Система и способ динамического уплотнения вокруг бурильной штанги

010818 Настоящее изобретение относится к системе и способу динамического уплотнения вокруг бурильной штанги переменного диаметра в скважинах, содержащих воду, буровой раствор или углеводороды. Способ и система включают уплотнительное устройство, выполненное для монтажа на существующем оборудовании скважины и для применения без возведения водоотделяющей колонны или колонны для спуска, при этом уплотнительное устройство включает удлиненный узел динамического уплотнения,который выполнен для окружения бурильной штанги, и узел приемника, который смонтирован на указанном существующем оборудовании на скважине и выполнен для приема узла уплотнения. Изобретение можно использовать для уплотнения вокруг бурильной штанги или змеевика, которые входят в нефтяные и газовые скважины или выходят из них, в случае в любых типов скважин, содержащих воду, буровой раствор или углеводороды, имеющих клапанные задвижки (скважинные предохранительные клапаны), расположенные на дне океана, на платформе, на судне, на установке или на земле. Изобретение относится к системам и способам, которые позволяют осуществлять проникновение и бурение в упомянутых выше скважинах, содержащих воду, буровой раствор или углеводороды, и особенно в скважинах, расположенных на дне океана, как при использовании водоотделяющей колонны, так и без ее присоединения к установке на судне или к иной надводной установке. Система и способ охватывают эксплуатацию выше упомянутых скважин, содержащих воду, буровой раствор или углеводороды,осуществляемую с помощью бурильной штанги, спускающей штанги и змеевика; кроме того, упомянутые способы основаны на использовании новых композитных и термопластичных материалов, а также дополнительных растворов. Бурильная штанга, спускающая штанга и змеевик упоминаются здесь и далее под термином бурильной штанги. Под выражением внутрискважинные инструменты следует понимать различные инструменты для работы в скважине, т.е. оборудование для бурильных работ, оборудование для проникновения, оборудование для каротажных, измерительных, ловильных работ и т.д. Изобретение в упрощенном виде представляет собой динамическое уплотнение вокруг бурильной штанги, которая входит в скважину, содержащую воду, буровой раствор или углеводороды, или выходит из нее. Изобретение учитывает также ситуации, когда давление в скважине выше или ниже, чем окружающее давление на клапанных задвижках. Это ведет к тому, что изобретение в ходе работы и испытаний может выдерживать давление с обеих сторон. Изобретение особенно подходит для работ, которые включают бурение в скважине сквозь существующие продуктовые трубы; в случае скважин, расположенных на дне океана, изобретение, совместно с другими системами, может способствовать обеспечению работы без применения водоотделяющей колонны, соединяемой с надводным судном или иной установкой. Современные способы для осуществления проникновения в скважины или бурения в скважинах на дне океана с помощью бурильной штанги или змеевика основаны на использовании водоотделяющей колонны между устьем скважины и находящимся на поверхности оборудованием на судне или надводной установке. Это требует большой и, следовательно, дорогостоящей судовой или иной надводной установки, где на противовыбросовом устройстве должно иметься место для водоотделяющей колонны,идущей из глубины океана, где ведется работа, а также другого оборудования, которое требуется для контроля давления и аварийного обслуживания. В настоящее время существуют системы динамического уплотнения, где используется давление с одной стороны. Одна из проблем с функционированием существующего динамического уплотнения состоит в ограничениях, обусловленных трением, которое необходимо преодолеть, чтобы вводить бурильную штангу в скважину или из нее, а также сложностью многих движущихся деталей. В качестве примеров предшествующего уровня техники приведены патенты NO 317227 и US 6386290. В первом патенте описана наиболее близкая технология, которая относится к смазке для использования в устье скважины,причем смазка содержит герметики, которые создают уплотнение вокруг змеевика, и имеется средство для поддержания внутреннего давления. Целью настоящего изобретения является создание возможности осуществления более гибкого и дешевого проникновения в скважину и ведения бурильных работ путем сочетания существующей и новой технологии посредством новых способов и систем. Система с соответствующим оборудованием имеет, в основном, одну базовую конфигурацию, которую адаптируют к внешнему диаметру штанги, проходящей через уплотнитель. Настоящая система динамического уплотнения вокруг бурильной штанги в скважинах, содержащих воду, буровой раствор или углеводороды, включает уплотнительное устройство, смонтированное на другом оборудовании, и примыкающие системы, которые требуются для осуществления работы в скважине,будь то скважина, расположенная на