устройство (варианты) и способ (варианты) продвижения устройства определения данных в подповерхностную формацию

Формула изобретения

1. Устройство для размещения устройства определения данных в подповерхностной геологической формации, содержащее цилиндрический элемент для приема устройства определения данных, камеру горения для размещения реактивного топлива, воспламенитель, связанный с камерой горения, отличающееся тем, что дополнительно содержит разрываемый диск для обеспечения связи через жидкость между цилиндрическим элементом и камерой горения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит снаряд, расположенный в цилиндрическом элементе.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что снаряд представляет собой устройство определения данных.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разрываемый диск изолирует камеру горения от цилиндрического элемента.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что разрываемый диск предназначен для разрывания, когда давление реактивного топлива достигает заданного значения в камере горения, и обеспечения связи через жидкость между камерой горения и цилиндрическим элементом.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрический элемент имеет выходное отверстие и защитную изоляцию, закрепленную на выходном отверстии.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что воспламенитель расположен на противоположном от разрываемого диска конце камеры горения.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит клапан сброса давления для освобождения давления из камеры горения.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем выполнен канал для бурового раствора, проходящий через устройство.

10. Устройство для размещения устройства определения данных в подповерхностной геологической формации, содержащее цилиндрический элемент для приема устройства определения данных, камеру горения для размещения реактивного топлива, воспламенитель, связанный с камерой горения, отличающееся тем, что дополнительно содержит мембрану для обеспечения связи через жидкость между цилиндрическим элементом и камерой горения.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что содержит снаряд, расположенный в цилиндрическом элементе.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что снаряд представляет собой устройство определения данных.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что мембрана изолирует камеру горения от цилиндрического элемента.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что мембрана предназначена для разрывания, когда давление реактивного топлива достигает заданного значения в камере горения, и обеспечения связи через жидкость между камерой горения и цилиндрическим элементом.

15. Устройство по п.10, отличающееся тем, что цилиндрический элемент имеет выходное отверстие и защитную изоляцию, закрепленную на выходном отверстии.

16. Устройство по п.10, отличающееся тем, что воспламенитель расположен на противоположном от мембраны конце камеры горения.

17. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительно содержит клапан сброса давления для освобождения давления из камеры горения.

18. Устройство по п.10, отличающееся тем, что в нем выполнен канал для бурового раствора, проходящий через устройство.

19. Способ размещения устройства определения данных в подповерхностной геологической формации, через которую проходит ствол скважины, заключающийся в том, что загружают устройство определения данных в цилиндрический элемент устройства для размещения, загружают реактивное топливо в камеру горения устройства размещения, опускают устройство для размещения в ствол скважины рядом с представляющей интерес подповерхностной формацией, отличающийся тем, что при загрузке реактивного топлива в камеру последнюю связывают с цилиндрическим элементом, изолируют камеру горения от цилиндрического элемента, поджигают реактивное топливо внутри камеры горения, когда давление достигнет заданной величины, подают это давление от реактивного топлива внутри камеры горения к цилиндрическому элементу, под действием давления размещают устройство определения данных из цилиндрического элемента в подповерхностной формации.

20. Способ по п.19, отличающийся тем, что устройство определения данных представляет собой пулеобразный снаряд.

21. Способ по п.19, отличающийся тем, что камера горения изолирована от цилиндрического элемента посредством мембраны.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что мембрана предназначена для разрывания, когда давление реактивного топлива достигает заданного значения в камере горения, при этом обеспечивается связь через жидкость между камерой горения и цилиндрическим элементом.

23. Способ по п.19, отличающийся тем, что цилиндрический элемент имеет выходное отверстие и защитную изоляцию, закрепленную на выходном отверстии.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что устройство определения данных пробивает защитную изоляцию, когда оно выходит из цилиндрического элемента.

25. Способ по п.19, отличающийся тем, что воспламенитель расположен на противоположном от мембраны конце камеры горения для воспламенения реактивного топлива в камере горения.

26. Способ по п.19, отличающийся тем, что устройство для размещения содержит клапан сброса давления, создаваемого внутри камеры горения, если давление воспламенившегося реактивного топлива внутри камеры горения не подается в цилиндрический элемент.

27. Способ по п.19, отличающийся тем, что устройство для размещения представляет собой инструмент, опускаемый в скважину, и его опускают в скважину посредством проводящей линии.

28. Способ по п.19, отличающийся тем, что устройство для размещения опускают в ствол скважины через колонну буровых труб.

29. Способ по п.28, отличающийся тем, что устройство для размещения представляет собой буровую втулку.

