваченные внутри приводных приемников, совместно образованных нижним концом приводной втулки 74 и верхним приводным соединением 80 отклоняющей оправки 56, обеспечивают прямое приводное соединение между приводной втулкой 74 и отклоняющей оправкой 56, в то же время позволяя относительные шарнирные перемещения между приводной втулкой и отклоняющей оправкой. В альтернативном варианте исполнения оправка, состоящая из одной части с гибкой частью в ней, может быть использована вместо вращательной приводной оправки 64, шарнирного приводного соединения и отклоняющей оправки 56.

Отклоняющая оправка 56 установлена для вращения внутри переходной муфты 40 инструмента для пространственного движения вокруг универсального шарнирного соединения 82, которое может быть выполнено в форме шарового шарнира и функционировать так, как показано на фиг. 4 и как описано ниже. В альтернативном варианте исполнения шарнирный буровой отклонитель 82 может быть выполнен в форме шлицевого соединения или любой другой подходящей конфигурации, которая позволяла бы всенаправленное перемещение отклоняющей оправки 56 и во время вращательного привода его позволяла бы отклоняющей оправке 56 быть сориентированной в переходной муфте 40 инструмента, чтобы поддерживать ее ось в геостационарном положении относительно формации, в которой ведут бурение.

Как показано на фиг.4, шарнирный буровой отклонитель 82 отклоняющей оправки 56 относительно переходной муфты 40 инструмента образован сферическим элементом 84, который изготовлен за одно целое с отклоняющей оправкой 56 или прикреплен к ней. Сферический элемент 84 имеет наружную сферическую поверхность 86, которая находится внутри приемной опорной оправки 88, выполненной в нижнем конце 90 переходной муфты 40 инструмента. Приемная опорная оправка 88 представляет собой сегмент внутренней сферической опорной поверхности, находящейся в сопряженном положении с наружной сферической поверхностью 86 сферического шарнирного элемента 84. Отклоняющей оправке 56, таким образом, предоставлена возможность поворачиваться относительно нижнего конца 90 переходной муфты 40 инструмента вокруг воображаемой точки поворота Р, и одновременно ее можно вращать для приведения в движение бурового долота 12 посредством вращаемого приводного соединения, которое создано между нижней трубчатой приводной частью 68 вращаемой приводной оправки 64 и приводной втулки 74. Возможность поворотного движения отклоняющей оправки 56 относительно точки поворота Р (в то время как поддерживают ее вращательное приводное соединение) предоставлена путем использования шарнирного приводного соединения, которое создано у каждого конца приводной втулки 74 посредством соответствующих сферических приводных элементов 76, 78.

Во время бурильных операций должно быть обеспечено поворотное движение отклоняющей оправки 56 относительно переходной муфты 40 инструмента, но при этом должна быть предотвращена возможность проникновения бурового раствора из внутреннего канала 66 вращаемой приводной оправки 64 и канала 92, который проходит через отклоняющую оправку 56 и сообщается с внутренним проходом для потока в буровом долоте 12. В соответствии с вариантом исполнения, представленным на фиг.3 и 4, с помощью деформируемого гофрированного уплотнительного элемента 94 создают уплотненное соединение с нижней трубчатой приводной частью 68 вращаемой приводной оправки 64 и верхним концом отклоняющей оправки 56.

Таким образом, при перемещении отклоняющей оправки 56 относительно ее точки поворота Р деформируемый гофрированный уплотнительный элемент 94 поддерживает эффективное уплотнение, чтобы предотвратить проникновение бурового раствора в масляную камеру или камеру для гидравлической жидкости в переходной муфте 40 инструмента. У нижнего конца вращательного направляемого бурового инструмента другой гофрированный уплотнительный элемент 96 соединен с уплотнением с нижним концом переходной муфты 40 инструмента и также соединен с круглым элементом 98 для удерживания уплотнения, расположенного вокруг цилиндрической части 100 отклоняющей оправки 56, и снабжено круглым уплотнительным элементом 102, расположенным во внутренней канавке для уплотнения круглого элемента 98 для удерживания уплотнения. Когда отклоняющую оправку 56 вращают во время бурения, круглый элемент 98 для удерживания уплотнения остается в невращающемся состоянии относительно переходной муфты 40 инструмента, и уплотнительный элемент 102 сохраняет уплотненное соединение с цилиндрической частью 100 отклоняющей оправки 56. Гибкий гофрированный уплотнительный элемент 96 сохраняет уплотненное соединение между переходной муфтой 40 инструмента и элементом 98 для удерживания уплотнения и предотвращает проникновение бурового раствора во внутреннюю масляную камеру 61.

