ES2953676T3 - Perforación direccional - Google Patents

Abstract

En preparación para la perforación direccional, se hace avanzar una cuña soportada distalmente por delante de una sarta de perforación tubular a lo largo de un orificio principal. La cuña está conectada a la sarta de perforación mediante un enlace rígido que se extiende a lo largo de un eje longitudinal central a través de un cabezal de corte anular. La cuña puede conectarse a la sarta de perforación a través de un mecanismo de cuentagotas interno que puede acoplarse mediante un sistema de elevación con cable. Después de bloquear la cuña en un punto de inicio en el agujero en un azimut deseado, la conexión del enlace se rompe. Luego, el mecanismo del gotero se puede recuperar y reemplazar por un tubo central interno, sin mover la sarta de perforación. Luego se avanza la sarta de perforación para perforar un pozo hijo que se ramifica desde el pozo principal en el acimut determinado por la cuña. Ventajosamente, no hay necesidad de retirar la sarta de perforación antes de que pueda comenzar la perforación del pozo secundario. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Perforación direccional

Antecedentes

Campo de la invención

Esta invención se refiere a la perforación direccional de pozos de sondeo. La invención se relaciona especialmente con los desafíos de crear un hueco hijo que se bifurca desde un hueco madre.

En principio, la invención podría utilizarse para perforar huecos con diversos fines. Sin embargo, esta especificación describirá la invención en el contexto de la perforación de hueco para extraer muestras de núcleos de estratos subterráneos.

Descripción de la técnica relacionada

La perforación es la forma más confiable y precisa de realizar estudios subterráneos tridimensionales. Por ejemplo, las técnicas de perforación diamantina de exploración se pueden usar para explorar y delinear recursos minerales subterráneos, como lentes de mineral.

Durante la perforación de exploración, las muestras de núcleo extraídas periódicamente de un hueco se documentan y almacenan para su posterior análisis. Por ejemplo, se pueden usar muestras de núcleos de múltiples huecos espaciados lateralmente para construir secciones geológicas. Esto establece la continuidad, extensión y composición de un recurso subterráneo y ayuda a definir y cuantificar los minerales disponibles.

Convencionalmente, un hueco es perforado por un equipo de perforación ubicado en la superficie o bajo tierra, que ensambla y gira una sarta de perforación que se extiende dentro del pozo. La sarta de perforación consta de múltiples barras de perforación tubulares que se unen de extremo a extremo mediante acoplamientos roscados.

El equipo empuja la sarta de perforación mientras un cabezal de corte anular que comprende una broca con incrustaciones de diamante o una corona de perforación en la parte inferior de la sarta de perforación giratoria corta a través de los estratos subterráneos. El equipo levanta más barras de perforación para agregarlas secuencialmente a la parte superior de la sarta de perforación a medida que la sarta de perforación avanza hacia el hueco de profundización. Un fluido de perforación, tal como el agua, se bombea a lo largo de la sarta de perforación para enfriar el cabezal de corte y eliminar los recortes de perforación.

El hueco puede ser nominalmente vertical o puede estar inclinado deliberadamente con respecto a la vertical. El hueco puede incluso extenderse sustancialmente horizontal o hacia arriba, al menos en parte. En cualquier caso, un hueco típico tenderá a curvarse ligeramente a lo largo de su longitud ya que la trayectoria de la sarta de perforación está influenciada por las condiciones subterráneas y por la gravedad.

En el contexto de la exploración minera, es común que un hueco se extienda por debajo de la superficie hasta un objetivo subterráneo a una profundidad de 1 km a 2 km o más. En consecuencia, puede llevar varias horas ensamblar la sarta de perforación completa y varias horas más desarmar la sarta de perforación si, por ejemplo, es necesario reemplazar el cabezal de corte.

En uso, el cabezal de corte produce y gira alrededor de una muestra de núcleo cilíndrico que se extiende hacia el interior hueco de la sarta de perforación. Las sucesivas muestras de núcleos deben recuperarse en la superficie después de cada pocos metros de perforación. Para evitar el retraso del desmontaje de la sarta de perforación mientras se retira del hueco, es necesario recuperar la muestra del núcleo a la superficie mientras se deja la sarta de perforación en el hueco.

Este principio es la base de la perforación con cable, en la que la muestra del núcleo se recibe en un tubo de núcleo interior que se encuentra concéntricamente dentro de una barra de perforación externa en la parte inferior de la sarta de perforación. Esa barra de perforación más baja define un barril de núcleo exterior que lleva el cabezal de corte. Periódicamente, un cable que se extiende hacia abajo por el hueco desde la superficie se conecta al tubo de núcleo de modo que el tubo de núcleo, que transporta la muestra de núcleo, se puede tirar hacia arriba telescópicamente desde el interior del barril de núcleo exterior que lo rodea.