дне океана, или поверхностная скважина, при этом уплотнительное устройство представляет собой уплотнитель, который может быть собран и отрегулирован/настроен при проникновении в скважину с помощью бурильной штанги, причем степень уплотнения между скважиной и бурильной штангой можно регулировать. Уплотнитель может выдерживать давление с обеих сторон и таким образом предотвращать вытекание среды из скважины в окружающее пространство или втекание окружающей среды в скважину. Более того, смазка или масло могут быть впрыснуты под высоким давлением в уплотнение между уплотнительными комплектами для обеспечения поддержания давления на уплотнительных комплектах,-1 010818 и/или предотвращения перетекания текучей среды или газов через уплотнитель, и/или снижения трения между уплотнителем и бурильной штангой. В соответствии с настоящим изобретением бурильная штанга может входить в скважину или выходить из нее при максимальном давлении в скважине. Система предпочтительно находится под управлением и присоединяется к подходящей системе управления. Отличительные признаки предпочтительного воплощения системы описаны в независимом п.1 формулы изобретения и заключаются в том, что для обеспечения динамического уплотнения вокруг бурильной штанги в уплотнительном устройстве обеспечено поддержание внутреннего давления, по меньшей мере, соответствующего окружающему давлению, и узел уплотнения включает ряд комплектов основных уплотнителей, отстоящих друг от друга более чем на длину соединительной муфты в бурильной штанге в продольном направлении узла уплотнения. Признаки альтернативных предпочтительных воплощений системы указаны в пп.2-4 формулы изобретения, где каждый из упомянутых уплотнительных комплектов может включать по меньшей мере один чашеобразный или кольцеобразный уплотняющий элемент из эластичного материала, такого как эластомерный материал, выполненный для ограждения бурильной штанги. Предпочтительно между комплектами уплотнительных элементов в продольном направлении предусмотрен удлиненный кольцеобразный зазор, выполненный для приема впрыскиваемой под давлением среды, такой как смазка или масло, причем давящая среда впрыснута под давлением, которое предпочтительно выше, чем наивысшее давление, окружающее уплотнительное устройство со стороны скважины или окружающей среды. Более того, ряд уплотнителей, таких как эластомерные уплотнители, может быть установлен между узлом уплотнения и деталью приемника. Отличительные признаки предпочтительного воплощения способа по изобретению описаны в независимом п.5 формулы изобретения, согласно которому рабочую среду под давлением впрыскивают в указанный кольцеобразный зазор, который находится между рядом уплотнительных комплектов в уплотнительном устройстве, для обеспечения поддержания внутреннего давления, по меньшей мере, соответствующего окружающему давлению, что может быть откорректировано степенью уплотнения между скважиной и бурильной штангой. Признаки альтернативных предпочтительных воплощений способа изложены в пп.6-7 формулы изобретения, согласно которым рабочая среда под давлением, которую впрыскивают в упомянутый кольцеобразный зазор, представляет собой смазку, масло или другую среду под высоким давлением для обеспечения поддержания такого давления на уплотнительном устройстве, которое выдерживает давление с обеих сторон, предотвращая и вытекание среды из скважины в окружающую среду, и втекание окружающей среды в скважину. Более того, смазка или масло, впрыснутые между уплотнительными комплектами, предотвращают перетекание текучей среды или газов в уплотнительное устройство и/или снижают трение между уплотнительными комплектами и бурильной штангой. В связи с бурильными работами в скважинах с помощью бурильной штанги, используют дополнительные системы, необходимые для выполнения других функций, требующихся для осуществления(функций бурения и функций уплотнения, работы системы отключения, системы бурового раствора и т.д.). Подачу энергии на бурильную штангу (спускающуюся) по мере необходимости регулируют другими системами. Это изобретение относится к соответствующим уникальным системам, выполняющим только функцию динамического уплотнения. Изобретение не касается работы или управления инструмента и штанги, входящих в скважину, и в этом смысле охватывает любые формы таких способов. Изобретение далее описано со ссылкой на прилагаемые чертежи. Фиг. 1 демонстрирует воплощение настоящего изобретения, установленное наверху воображаемой установки в связи с бурением. Фиг. 2 демонстрирует работу настоящей системы, установленной наверху воображаемого бурового снаряда, при его перемещении в скважину или из нее. Фиг. 3 демонстрирует более подробно воплощение настоящей системы уплотнения при единообразном диаметре бурильной штанги, проходящей через уплотнительные элементы. Фиг. 4 демонстрирует более подробно воплощение настоящей системы уплотнения при переменном диаметре бурильной штанги, проходящей через