Оборудование для бурения пласта с низким пластовым давлением

005478 Настоящее изобретение относится к буровому оборудованию, предназначенному для бурения ствола скважины в геологических формациях, содержащему размещаемую в стволе скважины бурильную колонну, имеющую бурильную головку. Скважины бурят на суше и в открытом море для получения доступа к месторождениям нефти и газа. Эти месторождения расположены под землей в одном из геологических пластов. При бурении ствола скважины используют буровой раствор для перемещения бурового шлама из ствола скважины. В том случае, когда значения глубины скважин составляют от несколько сотен метров до нескольких километров, гидростатическое давление в забое буровой скважины может составлять несколько сотен бар. Вследствие этих высоких гидростатических давлений существует тенденция проникновения бурового раствора в геологические формации. При входе в слой пласта, в котором находится источник энергии, такой как нефть или газ, буровой раствор может проникать в этот слой, в результате чего данный слой оказывается забитым и оказывается отрицательное воздействие на добычу газа или нефти. Эта проблема возникает, в особенности, в месторождениях с низким пластовым давлением. Известно, что плотность бурового раствора регулируют с целью регулирования гидростатического давления в забое скважины. Тем не менее, это изменение гидростатического давления, как правило, не соответствует изменению давления в конкретном слое пласта. В особенности, при бурении ствола скважины на месторождении с низким пластовым давлением максимальное пластовое давление на данном месторождении может быть существенно ниже гидростатического давления бурового раствора. Целью настоящего изобретения является создание бурового оборудования, обеспечивающего возможность лучшего регулирования гидростатического давления бурового раствора в зоне пласта, в которой имеется источник энергии. Эта цель достигается посредством бурового оборудования для бурения ствола скважины в геологических формациях, содержащего бурильную колонну, выполненную с возможностью размещения в стволе скважины и имеющую бурильную головку, и насосное устройство, предназначенное для размещения в стволе скважины и содержащее уплотнительное средство, предназначенное для изоляции первой части ствола скважины, расположенной ниже уплотнительного средства, от второй части ствола скважины, расположенной выше уплотнительного средства, и при этом насосное устройство выполнено с возможностью нагнетания текучей среды из первой части ствола скважины во вторую часть ствола скважины. Насосное устройство позволяет устранить гидростатическое давление, обусловленное наличием столба текучей среды над насосным устройством. Так что гидростатическое давление, существующее в забое пробуренного ствола скважины, обусловлено только наличием столба текучей среды между забоем ствола скважины и насосным устройством. Это позволяет изменять давление в забое ствола скважины между гидростатическим давлением, обусловленным наличием столба текучей среды между забоем и насосным устройством, и гидростатическим давлением всего столба текучей среды в стволе скважины. Предпочтительно буровое оборудование дополнительно имеет, по существу, трубчатую обсадную колонну, предназначенную для размещения в стволе скважины, и при этом уплотнительное средство включает первое уплотнение, предназначенное для уплотнения насосного устройства относительно внутренней стенки обсадной колонны, и второе уплотнение, предназначенное для уплотнения насосного устройства относительно бурильной колонны, так что в продольном направлении первая часть ствола скважины изолирована от второй части ствола скважины. В предпочтительном варианте осуществления буровое оборудование согласно изобретению включает расположенный рядом с одним концом обсадной колонны клапан, предназначенный для перекрытия указанного одного конца обсадной колонны. Клапан обеспечивает перекрытие нижней части ствола скважины, когда насосное устройство извлекают из ствола скважины для установки, например, обсадной трубы во вновь пробуренную часть ствола скважины. В предпочтительном варианте осуществления изобретения насосное устройство установлено с возможностью вращения на бурильной колонне. Таким образом, бурильная колонна обеспечивает наличие направляющей для насосного устройства и облегчает уплотнение насосного устройства относительно бурильной колонны, когда бурильную колонну вращают для углубления ствола скважины. Предпочтительно бурильная колонна представляет собой гладкую бурильную колонну. Преимуществом этого является то, что при таком буровом оборудовании углубление ствола скважины может происходить на существенную длину. Обычные бурильные колонны имеют утолщения, которые ограничивают