Регулируемый стабилизатор для направленного бурения

1 Область техники Настоящее изобретение относится в основном к устройствам, используемым при бурении направленных скважин. В частности, настоящее изобретение относится к узлам стабилизатора, установленным на бурильной колонне, для отклонения направления бурения от вертикального. Предпосылки изобретения Предшествующие попытки направленного бурения при добыче нефтеуглеводородов с применением механических ударно-канатных инструментов, используемых для отклонения направления вращающейся бурильной колонны от вертикального в вертикальных до этого скважинах. Главным недостатком использования ударно-канатных инструментов является то,что направленное регулирование головки и бурильной колонны пропадает, как только бурильная колонна ударяется или отклоняется этим инструментом. Кроме того, работа с ударно-канатным инструментом требует больших временных и материальных затрат. При еще одном способе направленного бурения применяется кривой или изгибающийся переходник в соединении с забойным двигателем или турбиной. Кривой переходник имеет изгиб, выполненный для размещения буровой головки с отклонением на несколько градусов от вертикальной оси остальной части бурильной колонны. Забойный двигатель присоединен между кривым переходником и буровой головкой или встроен в сам переходник. Бурильная колонна и забойный двигатель могут вращаться,что вызывает разрушение породы головкой и бурение строго вперед под одним углом и азимутом существующей скважины. При необходимости изменения направления бурения вращение бурильной колонны останавливают, и головка вращается бурильным двигателем. Такой режим работы известен как "режим проскальзывания", так как бурильная колонна скорее проскальзывает, а не вращается относительно боковой стенки скважины. В отклоняющемся участке скважины бурильная колонна испытывает существенный фрикционный контакт с этой стенкой, что затрудняет приложение значительного усилия к головке, в результате чего снижается скорость внедрения по сравнению с вращательным бурением. Примеры систем и способов направленного бурения с кривыми переходниками или двигателями описаны в патентах США 5311953 от 17 мая 1994 г. на имя Уокера,5139094 от 18 августа 1992 г. на имя Преведела и др. и 5050692 от 24 сентября 1991 г. на имя Беймграбена. В другой системе и при другом способе направленного бурения бурильная колонна снабжена двумя стабилизаторами, установленными над бурильной головкой на некотором расстоянии друг от друга. Разница диаметров верхнего стабилизатора и стабилизатора, уста 000595 2 новленного ближе к головке, будь то неподвижный или регулируемый стабилизатор, и расстояние между ними создают поперечные силы,способствующие отклонению головки от вертикальной оси скважины. Такое расположение стабилизаторов применяется как при вращательном бурении, так и в установках с забойным двигателем. Если стабилизаторы выполнены в виде регулируемых стабилизаторов и используются при вращательном бурении на поверхности, каждая лопасть стабилизатора должна выступать от корпуса стабилизатора на некоторое расстояние для сохранения симметрии с предотвращением эксцентричности и связанным с ней неровным ходом. С использованием при бурении бурильного двигателя такие ограничения применительно к верхнему стабилизатору, установленному над этим двигателем, отсутствуют. Примеры расположении стабилизаторов описаны в патентах США 5332048 от 26 июля 1994 г. на имя Ундервуда и др.,5293945 от 15 марта 1994 г. на имя Розенгауха и др.,5181576 от 26 января 1993 г. на имя Аскью и др.,4754821 от 1 июля 1988 г. на имя Светлика. Одной из проблем, касающейся регулируемого стабилизатора, является создание корпусов стабилизатора, имеющих неподвижные лопасти стабилизаторов, а также поршни, действующие между бурильной колонной или переходником стабилизатора и неподвижным корпусом стабилизатора для создания эксцентричности между верхним и нижним стабилизаторами и возникающих в результате этого поперечных изгибающих сил. Такие расположения требуют несколько раз привести в движение поршень на один оборот бурильной колонны и,следовательно, имеют недостатки с точки зрения механики и надежности. Примеры таких расположений описаны в патентах США 5038872 от 13 августа 1991 г. на имя Ширли и 3593810 от 20 июля 1971 г. на имя Филдса. Таким образом, существует необходимость в эффективной вращающейся бурильной колонне для использования в установках для направленного бурения, позволяющей персоналу регулировать точность траектории буровой головки в процессе бурения. Описание изобретения Главной целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного узла для направления вращающейся бурильной колонны в буровой скважине. Эта, а также другие цели настоящего изобретения достигаются путем создания переходника стабилизатора для установки в бурильной колонне и крепления непосредственно к буровой головке. Корпус стабилизатора установлен на переходнике стабилизатора с возможностью вращения и остается по существу неподвижным по отношению к буровой скважине при вращении бурильной колонны. На корпусе стабилизатора установлена, по меньшей мере, одна ло 3 пасть стабилизатора с возможностью выдвижения в радиальном направлении от этого корпуса и вхождения во взаимодействие с боковой стенкой буровой скважины. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения, по меньшей мере, три лопасти стабилизатора расположены на некотором расстоянии друг от друга на окружности корпуса стабилизатора. Каждая лопасть стабилизатора установлена с возможностью выборочного выдвижения и отвода независимо друг от друга. Также в соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения каждая лопасть стабилизатора установлена в продольном пазу, расположенном в корпусе стабилизатора и имеющем наклонное дно, так что относительное продольное перемещение лопасти и корпуса стабилизатора вызывает выдвижение или отвод этой лопасти. Между каждой лопастью и корпусом стабилизатора присоединен двигатель для их относительного продольного перемещения. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения переходник стабилизатора на конце, противоположном бурильной головке, включает неподвижный стабилизатор. Двигатель соединен с лопастью стабилизатора посредством ходового винта, вращение которого двигателем вызывает продольное перемещение лопасти в пазу. Описание чертежей Фиг. 1 изображает продольный разрез скважины, на котором показан предлагаемый узел для направления вращающейся бурильной колонны; фиг. 2 - вертикальный разрез части стабилизатора усовершенствованного узла для направления вращающейся бурильной колонны на фиг.1; фиг. 3 - продольный разрез части стабилизатора на фиг.2; фиг. 4 А-4D - поперечные сечения скважины и узла для направления вращающейся бурильной колонны по секущим линиям 4-4 на фиг.1; фиг. 5 - логическую блок-схему работы и управления регулируемого стабилизатора узла для направления вращающейся бурильной колонны на фиг. 1. Описание предпочтительного варианта выполнения На фиг. 1 показан продольный разрез скважины 1 с установленным в ней узлом для направления вращающейся бурильной колонны,который содержит переходник 3 стабилизатора,обычно резьбовым бурильным замком присоединенный к обычной вращающейся бурильной колонне (не показана). Буровая головка 5 или с неподвижными, или с вращающимися режущими элементами прикреплена к нижнему концу переходника 3. На переходнике 3 установлен 4 неподвижный стабилизатор 7, расположенный на некотором расстоянии от головки 5. Вблизи буровой головки на нижнем конце переходника 3 установлен регулируемый стабилизатор 9,содержащий несколько лопастей 11 стабилизатора. В другом варианте верхний стабилизатор 7 может быть выполнен в виде регулируемого стабилизатора, также увеличивающего универсальность предлагаемого узла для направления вращающейся бурильной колонны. На фиг.2 и 3 показаны соответственно вертикальный и продольный разрезы стабилизатора 9 предлагаемого узла для направления вращающейся бурильной колонны. Корпус 13 стабилизатора, как правило цилиндрический, присоединен к внешней части переходника 3, также как правило цилиндрического, посредством подшипников и уплотнений 15, обеспечивающих вращение корпуса 13 относительно переходника 3 и наличие смазки в кольцевом зазоре между ними. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения в продольных пазах 17 в корпусе 13 установлены по меньшей мере четыре лопасти 11 А, 11 В, 11 С и 11D стабилизатора, удерживаемые там шпунтовым соединением. Каждый паз 17 имеет наклонное дно 17 А, ограничивающее наклонную поверхность 17 А, относительное продольное перемещение по которому лопастей 11 А-11D вызывает радиальные выдвижение или отвод этих лопастей 11 А-11D от корпуса 13. С каждым пазом 17 взаимосвязан электрический двигатель 19 мощностью в половину лошадиной силы (378 Вт), который вращает ходовой винт 21, взаимодействующий с шариковой гайкой (не показана), установленной на каждой лопасти 11 А-11D, для относительного продольного перемещения. В предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения каждый винт 21 рассчитан так, что он вытягивается при осевой нагрузке на стабилизатор 9 при застревании, составляющей 10.1000 фунтов (4536 кг) на лопасть стабилизатора, для предотвращения застревания бурильной колонны в скважине, вызванного этим стабилизатором. Лопасти 11 А 11D установлены с возможностью независимого отвода и выдвижения по отношению к корпусу 13, так как каждая из этих лопастей