30. Способ размещения устройства определения данных в подповерхностной геологической формации, через которую проходит ствол скважины, заключающийся в том, что загружают устройство определения данных в цилиндрический элемент устройства для размещения, загружают реактивное топливо в камеру горения устройства размещения, опускают устройство для размещения в ствол скважины рядом с представляющей интерес подповерхностной формацией, отличающийся тем, что изолируют камеру горения от цилиндрического элемента, поджигают реактивное топливо внутри камеры горения, когда давление достигнет заданной величины, подают это давление от реактивного топлива внутри камеры горения к цилиндрическому элементу, под действием давления размещают устройство определения данных из цилиндрического элемента в подповерхностной формации.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что устройство определения данных представляет собой пулеобразный снаряд.

32. Способ по п.30, отличающийся тем, что камера горения изолирована от цилиндрического элемента посредством разрываемого диска.

33. Способ по п.32, отличающийся тем, что разрываемый диск предназначен для разрывания, когда давление реактивного топлива достигает заданного значения в камере горения, при этом обеспечивается связь через жидкость между камерой горения и цилиндрическим элементом.

34. Способ по п.30, отличающийся тем, что цилиндрический элемент имеет выходное отверстие и защитную изоляцию, закрепленную на выходном отверстии.

35. Способ по п.34, отличающийся тем, что устройство определения данных пробивает защитную изоляцию, когда оно выходит из цилиндрического элемента.

36. Способ по п.30, отличающийся тем, что воспламенитель расположен на противоположном от разрываемого диска конце камеры горения для воспламенения реактивного топлива в камере горения.

37. Способ по п.30, отличающийся тем, что устройство для размещения содержит клапан сброса давления, создаваемого внутри камеры горения, если давление воспламенившегося реактивного топлива внутри камеры горения не подается в цилиндрический элемент.

38. Способ по п.30, отличающийся тем, что устройство для размещения представляет собой инструмент, опускаемый в скважину, и его опускают в скважину посредством проводящей линии.

39. Способ по п.30, отличающийся тем, что устройство для размещения опускают в ствол скважины через колонну буровых труб.

40. Способ по п.39, отличающийся тем, что устройство для размещения представляет собой буровую втулку.

41. Устройство для размещения устройства определения данных в подповерхностной формации, содержащее цилиндрический элемент для приема устройства определения данных, камеру горения для размещения реактивного топлива, соединенную с цилиндрическим элементом по границе раздела, отличающееся тем, что дополнительно содержит мембрану, расположенную на границе раздела для обеспечения связи через жидкость между цилиндрическим элементом и камерой горения, воспламенитель, связанный с камерой горения и предназначенный для воспламенения реактивного топлива, что обеспечивает расширение газа внутри камеры горения и принудительное размещение устройства определения данных из цилиндрического элемента, когда давление достаточно для проникновения через мембрану.

42. Устройство по п.41, отличающееся тем, что дополнительно содержит предохранительный клапан для сброса давления внутри камеры горения, если расширение газа не дает достаточного давления для проникновения через мембрану.

43. Устройство по п.42, отличающееся тем, что цилиндрический элемент имеет открытый конец для размещения через него устройства определения данных, и дополнительно содержит изолирующий элемент для изоляции открытого конца и предотвращения доступа бурового раствора в цилиндрический элемент, когда устройство для размещения расположено в колонне буровых труб.

44. Устройство по п.43, отличающееся тем, что изолирующий элемент выполнен из керамического материала с возможностью разрушения его при размещении устройства определения данных в подповерхностной формации.

45. Устройство по п.43, отличающееся тем, что изолирующий элемент выполнен из металлического материала с возможностью его разрыва при размещении устройства определения данных в подповерхностной формации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контролю представляющих интерес подповерхностных геологических формаций и, более конкретно, к баллистическому размещению метательного устройства определения данных в представляющей интерес подповерхностной геологической формации для обеспечения возможности такого контроля.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для добычи углеводородов и других ископаемых из природных месторождений, расположенных в подповерхностных геологических формациях в земной коре, бурят скважины. Узкую скважину при бурении направляют от буровой установки на поверхности земли или воды, например океана, к заданному месту под поверхностью земли. При обычном бурении ротором буровая установка вращает колонну буровых труб, состоящую из соединенных стальных буровых труб, соединенных вместе для образования буровой колонны. Колонна буровых труб используется для направления буровой компоновки (БК) и буровой головки, которая подсоединена к нижнему концу буровой компоновки. Во время бурения буровую жидкость, обычно называемую буровым раствором, откачивают и направляют вниз по внутренней части колонны буровых труб, через БК, скважинные инструменты и буровую головку. Буровой раствор течет обратно к поверхности в кольцевом пространстве между колонной буровых труб и обсаженном или необсаженном стволом скважины.

Во время бурения тщательно управляют весом бурового раствора, чтобы гарантировать безопасность работы буровой установки и качество скважины. Плотность бурового раствора обычно регулируют, используя утяжелители, предназначенные для поддержания плотности бурового раствора в пределах заданного диапазона. Диапазон плотности бурового раствора во время бурения зависит по меньшей мере частично от давления текучих сред в порах формации. Плотность бурового раствора должна быть достаточной для гидростатического равновесия пластового давления для стабилизации скважины и предотвращения нежелательного попадания текучих сред из формации в ствол скважины. Однако чрезмерная плотность бурового раствора вызывает прохождение бурового раствора или текучих сред из ствола скважины в формации. Указанное приводит к повреждению формации и проблемам, связанным с потерями текучей среды из ствола скважины. Во время бурения предпочтительно получать и анализировать такие данные формации, как давление и температура.