ход, который бурильная колонна оборудования согласно изобретению может совершить сквозь насосное устройство. В другом предпочтительном варианте осуществления насосное устройство выполнено с возможностью приведения его в действие посредством рабочей жидкости. Эта жидкость предпочтительно представляет собой буровой раствор. Поскольку ствол скважины уже заполнен буровым раствором, этот раствор может быть использован для приведения в действие насосного устройства. Необходимо предусмотреть только наличие подводящего канала, предназначенного для подвода жидкости к насосу, а уже про-1 005478 буренный ствол скважины образует выпускную трубу. Также существует возможность приведения насоса в действие с помощью электродвигателя. Еще в одном варианте осуществления бурового оборудования согласно изобретению в стенке ствола скважины выполнено отверстие для соединения с насосным устройством. В данном варианте осуществления пространство между обсадной колонной и поверхностью ствола скважины образует канал для подвода рабочей жидкости. Рабочие жидкости могут быть закачаны через это пространство и через отверстие для приведения в действие насосного устройства. Еще в одном варианте осуществления насос выполнен реверсивным для обеспечения возможности откачивания текучей среды, находящейся над первым уплотнением, предпочтительно через кольцевое пространство, образованное между обсадной колонной оборудования и уже пробуренным стволом скважины. Изобретение также относится к способу бурения ствола скважины в геологических формациях,включающему следующие операции: размещение в стволе скважины бурильной колонны, имеющей бурильную головку; установка в стволе скважины насосного устройства, содержащего уплотнительное средство, предназначенное для изоляции первой части ствола скважины, расположенной ниже уплотнительного средства, от второй части ствола скважины, расположенной выше уплотнительного средства; приведение в действие насосного устройства для нагнетания текучей среды из первой части ствола скважины во вторую часть ствола скважины; приведение в действие бурильной колонны для углубления ствола скважины. Уплотнение выполнено таким образом, что бурильная колонна может по-прежнему проходить через это уплотнительное средство. Уплотнительное средство используется для отделения нижней части ствола скважины от верхней части ствола скважины. Это необходимо для обеспечения возможности создания с помощью насоса перепада давлений между двумя частями. Для извлечения бурильной колонны из ствола скважины соответственно включены следующие операции: подъем бурильной колонны в положение, при котором бурильная головка будет расположена под уплотнительным средством и рядом с ним; откачивание, по меньшей мере, части текучей среды, имеющейся над уплотнительным средством; открытие уплотнительного средства; извлечение бурильной колонны из ствола скважины. Предпочтительно указанное уплотнительное средство представляет собой основное уплотнительное средство, и способ извлечения бурильной колонны дополнительно включает установку вспомогательного уплотнительного средства в стволе скважины под бурильной головкой. Для удаления или замены бурильной колонны способ соответственно дополнительно включает следующие операции: спуск бурильной колонны в ствол скважины до положения, при котором бурильная головка будет расположена между основным и вспомогательным уплотнительными средствами; закрытие основного уплотнительного средства; перекачивание текучей среды из зоны под основным уплотнительным средством в зону над основным уплотнительным средством; открытие вспомогательного уплотнительного средства. В соответствии с изобретением предусмотрено вспомогательное уплотнительное средство, которое разделяет нижнюю часть ствола скважины на две секции. Это вспомогательное уплотнительное средство может быть выполнено в виде клапана. Он создает камеру затвора, через которую бурильная головка может быть извлечена из нижней части ствола скважины и перемещена в верхнюю часть ствола скважины при сохранении низкого гидростатического давления у забоя ствола скважины. Когда насосное устройство снова окажется на месте в обсадной колонне, давление в камере затвора может быть сброшено путем перекачивания текучей среды в верхнюю часть ствола скважины. Это обеспечивает возможность открытия второго уплотнения и перемещения бурильной головки в нижнюю часть ствола скважины для дальнейшего углубления (проходки) ствола скважины. Данный способ также может быть использован для перемещения обсадной колонны через нижнюю часть ствола скважины, при этом после данной установки не нужно будет поддерживать низкое давление в забое ствола скважины, поскольку обсадная колонна предотвращает проникновение в слой пласта. Эти и другие признаки и преимущества