Бурильная труба (варианты) - RU2457314C2

Чертежи

Описание

Бурение в наклонно-направленных и горизонтальных секциях ствола скважины может вызывать различные проблемы со скоплением шлама/осадков, сопротивлением и износом. При бурении в секциях с большим наклоном (например, более 65 градусов) буровой раствор перемещается вдоль верха ствола скважины над бурильной трубой, но он не способен транспортировать шлам и осадки, скопившиеся на нижней стенке ствола скважины. Данный тип скопления также присутствует при бурении в горизонтальных секциях, особенно когда бурильный инструмент работает в «скользящем» режиме во время коррекции траектории скважины.

Кроме того, бурильные замки между трубными секциями на бурильной колонне испытывают сопротивление на скоплении шлама/осадков при перемещении бурильной колонны в стволе скважины. Корка бурового раствора может быстро формироваться на бурильных замках, при заполнении шлама/осадков бурильных замков. Данный быстрый процесс образования корки бурового раствора может вызывать гидравлический удар, влияющий на стабильность стенок ствола скважины. Хотя часть образовавшего корку шлама/осадков может смещаться механическим вращением и перемещением бурильной трубы, полное удаление шлама не достигается. Дополнительно, бурильные замки бурильной трубы могут значительно контактировать со стенками ствола скважины в наклонно-направленных или горизонтальных секциях, вызывая износ замков при вращении или перемещении бурильной трубы.

В области техники имеются стальные бурильные трубы с канавками для уменьшения контакта бурильной трубы со стенкой ствола скважины. Примеры таких стальных бурильных труб описаны в книге А.И.Булатова и С.В.Долгова, «Справочник Бурильщика», Москва, Недра, 2006 г., том.1, стр.153, фиг.8.8 и в патенте США №4460202. Известные стальные утяжеленные бурильные трубы могут также иметь канавки, такие как описанные в патенте США №6012744. Данные стальные бурильные трубы и утяжеленные бурильные трубы могут иметь ограниченное использование для бурения секций с большим отклонением или горизонтальных секций ствола скважины, поскольку вес трубы создает большие прижимающие силы, вызывающие повышенные силы трения при перемещении и вращении бурильной трубы/утяжеленной бурильной трубы в стволе скважины. Кроме того, канавки выполняют фрезерованием на внешней поверхности стали и они являются мелкими. Канавки, выполненные станочной обработкой таким способом, являются не эффективными для удаления шлама/осадков, отложившихся на нижней стенке ствола скважины.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Согласно изобретению создана бурильная труба, содержащая корпус трубы, имеющий внешнюю поверхность и первый и второй концы, соединяемые с элементами бурильной колонны, и, по меньшей мере, одно ребро, проходящее вдоль внешней поверхности и имеющее грань, по существу перпендикулярную корпусу трубы и контактирующую с материалом, примыкающим к стенке ствола скважины, и первый и второй подшипники, установленные с возможностью вращения на корпусе трубы и контактирующие со стенкой ствола скважины, при этом первый подшипник удерживается первым заплечиком, расположенным на корпусе трубы, и первым кольцом, расположенным на корпусе трубы между первым концом и первым подшипником, и второй подшипник удерживается вторым заплечиком, расположенным на корпусе трубы, и вторым кольцом, расположенным на корпусе трубы между вторым концом и вторым подшипником.

Каждый подшипник может иметь внешнюю поверхность, содержащую износостойкое покрытие.

Каждый подшипник может иметь первый внешний диаметр, превышающий второй внешний диаметр корпуса трубы.

Бурильная труба может содержать первый и второй бурильные замки, расположенные на первом и втором концах корпуса трубы, при этом первый внешний диаметр превышает третий внешний диаметр первого и второго бурильных замков.

По меньшей мере, одно ребро может проходить по спирали вдоль внешней поверхности корпуса трубы, при этом контактируемый материал способен перемещаться вдоль корпуса трубы.

Грань может образовать угол врезки во внешнюю поверхность корпуса трубы так, что грань не пересекается с центральной осью корпуса трубы.

Бурильная труба может содержать зону паза во внешней поверхности, открывающую грань и имеющую, по меньшей мере, две расположенные под углом стороны на внешней поверхности, поддерживающие толщину стенки корпуса трубы.

Грань может содержать износостойкое покрытие.

Материалом корпуса трубы может быть алюминиевый сплав, и материалом первого и второго подшипников может быть сталь.