Наличие достоверных данных о формации также необходимо после того, как скважину введут в эксплуатацию. Контроль пластового давления и температуры и объединение этих данных формации с измеряемыми данными выработки и другими поверхностными данными позволяет лучше обеспечивать оптимальный поток продукции для доведения до максимума эксплуатацию скважины. Можно также сопоставлять данные от соседней выработки и нагнетательных скважин, чтобы анализировать и предсказывать перемещение и истощение запасов эксплуатируемых или затопленных скважин путем использования данных от завершенных скважин в представляющей интерес формации.

Существующие методы исследования формаций обычно включают в себя использование извлекаемых испытательных зондов из формаций. Эти испытательные зонды можно направлять по линиям света или по колонне буровых труб для сбора данных о формации, помещая испытательный зонд рядом с представляющей интерес формацией в скважине и контролируя условия. Пластовые условия в необсаженной скважине можно контролировать испытательными зондами на проводящей линии, например, как описано в патентах США №№ 3934468, 4860581, 4893505, 4936139 и 5622223. Согласно указанным способам требуется достаточно много времени для изъятия колонны бурильных труб из скважины, введения испытательного зонда в ствол скважины до представляющей интерес формации, для получения данных о формации, затем извлечения испытательного зонда из скважины и для дальнейшего бурения или эксплуатации, помещения в скважину колонны буровых труб или насосно-компрессорной колонны. Кроме того, имеющиеся данные, полученные с помощью обычных испытательных зондов, доступны только тогда, когда извлекаемый испытательный зонд находится рядом с представляющей интерес формацией.

Существуют также испытательные зонды и способы, которые предназначены для использования в обсаженных стволах скважины, типа описанных в патентах США №№ 5065619, 5195588 и 5692565. Проблема, присущая испытательным зондам, разработанным для использования в обсадных скважинах, заключается в том, что для большинства этих инструментальных средств требуются значительные усилия для закрывания или закупоривания перфорационных отверстий в обсадных трубах, обеспечивающих возможность прямого измерения гидростатического давления формации.

Аналогично испытательным зондам, вводимым в необсадные скважины, испытательные зонды для использования в обсадных стволах скважин следует извлекать, и введение испытательного зонда требует дорогостоящего подъема-спуска буровой трубы, а данные формации доступны только в течение времени, когда испытательный зонд расположен рядом с представляющей интерес формацией.

В заявке на патент США 09/293859 описан устойчивый к удару прибор считывания данных формации, который можно располагать в заданной формации, для периодического или непрерывного сбора данных о формации путем беспроводной передачи и приема данных. В заявке на патент США 09/458764 описан состав реактивного топлива, разработанный для использования.

Настоящее изобретение также касается эффективного размещения устройства определения данных в представляющей интерес формации для периодической или непрерывной передачи данных о формации через радиочастотную, электромагнитную или телеметрическую систему связи на приемник данных. Использование устройств определения данных для этих целей дополнительно описано в патентах США №№ 6028534 и 6070662.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для размещения устройства определения данных в требуемой подповерхностной геологической формации из скважинного инструмента для периодического или непрерывного контроля данных формации при условии, что в стволе скважины находятся линии связи или буровая труба, который позволит устранить или минимизировать количество спусков-подъемов оборудования скважины при спуске в скважину зонда формации.

Другой задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для размещения устройства определения данных в стволе скважины на линии связи или колонне буровых труб.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для размещения устройства определения данных в требуемой подповерхностной геологической формации для периодического или непрерывного контроля данных о формации и оптимизации нагнетания или отсоса из скважины для оптимальной добычи содержимого контролируемой формации.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание долговременной и пригодной для повторного использования конструкции для размещения устройства определения данных в представляющей интерес подповерхностной геологической формации, которая позволит обеспечить ускорение динамической нагрузки пулеобразного устройства определения данных и гарантировать достаточную глубину проникновения и размещения устройства определения данных в основной массе породы формации.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства, содержащего метательное орудие, установленное в буровой трубе, которое может работать в условиях высоких давлений и температур в глубоких скважинах и выдерживать чрезвычайно высокие давления и температуры, связанные с использованием высокоэнергетических химических компонентов реактивного топлива, чтобы протолкнуть устройство определения данных в формацию горной породы.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства определения данных в виде метательного орудия, установленного в буровой втулке, которое позволит выдержать без деформации, повреждения или поломки высокие динамические нагрузки, связанные с запуском снаряда и ударом, и давления и температуры, возникающие в результате запуска и удара устройства определения данных.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для размещения устройства определения данных на достаточном расстоянии в радиальном направлении в заданной основной массе породы формации, чтобы предотвратить помехи последующей эксплуатации скважины или повреждение устройства определения данных во время последующей эксплуатации скважины.

