Способ поддержания в бурильной колонне постоянных давления и расхода буровой жидкости

СПОСОБ ПОДДЕРЖАНИЯ В БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЕ ПОСТОЯННЫХ ДАВЛЕНИЯ И РАСХОДА БУРОВОЙ ЖИДКОСТИ Описывается устройство для поддержания, по существу, постоянных давления и расхода в бурильной колонне (100) буровой жидкости, подаваемой через циркуляционную систему для буровой жидкости. Устройство содержит, по существу, продолговатый полый внутри корпус (10),размещнный вокруг бурильной колонны и содержащий, по меньшей мере, верхнюю напорную камеру (40 а) и нижнюю напорную камеру (40b), соединнные с соответствующим входом(50 а) для буровой жидкости из циркуляционной системы для буровой жидкости и/или выходом(50b) для буровой жидкости в циркуляционную систему для буровой жидкости и выполненные с возможностью закрытия и разделения промежуточным клапаном (70), выполненным с обеспечением циркуляции буровой жидкости в бурильную колонну (100) или из бурильной колонны (100) при присоединении или отсоединении нового отрезка бурильной колонны (100). Также описывается способ поддержания, по существу, постоянного давления буровой жидкости в бурильной колонне. Аскеланд Том Кьетиль, Эдвардсен Пер Эспен (NO) Поликарпов А.В., Борисова Е.Н. (RU)(71)(73) Заявитель и патентовладелец: СИЭМ ВИС АС (NO) 016727 Настоящее изобретение относится к устройству для поддержания в бурильной колонне, по существу, постоянных давления и расхода буровой жидкости, которая податся через циркуляционную систему,и соответствующему способу, как описано в ограничительных частях соответствующих независимых пунктов формулы изобретения. Во всм мире буровая промышленность испытывает при бурении много проблем: плохую устойчивость скважины, образование трещин и нежелательное поступление жидкости из пласта. Во избежание поступления жидкости из пласта при бурении используют буровую жидкость (буровой раствор), плотность которой обычно превышает ожидаемую плотность пласта, что вызывает необходимость управления скважиной. Давление буровой жидкости, действующей на пласт, в то же время должно быть ниже значения давления, при котором происходит растрескивание пласта, что в противном случае может привести к исчезновению буровой жидкости в пласте и что вызывает необходимость управления скважиной. Диапазон (перепад) между давлением, при котором имеет место поступление жидкости из пласта, и давлением, при котором имеет место растрескивание пласта, можно назвать окном бурения. Давление на пласт определяется рядом составляющих, а не просто массой буровой жидкости. Когда буровую жидкость закачивают вниз через бурильную колонну, возникает дополнительное давление трения, так что буровая жидкость на возвратной стороне содержит обломки выбуренной породы, плотность которых обычно превышает плотность буровой жидкости. Это приводит к тому, что при закачивании буровой жидкости через бурильную колонну давление относительно пласта возрастает, а при остановке закачки давление снижается. Суммарное давление, которому подвергается пласт, называют эквивалентной плотностью циркулирующего бурового раствора. Изменения эквивалентной плотности циркулирующего бурового раствора обычно происходят при окончании и в начале прокачки бурового шлама через бурильную колонну во время присоединения или отсоединения нового отрезка бурильной колонны. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможно более полного постоянства эквивалентной плотности циркулирующего бурового раствора во время бурения путм обеспечения циркуляции буровой жидкости даже при присоединении и отсоединении нового отрезка бурильной колонны. Это приведт к более предсказуемым и устойчивым значением эквивалентной плотности циркулирующего бурового раствора и вновь позволит приступить к бурению пластов, которые сегодня считаются трудными для разработки и до некоторой степени считаются недоступными. Из источников, известных специалистам в данной области, среди прочих стоит упомянутьWO 02/36928 А 1, в котором рассматриваются устройство и способ поддержания, по существу, постоянного давления и потока буровой жидкости в бурильной колонне во время присоединения и отсоединения нового отрезка бурильной трубы. Следует сослаться также на патент США 6315051 В 1, который касается способа поддержания постоянной циркуляции при бурении. Вышеупомянутые задачи решаются способом, описанным в независимом п.1 формулы изобретения,согласно которому размещают вокруг бурильной колонны, по существу, продолговатый полый внутри корпус, содержащий напорную камеру с верхней и нижней напорными камерами, разделнными промежуточным клапаном; разделяют бурильную колонну, так что разделнное трубное соединение бурильной колонны находится внутри полого корпуса, а верхняя и нижняя части бурильной колонны заперты и уплотнены в соответствующих верхних и нижних