уплотнительные элементы. Далее будут описаны примеры различных воплощений, но следует подразумевать, что иные подобные конфигурации также возможны в рамках этого изобретения. Установку и систему можно использовать независимо от того, расположены ли клапанные задвижки на дне океана или они доступны с поверхности воды/берега. На фиг. 1 показано воплощение настоящей системы, расположенной наверху воображаемой установки в связи с бурением. Система включает, в основном, систему 14 противовыбросового устройства скважины, предназначенную для использования во время бурения, и устройство 10 динамического уплотнения. Устройство 10 для динамического уплотнения расположено на самом верху установки и осуществляет регулировку давления во время работ по бурению или проникновению. Уплотнительное устройство 10 должно выдержать давление с обеих сторон, но предпочтительно, чтобы со стороны скважины давление было выше, чем давление снаружи.-2 010818 Способ введения бурильной штанги 16 в находящуюся под давлением скважину с использованием устройства 10 для динамического уплотнения состоит в следующем. Бурильную штангу 16 вводят в скважину или выводят из нее (как при избыточном давлении, так и при пониженном давлении, а также при компенсации давления) через уплотнительное устройство 10 для динамического уплотнения, которое смонтировано на самом верху временной системы 14 противовыбросового устройства. При движении бурильная штанга 16 проходит предпочтительно три комплекта 20, 22, 24 уплотнительных элементов. Уплотнительные элементы 20, 22, 24 расположены на расстоянии друг от друга, так что предпочтительно в каждый момент времени только один из уплотнительных элементов соприкасается с одной соединительной муфтой в бурильной штанге 16. Предпочтительно между уплотнительными элементами впрыснута экологически безопасная смазка или масло под давлением, которое превышает наивысшее наружное давление, обычно 0,5-10 МПа (5-100 бар). Уплотнительные элементы, таким образом, поддерживают под давлением, способным выдержать более высокое наружное давление, а также снабжают смазкой,которая снижает трение о бурильную штангу. Бурильную штангу вводят в скважину с помощью массы внутрискважинного инструмента, а также любых сил, поступающих от независимых способов и систем. На фиг. 2 показана установка и сборка настоящей системы, размещенной в подвешенном состоянии на воображаемом буровом снаряде, в связи с проведением бурильной работы. Показанная на фиг. 2 система включает внутренний узел 30 (удлиненный) динамического уплотнения, подогнанный к бурильной/проникающей штанге 16, и узел 40 приемника, размещенный на уже установленном оборудовании на дне океана. Как можно видеть, когда эти узлы смонтированы вместе, внутренний узел 30 (удлиненный) динамического уплотнения и узел 40 приемника составляют уплотнительное устройство 10. Способ установки и сборки узла динамического уплотнения состоит в следующем. После того как внутрискважинный инструмент изготовлен на поверхности, узел 30 динамического уплотнения монтируют предпочтительно на первой обычной бурильной штанге 16. Затем бурильную штангу с инструментом вводят в фиксатор скважины под узлом 40 приемника до тех пор, пока узел 30 динамического уплотнения не придет в контакт с узлом приемника 40, смонтированного на оборудовании системы противовыбросового устройства. Узел 30 уплотнения механически фиксируют с деталью приемника и испытывают. Фиксирование можно осуществлять, например, с помощью узла 44 гидравлического затвора в верхней части узла 40 приемника. Кроме того, ряд эластомерных уплотнителей 66 а-66 с встраивают между узлом 30 уплотнения и узлом приемника 40 для предотвращения переливания текучей среды/газа. На фиг. 3 показано более детально воплощение настоящей системы уплотнения в случае проходящей через нее бурильной штанги единообразного диаметра. Узел 30 уплотнения показан здесь в зафиксированном состоянии с узлом 40 приемника; он осуществляет уплотнение вокруг бурильной штанги 16,которая проходит через ряд комплектов 20, 22, 24 основных уплотнительных элементов, подобранных к бурильной штанге, которую предстоит использовать. В показанном примере используют три комплекта,но, разумеется, можно использовать меньшее или большее их число. В удлиненный кольцеобразный зазор 32, 34, образующийся между комплектами 20, 22, 24 уплотнительных элементов с помощью подходящего нагнетательного оборудования впрыснута предпочтительно экологически безопасная смазка или масло с подходящими характеристиками. Это нагнетательное оборудование может включать переменное число узлов 36 а-36n, два из которых указаны на фиг. 3 и 4, соответственно, как 36 а и 36b. Смазку или масло впрыскивают под давлением, которое предпочтительно выше, чем наивысшее давление, испытываемое уплотнителем от скважины или от окружающей среды, и которое, таким образом, обеспечивает предотвращение притока текучей среды или газа через уплотнитель. Кроме того, смазка