Поставленные задачи решаются путем создания устройства для размещения устройства определения данных в подповерхностной геологической формации, содержащего цилиндрический элемент для приема устройства определения данных, камеру горения для размещения реактивного топлива, воспламенитель, связанный с камерой горения, и для обеспечения связи через жидкость между цилиндрическим элементом и камерой горения содержащего разрываемый диск в первом варианте и мембрану во втором варианте.

Устройство для размещения может дополнительно содержать снаряд, расположенный в цилиндрическом элементе. Этот снаряд может представлять собой устройство определения данных.

Предпочтительно, чтобы разрываемый диск или мембрана соответственно изолировали камеру горения от цилиндрического элемента. Выгодно также, чтобы разрываемый диск или мембрана были предназначены для разрывания, когда давление реактивного топлива достигает заданного значения в камере горения, и обеспечения связи через жидкость между камерой горения и цилиндрическим элементом.

Цилиндрический элемент может иметь выходное отверстие и защитную изоляцию, закрепленную на выходном отверстии.

Целесообразно, чтобы воспламенитель был расположен на противоположном от разрываемого диска конце камеры горения.

Полезно, чтобы устройство для размещения дополнительно содержало клапан сброса давления для освобождения давления из камеры горения.

Полезно также, чтобы в устройстве для размещения был выполнен канал для бурового раствора, проходящий через это устройство.

Поставленные задачи решаются путем создания способа размещения устройства определения данных в подповерхностной геологической формации, через которую проходит ствол скважины, заключающегося в том, что загружают устройство определения данных в цилиндрический элемент устройства для размещения, загружают реактивное топливо в камеру горения устройства размещения, опускают устройство для размещения в ствол скважины рядом с представляющей интерес подповерхностной формацией, в котором при загрузке реактивного топлива в камеру последнюю связывают с цилиндрическим элементом, изолируют камеру горения от цилиндрического элемента, поджигают реактивное топливо внутри камеры горения, когда давление достигнет заданной величины, подают это давление от реактивного топлива внутри камеры горения к цилиндрическому элементу, под действием давления размещают устройство определения данных из цилиндрического элемента в подповерхностной формации.

Выгодно, чтобы устройство определения данных представляло собой пулеобразный снаряд.

Камера горения может быть изолирована от цилиндрического элемента посредством мембраны в одном варианте осуществления способа или посредством разрываемого диска в другом варианте. Предпочтительно, чтобы указанные мембрана или разрываемый диск предназначались для разрывания, когда давление реактивного топлива достигает заданного значения в камере горения, при этом обеспечивается связь через жидкость между камерой горения и цилиндрическим элементом.

Полезно, если цилиндрический элемент имеет выходное отверстие и защитную изоляцию, закрепленную на выходном отверстии. При этом устройство определения данных пробивает защитную изоляцию, когда оно выходит из цилиндрического элемента.

Целесообразно, чтобы воспламенитель был расположен на противоположном от мембраны конце камеры горения для воспламенения реактивного топлива в камере горения.

Выгодно, чтобы устройство для размещения содержало клапан сброса давления, создаваемого внутри камеры горения, если давление воспламенившегося реактивного топлива внутри камеры горения не подается в цилиндрический элемент.

Полезно, если устройство для размещения представляет собой инструмент, опускаемый в скважину, и его опускают в скважину посредством проводящей линии.

Предпочтительно, когда устройство для размещения опускают в ствол скважины через колонну буровых труб. Устройство для размещения может представлять собой буровую втулку.

Поставленные задачи также достигаются при помощи устройства для размещения устройства определения данных в подповерхностной формации, содержащего цилиндрический элемент для приема устройства определения данных, камеру горения для размещения реактивного топлива, соединенную с цилиндрическим элементом по границе раздела, которое дополнительно содержит мембрану, расположенную на границе раздела для обеспечения связи через жидкость между цилиндрическим элементом и камерой горения, воспламенитель, связанный с камерой горения и предназначенный для воспламенения реактивного топлива, что обеспечивает расширение газа внутри камеры горения и принудительное размещение устройства определения данных из цилиндрического элемента, когда давление достаточно для проникновения через мембрану.

Полезно, когда устройство дополнительно содержит предохранительный клапан для сброса давления внутри камеры горения, если расширение газа не дает достаточного давления для проникновения через мембрану.

Также целесообразно, когда цилиндрический элемент имеет открытый конец для размещения через него устройства определения данных и дополнительно содержит изолирующий элемент для изоляции открытого конца и предотвращения доступа бурового раствора в цилиндрический элемент, когда устройство для размещения расположено в колонне буровых труб. Указанный изолирующий элемент может быть выполнен из керамического материала или из металлического материала с возможностью разрушения его при размещении устройства определения данных в подповерхностной формации.