Согласно другому варианту выполнения бурильная труба содержит корпус трубы, имеющий внешнюю поверхность, первый и второй концы, соединяемые с элементами бурильной колонны, и средний участок, расположенный между первым и вторым концами и имеющий, по меньшей мере, одно ребро, проходящее вдоль внешней поверхности и имеющее грань, по существу, перпендикулярную внешней поверхности и контактирующую с материалом, примыкающим к стенке ствола скважины, при этом средний участок имеет зону паза во внешней поверхности, открывающую грань и имеющую, по меньшей мере, две расположенные под углом стороны на внешней поверхности, поддерживающие толщину среднего участка, первый подшипник, установленный с возможностью вращения вблизи первого конца и контактирующий со стенкой ствола скважины, и второй подшипник, установленный с возможностью вращения вблизи второго конца и контактирующий со стенкой ствола скважины.

Первый подшипник и второй подшипник могут иметь внешнюю поверхность, содержащую износостойкое покрытие.

Первый подшипник и второй подшипник могут иметь первый внешний диаметр, превышающий второй внешний диаметр среднего участка.

Бурильная труба может содержать первый и второй бурильные замки, расположенные на первом и втором концах корпуса трубы, при этом первый внешний диаметр первого и второго подшипников превышает третий внешний диаметр первого и второго бурильных замков.

На среднем участке могут быть расположены первый заплечик вблизи первого конца и второй заплечик вблизи второго конца, и дополнительно имеются первая и вторая разрезные кольцевые шпонки, установленные на корпусе трубы и удерживающие первый и второй подшипники на первом и втором заплечиках.

Бурильная труба может дополнительно содержать первый и второй удерживающие вкладыши, установленные на корпусе трубы и удерживающие первую и вторую разрезные кольцевые шпонки.

Бурильная труба может дополнительно содержать первое и второе пружинные кольца, установленные на корпусе трубы и удерживающие первый и второй удерживающие вкладыши.

По меньшей мере, одно ребро может иметь правое закручивание, проходя по спирали вдоль среднего участка, при этом контактируемый материал перемещается вдоль корпуса трубы.

Грань может образовать угол врезки так, что грань не пересекает центральную ось корпуса трубы.

Материалом корпуса трубы может быть алюминиевый сплав, и материалом первого и второго подшипников может быть сталь. Грань может иметь износостойкое покрытие.

Согласно еще одному варианту выполнения бурильная труба содержит корпус трубы, имеющий внешнюю поверхность и первый и второй концы, соединяемые с элементами бурильной колонны, и первый участок вблизи первого конца, второй участок вблизи второго конца и средний участок, расположенный между первым и вторым участками, образующий с ними первый и второй заплечики и имеющий множество ребер, проходящих по спирали вдоль внешней поверхности и имеющих, каждое, грань, открытую зоной паза во внешней поверхности, по существу, перпендикулярную к внешней поверхности и контактирующую с материалом, примыкающим к стенке ствола скважины, первый подшипник, установленный с возможностью вращения на первом участке вблизи первого заплечика, и второй подшипник, установленный с возможностью вращения на втором участке вблизи второго заплечика, при этом первый подшипник и второй подшипник имеют первый внешний диаметр, превышающий второй внешний диаметр среднего участка, и контактируют со стенкой ствола скважины.

Материалом корпуса трубы может быть алюминиевый сплав и материалом первого и второго подшипников может быть сталь.

Первый подшипник и второй подшипник могут иметь внешнюю поверхность, содержащую износостойкое покрытие.

Каждое ребро может иметь правое закручивание, проходя по спирали вдоль среднего участка, при этом контактируемый материал перемещается вдоль корпуса трубы.

Каждая грань может образовать угол врезки во внешней поверхности, так что грань не пересекает центральной оси корпуса трубы.

Каждая зона паза во внешней поверхности может иметь, по меньшей мере, две расположенные под углом стороны на внешней поверхности, поддерживающие толщину стенки среднего участка.

Каждая грань может иметь износостойкое покрытие.

Первый подшипник может удерживаться на корпусе трубы первым заплечиком, расположенным на корпусе трубы, и первым кольцом, расположенным на корпусе трубы между первым концом и первым подшипником, и второй подшипник может удерживаться на корпусе трубы вторым заплечиком, расположенным на корпусе трубы, и вторым кольцом, расположенным на корпусе трубы между вторым концом и вторым подшипником.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показан вид бурильной трубы согласно настоящему изобретению.

На фиг.2 - вид поперечного сечения бурильной трубы по линии А-А на фиг.1, иллюстрирующий профиль ребер на бурильной трубе.