или масло обеспечивают поддержание давления и смазывание уплотнительных элементов. Каждый из комплектов уплотнительных элементов может включать ряд уплотняющих элементов 38 в виде сальников, где уплотнители предпочтительно имеют форму пластинок или чаш со сквозным отверстием. Другие формы уплотнителей, разумеется, также возможны. Упомянутые уплотнители в комплектах уплотнительных элементов могут быть изготовлены из эластомеров либо сквозными, либо с поддержанием внутреннего давления. Иные подходящие композиты с соответствующими характеристиками также можно использовать. На фиг. 4 более подробно показано воплощение настоящей системы уплотнения при переменном диаметре бурильной штанги, проходящей сквозь нее. Описание такое же, как для фиг. 3, за исключением того,что через уплотнительный комплект проходит соединительная муфта бурильной штанги или еще что-либо с увеличенным диаметром. Узел 30 уплотнения устроен таким образом, что площадь/длина с увеличенным диаметром в любой момент времени находятся в контакте только с одним из уплотнительных комплектов. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система динамического уплотнения вокруг бурильной штанги (16) переменного диаметра в скважинах, содержащих воду, буровой раствор или углеводороды, включающая уплотнительное устройство (10), выполненное для монтажа на существующем в скважине оборудовании и для применения с системами без водоотделяющих колонн, где уплотнительное устройство (10) включает удлиненный узел(30) динамического уплотнения, выполненный для окружения бурильной штанги (16), и узел (40) прием-3 010818 ника, смонтированный на указанном существующем в скважине оборудовании и выполненный для приема узла (30) уплотнения, отличающаяся тем, что в уплотнительном устройстве (30) обеспечено поддержание внутреннего давления, по меньшей мере, соответствующего окружающему давлению, чтобы обеспечить динамическое уплотнение вокруг бурильной штанги (16), а узел (30) уплотнения включает ряд комплектов (20, 22, 24) основных уплотнителей, отстоящих друг от друга более чем на длину соединительной муфты в бурильной штанге (16) в продольном направлении узла (30) уплотнения. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что каждый из указанных уплотнительных комплектов (20,22, 24) включает по меньшей мере один имеющий форму диска или форму кольца уплотняющий элемент(38) из эластичного материала, такого как эластомерный материал, выполненный для ограждения указанной бурильной штанги (16). 3. Система по п.2, отличающаяся тем, что между комплектами (20, 22, 24) уплотнительных элементов предусмотрен в продольном направлении удлиненный кольцеобразный зазор (32, 34), выполненный для приема впрыскиваемой под давлением через затвор (36 а-36b) в стенке среды, такой как смазка или масло, причем находящаяся под давлением среда впрыснута под давлением, которое предпочтительно выше, чем наивысшее давление, испытываемое уплотнительным устройством (10) со стороны скважины или окружающей среды. 4. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что между узлом (30) уплотнения и деталью приемника(40) имеется ряд уплотнителей, таких как эластомерные уплотнители (66 а, 66b, 66 с), для создания уплотнения между узлом (30) уплотнения и деталью приемника (40). 5. Способ монтажа и применения устройства (10) для динамического уплотнения вокруг бурильной штанги (16) переменного диаметра в скважинах, содержащих воду, буровой раствор или углеводороды,когда соединительная колонна для внутрискважинных инструментов проходит в скважину через открытое море и без монтажа колонны для подъема или колонны для спуска, с помощью подвешенного узла(30) динамического уплотнения, предназначенного для входа и фиксации в детали приемника (40), который смонтирован на существующем оборудовании, отличающийся тем, что среду под давлением впрыскивают в указанные кольцеобразные зазоры (32, 34), которые находятся между рядом комплектов (20,22, 24) уплотнителей в уплотнительном устройстве (10), для обеспечения поддержания внутреннего давления, по меньшей мере, соответствующего окружающему давлению, что корректируют степенью уплотнения между скважиной и бурильной штангой. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что среда под давлением, которую впрыскивают в упомянутый кольцеобразный зазор (32, 34) для обеспечения поддержания давления на уплотнительном устройстве, чтобы выдерживать давление с обеих сторон и таким образом предотвращать вытекание среды из скважины в окружающее пространство или втекание окружающей среды в скважину, представляет собой смазку, масло или иную среду под высоким давлением. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что смазку или масло впрыскивают между уплотнительными комплектами (20, 22, 24) для предотвращения перетекания жидкости или газов в уплотнительном устройстве (10) и/или для снижения трения между уплотнительными комплектами (20, 22, 24) и бурильной штангой (16).