Устройство для определения данных предпочтительно содержит кожух, имеющий камеру и приспособленный для осуществления принудительного поступательного движения в подповерхностную формацию, и датчик данных, расположенный в камере и предназначенный для определения параметров формации типа давления, температуры, удельного сопротивления, гамма-излучения, плотности и нейтронного излучения. Кожух предпочтительно имеет первый канал для передачи параметров флюида, присутствующего в подповерхностной формации, к датчику данных, когда устройство помещено в подповерхностную формацию. При этом датчик данных определяет по меньшей мере одну из характеристик текучей среды. Устройство определения данных также содержит антенну, расположенную внутри камеры, для передачи сигналов, представляющих характеристику текучей среды, измеряемую датчиком данных.

Термин "орудие" содержит, но не ограничен этим, устройство для ускорения объекта, чтобы переместить объект от конца буровой скважины. Термин "пулеобразный" представляет собой объект, имеющий стреловидный, конический или заостренный цилиндрический конец или носовую часть. Термин "не выравниваемый" или "не выровненный" означает, что ось ствола образует тупой или острый угол с осью камеры горения. Там, где камера горения не имеет легко доступной оси, "не выравниваемый" или "не выровненный" означает, что центр тяжести камеры горения не пересекается или не совпадает с осью цилиндрического элемента.

Данные формации в реальном времени обеспечивают много преимуществ как во время бурения, так и на стадиях эксплуатации скважины. Пластовое давление в реальном времени, полученное во время бурения, позволяет буровым мастерам и геологам предсказывать пластовое давление на "макро" уровне и (когда оно обеспечено из ряда различных источников типа последовательности устройств определения данных) позволяет инженерам-промысловикам предсказывать на "микро" уровне буровой раствор и давления в пластах. Используя эти данные, буровые мастера и инженеры могут идентифицировать и стимулировать соответствующие изменения веса и состава бурового раствора, чтобы улучшить скорость бурения и повысить безопасность. Используя дистанционно располагаемые устройства определения данных, можно получать данные о формации в реальном времени и осуществлять контроль для эффективного управления резервуаром без потери дорогостоящего времени бурения, необходимого для управления обычными испытательными зондами формации, а также получать больше информации о состояниях скважины.

Метательное орудие буровой втулки согласно настоящему изобретению устанавливают внутри секции буровой трубы, и оно предназначено для поддержания или придания принудительного поступательного движения устройству определения данных в подповерхностную формацию с использованием реактивного топлива. Устройство имеет подобный орудию ствол, предназначенный для размещения пулеобразного устройства определения данных и после выстрела направления устройства определения данных в требуемое место. Метательное орудие буровой втулки содержит камеру горения для приема реактивного топлива и узел воспламенения, предназначенный для возбуждения реакции в топливе и благодаря этому для создания чрезвычайно высоких давлений и температур. При воспламенении и горении реактивного топлива происходит огромное расширение газа, который воздействует на определенную поверхность устройства определения данных, что обеспечивает возможность быстрого ускорения устройства вдоль оси ствола и в боковую стенку формации. Воспламенение реактивного топлива можно осуществлять дистанционно посредством проводной, радиочастотной или другой электромагнитной или телеметрической системы связи.

Метательное орудие буровой втулки согласно настоящему изобретению содержит мембрану типа разрываемого диска, изолирующую цилиндрический элемент от камеры горения. Разрываемый диск сконструирован так, что разрывается, только когда давление в камере горения достигает заданного уровня. Вследствие этого разрываемый диск предотвращает преждевременное перемещение устройства определения данных вдоль ограниченной длины цилиндрического элемента и обеспечивает более эффективный запуск устройства для проникновения в формацию.

Метательное орудие буровой втулки предпочтительно также содержит колпачок дульного среза, который действует как разрушаемая мембрана, изолирующая внутреннюю часть цилиндрического элемента от бурового раствора или другой текучей среды в стволе скважины. Колпачок дульного среза выполнен так, чтобы изолировать внутреннюю часть цилиндрического элемента от бурового раствора до тех пор, пока он не разрушится устройством определения данных. Разрушаемая мембрана разбивается на многочисленные маленькие фрагменты, которые во взвешенном состоянии могут удаляться буровым раствором для устранения помех при работе устройства определения данных или функционировании скважины.

В предпочтительном варианте осуществления цилиндрический элемент смещен от осевой средней линии колонны буровых труб и направляет устройство определения данных, выстреливаемое из цилиндрического элемента, вдоль радиуса, радиально наружу от приблизительного центра колонны буровых труб в смежную основную массу породы, содержащую формацию, представляющую интерес. В особенно предпочтительном варианте осуществления цилиндрический элемент не устанавливается вдоль оси с камерой горения, чтобы использовать способ и устройство в ограниченном пространстве, например в тонкой колонне буровых труб. Снаряд, выстреливаемый из метательного орудия буровой втулки, может быть аналогичен устройству определения данных, описанному в заявке 09/019466 на патент США.