На фиг.3 - вид продольного сечения бурильной трубы по линии В-В на фиг.2, иллюстрирующий подшипник, установленный на бурильной трубе.

На фиг.4 - вид поперечного сечения бурильной трубы по линии С-С на фиг.2, иллюстрирующий элементы для удержания подшипника на бурильной трубе.

На фиг.5 - вид поперечного сечения бурильной трубы по линии D-D на фиг.2, иллюстрирующий элементы подшипника.

На фиг.6 - вид бурильной трубы по фиг.1, расположенной в наклонно-направленной секции ствола скважины.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Бурильная труба 10 со спиральными ребрами, показанная на фиг.1, включает в себя корпус 20 трубы для использования в стволе скважины и особенно в наклонно-направленных или горизонтальных секциях ствола скважины. Хотя корпус 20 трубы может состоять из любого подходящего материала, такого как сталь или т.п., он предпочтительно выполнен из легкого сплава, такого как сталь или т.п., он предпочтительно выполнен из легкого сплава, такого как алюминиевый сплав.

Для соединения бурильной трубы 10 с другой трубой или напорным трубопроводом, такими как другая бурильная труба 10, обычная стальная бурильная труба, утяжеленная бурильная труба и т.п., используют бурильные замки 40A-40B, соединенные с концами 22A-22B корпуса. Конкретно бурильный замок 40A навинчивается на верхний ниппельный замок 23A, а бурильный замок 40B навинчивается на нижний ниппельный замок 23B. С бурильным замком 40A на конце 22A цилиндрическая поверхность под бурильным замком 40A создает область для размещения клинового захвата и элеватора для манипуляций с бурильной трубой 10.

Для работы со скоплением шлама/осадков в стволе скважины на среднем участке 30 трубы образовано множество ребер 32, проходящих вдоль отрезка длины среднего участка 30, хотя только одно такое ребро 32 можно использовать в некоторых вариантах реализации. Предпочтительно, ребра 32 имеют правое закручивание и проходят по спирали по среднему участку 30, но можно также использовать левую закрутку в некоторых вариантах реализации. Аналогично ребра 32 необязательно выполнены спиральными и могут в некоторых вариантах реализации проходить прямо вдоль среднего участка.

Детали ребер 32 лучше всего показаны на поперечном сечении на фиг.2. Каждое ребро 32 имеет рабочую грань 34, открытую зоной 36 паза, образованной, в общем, в цилиндрической внешней поверхности корпуса. Для поддержания толщины Т стенки корпуса данные зоны 36 паза могут иметь две расположенные под углом поверхности 38 и 39, но можно также использовать криволинейную или даже плоскую поверхность. Рабочие грани 34 ребер являются, по существу, перпендикулярными к корпусу 20 трубы (например, грани 34 образуют плоскость, в общем расположенную в одной плоскости с центральной осью C трубы), но могут в некоторой степени отклоняться внутрь или наружу.

Предпочтительно, одну или несколько рабочих граней 34 можно прорезать с наклоном внутрь от перпендикуляра, так что рабочая грань 34 образует некоторый угол с внешней поверхностью корпуса трубы и эффективно захватывает и транспортирует любой шлам/осадки в стволе скважины. Другими словами, рабочая грань 34 может образовывать угол θ врезки и не пересекать центральную ось C. Данный угол θ врезки может составлять около 0-20 градусов, хотя отклонения данного угла можно использовать в зависимости от необходимого варианта реализации. Кроме того, рабочие грани 34 предпочтительно имеют износостойкое покрытие 35, которое может представлять собой, например, мелкозернистое, высокопрочное покрытие из сплава хрома. Наружные поверхности спиральных ребер 32, примыкающие к рабочим граням 34, могут также быть частично покрытыми аналогичным износостойким покрытием. Как рассмотрено более подробно ниже, данные ребра 32 с их рабочими гранями 34 и зонами паза содействуют разгрузке скопления шлама/осадков, которое может формироваться в наклонно-направленных или горизонтальных секциях стволов скважин.

Для предотвращения существенного контакта среднего участка 30 с боковыми стенками в наклонно-направленных или горизонтальных секциях скважин первый и второй подшипники 50A-50B установлены для вращения на цилиндрических поверхностях, примыкающих к концам 22A-22B бурильной трубы 10. Для обеспечения стойкости к износу данные подшипники 50A-50B предпочтительно выполняют из закаленной стали. Более того, подшипники 50A-50B предпочтительно имеют износостойкие пояски 52, которые можно выполнять из твердого сплава Relit, например.