камерах при одновременной подаче внутрь корпуса буровой жидкости, так что указанную жидкость подают в корпус при давлении, соответствующем давлению в бурильной колонне; закрывают сообщение между верхней и нижней камерами при помощи промежуточного клапана, так что в нижней камере давление поддерживается, а в верхней камере давление выравнивается до давления окружающей среды; высвобождают и тянут вверх верхнюю часть бурильной колонны для сборки нового отрезка бурильной колонны, содержащей несколько бурильных труб, заводят новый отрезок бурильной колонны в верхнюю камеру, после чего его запирают и уплотняют в верхней камере; подают буровую жидкость в верхнюю камеру для получения давления, соответствующего давлению в нижней камере, с последующим открытием промежуточного клапана между верхней и нижней камерами и соединяют верхнюю и нижнюю части бурильной колонны с последующим высвобождением бурильной колонны и снятием указанного давления в корпусе. Способ отличается тем, что при необходимости во вставке нового отрезка бурильной колонны указанный корпус поднимают вдоль бурильной колонны, так что появляется доступ к трубному соединению, используют устройство для механизированной подвески и развинчивания труб и, по меньшей мере, рассоединяют это трубное соединение, после чего указанное устройство удаляют от бурильной колонны, а корпус опускают над соединением, которое теперь находится в режиме мягкого рассоединения с циркулирующей внутри под давлением буровой жидкостью. Другие варианты реализации способа даны в зависимых пп.2-10 формулы изобретения. Далее изобретение описано более подробно с помощью прилагаемых чертежей, на которых: фиг. 1 показывает устройство согласно изобретению; фиг. 2 показывает бурильную колонну с верхней и нижней частью; фиг. 3-13 иллюстрируют различные этапы способа присоединения нового отрезка бурильной колонны.-1 016727 Как показано на чертежах, изобретение содержит мкость 60 с общим давлением, в которой размещены различные компоненты. Компоненты могут иметь резьбу, фланец или могут быть обработаны, так что их можно функционально соединить и получить мкость 60. В самой верхней части может быть размещн входной конус 80 а. Функция входного конуса 80 а состоит в задании направления предлагаемой изобретением бурильной колонне. Ниже входного конуса 80 а может быть размещено верхнее уплотнение 20 а. Структура уплотнения позволяет произвести уплотнение вокруг выбранной бурильной колонны 100, включая е участки различных диаметров. Уплотнение позволяет бурильной колонне 100 перемещаться вдоль оси и вращательно при одновременном сохранении герметичности в отношении предварительно установленного рабочего давления. Под уплотнением 20 а размещн верхний запирающий фиксатор 30 а. Запирающий фиксатор размещн так что, если он отсоединн (деактивирован), он позволяет свободно перемещаться через себя бурильной колонне 100. Если запирающий фиксатор присоединн (активирован), проход нижней части 120 бурильной колонны (охватываемого конца трубы) затруднн из-за увеличения диаметра трубного соединения 110. Запирающий фиксатор выполнен с возможностью сопротивления силам разделения, которые могут возникать в напорной мкости при нормальной работе. Между верхним запирающим фиксатором 30 а и промежуточным клапаном 70 в корпусе 10 размещена верхняя напорная камера 40 а. В боковой части верхней напорной камеры размещн вход 50 а для впуска или возврата буровой жидкости. Когда клапан открыт, верхняя напорная камера 40 а непосредственно гидравлически сообщается с нижней напорной камерой 40b. Клапан 70 размещн между верхней 40 а и нижней 40b напорными камерами. Строение клапана таково, что, когда он открыт, он позволяет бурильной колонне 100, включая трубное соединение 110, свободно проходить через себя. В закрытом состоянии клапан способен сопротивляться заранее установленному рабочему давлению и таким образом гидравлически и механически изолировать верхнюю 40 а и нижнюю 40b напорные камеры. Между клапаном 70 и нижним запирающим фиксатором 30b расположена нижняя напорная камера 40b. В боковой части нижней напорной камеры размещн вход 50b для впуска или возврата буровой жидкости. Когда клапан открыт, верхняя напорная камера 40 а непосредственно гидравлически сообщается с нижней напорной камерой 40b. Под нижней напорной камерой 40b расположен нижний запирающий фиксатор 30b, который размещн таким образом, что, когда он не присоединн (деактивирован), он позволяет бурильной колонне 100 свободно передвигаться через себя. Когда запирающий фиксатор подсоединн (активирован), проход верхней части 130 (охватывающего конца трубы) бурильной колонны затруднн из-за увеличенного диаметра трубного соединения 110. Запирающий фиксатор выполнен с возможностью сопротивления силам разделения, которые могут возникнуть в напорной мкости при нормальном