Во время бурения ось отклоняющей оправки 56 поддерживают геостационарно в то время, как эту отклоняющую оправку 56 вращают с помощью вращаемой приводной оправки 64. В соответствии с настоящим изобретением позиционирование геостационарной оси отклоняющей оправки 56 производят с использованием гидравлики под контролем электромагнитных клапанов, которые выборочно включают в ответ на соответствующие сигналы датчиков положения. Энергию, сообщаемую гидравлическим давлением, для управления положением отклоняющей оправки 56 (фиг.4) генерируют гидравлическим насосом 104, расположенным внутри приемного пространства для насоса, образованного в переходной муфте 40 инструмента. Приводной вал 110 насоса установлен в соответствующих подшипниках 106. Гидравлический насос 104 приводят в действие с помощью вращательного приводного механизма 108, чувствительного к вращению вращательной приводной оправки 64 относительно переходной муфты 40 инструмента.

Вращательный приводной механизм 108 может быть соединен для привода вращением с нижней трубчатой приводной частью 68 вращательной приводной оправки 64 и может содержать внутреннюю систему передач или передачу, чтобы создавать требуемое передаточное отношение между трубчатой приводной частью 68 и приводным валом 110 насоса для сообщения соответствующей частоты вращения и соответствующего крутящего момента приводному механизму гидравлического насоса 104, чтобы, таким образом, получить на выходе насоса соответствующие гидравлическое давление и мощность для выполнения соответствующего движения отклоняющей оправки 56 по мере поворота оправки.

Выходной поток гидравлической жидкости от гидравлического насоса 104 направляют в канал 112 для жидкости, сообщенный с кольцевой камерой 114 для гидравлической жидкости, содержащей кольцевой поршень 116 в ней, который уплотнен относительно внутренней и наружной цилиндрических стенок 118 и 120 гидравлической камеры 114 для гидравлической жидкости с помощью внутреннего и наружного уплотнительных колец 124, 126, размещенных в соответствующих канавках для уплотнений поршня 116. Поршень 116 поджимают к гидравлическому насосу 104 посредством одной или нескольких пружин 128 сжатия, которые воздействуют на фиксированный кольцевой коллекторный блок 130, в котором размещено множество клапанов.

Конструкция кольцевого коллекторного блока 130 схематически изображена на фиг.5. Обратным клапаном 132 (пружинным обратным клапаном) контролируют возврат гидравлической жидкости под давлением в кольцевую аккумулирующую камеру 134 для гидравлической жидкости, из которой питают гидравлический насос 104. Парой электромагнитных клапанов 140 и 142 контролируют подачу гидравлической жидкости под давлением в каналы 144, 146 соответственно для подачи гидравлической жидкости. По каналам 144, 146 подают гидравлическую жидкость под давлением в гидравлические цилиндры 148, 150 соответственно для приведения в действие гидравлических поршней 152, 154. Гидравлические поршни 152, 154 действуют через подшипники или другие контактные элементы 156 так, чтобы передать позиционирующую силу к отклоняющей оправке 56. Поршни 152, 154 могут быть независимо перемещены в ответ на управляемое по сигналу положения действие электромагнитных клапанов 140, 142 для поворота отклоняющей оправки 56 относительно ее точки поворота Р так, чтобы отклоняющая оправка 56 была сориентирована под действием поршней. Относительные положения поршней 152, 154, воздействующих на отклоняющую оправку, также определяют чувствительными датчиками и управляют с помощью электромагнитных клапанов 140, 142 с целью поддержания продольной оси А отклоняющей оправки 56 в геостационарном положении относительно формации, в которой производят бурение, и ориентирования под определенными углами наклона и азимута, чтобы выполнить бурение криволинейного ствола скважины вдоль предварительно определенной траектории для бурения скважины в направлении установленной подземной цели.

Как особенно четко показано на фиг.3, вращательный направляемый буровой инструмент согласно настоящему изобретению оснащен электронными блоками и блоками датчиков, в общем обозначенными поз. 160. В группу электронных блоков и блоков датчиков входит цепь управления, которая содержит трехкоординатный акселерометр 162, предназначенный для определения ориентации переходной муфты 40 инструмента относительно гравитационного поля.