На фиг.3 подробно показан способ удержания подшипников 50A-50B на корпусе 20 трубы. Хотя показано крепление только первого подшипника 50A, аналогичные признаки можно также использовать для второго подшипника 50B (фиг.1). Для крепления подшипника 50A его сначала устанавливают на цилиндрическую поверхность 22A корпуса трубы и на заплечик 25A среднего участка 30. Затем разрезную кольцевую шпонку 60A устанавливают в зоне 26A паза, и она удерживает подшипник 50A на заплечике 25A. Затем удерживающий вкладыш 70A устанавливают частично на разрезную кольцевую шпонку 60A и частично на корпус 20 трубы для удержания разрезной кольцевой шпонки 60A. Наконец, пружинное кольцо 80A устанавливают в цилиндрическую канавку 28A на корпусе 20 трубы, и оно удерживает удерживающий вкладыш 70A на месте.

Как показано на фиг.1, подшипники 50A-50B бурильной трубы, также как другие компоненты, имеют диаметры, обеспечивающие разрешение проблем износа и скопления шлама/осадков в наклонно-направленных или горизонтальных секциях стволов скважин. Конкретно подшипники 50A-50B имеют диаметр D_B больше диаметра D_P среднего участка и больше диаметров D_j бурильных замков. Больший диаметр D_B обеспечивает подшипникам 50A-50B контакт с боковыми стенками ствола скважины, в котором размещена бурильная труба 10. Этим снижается возможный износ на бурильных замках 40A-40B и среднем участке 30, при этом обеспечивается контакт ребер 32 с шламом и осадками вдоль стенки ствола скважины.

Использование бурильной трубы 10 в наклонно-направленных или горизонтальных секциях ствола ВН скважины показано на фиг.6. Для использования бурильной трубы 10 операторы сначала устанавливают множество бурильных труб 10 в бурильную колонну с использованием бурильных замков 40A-40B. Например, бурильная колонна для бурения наклонно-направленной секции может включать в себя компоновку низа бурильной колонны (то есть буровое долото, забойный двигатель и т.д.) и утяжеленные бурильные трубы, за которыми следует секция описанных бурильных труб 10 (около 200-250 м) с использованием около 400 или больше бурильных замков и за которыми затем следует другая секция из стальных бурильных труб.

При размещении бурильной колонны в скважине и бурении через пласт FM операторы закачивают буровой раствор через бурильную колонну на забой скважины. Закачиваемый буровой раствор проходит через внутреннее проходное отверстие 21 трубы и приводит в действие забойный двигатель, охлаждает буровое долото и удаляет буровой шлам через кольцевое пространство на поверхность. Спиральные ребра 32 и их соответствующие рабочие грани 34 и зоны 36 паза уменьшают возможность прихвата бурильной трубы 10 в стволе скважины под действием перепада давления (перепада между давлением коллектора и гидростатическим давлением в стволе скважины). Более того, подшипники 50A-50B помогают стабилизировать компоновку низа бурильной колонны, поскольку наибольший внешний диаметр бурильной трубы уменьшает зазор со стенкой ствола скважины.

Однако ожидается, что бурение в наклонно-направленной секции с большим наклоном (более 65 градусов) вызывает скопление бурового шлама и шлама/осадков S вдоль нижней стенки ствола ВН скважины. Скопление может наиболее интенсивно происходить во время «скользящего режима» работы, когда бурильная колонна не вращается и перемещается для корректировки траектории скважины. В любом случае скопление мешает вращению и перемещению бурильной колонны и может впоследствии приводить к прихвату бурильной колонны в стволе ВН скважины.

Бурильная труба 10 снимает проблемы, обусловленные шламом/осадками S, помогая очистке от скоплений ствола ВН скважины и уменьшая сопротивление, испытываемое во время работы. При вращении бурильной трубы 10 спиральные ребра 32 правого закручивания среднего участка 30 циклически взаимодействуют со скоплением шлама/осадков на нижней стенке ствола ВН скважины. При таком циклическом взаимодействии рабочие грани 34 на ведущих краях ребер зачерпывают и подают вверх шлам/осадки и транспортируют его к верху ствола ВН скважины, где обычный поток вверх бурового раствора может затем уносить шлам/осадки S к устью скважины. С правым закручиванием спирали любой захваченный шлам/осадки могут также перемещаться вдоль оси бурильной трубы 10. Данная очистка от скопившегося шлама и осадков может обеспечить оператору уменьшение требуемого во время бурения расхода бурового раствора, что само обеспечивает большую эквивалентную плотность циркуляции бурового раствора.