функционировании. Под фиксатором 30b расположено нижнее уплотнение 20b. Структура уплотнения позволяет произвести герметизацию вокруг выбранной бурильной колонны 100, учитывая различия в диаметрах бурильной колонны. Уплотнение позволяет бурильной колонне перемещаться вдоль оси и вращательно при одновременном сохранении герметичности в отношении предварительно установленного рабочего давления. В нижней части предложенного в изобретении устройства находится посадочный элемент обсадной колонны с входным конусом 80. Посадочный элемент обсадной колонны размещн таким образом, что он может компенсировать силы, которые могут возникать при приложении массы настоящего устройства на бурильную колонну при е перемещении вниз через буровую площадку. Кроме того, входной конус способствует обеспечению попадания трубных соединений, расположенных на бурильной колонне, в предложенное устройство. Предложенное устройство можно размещать как на береговых буровых площадках, так и на плавающих вышках или платформах. Настоящее изобретение расширяет набор функций, обычно используемых на буровой площадке. Кроме того, оно зависит от нормального функционирования обычных и дополнительных систем. Типичными системами являются, например, устройства для механизированной подвески и развинчивания труб, захватные устройства, системы подачи буровых растворов, верхние приводы, погрузочно-разгрузочные устройства и т.п. Они хорошо известны специалистам в данной области и не будут обсуждаться более подробно. Как правило, функционирование устройства будет зависеть от его собственных систем контроля,наблюдения и функционирования. Они не будут описываться в настоящем изобретении. Уплотнения, применяемые в устройстве, могут иметь разную форму, принципы работы и варианты реализации. В настоящее время в промышленности используются различные системы обеспечения уплотнения вокруг бурильных колонн, а также некоторые из них разрабатываются. Некоторые уплотнения выполнены с использованием подшипников вращения/качения, так что одни уплотнения вращаются вместе с бурильной колонной, а другие уплотнения являются зафиксированными прочно закреплнными механизмами, в которых уплотнение удерживается неподвижным даже при вращении бурильной колонны. Также существуют варианты, в которых для обеспечения полного уплотнения несколько уплотняющих элементов сведены вместе. Кроме того, имеется несколько инженерных решений по обеспечению-2 016727 уплотнения, основанных на впрыске жидкости, уменьшающей трение, над поверхностью уплотнения или прямо на не и/или между уплотнительными элементами. Некоторые способы уплотнения основаны на принципе формирования градиента давления в наборе уплотнительных элементов. Также имеются уплотнительные элементы, которые могут быть открыты и закрыты вплотную у бурильной колонны (кольцевой превентор, трубная плашка). Все эти разные уплотнения и их комбинации в настоящей заявке описываются общим понятием "уплотнение". Понятие "бурильные трубы", используемое в описании, служит для обозначения всех типов бурильных труб, применяемых при бурении нефтяных скважин, водяных скважин и газоносных скважин. Это включает также операции по спуску в скважину инструмента под давлением, так называемый снаббинг. Бурильные трубы могут быть стандартными или сделанными по заказу, имеющими или не имеющими специальную смазку резьбы или уплотнения (кольцевые прокладки и т.п.). Осуществление способа Фиг. 3 показывает устройство после его размещения вокруг бурильной колонны 100. При этом уплотнения 20 а, 20b расположены прижатыми к бурильной колонне и не подвергаются воздействию давления, что приводит к уменьшению их износа. Клапан 70 и запирающие фиксаторы 30 а, 30b находятся в открытом положении, так что бурильная колонна может свободно проходить через корпус 10. Буровики могут проводить бурение как обычно, не уделяя особого внимания предложенному в изобретении устройству. Во время бурения буровая жидкость прокачивается через бурильную колонну. На фиг. 4 показан корпус 10, поднятый вдоль бурильной колонны, так что появляется доступ к трубному соединению 110. Это происходит, когда бурение прошло вниз настолько, что возникает необходимость вставить новый отрезок бурильной колонны. Затем может быть использовано устройство для механизированной подвески и развинчивания труб или робот 90, который рассоединяет соединение 110. Первоначально рассоединение проводится с усилием/перемещением, позволяющим соединению сохранять способность удерживать давление, одновременно с тем, что усилие, которое в дальнейшем потребуется для открытия трубного соединения, может быть развито верхним приводом буровой вышки. Этот способ рассоединения трубного соединения называют мягким. Когда робот 90 выполнил мягкое рассоединение, его удаляют от бурильной колонны. Корпус 10 тогда можно опустить над указанным