Как особенно четко показано на фиг.5, узлы цилиндр – поршень оснащены парами дифференциальных трансформаторов линейного напряжения (ДТЛН) 164, 166, которые действуют так, чтобы измерить смещение поршней 152, 154, когда они перемещаются либо под действием гидравлического давления, создаваемого в результате действия электромагнитных клапанов 140, 142, либо под действием возвратного движения, создаваемого пружинами, например, возвратных элементов 168, 170, снабженных пружинами сжатия 172, 174, которые передают создаваемую пружинами реактивную силу через возвратные элементы 168, 170 посредством элемента 176 для позиционирования оправки, который находится в передающем усилие сопряжении с отклоняющей оправкой 56 через множество подшипников или контактных элементов 156, которые воспринимают вращательные и поворотные перемещения отклоняющей оправки 56 и в то же время предоставляют возможность позиционирования отклоняющей оправки 56. С помощью ДТЛН 164, 166 определяют положение каждого гидравлического поршня 152, 154 относительно переходной муфты 40 инструмента и передают сигналы, соответствующие этим измерениям, по проводникам 180, 182 сигналов в контроллер 184.

Сигналы от трехкоординатного акселерометра 162 также направляют по проводникам 186 сигналов в контроллер 184. Электропитание для действия контроллера 184 и других электронных компонентов вращательного направляемого бурового инструмента, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, осуществляют от генератора 188 переменного тока, показанного на фиг.4, снабженного приводной муфтой или передачей 190, которую приводят в движение с помощью вращательной приводной оправки 64 через нижнюю трубчатую приводную ее часть 68. Приводное соединение 190 генератора переменного тока снабжено выходным валом 192, который поддерживают в переходной муфте 40 инструмента с помощью подшипников 194 и который находится в приводном соединении с генератором 188 переменного тока. Приводное соединение или передача 190, может быть любого подходящего вида, например, это может быть система зубчатых передач или ременная передача.

Как показано на фиг.5, контроллер 184 передает управляющие сигналы для действия электромагнитных катушек по проводнику 196 сигналов для управления действием электромагнитного клапана 140 и управляющие сигналы по проводнику 198 сигналов для управления действием электромагнитного клапана 142. Таким образом, электромагнитные клапаны 140, 142 вводят в действие в ответ на управляющие сигналы от контроллера 184, в ответ на входные сигналы от ДТЛН 164, 166 и акселерометров 162. Посредством сигналов от ДТЛН 164, 166 идентифицируют контролируемые отклонения оси отклоняющей оправки 56 вдоль осей Х и Y; таким образом, с помощью гидравлических поршней 152, 154 контролируют ориентацию оси А отклоняющей оправки 56 внутри переходной муфты 40 инструмента, чтобы управлять электромагнитными клапанами 140, 142 гидравлически действующих поршней. Контролирование давления к гидравлическим цилиндрам 148, 150 обеспечивают с помощью предохранительных клапанов 210, 212.

В переходной муфте 40 инструмента (фиг.3) имеется полость 214, в которой размещены различные электронные блоки, контролирующие системы и системы датчиков. Эта полость изолирована от защитной масляной среды с помощью изолирующей втулки 216, концы которой уплотнены относительно переходной муфты 40 инструмента посредством кольцевых уплотнительных элементов 218, расположенных в соответствующих канавках для уплотнений, выполненных в концевых частях изолирующей втулки 216. Различные электронные компоненты, например блок телеметрии 220, центральный процессор 222 и блок 224 сбора данных, расположены во внутренней кольцевой полости 214. Помимо контроллера 184 накопитель энергии 226 может быть также расположен в полости 214, чтобы обеспечить достаточное количество накопленной энергии для приведения в действие катушек электромагнитных клапанов и для выполнения других управляющих действий, которые нужны для управления вращаемым управляемым буровым инструментом.

Внутренняя масляная камера 228 изолирована от окружающей среды, находящейся снаружи от переходной муфты 40 инструмента, свободным поршнем 230, находящимся в уплотненном сопряжении с внутренней и наружной цилиндрическими поверхностями 232, 234 с помощью кольцевого уплотнения 236. Внутренняя масляная камера 228 уравновешена по давлению с окружающей средой путем сообщения окружающего давления через вентиляционное отверстие 238 во внешнюю часть 240 камеры. Таким образом, давление защитной масляной среды во внутренней масляной камере 228 является давлением, уравновешенным относительно окружающего давления, несмотря на расположение бурильного инструмента в скважине.