снабжена собственным приводом в виде двигателя 19 и винта 21. Предпочтительно двигатели 19 выполнены в виде шаговых двигателей или серводвигателей, предназначенных для точного регулирования вращения винтов 21 и выдвижения каждой лопасти 11A-11D от корпуса 13. Микропроцессор или блок 23 управления присоединен к каждому двигателю 19 для регулирования вращения этого двигателя и винта 21 и, следовательно, выдвижения лопастей 11A11D от корпуса 13. Микропроцессор 23, установленный в корпусе 13, содержит обычные средства считывания данных положения с коди 5 рующих устройств, взаимосвязанных с каждым двигателем 19, для установки величины выдвижения каждой лопасти 11A-11D. На микропроцессор или контроллер 23 питание подается от аккумулятора 25, который установлен в корпусе 13 и предпочтительно заряжается путем индуктивной связи с несколькими зарядными катушками 27, расположенными на некотором расстоянии друг от друга по окружности в переходнике 3. Энергия на катушки 27 предпочтительно подается обычным генератором, подпитываемым энергией буровой текучей среды и установленным на переходнике 3, или отдельной аппаратурой для скважинных исследований в процессе бурения, установленной в бурильной колонне. На фиг. 4 А-4D показаны поперечные разрезы скважины 1 и корпуса 13 с лопастями 11A11D, сделанные по секущей линии 4-4 на фиг.1 и показывающие различные конфигурации лопастей 11A-11D, которые оказывают различное влияние на траекторию головки 5. Для удобства верхняя лопасть стабилизатора обозначена как 11 А, правая - 11 В, нижняя - 11 С, и левая - 11D. На фиг.4 А узел 9 стабилизатора имеет конфигурацию, предназначенную для снижения угла или уменьшения величины отклонения от вертикали. При такой конфигурации лопасть 11 А выдвинута за пределы корпуса 13 и находится в контакте или взаимодействии с боковой стенкой скважины 1, в то время как лопасть 11 С почти полностью отведена. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения противоположные лопасти 11 А и 11 С установлены с возможностью выдвижения до диаметра, большего чем размер головки 5 или скважины 1. Конечно, для предотвращения застревания в скважине 1 противоположные лопасти 11 А и 11 С никогда не выдвинуты полностью одновременно. То же самое относится к противоположным лопастям 11 В и 11D, которые при конфигурации для снижения угла выдвинуты до промежуточного размера, меньшего, чем размер головки 5 или скважины 1. На фиг. 4 В стабилизатор 9 имеет конфигурацию для увеличения угла или увеличения величины отклонения от вертикали в скважине 1. При такой конфигурации лопасть 11 С почти полностью выдвинута, а лопасть 11 А почти полностью отведена. И в этом случае лопасти 11 В и 11D выдвинуты до промежуточного размера, меньшего, чем размер головки 5 или скважины 1. На фиг. 4 С стабилизатор 9 имеет конфигурацию для поворота головки 5 влево, при которой лопасть 11 В почти полностью выдвинута, а лопасть 11D отведена с обеспечением изменений азимута головки 5. Лопасти 11 А и 11 С выдвинуты до промежуточного размера, меньшего, чем размер головки 5 или скважины 1, для сохранения угла. 6 Подобным образом на фиг. 4D стабилизатор 9 имеет конфигурацию для поворота головки 5 влево, при которой лопасть 11D почти полностью выдвинута, а лопасть 11 В почти полностью отведена, в то время как лопасти 11 А и 11 С выдвинуты до промежуточного размера для сохранения угла. Поскольку на фиг. 4A-4D показаны только четыре конфигурации стабилизатора 9 предлагаемого узла для направления вращающейся бурильной колонны и так как каждая лопасть 11 А-11D установлена с возможностью выдвижения независимо друг от друга, фактически возможно бесконечное множество конфигураций стабилизатора и траекторий головки 5. Очевидно, что фактически неограниченная возможность регулирования стабилизатора 9 стала возможной благодаря присоединению корпуса 13 к переходнику 3 для вращения, причем при вращении бурильной колонны корпус остается по существу неподвижным по отношению к скважине 1. Это обеспечивает дифференциальное или асимметричное выдвижение лопастей 11 А 11D, что, в свою очередь, обеспечивает широкий диапазон траекторий, получаемых при различных конфигурациях стабилизатора 9. Конечно, нельзя предполагать, что корпус 13 остается полностью неподвижным по отношению к боковой стенке скважины. Трение,возникающее между внутренним диаметром корпуса 13 и внешним диаметром переходника 3 меньше трения между лопастями 11A-11D и боковой стенкой скважины, так что корпус 13 делает примерно один оборот на каждые 100500 футов (30,5-152,4 м), пройденных при бурении. При возникновении такого медленного вращения лопасть 11 А стремится переместиться в положение лопасти 11 В, то же самое справедливо и для лопастей 11 С и 11D. Как только ориентация