соединением, которое теперь находится в режиме мягкого рассоединения, с циркулирующей внутри под давлением буровой жидкостью. На фиг. 5 показано, что корпус размещн над трубным соединением 110, запирающие фиксаторы 30 а, 30b активированы, и уплотнения 20 а, 20b работают. Теперь соединение 110 на бурильной трубе открывают с помощью верхнего привода и части 120, 130 отделяют одну от другой. Буровая жидкость ещ циркулирует через бурильную колонну 100 через напорную камеру 60. На этой стадии одновременно давление буровой жидкости устанавливается у нижнего входа 50b. Давление идентично давлению внутри бурильной колонны. Во время этой операции вход 50 а для буровой жидкости закрыт. На фиг. 6 показано, что верхний конец 120 бурильной колонны подтягивают над клапаном 70 и помещают вплотную к запирающему фиксатору 30 а. Подкачку буровой жидкости после этого постепенно переносят с бурильной колонны на нижний вход 50b для буровой жидкости до тех пор, пока прокачка не начинает происходить только через нижний вход 50b. До этого момента пласт не может почувствовать какого-либо изменения давления буровой жидкости. На фиг. 7 показано, что после того как весь впуск буровой жидкости передан на нижний вход 50b и буровая жидкость больше не прокачивается через часть 120 бурильной колонны, которая расположена в верхнем запирающем фиксаторе 30 а, клапан 70 можно закрыть. Теперь две напорные камеры 40 а, 40b гидравлически и механически разделены. Давление в верхней напорной камере и бурильной колонне теперь может быть сброшено, а жидкость удалена через верхний выход 50 а. На фиг. 8 показано, что после того как верхняя напорная камера 40 а и бурильная штанга больше не находятся под давлением, можно открыть верхний запирающий фиксатор 30 а и поднять бурильную колонну для сборки нового отрезка бурильной трубы. Циркуляция по направлению к части 30 бурильной колонны, которая находится в скважине, теперь происходит только путм впуска в нижний выход 50b. На фиг. 9 показано, что при сборке новую бурильную колонну заводят сверху в корпус 10 и ведут вниз через верхнее уплотнение 20 а и верхний запирающий фиксатор 30 а, который затем закрывают (активируют). После этого новую бурильную колонну и верхнюю напорную камеру 40 а заполняют буровой жидкостью и подают давление приблизительно до его значения в нижней напорной камере 40b. Затем давление уравнивают через клапан 70. На фиг. 10 показано, что после того как давление уравняли через клапан 70, его можно держать открытым. Теперь циркуляция буровой жидкости происходит параллельно через бурильную колонну и через нижний вход 50b. На фиг. 11 показано, что верхняя часть 120 бурильной колонны подводится к нижней части 130. Циркуляция через нижний вход 50b постепенно прекращается до тех пор, пока вся циркуляция не осуществляется через верхнюю часть 120 бурильной колонны.-3 016727 На фиг. 12 показано, что бурильную колонну 100 соединяют путм ввинчивания верхней части 120 бурильной колонны верхним приводом (не показан) в нижнюю часть 130. Соединение выполняют так,что оно выдерживает давление, действующее изнутри, без протечки (мягкое сочленение). После этого давление в напорных камерах 40 а, 40b сбрасывают, и в устройстве больше нет давления на уплотнениях 20 а, 20b. На фиг. 13 показано, что после того как из предложенного устройства сбросили давление, его поднимают вдоль бурильной колонны 100, чтобы создать пространство для робота 90. Он выдвигается вперд и создат заранее определнное усилие для соединения (момент). Теперь бурение может продолжаться как обычно до проведения следующего сочленения. При вытягивании/извлечении бурильных труб последовательность действий повторяют в обратном порядке. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ поддержания в бурильной колонне (100) во время бурения, по существу, постоянных давления и расхода буровой жидкости, подаваемой через циркуляционную систему для буровой жидкости, в котором размещают вокруг бурильной колонны (100), по существу, продолговатый полый внутри корпус(10), содержащий напорную камеру (60) с верхней и нижней напорными камерами (40 а, 40b), разделнными промежуточным клапаном (70); разделяют бурильную колонну (100), так что трубное соединение (110), отделнное от бурильной колонны, находится внутри полого корпуса (10), а верхняя (120) и нижняя (130) части бурильной колонны (100) заперты и уплотнены в соответствующих верхней и нижней камерах (40 а, 40b) при одновременной подаче внутрь корпуса (10) буровой жидкости, так что указанную жидкость подают в корпус (10) при давлении, соответствующем давлению в бурильной колонне (100); закрывают сообщение между верхней и нижней камерами (40 а, 40b) при помощи промежуточного клапана (70), так что в нижней камере (40b) давление поддерживается, а в верхней камере (40 а) давление выравнивается с давлением окружающей