При вращении бурильной трубы 10 подшипники 50A-50B на трубе 10 контактируют со стенками ствола ВН скважины. Вращающиеся на бурильной трубе 10 подшипники 50A-50B выполняют меньше оборотов, чем корпус 20 трубы. Соответственно, уменьшенная частота оборотов подшипников 50A-50B вместе с их износостойким покрытием 52 увеличивает продолжительность их срока службы и уменьшает крутящий момент, требуемый для вращения бурильной трубы 10. Поскольку диаметр D_B подшипника (фиг.1) больше диаметров бурильных замков 40A-40B и корпуса 20 трубы, износ поверхности бурильных замков 40A-40B и корпуса 20 трубы может также уменьшаться, что также увеличивает их срок службы.

Как отмечено выше, бурильная труба 10 предпочтительно выполнена из легкого сплава, такого как алюминиевый сплав. Примеры подходящих алюминиевых сплавов включают в себя Д16Т (Российский ГОСТ 4748) системы Al-Cu-Mg или 1953 T1 системы Al-Zn-Mg, хотя другие алюминиевые сплавы, подходящие для среды ствола скважины, также можно использовать. В сравнении с обычными стальными трубами бурильная труба 10, выполненная из легкого сплава, может уменьшать силы трения и сопротивления перемещению и вращению бурильной колонны. Кроме того, алюминиевую бурильную трубу 10 можно изготавливать экструзией, так что различные конфигурации и профили для спиральных ребер 32, рабочих граней 34 и зон 36 паза можно производить без большого объема станочной обработки или вообще без нее.

Выполненная из алюминиевого сплава или т.п. бурильная труба 10 предпочтительно соответствует стандарту 15546 Международной организации по стандартизации для физических и механических свойств после тепловой обработки и выдержки. Для соответствия указанному стандарту бурильные замки 40A-40B, используемые для соединения бурильных труб 10, предпочтительно выполнены из стали. Кроме того, соединения между бурильными замками 40A-40B и концами 22A-22B бурильной трубы предпочтительно имеют коническую резьбу с трапециевидным сечением резьбы, и в соединениях предпочтительно использование конических заплечиков и внутренних останавливающих упоров для снятия некоторой нагрузки с резьбы.

В качестве примера размеров полная длина бурильной трубы 10 может составлять от около 9000 мм до около 12200 мм, с оребренным средним участком 30 бурильной трубы диаметром около 105-200 мм. Диаметры и толщина стенок бурильной трубы 10 зависят частично от длины бурильной трубы 10, необходимого диаметра внутреннего проходного отверстия, необходимого габарита трубы и т.д. В общем, и как показано на фиг.1, бурильные замки 40A-40B могут иметь внешний диаметр D_j от около 108 мм до около 203 мм. Оребренный средний участок 30 бурильной трубы может иметь внешний диаметр D_p от около 90 мм до около 170 мм (или больше диаметра D_j бурильных замков) с внутренним диаметром от около 70 мм до около 150 мм или больше. Толщина стенки корпуса трубы, таким образом, может составлять от около 9 мм до около 22 мм. Подшипники 50A, 50B могут иметь диаметр D_B несколько больше диаметра D_P среднего участка и диаметра D_j бурильных замков, превышающий данные диаметры, и могут, например, иметь диаметры от около 114 мм до около 208 мм.

Приведенное выше описание предпочтительных и других вариантов осуществления не направлено на ограничение или сужение объема или применимости настоящего изобретения. Заявители претендуют на патентные права согласно прилагаемой формуле изобретения, которая включает в себя все модификации и изменения, находящиеся в ее объеме или ее эквивалентах.

Реферат

Группа изобретений относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к оборудованию, применяемому при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин. Устройство содержит корпус трубы, имеющий первый и второй концы, соединяемые с элементами бурильной колонны, и, по меньшей мере, одно ребро, проходящее вдоль внешней поверхности корпуса и имеющее грань, перпендикулярную корпусу и контактирующую с материалом, примыкающим к стенке ствола скважины, первый и второй подшипники, установленные с возможностью вращения на корпусе и контактирующие со стенкой ствола скважины. Первый подшипник удерживается первым заплечиком, расположенным на корпусе трубы, и первым кольцом, расположенным на корпусе между первым концом и первым подшипником. Второй подшипник удерживается вторым заплечиком, расположенным на корпусе, и вторым кольцом. Повышается эффективность очистки скважины. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула