Буровая система с устройством для крепления к буровой скважине и способы начала и завершения бурильного прохода с ее использованием

1 Настоящее изобретение относится к системе сверхглубокого бурения (СГБ) для бурения скважины в земной коре, а также к способам начала и завершения бурильного прохода с ее использованием. Скважины, пробуриваемые в горных породах с целью разведки и добычи углеводорода,выполняются более глубокими и имеют сложный профиль, поскольку снабжаются несколькими искривленными, наклонными или горизонтальными участками. Бурение глубоких и сложных скважин заставляет предъявлять строгие требования к используемым бурильным колоннам. До настоящего времени единственным надежным способом бурения сверхглубоких скважин являлось непрерывное вращение бурильной колонны. Однако с увеличением глубины значительное повышение сил трения между бурильной колонной и стенкой скважины весьма часто препятствует нормальному выполнению скважинных операций. После достижения определенной глубины бурение в скользящем режиме, необходимом для управления долотом, становится невозможным. По этой причине в настоящее время разрабатываются ротационные управляемые бурильные системы. Из-за больших углов наклона сверхглубоких скважин в таких системах необходимо использовать длинные и тяжелые забойные узлы (ТЗУ), состоящие из наддолотных утяжеленных бурильных труб и тяжелых секций бурильных труб для создания заданной нагрузки на долото, обеспечивающей эффективное бурение. Все это требует увеличения крутящего момента, создаваемого на поверхности для вращения колонны, и имеет своим результатом то,что связки тяжелых бурильных колонн достигают пределов механической прочности известного оборудования на глубине около 10 км. В таких скважинах подъем бурильной колонны из скважины (ПБКС) становится практически невозможным в основном из-за превышения предела текучести материала колонны. В WO 94/27022 описана буровая система, соответствующая преамбуле п.1 формулы. Настоящее изобретение направлено на создание системы сверхглубокого бурения, способной преодолеть 10-километровый предел. Исходя из сказанного, настоящее изобретение относится к системе сверхглубокого бурения (СГБ) для бурения скважин в земной коре, причем система СГБ содержит:- буровое долото,- двигатель для привода бурового долота,- удлиненное тело, достигающее поверхности,- гидравлическое цилиндропоршневое устройство для создания заданной нагрузки на долото, при этом удлиненное тело соединено только с одним выбранным первым элементом цилиндром или поршнем - цилиндропоршнево 001110 2 го устройства, буровое долото соединено со вторым элементом - поршнем или цилиндром, и- крепежное устройство для крепления выбранного одного первого элемента - цилиндра или поршня - к стенке скважины, причем крепежное устройство можно переключать между закрепленным положением и рассоединенным положением, отличающаяся тем, что удлиненным телом является бурильная колонна и что бурильная колонна соединена с одним выбранным элементом - цилиндром или поршнем с помощью вертлюжного устройства, обеспечивающего возможность бурильной трубе вращаться относительно выбранного цилиндра или поршня. Использование цилиндропоршневого устройства для создания заданной нагрузки на долото при одновременной передаче двигателем вращения на долото устраняет надобность в тяжелом забойном узле. Реактивную силу, необходимую для обеспечения заданной нагрузки на долото, создает крепежное устройство, прикрепленное к стенке скважины. Далее вертлюжное устройство позволяет бурильной трубе непрерывно вращаться в процессе бурения, способствуя уменьшению сил трения между бурильной трубой и стенкой скважины; в противном случае силы трения способны стать причиной заклинивания буровой системы в скважине. После завершения бурения на полную длину хода цилиндропоршневого устройства поршень вдвигается в цилиндр, крепежное устройство раскрепляется и система сверхглубокого бурения перемещается вглубь скважины на длину одного хода. Затем крепежное устройство вновь закрепляется и бурение продолжается на длину следующего хода цилиндропоршневого устройства. Предпочтительно, чтобы вертлюжное устройство имело забойную муфту сцепления с возможностью переключения между расцепленным положением, в котором возможно вращение бурильной трубы относительно выбранного одного элемента - цилиндра или поршня, и сцепленным положением, в котором такое относительное вращение невозможно. Муфту сцепления удерживают в расцепленном положении в процессе бурения для беспрепятственного вращения бурильной трубы и в сцепленном положении при опускании системы сверхглубокого бурения вглубь скважины. Предпочтительно, чтобы первый элемент,выбранный из цилиндра и поршня, был цилиндром и чтобы второй элемент при выборе из цилиндра и поршня был поршнем. Достаточная надежность скрепления может быть обеспечена, если крепежное устройство имеет по меньшей мере два набора радиально выдвижных крепежных элементов, причем эти наборы включают передний набор крепежных элементов, устанавливаемый на передней части 3 крепежных