среды; высвобождают и тянут вверх верхнюю часть (120) бурильной колонны (100) для сборки нового отрезка бурильной колонны (100), содержащей несколько бурильных труб; заводят новый отрезок бурильной колонны (100) в верхнюю камеру (40 а), после чего е запирают и уплотняют в верхней камере (40 а); подают буровую жидкость в верхнюю камеру (40 а) для получения давления, соответствующего давлению в нижней камере (40b), с последующим открытием промежуточного клапана (70) между верхней и нижней камерами (40 а, 40b) и соединяют верхнюю и нижнюю части (120, 130) бурильной колонны (100) с последующим высвобождением бурильной колонны (100) и снятием указанного давления в корпусе (10),отличающийся тем, что при вставке нового отрезка бурильной колонны (100) указанный корпус(10) поднимают вдоль бурильной колонны (100), так что появляется доступ к трубному соединению(110), используют устройство (90) для механизированной подвески и развинчивания труб и, по меньшей мере, рассоединяют трубное соединение (110), после чего указанное устройство (90) удаляют от бурильной колонны (100), а корпус (10) опускают поверх указанного соединения (110), которое теперь находится в режиме мягкого рассоединения с циркулирующей внутри под давлением буровой жидкостью. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что запирающие фиксаторы (30 а, 30b) активируют, а уплотнения (20 а, 20b) при этом функционируют, при этом указанное трубное соединение (110) на бурильной колонне (100) открывают с помощью верхнего привода и указанные трубные части (120, 130) отделяют друг от друга при одновременной циркуляции буровой жидкости через бурильную колонну (100) посредством указанной напорной камеры (60), после чего на нижнем входе (50b) для буровой жидкости создают давление буровой жидкости, соответствующее давлению в бурильной колонне (100). 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что верхний конец (120) бурильной колонны вытягивают над клапаном (70) и размещают напротив верхнего запирающего фиксатора (30 а), а перекачку буровой жидкости постепенно переносят из бурильной колонны (100) на нижний вход (50b) для буровой жидкости до тех пор, пока буровая жидкость не будет прокачиваться только через нижний вход (50b). 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что после переноса всего впуска буровой жидкости на нижний вход (50 а) и прекращения перекачивания буровой жидкости через бурильную колонну (100), расположенную в верхнем запирающемся фиксаторе, закрывают нижний клапан (70), так что две напорные камеры (40 а, 40b) оказываются разделены гидравлически и механически, после чего через верхний выход(50 а) сбрасывают давление из верхней камеры (40 а) и бурильной колонны (100) и удаляют из них буровую жидкость. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что после сброса давления в верхней камере (40 а) и бурильной колонне (100) открывают верхний запирающий фиксатор (30 а) и выдвигают бурильную колонну (100) для сбора нового отрезка бурильной трубы, а циркуляцию в бурильной колонне (100), находящейся в-4 016727 скважине, осуществляют впуском в нижний вход (50b). 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что после сборки новой части (120) бурильной колонны е через верх проводят в корпус (10) вниз через верхнее уплотнение (20 а) и верхний запирающий фиксатор(30 а), который затем закрывают, после чего новую часть (120) бурильной колонны и верхнюю камеру(40 а) заполняют буровой жидкостью и повышают в них давление до значения давления буровой жидкости в нижней камере (40b), так что давление оказывается выровненным через клапан. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что после выравнивания давления через клапан (70) его открывают, а циркуляцию буровой жидкости осуществляют параллельно через бурильную колонну (100) и через нижний вход (50b). 8. Способ по п.7, отличающийся тем, что циркуляцию через нижний вход (50b) постепенно прекращают до тех пор, пока вся циркуляция не станет проходить через верхнюю часть (120) бурильной колонны, а верхнюю часть (120) бурильной колонны перемещают вниз по направлению к нижней части (130) бурильной колонны. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что бурильную колонну (100) сочленяют путм ввинчивания верхним приводом верхней части (120) бурильной колонны в нижнюю часть (130), а трубное соединение(110) выполняют таким образом, что оно выдерживает давление, имеющееся на внутренней части, без протечки при мягком сочленении, после чего давление в напорных камерах (40 а, 40b) сбрасывают. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что после сброса давления в корпусе (10) корпус поднимают вдоль бурильной колонны (100), чтобы обеспечить пространство для указанного устройства (90), которое выдвигают вперд, и оно обеспечивает подачу заранее определнного усилия соединения.