лопастей 11A-11D по отношению к боковой стенке скважины 1 изменилось, необходимо произвести коррекцию для сохранения траектории головки 5 в требуемом направлении. Трехосный акселерометр, в котором каждый акселерометр выставлен на ортогональных осях, установлен на корпусе 13 и соединен с микропроцессором 23 для измерения угла наклона корпуса 13 и ориентации вращения этого корпуса и лопастей 11A-11D. Микропроцессор 23 запрограммирован для автоматической корректировки изменений ориентации переходника 13 или может передавать эту информацию посредством аппаратуры для скважинных исследований в процессе бурения для соответствующего реагирования. При использовании такой аппаратуры на корпусе 13 установлено приемно-передающее радиоустройство (не показано),работающее на AM-сигналах, для обеспечения двухсторонней радиосвязи между микропроцессором 23 и телеметрическим участком аппаратуры для скважинных исследований в процессе бурения, который в свою очередь может быть 7 связан с поверхностью посредством одного или нескольких обычных телеметрических или многопроводных устройств. Также часто преимуществом является целевое изменение конфигурации стабилизатора 9 для коррекции неожиданных изменений траектории головки, обусловленных непредвиденными изменениями в материале породы, буровых характеристик головки 5 и тому подобное. Таким образом, соответствующая конфигурация стабилизатора 9 задается на поверхности или закладывается в программу микропроцессора 23 или аппаратуры для скважинных исследований в процессе бурения, установленной в бурильной колонне и связанной с микропроцессором 23. При этом для обеспечения требуемой траектории или ее коррекции двигатели 19, винты 21 и лопасти 11A-11D соответственно регулируются. На фиг.5 показана логическая блок-схема,изображающая последовательность регулирования и работу предлагаемого узла для направления вращающейся бурильной колонны. Работа этого узла описана ниже со ссылками на фиг.15. Во-первых, в бурильную колонну встроена головка для бурения участка вертикальной скважины до точки начала отклонения или отклонения, в которой необходимо начинать направленное бурение. Если эта точка расположена достаточно близко к поверхности, так что срок службы головки при достижении этой точки или вскоре после нее не закончен, вертикальная бурильная колонна может включать переходник 3, а также стабилизаторы 7 и 9. На вертикальном участке скважины лопасти 11A11D полностью отведены или выдвинуты на размер, меньший размера головки 5 и скважины 1, при этом стабилизаторы 7, 9 просто выполняют функцию централизатора. В точке начала отклонения стабилизатор 9 и лопасти 11A-11D имеют конфигурацию, предназначенную для траектории начала отклонения, что соответствует блоку 101 на фиг.5. Регулируемая расцентровка, вызванная разнесенными стабилизаторами 7 и 9, вызывает отклонение переходника 3 и головки 5 от вертикальной оси скважины 1, и при этом начинается направленное бурение. Блоку 103 на фиг.5 соответствует состояние, когда вращение корпуса 3 относительно скважины 1 отслеживается одним микропроцессором 23 или микропроцессором 23 вместе с аппаратурой для скважинных исследований в процессе бурения, которые могут быть связаны с поверхностью. Если вращение корпуса 13 зафиксировано, эта информация передается в микропроцессор 23 или посредством него, и микропроцессор вносит корректировку для переустановки конфигурации лопастей 11A-11D для компенсации вращения корпуса 13 в скважине 1. Если вращение корпуса 13 не зафиксировано, что соответствует блоку 105 на фиг.5, оп 000595 8 ределяется наличие необходимости в изменении траектории. Такое изменение запрограммировано в микропроцессоре 23 и запускается путем измерений, поступающих от акселерометров,установленных на корпусе 13, или путем данных наблюдений от аппаратуры для скважинных исследований в процессе бурения, которая отмечает, что изменение траектории соответствует необходимому, или может быть передано с поверхности на микропроцессор 23 посредством телеметрии в случае, когда имеются определенные на поверхности или отслеженные данные о необходимости изменения траектории. Как показано на блок-схеме на фиг.5, если вращение корпуса 13 не зафиксировано и не подтверждены изменение или корректировка траектории, микропроцессор 23 продолжает отслеживать оба условия для соответствующего реагирования в случае появления любого из них. Настоящее изобретение имеет ряд преимуществ по сравнению с известными узлами и системами для направления вращающейся бурильной колонны. Принципиальное преимущество заключается в том, что система для направления вращающейся бурильной колонны предназначена для использования при эффективной технологии вращательного бурения на поверхности и связанными с ней высокими скоростями внедрения. Предлагаемый узел для направления вращающейся бурильной колонны не требует применения сложных гидравлических и механических систем для обеспечения отклонения головки или изменения ее траектории в процессе бурения. Изобретение описано со ссылками на предпочтительный вариант его выполнения. Однако оно им не ограничено, и возможны варианты и модификации без отклонения от объема и сущности изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Усовершенствованный узел для направления вращающейся бурильной колонны в буровой скважине (1), содержащий переходник (3) стабилизатора (9) для установки в бурильной колонне и корпус (13) стабилизатора, установленный с возможностью вращения на переходнике стабилизатора и остающийся, по существу,неподвижным по отношению к буровой скважине при вращении бурильной колонны, отличающийся тем, что на корпусе стабилизатора установлена, по меньшей мере, одна лопасть(11) стабилизатора с возможностью выдвижения в радиальном направлении от корпуса стабилизатора, вхождения во взаимодействие с боковой стенкой буровой скважины и отвода до минимального радиального размера при приложении к бурильной колонне достаточного осевого усилия при застревании переходника стабилизатора в буровой скважине. 9 2. Усовершенствованный узел для направления вращающейся бурильной колонны в буровой скважине (1), содержащий переходник (3) стабилизатора (9) для установки в бурильной колонне и корпус (13) стабилизатора, установленный с возможностью вращения на переходнике стабилизатора и остающийся, по существу,неподвижным по отношению к буровой скважине при вращении бурильной колонны, отличающийся тем, что на корпусе стабилизатора установлены, по меньшей мере, две в целом противоположных лопасти стабилизатора с возможностью независимого выдвижения в радиальном направлении от корпуса стабилизатора,вхождения во взаимодействие с боковой стенкой буровой скважины и отвода до минимального радиального размера при приложении к бурильной колонне достаточного осевого усилия при застревании переходника стабилизатора в буровой скважине. 3. Усовершенствованный узел для направления вращающейся бурильной колонны в буровой скважине (1), содержащий переходник (3) стабилизатора (9) для установки в бурильной колонне и корпус (13) стабилизатора, установленный с возможностью вращения на переходнике стабилизатора и остающийся, по существу,неподвижным по отношению к буровой скважине при вращении бурильной колонны, отличающийся тем, что на внешней поверхности корпуса стабилизатора выполнен, по меньшей мере, один продольный паз (17), имеющий наклонное дно (17 А); в пазу в корпусе стабилизатора установлена, по меньшей мере, одна лопасть (11) стабилизатора с возможностью независимого выдвижения в радиальном направлении от корпуса стабилизатора, вхождения во взаимодействие с боковой стенкой буровой скважины путем продольного перемещения в пазу, имеющем наклонное дно, и отвода до минимального радиального размера при приложении к бурильной колонне достаточного осевого усилия при застревании переходника стабилизатора в буровой скважине; на корпусе стабилизатора установлен двигатель (19), присоединенный к лопасти стабилизатора для продольного перемещения лопасти стабилизатора в пазу; на переходнике стабилизатора установлен источник электрического питания, электрически связанный с двигателем. 4. Узел по п.1 или 2, в котором каждая лопасть стабилизатора установлена в корпусе стабилизатора в продольном пазу, имеющем наклонное дно, при этом относительное продольное перемещение лопасти и корпуса стабилизатора вызывает выдвижение или отвод лопасти. 5. Узел по пп.1, 2 или 3, дополнительно содержащий, по меньшей мере, три лопасти стабилизатора, расположенных на некотором расстоянии друг от друга на окружности корпуса стабилизатора. 10 6. Узел по п.1 или 2, дополнительно содержащий двигатель (19), присоединенный между каждой лопастью и корпусом стабилизатора для их взаимного относительного продольного перемещения. 7. Узел по пп.1, 2 или 3, в котором переходник стабилизатора на конце, противоположном бурильной головке, включает неподвижный стабилизатор (7). 8. Узел по пп.1, 2 или 3, дополнительно содержащий четыре лопасти стабилизатора,расположенных на некотором расстоянии друг от друга на окружности корпуса стабилизатора. 9. Узел по п.3, дополнительно содержащий четыре лопасти стабилизатора, расположенных на некотором расстоянии друг от друга в четырех продольных пазах на окружности корпуса стабилизатора, и четыре двигателя, установленных на корпусе стабилизатора. 10. Узел по п.3, в котором двигатель соединен с лопастью стабилизатора посредством ходового винта (21), вращение которого двигателем вызывает продольное перемещение лопасти в пазу.