элементов, устанавливаемый на задней части (на стороне бурильной трубы) цилиндра. Для обеспечения полной управляемости системы сверхглубокого бурения одновременно по азимутальному и зенитному углам, предпочтительно, чтобы имелась возможность, по меньшей мере, одним из переднего набора и заднего набора крепежных элементов располагать цилиндр в скважине концентрично или эксцентрично. Удобно, если передний набор крепежных элементов способен располагать переднюю часть цилиндра в скважине концентрично или эксцентрично и задний набор крепежных элементов способен располагать заднюю часть цилиндра в скважине концентрично или эксцентрично. При установке крепежных элементов так, что цилиндр оказывается расположенным в скважине точно концентрично, можно выполнить бурение прямолинейного участка скважины. Наоборот, располагая цилиндр в скважине наклонно, можно выполнить бурение криволинейного участка скважины. Такую наклонную ориентацию можно получить, например, расположив переднюю часть цилиндра эксцентрично и заднюю часть концентрично, или наоборот. Большие углы наклона можно набрать установкой передней части и задней части эксцентрично в противоположных радиальных направлениях. Один из способов привода цилиндропоршневого устройства состоит в использовании бурового раствора в качестве источника энергии. Такой привод требует повышенного расхода и/или давления бурового раствора для создания мощности, необходимой для выполнения бурильным долотом операции бурения. Поэтому предпочтительно, чтобы система сверхглубокого бурения включала в себя гидравлический насос для создания мощности, необходимой гидравлическому цилиндропоршневому устройству для выполнения операции бурения и каждому крепежному элементу для выполнения прикрепления к стенке скважины, причем приводом гидравлического насоса должна служить бурильная труба. Только незначительный крутящий момент, необходимый для генерирования гидравлической энергии, создает бурильная труба на гидравлическом цилиндре. Вышеупомянутая забойная муфта сцепления расцеплена все время, пока буровая труба передает энергию гидравлическому насосу. В базовом варианте осуществления настоящего изобретения в системе сверхглубокого бурения долото получает вращение от двигателя, приводимого в действие буровым раствором,и заданную нагрузку на долото создает гидравлическое цилиндропоршневое устройство с длиной хода поршня по оси, по меньшей мере,один метр, а предпочтительно от 1 до 5 м. Не 4 допускается возможность вращения осевого поршня относительно цилиндра. Далее, цилиндр имеет, по меньшей мере,два набора крепежных элементов, выполненных в виде радиальных поршней с гидравлическим приводом. Один набор из, по меньшей мере,трех поршней установлен спереди (на стороне долота), и один набор из, по меньшей мере, трех поршней установлен сзади (на стороне бурильной трубы). При задействовании этих поршней устройство прикрепляется к стенке буровой скважины, предпочтительно, с помощью лап,закрепленных на этих поршнях. После прикрепления оказывается возможным восприятие реактивного момента долота и создания нагрузки на долото. Задний набор (наборы) радиальных поршней способен центрировать свою часть устройства в буровой скважине или расположить ее эксцентрично. Передний набор (наборы) радиальных поршней способны располагать свою часть устройства эксцентрично или концентрично относительно оси скважины. Если заднюю часть устройства установить концентрично относительно оси буровой скважины и переднюю часть устройства установить эксцентрично относительно оси буровой скважины, то долото окажется смещенным относительно оси скважины. То же самое произойдет,если создать обратную ситуацию, т.е. если заднюю часть и переднюю часть установить эксцентрично и концентрично соответственно. Долото, находящееся в смещенном положении,будет понуждаться осевым поршнем при его прямом ходе выполнять бурение по наклонной траектории. В усовершенствованном варианте осуществления настоящего изобретения в системе сверхглубокого бурения двигатель с приводом буровым раствором заменен на гидравлический двигатель, движимый маслом, поступающим от гидравлического насоса. Как и в базовом варианте, в усовершенствованном варианте забойная муфта сцепления, когда расцеплена, разрешает непрерывное вращение бурильной трубы для привода гидравлического масляного насоса. Этот насос генерирует энергию для привода осевого поршня при выполнении операции бурения, для радиальных поршней при выполнении операции крепления к стене, а также создает гидравлическую энергию для привода двигателя, вращающего долото. В таком случае к бурильной трубе должен быть приложен дополнительный момент, необходимый для генерирования гидравлической мощности для привода долота. Имеются два эффективных способа управления ориентацией долота: способ управления с поверхности и способ автоматического управления. При первом из названных способов замеры направленности от инклинометров и магнитометров, встроенных в систему сверхглубокого 5 бурения, передаются на поверхность с помощью телеметрической аппаратуры. Управление ориентацией с поверхности осуществляется посылкой кода в виде перепадов расхода бурового раствора на рабочий орган. На основе этих данных соответственно корректируются наклон цилиндра и следовательно боковая сила и вектор ее направленности на долото. При втором способе система сверхглубокого бурения предпочтительно имеет запоминающее устройство. Предварительно запрограммированная траектория скважины вводится в запоминающее устройство, встроенное в этот рабочий орган. Результаты замеров инклинометрами и магнитометрами вместе с замерами перемещения осевого поршня сопоставляются с информацией о запрограммированной траектории скважины. Если обнаружатся отклонения от запрограммированной траектории скважины, то рабочий орган автоматически выполнит необходимые корректировки направленности, чтобы следовать по запрограммированной траектории путем соответствующего отклонения гидравлического цилиндра. Работа системы сверхглубокого бурения,соответствующей настоящему изобретению,ниже описана со ссылками на прилагаемые чертежи, где фиг. 1 изображает схематически вид предпочтительного варианта осуществления системы сверхглубокого бурения; фиг. 2-4 - три типичные ситуации, возникающие в процессе бурения наклонной буровой скважины с использованием системы сверхглубокого бурения, изображенной на фиг. 1. На всех чертежах элементы буровой системы, согласно изобретению, обозначены следующими позициями: 1 - бурильная труба,2 - переходник,3 - муфта сцепления (вертлюжное устройство),4 - насос гидропривода,5 - задний набор крепежных элементовбоковые лапы, перемещаемые концентрическими поршнями (не изображены),6 - электронные измерительное устройство, работающее в процессе бурения, и устройство, создающее перепады расхода бурового раствора,7 - гидравлическая система перемещения по оси (цилиндр),8 - передний набор крепежных элементовбоковые лапы, перемещаемые концентрическими поршнями (не изображены),9 - гидравлическая система перемещения по оси (поршень),10 - двигатель, движимый буровым раствором (для базового варианта системы), и гидравлический двигатель, движимый маслом (для усовершенствованной системы), 001110 6 11 - бурильное долото,12 - горная порода. Способ начала бурильного прохода при использовании системы сверхглубокого бурения, соответствующей настоящему изобретению, включает следующие шаги: а) крепежные устройства 5, 8 устанавливают в рассоединенное положение, поршень 9 цилиндропоршневого устройства вдвинут; б) процесс бурения начинают следующим образом: в) крепежные устройства закрепляют, тем самым прикрепляя выбранный элемент - цилиндр или поршень к стенке буровой скважины,г) цилиндропоршневое устройство приводят в действие, в результате чего начинается процесс бурения, отличающийся тем, что на шаге а) обеспечивают циркуляцию бурового раствора при пониженной подаче и бурильная труба вращается относительно цилиндропоршневого устройства, на шаге б) процесс бурения запускают переходом к циркуляции бурового раствора при полной подаче с одновременным переключением электронного устройства 6 в положение "забой", и тем, что перед выполнением шага в) расцепляют забойную муфту 3 сцепления. Способ завершения бурильного прохода при использовании системы сверхглубокого бурения, соответствующей настоящему изобретению, состоит из следующих шагов: а) осевой поршень 9 вдвигают, и б) крепежные устройства 5, 8 рассоединяют, отличающиеся тем, что: в) муфту 3 сцепления сцепляют, обеспечивая вращение всей системы,г) перепад давления передают на поверхность для запуска наземного процесса,д) вращающуюся бурильную колонну 1 опускают с помощью наземного привода на длину хода поршня,е) расход бурового раствора снижают, что обеспечивает переключение электронного устройства 6 в режим ожидания циркуляции при полной подаче в качестве сигнала о начале следующего бурильного прохода. При выполнении какого-либо соединения,т.е. когда буровой раствор не циркулирует и бурильная колонна 1 не вращается, все поршни 9 и крепежных элементов 5, 8 вдвигаются или удерживаются вдвинутыми и муфта 3 сцепления сцеплена. Бурильный раствор начинает циркулировать при пониженной подаче, и вращающуюся бурильную колонну 1 опускают на длину проделанного прохода. Пониженная подача бурового раствора обеспечивает переключение электронной системы 6 в режим ожидания циркуляции при полной подаче в качестве сигнала о начале следующего бурильного прохода. 7 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Система сверхглубокого бурения для бурения скважины в земной коре, содержащая бурильное долото (11), двигатель (10) для привода бурильного долота (11), достигающее поверхности удлиненное тело (1), гидравлическое цилиндропоршневое устройство (7, 9), способное создавать заданную нагрузку на долото и соединенное только с одним первым выбранным элементом - цилиндром (7) или поршнем(9) цилиндропоршневого устройства, бурильное долото (11), соединенное со вторым элементом поршнем (9) или цилиндром (7), и крепежные устройства (5, 8) для крепления выбранного элемента первого элемента цилиндра (7) или поршня (9) к стенке буровой скважины, причем крепежные устройства (5, 8) выполнены с возможностью переключения между закрепленным положением и рассоединенным положением,отличающаяся тем, что удлиненное тело представляет собой бурильную колонну (1), соединенную только с одним выбранным первым элементом - цилиндром (7) или поршнем (9) с помощью вертлюжного устройства (3), допускающего вращение бурильной колонны относительно только выбранного первого элемента цилиндра (7) или поршня (9). 