Имея в виду приведенное выше описание, очевидно, что настоящее изобретение является предназначенным для решения всех целей и задач, поставленных выше, вместе с другими целями и задачами, которые присущи устройствам, описанным здесь. Очевидно для специалистов в данной области техники, что настоящее изобретение может быть легко выполнено в других конкретных формах без отступления от существа или существенных особенностей настоящего изобретения. Описанный вариант исполнения, следовательно, нужно рассматривать просто как иллюстрацию, но не ограничение объема изобретения, определенного формулой изобретения скорее, чем предыдущим описанием, и все изменения, которые подпадают под смысл и объем эквивалента формулы изобретения, таким образом охватываются этой формулой.

Формула изобретения

1. Способ бурения скважин и одновременного направления бурового долота активно контролируемым вращательным направляемым скважинным буровым устройством, отличающийся тем, что 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 управляющими сигналами направления 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; перемещают со скольжением скользящую переходную муфту инструмента в соприкосновении со стенками ствола скважины во время бурения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют скользящую переходную муфту инструмента, имеющую внешние эластичные элементы, выступающие в существенной степени радиально наружу от него и поддерживают скользящий контакт внешних эластичных элементов со стенками ствола скважины при бурении для существенного предотвращения вращения переходной муфты инструмента внутри ствола скважины во время бурения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют скользящую переходную муфту инструмента, вмещающую системы для генерирования давления гидравлической жидкости и электрической энергии и гидравлическое поршневое средство для осуществления позиционного управления отклоняющей оправкой относительно скользящей переходной муфты инструмента во время вращения отклоняющей оправки с помощью приводного компонента и содержащую электрически управляемые клапанные средства для контролирования создаваемого гидравлическим давлением перемещения гидравлического поршневого средства, и генерируют гидравлическое давление и электрическую энергию в ответ на поток бурового раствора, электрически приведенной в действие электрически управляемых клапанных средств, реагирующих на управляющие сигналы для контролирования передачи гидравлического давления к гидравлическому поршневому средству для осуществления гидравлического позиционирования отклоняющей оправки.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что используют поршневое средство, содержащее, по меньшей мере, два поршня, каждый из которых расположен между скользящей переходной муфтой инструмента и отклоняющей оправкой и способен передавать им усилие, и выборочно и независимо контролируют повышение и снижение гидравлического давления, подаваемого к каждому поршню, для осуществления вызванного поршнем поворотного позиционирования отклоняющей оправки внутри скользящей переходной муфты инструмента.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют гидравлическое поршневое средство, подвижно расположенное внутри гидравлического цилиндрического средства, и определяют соответствующие положения поршневого средства внутри цилиндрического средства и соотносят соответствующие положения поршневого средства к поворотным положениям отклоняющей оправки внутри скользящей переходной муфты инструмента; идентифицируют изменения соответствующих положений поршневого средства для желаемого изменения поворотного положения отклоняющей оправки, под контролем вводят в действие электрически контролируемые клапанные средства для независимого контролируемого гидравлического сообщения давления к цилиндрическому средству для выполнения желаемого изменения положения поршневого средства.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что определяют объем гидравлической жидкости в гидравлическом цилиндрическом средстве для идентификации положения поршня в гидравлическом цилиндрическом средстве; изменяют объем гидравлической жидкости в гидравлическом цилиндрическом средстве, чтобы таким образом изменять положение поршня и положение отклоняющей оправки в скользящей переходной муфте инструмента; последовательно изменяют положение отклоняющей оправки в скользящей переходной муфте инструмента, чтобы таким образом поддержать отклоняющую оправку, в основном, в геостационарном положении и ориентировано относительно азимута и наклона во время вращения ее с помощью вращательного приводного компонента.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что при генерировании управляющих сигналов направления определяют расположение и ориентацию скользящей переходной муфты инструмента и угловое положение отклоняющей оправки относительно скользящей переходной муфты инструмента и генерируют сигналы положения в реальном масштабе времени, обрабатывают упомянутые сигналы положения в реальном масштабе времени и генерируют управляющие сигналы направления, контролируют позиционирование отклоняющей оправки с помощью управляющих сигналов направления.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют вращательное направляемое буровое устройство, содержащее бортовую электронику для приема управляющих сигналов направления и передают управляющие сигналы направления с расположенной на поверхности установки к бортовой электронике; контролируют позиционирование отклоняющей оправки с помощью управляющих сигналов направления.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют скользящую переходную муфту инструмента, содержащую, по меньшей мере, два гидравлических цилиндра, каждый из которых содержит гидравлический поршень, находящийся в позиционном сопряжении с отклоняющей оправкой, подают гидравлическую жидкость под давлением к гидравлическим цилиндрам, электронно контролируемые клапанные средства для гидравлической жидкости для выборочной подачи гидравлической жидкости под давлением к гидравлическим цилиндрам и электронный контроллер для приема сигналов положения и выборочного приведения в действие электронно контролируемых клапанных средств для гидравлической жидкости для гидравлически контролируемого позиционирования отклоняющей оправки относительно скользящей переходной муфты инструмента, и генерируют электронные сигналы положения поршней, представляющих положения гидравлических поршней внутри гидравлических цилиндров, создают электронные сигналы положения переходной муфты инструмента, представляющие положение скользящей переходной муфты инструмента, обрабатывают электронные сигналы положения поршней и электронные сигналы положения переходной муфты инструмента с помощью контроллера и вырабатывают выходные сигналы положения клапана от контроллера для изменения положения клапанных средств для контролирования гидравлической жидкости, когда необходимо изменить положение отклоняющей оправки относительно скользящей переходной муфты инструмента.

10. Вращательное направляемое скважинное буровое устройство, содержащее скользящую муфту бурового инструмента и средство для поддержания соприкосновения скользящей муфты инструмента со стенками ствола пробуриваемой скважины и, в существенной степени, предотвращения вращения скользящей муфты инструмента во время бурения, отличающееся тем, что имеет отклоняющую оправку, поддерживаемую в скользящей муфте инструмента для поворотного перемещения относительно скользящей муфты инструмента и для вращения относительно скользящей муфты инструмента, средство для сообщения приводного вращения отклоняющей оправке, гидравлическое приводящее в действие средство для поддерживания отклоняющей оправки выборочно поворотно позиционированной в скользящей муфте инструмента во время ее вращения в скользящей муфте инструмента, чтобы таким образом поддерживать отклоняющую оправку и буровое долото, соединенное с ней, направленными в выбранном направлении для управления буровым долотом по выбранному направлению.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что гидравлическое приводящее в действие средство содержит гидравлическое цилиндрическое средство в скользящей муфте инструмента, гидравлическое поршневое средство в гидравлическом цилиндрическом средстве, имеющем силовую передачу с отклоняющей оправкой, средство для подачи гидравлической жидкости под давлением к гидравлическому цилиндрическому средству для поворотного перемещения при поддержании положения отклоняющей оправки внутри скользящей переходной муфты инструмента; средство, реагирующее на позиционирующие сигналы для контролируемо приводимого в действие средства для подачи гидравлической жидкости под давлением и, таким образом, для поддерживания отклоняющей оправки, выборочно расположенной относительно скользящей переходной муфты инструмента.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что средство для поддерживания соприкосновения скользящей переходной муфты инструмента со стенками ствола пробуриваемой скважины содержит эластичное сопрягаемое средство, поддерживаемое скользящей переходной муфтой инструмента и выступающее в радиальном направлении от него в существенной степени для силового зацепления со стенками ствола скважины.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что эластичное сопрягаемое средство содержит множество эластичных соединительных элементов, расположенных в отстоящем положении относительно скользящей переходной муфты инструмента, и имеется средство для определения относительных положений эластичных соединительных элементов относительно скользящей переходной муфты инструмента и для генерирования электронных сигналов, представляющих относительные положения и, таким образом, для измерения диаметра ствола пробуриваемой скважины.

14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что средство для поддерживания соприкосновения скользящей переходной муфты инструмента со стенками ствола пробуриваемой скважины содержит множество продолговатых эластичных лопастей, имеющих, по меньшей мере, один конец, соединенный со скользящей переходной муфтой инструмента, выступающих в радиальном направлении наружу от скользящей переходной муфты инструмента для силового зацепления со стенками ствола скважины.

15. Устройство по п.10, отличающееся тем, что средство для поддерживания соприкосновения скользящей переходной муфты инструмента со стенками ствола пробуриваемой скважины содержит множество удлиненных изогнутых эластичных лопастей, каждая из которых имеет концы и центральную часть, причем концы соединены со скользящей переходной муфтой инструмента, а центральные части каждой лопасти выступают радиально наружу от скользящей переходной муфты инструмента для силового зацепления со стенками ствола скважины.

16. Устройство по п.10, отличающееся тем, что содержит универсальный шарнир в скользящей переходной муфте инструмента, а отклоняющая оправка поддерживается с возможностью поворота и вращения с помощью универсального шарнира, обеспечивающего возможность вращательного и всенаправленного поворотного перемещения отклоняющей оправки относительно скользящей переходной муфты инструмента.

17. Устройство по п.10, отличающееся тем, что средство для сообщения приводного вращения отклоняющей оправке содержит трубчатый вращательный приводной вал, образующий проход для потока и расположенный в скользящей переходной муфте инструмента и имеющий приводной конец, приспособленный для соединения с вращательным приводным элементом и имеющий ведущий конец, подшипниковое средство, поддерживающее трубчатый вращательный вал внутри скользящей переходной муфты инструмента, средство, создающее шарнирное приводное соединение приводного конца трубчатого вращательного приводного вала с отклоняющей оправкой.

18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что отклоняющая оправка образует проход для потока для пропуска бурового раствора через него, и имеются средство для уплотнения переходной муфты, посредством которого образуют уплотненный участок между переходной муфтой инструмента и отклоняющей оправкой, создают защитную камеру для жидкости, предназначенную для содержания защитной жидкой среды, и изолируют камеру от проникновения бурового раствора, и средство для уплотнения оправки, посредством которого образуют уплотнение между отклоняющей оправкой и приводным концом трубчатого вращательного приводного вала и изолируют защитную камеру для жидкости от проникновения бурового раствора.

19. Устройство по п.10, отличающееся тем, что содержит систему для подачи гидравлической жидкости, расположенную внутри скользящей переходной муфты инструмента и приводимую в действие путем вращения приводного средства во время бурения, причем с помощью системы подачи гидравлической жидкости подают гидравлическую жидкость под давлением в гидравлическое приводящее в действие средство, систему для обеспечения электропитания, расположенную внутри скользящей переходной муфты инструмента и приводимую в действие путем вращения приводного средства во время бурения, приводимые в действие электрически клапанные средства, вмонтированные в систему для подачи гидравлической жидкости, с помощью которых управляют подачей гидравлической жидкости под давлением к гидравлически приводящему в действие средству.

20. Устройство по п.9, отличающееся тем, что содержит датчик для определения положения, расположенный внутри скользящей переходной муфты инструмента, для определения положения скользящей переходной муфты инструмента внутри формации, в которой ведут бурение, и для генерирования сигналов положения, контролирующее средство, расположенное внутри скользящей переходной муфты инструмента, предназначенное для приема сигналов положения и генерирующее выходные сигналы управления клапанами для выборочного управления действием приводимых в действие электрических клапанных средств.

21. Устройство по п.10, отличающееся тем, что содержит средство для подачи гидравлической жидкости, расположенное внутри скользящей переходной муфты инструмента; средство для электропитания, расположенное внутри скользящей переходной муфты инструмента; электрически приводимые в действие клапанные средства, вмонтированные в средстве для подачи гидравлической жидкости, с помощью которых управляют подачей гидравлической жидкости под давлением к гидравлически приводимому в действие средству; датчик для определения положения, предназначенный для определения положения гидравлически приводимого в действие средства и генерирующий выходные сигналы положения; контролирующее средство, предназначенное для приема и обработки выходных сигналов положения и генерирования управляющих сигналов для выборочного управляющего приведения в действие электрически приводимых в действие клапанных средств.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что содержит средство телеметрии, расположенное внутри скользящей переходной муфты инструмента, предназначенное для приема управляющих сигналов позиционирования, передаваемых с поверхности, и создающее выходной телеметрический сигнал, который принимает и обрабатывает контролирующее средство.

23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, один акселерометр, расположенный внутри скользящей переходной муфты инструмента, предназначенный для определения изменений положения скользящей переходной муфты инструмента и генерирования сигналов положения, чувствительных к этим изменениям, которые принимаются и обрабатываются контролирующим средством.

24. Устройство по п.10, отличающееся тем, что гидравлически приводимое в действие средство содержит, по меньшей мере, два гидравлически перемещаемых элемента, каждый из которых взаимодействует с передачей усилия с отклоняющей оправкой в местах расположения, отдаленных от шарнирной опоры, размещенной внутри скользящей переходной муфты инструмента, при этом при введении в действие гидравлически перемещаемые элементы способны перемещать отклоняющую оправку относительно шарнирной опоры, чтобы поддержать выбранное положение ее относительно скользящей переходной муфты инструмента.

РИСУНКИ