Элементы выполнены таким образом, чтобы обеспечить долгий срок службы метательного орудия буровой втулки без функционального повреждения во время доставки устройства определения данных в формацию. Камера горения устройства приспособлена для приема и воспламенения химического реактивного топлива без помех со стороны текучих сред из ствола скважины. Химическое реактивное топливо может храниться внутри устройства непосредственно в камере горения, где оно остается до воспламенения. Реактивное топливо должно сохранять свою эффективность после длительного воздействия высоких температур и давлений, которые имеют место в скважине. Как упоминалось выше, предпочтительное топливо описано в заявке 09/458764 на патент США.

В предпочтительном варианте осуществления метательное орудие утяжеленной буровой трубы может доставлять множество устройств определения данных в множество представляющих интерес зон по всей скважине. Таким образом, хотя настоящее изобретение касается способа и устройства для размещения единственного устройства определения данных, следует отметить, что метательное орудие утяжеленной буровой трубы может содержать последовательность по существу аналогичных устройств, каждое из которых может доставлять устройство определения данных независимо или совместно с другими устройствами. Согласно изобретению может быть сформирована последовательность из более чем дюжины по существу подобных устройств внутри единственного удлиненного скважинного инструмента для предотвращения необходимости в спуске-подъеме талей или буровой трубы из скважины каждый раз для размещения устройства определения данных.

Метательное орудие буровой втулки согласно настоящему изобретению предпочтительно содержит электронное оборудование для приема и интерпретации команд для управляемого размещения устройства определения данных на заданной глубине и ориентации. Устройство можно использовать вместе с одной или более системами позиционирования, включая опорный башмак, который выступает от боковой стороны метательного орудия буровой втулки, и системой для углового ориентирования инструмента внутри ствола скважины.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более полного понимания описанных выше особенностей, преимуществ и целей настоящего изобретения ниже приводится описание предпочтительного варианта его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых

фиг.1 изображает метательное орудие внутри буровой втулки, после доставки устройства определения данных согласно изобретению;

фиг.2 изображает поперечный разрез метательного орудия буровой втулки, расположенного внутри буровой втулки, предназначенной для размещения устройства определения данных в выбранной подповерхностной формации согласно изобретению;

фиг.3 изображает поперечный разрез цилиндрического элемента камеры горения и воспламенителя, выступающего в камеру горения (предпочтительный вариант осуществления), согласно изобретению;

фиг.4 изображает общий вид узла воспламенения метательного орудия буровой втулки согласно изобретению;

фиг.5 изображает общий вид агрегата сброса давления и элементов метательного орудия буровой втулки согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА

ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Метательное орудие 10 (фиг.1) буровой втулки установлено внутри буровой втулки 12 в колонне буровых труб, проходящей в пробуренный ствол скважины. Метательное орудие 10 буровой втулки имеет отверстие 22, из которого пулеобразное устройство определения данных выходит после выстрела из метательного орудия 10. Устройство 24 определения данных показано уже размещенным в основной массе породы 20 представляющей интерес формации.

На фиг.2 изображен поперечный разрез метательного орудия 10 буровой втулки согласно изобретению. Цилиндрический элемент 32 ориентирован по существу планарно с поперечным разрезом ствола скважины, который перпендикулярен оси ствола скважины на этой глубине. Специалистам в данной области техники понятно, что боковое внедрение устройства определения данных, направленное радиально наружу от оси ствола скважины, не обязательно должно быть перпендикулярным оси ствола скважины, а может быть выполнено под множеством углов атаки к формации, представляющей интерес.

Цилиндрический элемент 32 оканчивается отверстием 22 в стенке буровой втулки 12. Устройство определения данных при размещении проходит через отверстие 22, когда выходит из буровой втулки 12. Полая внутренняя часть 38 элемента 32 по существу однородна по всей длине и предназначена для приема и временного хранения устройства 24. Колпачок 34 дульного среза изолирует полую внутреннюю часть 38 цилиндрического элемента 32 от бурового раствора 26 (или другой текучей среды типа раствора для затворения скважины), постоянно находящегося в кольцевой области между колонной буровых труб и боковой стенкой ствола скважины. Колпачок 34 дульного среза предназначен для того, чтобы выдержать любое гидростатическое давление, действующее на метательное орудие 10 буровой втулки столбом бурового раствора (или другой текучей среды) в скважине, но должен разрушаться от удара ускоряемого устройства 24 или быстро перемещающегося газа, непосредственно предшествующего размещению устройства 24. В настоящее время для этой цели предпочтительным является керамический материал типа оксида алюминия. В качестве альтернативы колпачок дульного среза может быть металлическим, таким, чтобы его можно было пробить при выходе устройства 24 и "удалить" с минимальными потерями энергии.

Камера 42 горения предназначена для приема или хранения реактивного топлива. Камера 42 горения имеет пространство для размещения реактивного топлива в тесном контакте с узлом 52 воспламенения, который имеет воспламенитель 58, расположенный в камере 42 горения. Узел 52 воспламенения поджигает реактивное топливо, расположенное в камере 42 горения, что приводит к быстрому расширению газа внутри камеры 42 горения. Давление при этом поднимается до 7.030 кг/см² (98066 Па) или выше. Давление от горения реактивного топлива обеспечивает движущую силу для ускорения, выброса и размещения устройства 24 определения данных. При ускорении устройство 24 перемещается из цилиндрического элемента 32 через разрушаемый колпачок 34 дульного среза и из отверстия 22 внедряется в основную массу породы 20 формации.

В предпочтительном варианте осуществления камера 42 горения изолирована от цилиндрического элемента 32 разрушаемым диском. Диск 36 представляет собой мембрану, которая предназначена для того, чтобы разрываться и уменьшать давление при заданном пороговом значении, достигаемом во время расширения газа в результате горения реактивного топлива. Диск 36 обеспечивает улучшенное размещение устройства 24, поскольку задерживает начало продвижения устройства 24 внутри цилиндрического элемента 32 до тех пор, пока давление в камере 42 горения не достигнет порогового значения, достаточного для повреждения диска 36. Диск 36 разрушается при заданном повышенном давлении, после чего происходит более быстрое повышение давления в цилиндрическом элементе 32 между диском 36 и устройством 24, чем если бы камера 42 горения первоначально была связана через жидкость с цилиндрическим элементом 32. Более быстрое повышение давления приводит к более быстрому или мгновенному продвижению устройства 24 внутри полой внутренней части 38 элемента 32 и большей скорости выхода устройства 24 после выстрела метательного орудия 10 буровой втулки. Можно также использовать другие средства типа срезных штифтов или разрушаемых нитей для удерживания устройства 24 до достижения в камере горения требуемой величины давления.

Метательное орудие 10 (фиг.1) буровой втулки находится внутри буровой втулки 12, в колонне буровых труб над буровой головкой 14. Когда буровой раствор циркулирует в скважине, он должен проходить через колонну буровых труб и буровую головку 14 и возвращаться к поверхности через кольцевой зазор между колонной буровых труб и стволом скважины.

На фиг.2 показан канал 28, проходящий через метательное орудие 10 буровой втулки, чтобы обеспечить протекание бурового раствора к буровой головке 14 для смазывания буровой головки 14, суспендирования буровой муки и выноса ее на поверхность для удаления. Канал 28 изолирован от камеры 42 горения и элемента 32 метательного орудия 10 буровой втулки по всей длине буровой втулки 12.

На фиг.3 показан поперечный разрез предпочтительного варианта выполнения элемента 32 и камеры 42 горения. Полагая, что буровая втулка имеет стандартный 6,75-дюймовый наружный диаметр (171,45 мм), максимальная длина элемента 32, которая может размещаться горизонтально внутри буровой втулки, составляет приблизительно 5 дюймов (127 мм). Даже при больших диаметрах буровых втулок длина элемента, который может размещаться внутри буровой втулки 12, относительно небольшая в баллистическом отношении по сравнению с длиной устройства определения данных (от 2,5 до 4 дюймов (63,5 - 101,6 мм)). В обычных устройствах типа орудия, имеющих относительно длинный участок ствола, камеру горения обычно выравнивают со стволом. Однако в конфигурациях с коротким стволом типа данной конфигурации, включающей размещение устройства определения данных согласно настоящему изобретению, ускорение устройства определения данных лучше всего достигается почти адиабатическим расширением газа высокого давления, обеспеченного воспламенением реактивного топлива, усилие от которого передается к устройству определения данных. Для передачи максимального усилия от газа реактивного топлива к устройству 24 желательно иметь почти адиабатическое расширение. Для этого камера 42 горения согласно изобретению не должна быть совмещена по оси с элементом 32 (фиг.2 и 3), чтобы установить внутри ограниченного пространства в буровой втулке 12 элемент 32 и камеру 42 горения. На фиг.3 показано, что камера 42 горения метательного орудия 10 буровой втулки по существу не выровнена с элементом 32, обеспечивая максимальную длину участка цилиндрического элемента 32, через который устройство 24 может ускоряться до разрушения колпачка 34 дульного среза и его выброса из буровой втулки 12 через отверстие 22.

На фиг.4 изображен разрез узла 52 воспламенения с вырезанной четвертью, который можно путем скольжения расположить в канале 50 узла воспламенения, образованном в стенке буровой втулки 12. Узел 52 воспламенения управляется через электрическое соединение 54 дистанционно и приводит в действие воспламенитель 58, выступающий в камеру 42 горения (не показана). В предпочтительном варианте осуществления воспламенитель 58 содержит небольшое количество высокоэнергетического химического заряда, который активизируют от источника тепла или механическим толчком, ударом. Источником тепла (также как механический удар) может служить электрическое соединение 54. После активизации высокоэнергетического химического заряда реактивное топливо начинает гореть и образуется газ высокого давления.

На фиг.5 показан поперечный разрез узла 62 сброса давления, который путем скольжения размещен в канале 60, образованном в буровой втулке 12. Узел 62 сброса давления предназначен для сброса давления, остающегося в камере 42 горения после неудачного размещения устройства определения данных. Если химическое топливо становится влажным или испорченным, давление, образующееся от воспламенения топлива, не может приводить к разрыву диска 36. В этом случае узел 62 сброса давления можно использовать для безопасного выпуска газов из камеры 42 горения. Удаление узла 62 сброса давления и узла 52 воспламенения обеспечивает доступ к камере горения для чистки и обслуживания или для размещения требуемых количеств химического топлива. На фиг.2 показано предпочтительное размещение узла 62 сброса давления и узла 52 воспламенения, но если требуется, местоположение этих узлов можно изменять.

Общие принципы баллистики помогают определять существенные параметры снаряда для метательного орудия 10 буровой втулки устройства определения данных. При разработке учитывают требуемую скорость и вес устройства определения данных, необходимые для достижения достаточного проникновения в данную горную породу, отношение длины, поперечного сечения, чтобы гарантировать прямолинейный полет устройства определения данных, и форму носовой части устройства для оптимальной глубины проникновения. Следовательно, устройство 24 определения данных по существу имеет форму пули и удлинено в продольном направлении, чтобы, в частности, удовлетворять второму требованию (достаточному для прямого проникновения), выраженному выше.

Метательным орудием 10 буровой втулки можно управлять дистанционно, используя комбинацию передатчик, приемник. Приемник внутри метательного орудия 10 буровой втулки может принимать команды через радиочастотное (РЧ) или другое электромагнитное средство или через телеметрические системы бурового раствора. Подобные устройства и способы передачи данных и команд дистанционно управляемым устройствам в стволе скважины известны в технике. Связь с удаленным передатчиком или приемником с использованием РЧ сигналов требует, чтобы антенна была частью метательного орудия 10 буровой втулки, и такая антенна, используемая для управления, должна быть защищена от давления и температуры камеры горения и от всех ударных сил.

Устройство 24 определения данных содержит пулеобразный кожух, оборудованный герметизированным датчиком данных для определения по меньшей мере одной характеристики представляющей интерес подповерхностной формации. Устройство определения данных содержит передатчик для передачи сигнала, характеризующего определяемые датчиком параметры, на удаленный приемник данных. Устройство может включать также приемник для приема дистанционно передаваемых сигналов, используемых устройством определения данных для определения оптимальной частоты передачи сигналов для сообщения данных о формации на удаленный приемник.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что настоящее изобретение также предполагает размещение программируемого сенсорного устройства, даже если приведенное здесь описание касается устройства для размещения устройства определения данных из метательного орудия буровой втулки, выполненное в буровой втулке колонны буровых труб.

Настоящее изобретение обеспечивает получение данных пластового давления и температуры, а также других данных оценки параметров формации (например, измерения удельного сопротивления, гамма-излучения, плотности и нейтронов), периодически или непрерывно получаемых во время бурения или добычи из представляющей интерес формации текучих сред. Это преимущество обеспечивает лучшие решения относительно веса и состава бурового раствора в значительно более ранние сроки в процессе бурения без необходимости в дорогостоящем спуске-подъеме оборудования колонны буровых труб для продвижения обычного испытательного зонда формации.

Как только устройство определения данных дистанционно размещено с использованием настоящего изобретения, можно получать периодически или непрерывно точные данные о формации во время бурения, что невозможно осуществить на известном в настоящее время оборудовании.

Контроль давления в формациях может продолжаться до тех пор, пока имеется связь с устройствами определения данных. Это зависит, конечно, от природы линии связи между схемной частью передатчика, приемника внутри буровой втулки и любыми размещаемыми программируемыми удаленными датчиками. В настоящем изобретении предусмотрено, что удаленные устройства определения данных, когда они размещены в формации, будут работать от аккумуляторной батарейки, топливного элемента или другого источника энергии и могут обеспечивать источник данных формации в течение существенного периода времени. Можно приспособить заменяемый или вспомогательный источник энергии для приема данных, вставленный в ствол скважины, для периодического восстановления источника энергии, поддерживая непрерывную передачу данных от устройства определения данных.

Принимая во внимание вышеизложенное, должно быть очевидно, что настоящее изобретение позволяет обеспечить достижение всех целей и особенностей, изложенных выше, вместе с другими целями и особенностями, которые присущи раскрытому здесь устройству.

Как будет очевидно специалистам в данной области техники, настоящее изобретение может быть легко воспроизведено в других формах, не отступая при этом от объема существенных притязаний.