2. Система сверхглубокого бурения по п.1,отличающаяся тем, что первым выбранным элементом является цилиндр (7) и вторым выбранным из цилиндра (7) и поршня (9) является поршень (9). 3. Система сверхглубокого бурения по п.2,отличающаяся тем, что крепежное устройство имеет, по меньшей мере, два набора радиально выдвижных крепежных элементов (5, 8), причем в состав этих наборов входят передний набор крепежных элементов (8), расположенный на передней части (со стороны долота) цилиндра(7), задний набор крепежных элементов (5), расположенный на задней части (со стороны бурильной колонны) цилиндра (7). 4. Система сверхглубокого бурения по п.3,отличающаяся тем, что крепежные элементы, по меньшей мере, одного из переднего набора или заднего набора крепежных элементов (5, 8) имеют возможность располагать цилиндр (7) концентрично или эксцентрично относительно буровой скважины. 5. Система сверхглубокого бурения по п.4,отличающаяся тем, что передний набор крепежных элементов (8) выполнен с возможностью расположения передней части цилиндра (7) в скважине концентрично или эксцентрично и задний набор крепежных элементов (5) выполнен с возможностью устанавливать заднюю часть цилиндра (7) в скважине концентрично или эксцентрично. 6. Система сверхглубокого бурения по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что дополнительно содержит гидравлический насос (4) 8 для создания мощности, необходимой гидравлическому цилиндропоршневому устройству (7,9) для выполнении бурильной операции и каждому из крепежных элементов для выполнения крепления к стенке скважины, причем гидравлический насос (4) выполнен с возможностью приведения в действие вращением бурильной колонны (1). 7. Система сверхглубокого бурения по п.6,отличающаяся тем, что двигателем (10), служащим приводом бурильного долота (11), является гидравлический двигатель, приводимый в движение маслом, поступающим от гидравлического насоса (4). 8. Система сверхглубокого бурения по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что длина осевого хода цилиндропоршневого устройства(7, 9) находится в интервале 1-5 м. 9. Система сверхглубокого бурения по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что дополнительно содержит инклинометры и магнитометры для выполнения замеров траектории, которые передаются на поверхность с помощью телеметрической аппаратуры. 10. Система сверхглубокого бурения по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что дополнительно содержит электронное запоминающее устройство для ввода предварительно запрограммированной траектории скважины. 11. Система сверхглубокого бурения по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что вертлюжное устройство имеет забойную муфту сцепления (3), которая выполнена с возможностью переключения между расцепленным положением, в котором возможно вращение буровой колонны (1) относительно выбранного цилиндра (7) или поршня (9), и сцепленным положением, в котором такое вращение невозможно. 12. Способ начала бурильного прохода при использовании системы сверхглубокого бурения, включающий следующие шаги: а) установку крепежных устройств (5, 8) в рассоединенное положение, а поршня (9) цилиндропоршневого устройства (7, 9) во вдвинутое положение; б) запуск процесса бурения путем: в) крепление с помощью крепежных устройств (5, 8) выбранного элемента цилиндра (7) или поршня (9) к стенке буровой скважины,г) приведение в действие цилиндропоршневого устройства (7, 9), в результате чего начинается процесс бурения, отличающийся тем,что на шаге а) обеспечивают циркуляцию бурового раствора при пониженной подаче и вращении буровой колонны (1) относительно цилиндропоршневого устройства, на шаге б) запуск процесса бурения осуществляют переходом на циркуляцию при полной подаче бурового раствора с одновременным переключением электронного устройства в положение забой, и перед выполнением шага в) расцепляют муфту 9 13. Способ завершения бурильного прохода при использовании системы сверхглубокого бурения, включающий следующие шаги: а) установку осевого поршня (9) во вдвинутое положение и б) рассоединение крепежных устройств (5,8),отличающийся тем, что осуществляют в) сцепление муфты (3) сцепления с обеспечением вращения всей системы, 001110 10 г) передачу перепада давления на поверхность для запуска наземного процесса,д) опускают вращающуюся бурильную колонну с помощью наземного привода на длину хода поршня,е) снижают подачу циркулирующего раствора, что приводит к переключению электронного устройства в режим ожидания циркуляции при полной подаче в качестве сигнала о начале следующего бурильного прохода.