настоящего изобретения описаны ниже более подробно со ссылками на чертежи, на которых изображено следующее: фиг. 1-5 показывают пять различных стадий бурения ствола скважины в геологических формациях с помощью бурового оборудования согласно первому варианту осуществления изобретения; фиг. 6 и 7 показывают две стадии извлечения бурового оборудования согласно второму варианту осуществления изобретения. На фиг. 1 показано, что трубчатую обсадную колонну 5 по первому варианту осуществления бурового оборудования 1 согласно изобретению размещают в уже пробуренном стволе скважины, который-2 005478 закреплен тремя обсадными колоннами 2, 3, 17. Пространство между двумя обсадными колоннами 2, 3 заполнено бетоном 4. Три обсадные колонны 2, 3, 17 проходят через ряд геологических формаций (пластов) G1-G5. Для проходки ствола скважины в геологическую формацию G6, которая содержит источник энергии, такой как газ или нефть, используется буровое оборудование 1. После того как обсадная колонна 5 будет установлена в так называемое приемное гнездо 18, гладкую бурильную колонну 8, на которой установлено насосное устройство 7, подают в обсадную колонну 5(фиг. 2). Внутренняя стенка обсадной колонны 5 выполнена ступенчатой для создания уступа 6, на который опирается насосное устройство 7. Гладкая бурильная колонна 8 проходит через насосное устройство 7. На нижнем конце гладкой бурильной колонны 8 расположена бурильная головка 9 (фиг. 3). Насосное устройство 7 уплотнено относительно обсадной колонны 5 посредством первого уплотнения 10, и насосное устройство 7 уплотнено относительно гладкой бурильной колонны 8 посредством второго уплотнения 11. Для углубления ствола скважины бурильную колонну 8 с бурильной головкой 9 спускают к забою 12 ствола скважины (фиг. 4). При углублении ствола скважины участок этой вновь пробуренной части еще не имеет обсадной колонны. Для предотвращения проникновения бурового раствора в геологическую формацию G6 насосное устройство 7 обеспечивает уменьшение гидростатического давления столба бурового раствора,имеющегося в стволе скважины в процессе бурения. Гидростатическое давление может быть ограничено с помощью насосного устройства 7 до давления, равного давлению столба бурового раствора, проходящего от забоя 12 до насосного устройства 7. Таким образом, "устраняется" давление, создаваемое столбом бурового раствора, находящимся над насосным устройством 7. Насосное устройство 7 может представлять собой электронасос или может приводиться в действие рабочей жидкостью 19, которую закачивают по каналу 13, который имеется в кольцевом пространстве, образованном между обсадной колонной 5 бурового оборудования 1 и уже установленной обсадной колонной 2. Далее, как показано на фиг. 5, при необходимости извлечения бурильной колонны 8 из ствола скважины, направление нагнетания, осуществляемого насосом 7, изменяется на противоположное, так что буровой раствор 20, имеющийся над насосом, откачивается через кольцевое пространство 13 из ствола скважины. Когда будет откачано достаточное количество бурового раствора, то есть гидростатическое давление всего столба бурового раствора, по существу, сравняется с давлением, существующим в пласте G6, насос 7 и бурильная колонна 8 могут быть удалены из ствола скважины. Как показано на фиг. 6, второй вариант осуществления бурового оборудования согласно изобретению дополнительно включает клапан 14. В остальном конструкция оборудования аналогична конструкции оборудования, показанной на фиг. 1-5. Аналогичные компоненты обозначены такими же ссылочными номерами (знаками), как и на фиг. 1-5. Клапан 14, который расположен в обсадной колонне 5 бурового оборудования, используется для отсечения нижней части 15 пробуренного ствола скважины. В некоторых обстоятельствах правила техники безопасности требуют, чтобы ствол скважины был полностью заполнен буровым раствором, например в том случае, если геологический пласт G6 содержит очень ядовитые газы, такие как H2S. При извлечении насосного устройства 7 клапан 14 предотвращает ситуацию, при которой гидростатическое давление в нижней части 15 ствола скважины увеличивается до давления, равного давлению столба жидкости с высотой, равной полной глубине ствола скважины. Когда клапан 14 закрыт, бурильная колонна 8 вместе с насосным устройством 7 может быть извлечена из ствола скважины, например, для замены бурильной головки 9 (фиг. 7). При повторном введении новой бурильной головки или, например, хвостовика для вновь пробуренной части ствола скважины насосное устройство 7 снова устанавливают так, чтобы оно опиралось на уступы 6. В этом случае насосное устройство 7 приводится в действие для уменьшения гидростатического давления, после чего клапан 14 может быть открыт и новая бурильная головка или хвостовик могут быть введены в нижнюю часть 15 ствола скважины. Следует отметить, что фигуры вычерчены не в масштабе. Типовое буровое оборудование согласно изобретению может иметь длину, составляющую несколько сотен метров. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Буровое оборудование для бурения ствола скважины в геологических формациях, содержащее бурильную колонну, выполненную с возможностью размещения в стволе скважины и имеющую бурильную головку, и насосное устройство, предназначенное для размещения в стволе скважины и содержащее уплотнительное средство, предназначенное для изоляции первой части ствола скважины, расположенной ниже уплотнительного средства, от второй части ствола скважины, расположенной выше уплотнительного средства, и при этом насосное устройство выполнено с возможностью нагнетания текучей среды из первой части ствола скважины во вторую часть ствола скважины.-3 005478 2. Буровое оборудование по п.1, которое дополнительно включает, по существу, трубчатую обсадную колонну, предназначенную для размещения в стволе скважины, и уплотнительное средство включает первое уплотнение, предназначенное для уплотнения насосного устройства относительно внутренней стенки обсадной колонны, и второе уплотнение, предназначенное для уплотнения насосного устройства относительно бурильной колонны, так что в продольном направлении первая часть ствола скважины изолирована от второй части ствола скважины. 3. Буровое оборудование по п.2, в котором обсадная колонна содержит расположенный рядом с одним концом обсадной колонны клапан, предназначенный для перекрытия одного конца обсадной колонны. 4. Буровое оборудование по любому из пп.1-3, в котором бурильная колонна проходит через насосное устройство и установлена с возможностью вращения относительно насосного устройства. 5. Буровое оборудование по любому из пп.1-4, в котором бурильная колонна представляет собой гладкую бурильную колонну. 6. Буровое оборудование по любому из пп.1-5, в котором насосное устройство является приводимым в действие с помощью рабочей жидкости или электрического двигателя. 7. Буровое оборудование по п.6, в котором обсадная колонна имеет отверстие, выполненное в ее стенке и предназначенное для соединения с насосным устройством. 8. Буровое оборудование по п.7, в котором кольцевое пространство образовано между обсадной колонной и стенкой ствола скважины, в котором размещена обсадная колонна. 9. Буровое оборудование по п.8, в котором кольцевое пространство образовано между обсадной колонной и другой обсадной колонной, неподвижно установленной в стволе скважины. 10. Буровое оборудование по п.8 или 9, которое имеет средство для подачи рабочей жидкости через кольцевое пространство в отверстие в стенке обсадной колонны для приведения в действие насосного устройства. 11. Буровое оборудование по любому из пп.1-10, в котором насос выполнен с возможностью извлечения его из ствола скважины. 12. Способ бурения ствола скважины в геологических формациях, содержащий следующие операции: размещение в стволе скважины бурильной колонны, имеющей бурильную головку; установка в стволе скважины насосного устройства, содержащего уплотнительное средство, предназначенное для изоляции первой части ствола скважины, расположенной ниже уплотнительного средства, от второй части ствола скважины, расположенной выше уплотнительного средства; приведение в действие насосного устройства для нагнетания текучей среды из первой части ствола скважины во вторую часть ствола скважины; и приведение в действие бурильной колонны для углубления ствола скважины. 13. Способ бурения ствола скважины в геологических формациях по п.12, дополнительно включающий следующие операции: подъем бурильной колонны в положение, при котором бурильная головка будет расположена под уплотнительным средством и рядом с ним; откачивание по меньшей мере части текучей среды, имеющейся над уплотнительным средством; открытие уплотнительного средства; извлечение бурильной колонны из ствола скважины. 14. Способ бурения ствола скважины в геологических формациях по п.13, в котором используют уплотнительное средство, представляющее основное уплотнительное средство, и дополнительно устанавливают вспомогательное уплотнительное средство в стволе скважины под бурильной головкой. 15. Способ бурения ствола скважины в геологических формациях по п.14, дополнительно включающий следующие операции: спуск бурильной колонны в ствол скважины до положения, при котором бурильная головка будет расположена между основным и вспомогательным уплотнительными средствами; закрытие основного уплотнительного средства; перекачивание текучей среды из зоны под основным уплотнительным средством в зону над основным уплотнительным средством; открытие вспомогательного уплотнительного средства.