Tradicionalmente, la delineación de los recursos minerales subterráneos se ha realizado mediante huecos múltiples con perforación patrón desde la superficie. Sin embargo, la perforación con patrón ocupa una gran cantidad de terreno, plantea desafíos de acceso, inmoviliza valiosos equipos de perforación y cuesta una gran cantidad de tiempo y dinero. En vista de estos inconvenientes, se han desarrollado técnicas de perforación direccional para permitir que un solo hueco primario “madre”' o “padre” se extienda desde la superficie para ramificarse bajo tierra en uno o más huecos “hijo” secundarios. Los huecos hijo pueden ramificarse en uno o más huecos terciarios “nietos” que podrían, en principio, ramificarse en futuras generaciones de huecos.

Por lo tanto, la perforación direccional permite que un solo hueco en la superficie se comunique con uno o más huecos subterráneos ramificados. Los huecos ramificados proporcionan intersecciones adicionales con un objetivo subterráneo, con un espacio lateral deseado o una extensión de, digamos, 40 m entre huecos vecinos. En comparación con la perforación con patrón tradicional desde la superficie, la perforación direccional requiere menos terreno y equipo y permite un ahorro considerable tanto en tiempo como en dinero. De hecho, cada hueco secundario generalmente ahorra de cuatro a cinco semanas en la perforación convencional con cable desde la superficie hasta una profundidad comparable.

Para facilitar la referencia, esta especificación se referirá a una generación inmediatamente anterior como un hueco padre y a la generación inmediatamente posterior que se ramificó de ese hueco como un hueco hijo, independientemente de si otra generación precedió o no al hueco padre.

En un enfoque para la exploración de minerales, se puede perforar un hueco padre vertical a través de toda la estratigrafía huésped para establecer el entorno geológico y la estructura local. Al finalizar, el hueco padre se inspecciona desde el fondo hasta la superficie. Esto determina la posición tridimensional y la forma del hueco padre con precisión y, por lo tanto, permite calcular los parámetros para los huecos hijo posteriores que se ramificarán a partir de él.

Cuando el hueco padre ha sido completado y medido y se desea crear un hueco hijo, el primer requisito es definir un “punto de partida” o KOP El KOP está en la profundidad donde se requiere que el hueco hijo se aleje del eje longitudinal del hueco padre. El KOP puede, por ejemplo, estar en una ubicación fuera del fondo a una profundidad de, digamos, 900 m en un hueco padre que tiene, digamos, 1500 m de profundidad. Para este propósito, se coloca una cuña direccional en el hueco padre en el KOP para desviar una sarta de perforación lateralmente, a través de un lado del hueco padre, para iniciar el hueco hijo.

La cuña comprende un cuerpo de cuña alargado, generalmente cilíndrico, que está dimensionado para encajar perfectamente dentro del hueco padre en el KOP El cuerpo de cuña está recortado con poca inclinación con respecto a un eje longitudinal central para definir una superficie de cuña cóncava que se estrecha hacia arriba o una faceta de cuña. Un ejemplo común de una cuña de este tipo se conoce en la industria de la perforación como una cuña de tipo “Hall-Rowe” o “whipstock”.

El uso de una cuña direccional es bien conocido en la técnica. Tradicionalmente, una cuña se conecta a un cabezal de fresado mediante una disposición de pasador de seguridad; ejemplos de tales se describen en los documentos US 3908759; US 5647436; US 20060037759; WO 02/02903; CN 105649564; CN 205477483 y CN 205477484.

Otros ejemplos de la técnica anterior de cuñas para perforación direccional son los siguientes: WO 2017099780; CA 2475602; US 2445100; US 3029874; CN 202348244; CN 202544778; US 4182423; CN 203547610; CN 2753868; CN 2763455; EP 664372; US 1608711; CN 205876188; US 9951573; GB 2304760; GB 727897; CN 202348191; US 2003/010533; US 20130168151; DE 3832715; US 6003621; US 6360821; US 6092601; CN 202348191; US 20070240876; CN 204139966; US 20160326818; US 20070221380; US 9617791; US 6076606; US 20020170713; US 8245774; US 5871046; US 7124827; US 20030196819; RU 2650163; SU 878894; SU 857416; US 20030213599; US 6910538; US 6427777; WO 2011/150465; US 6899173; US 5785133 y CN 204960847.

Convencionalmente, colocar una cuña en un hueco padre es un proceso largo y complejo que requiere múltiples “viajes” de una sarta de barras de perforación. En cada viaje, se ensambla una sarta de varillas mientras se baja al KOP y luego se desarma mientras se eleva desde el KOP Por ejemplo, la colocación de una cuña convencional implica instalar dos tapones secuencialmente en el hueco para soportar una cuña instalada posteriormente. Cada tapón, seguido de la cuña, debe instalarse a su vez transportándose al KOP mediante una sarta de varillas.

El primer tapón es un tapón de metal expansible mecánicamente, por ejemplo, como se vende bajo la marca comercial “Van Ruth”. Tal tapón puede introducirse en el hueco hasta el KOP unido a la parte inferior de una sarta de varillas o puede ser impulsado por la presión del agua a lo largo de una sarta de varillas hasta el KOP, donde el tapón emerge de la sarta de varillas y se expande para acoplarse con la pared circundante del hueco. En cualquier caso, la sarta de varillas debe armarse para colocar el tapón en el KOP y luego debe desarmarse.

El segundo tapón es un tapón cilíndrico de madera. Este tapón se introduce en el hueco adjunto a la parte inferior de una sarta de varillas, para descansar sobre el primer tapón instalado previamente. El segundo tapón es un ajuste deslizante cerrado dentro del hueco y generalmente es de madera blanda para absorber la humedad y expandirse in situ, por lo tanto, para acoplarse con la pared circundante del hueco. Nuevamente, la sarta de varillas debe ensamblarse para colocar el segundo tapón encima del primer tapón y luego debe desarmarse.

El segundo tapón generalmente se deja en su lugar al menos durante la noche para que se expanda y se asiente por completo. Luego, la cuña se ensambla y se introduce en el hueco adjunto a la parte inferior de otra sarta de varillas. Cuando está en el hueco, la cuña se baja justo por encima del tapón de madera y se orienta girando la sarta de varillas para que mire la faceta de la cuña hacia el azimut deseado. El azimut puede determinarse en relación con el norte magnético en huecos sustancialmente verticales, o en relación con la gravedad en huecos inclinados.

Una vez que la faceta de la cuña se ha orientado a un azimut deseado, la cuña se coloca de manera segura en su lugar al acoplarse con el tapón de madera. Convencionalmente, esto implica el uso del equipo de perforación para empujar hacia abajo la sarta de varillas, que incrusta un borde afilado en la parte inferior de la cuña con el tapón de madera. La cuña también se puede cementar en el hueco padre.

La cuña ahora está lista para desviar una sarta de perforación para iniciar un hueco hijo. El hueco hijo irradiará hacia abajo y hacia afuera desde el hueco padre en aproximadamente el azimut deseado determinado por la orientación de la faceta de la cuña. Por supuesto, iniciar el hueco hijo implica otro viaje más para desmontar la sarta de varillas y volver a montar la sarta de perforación.

Una vez que se ha colocado la cuña, se puede usar extracción de muestras con cable convencional para perforar unos metros más allá de la cuña para establecer el hueco hijo. En este punto, se elimina la influencia magnética de la cuña y, por lo tanto, el equipo de perforación con motor direccional puede orientarse correctamente en el hueco hijo. La perforación con motor garantiza que el hueco hijo recientemente establecido tenga el buzamiento y el azimut requeridos antes de que se reanude la perforación con cable convencional.

Por lo tanto, cuando el nuevo hueco hijo se ha iniciado mediante la perforación con cable más allá de la cuña, la sarta de perforación se extrae del hueco. El equipo de perforación con motor direccional luego se ensambla y se ejecuta en el hueco hijo conectado a la parte inferior de una sarta de varillas. Después de cada pocos metros de perforación con motor, se toma otra medida de orientación y, si es necesario, se corrige la orientación de la herramienta. Cuando el hueco hijo está en la trayectoria correcta con el buzamiento y el azimut requeridos, la fase de perforación con motor se completa y la sarta de varillas y el equipo de perforación con motor se recuperan en la superficie.

Luego, el equipo de escariado se puede bajar sobre una sarta de varillas para escariar el hueco donde está más curvado cerca del KOP, lo que suaviza y agranda ligeramente el hueco para ayudar a las varillas de una sarta de perforación con cable a seguir la curva. Al finalizar el escariado, la sarta de varillas y el equipo de escariado se recuperan en la superficie y se reanuda la perforación con cable, escariando el hueco hijo hasta el objetivo subterráneo. Se pueden realizar estudios adicionales periódicamente para verificar la trayectoria del hueco durante esta fase final de perforación con cable para garantizar que se alcance el objetivo y que no se requiera una perforación direccional correctiva.

Al completar el hueco hijo, se ejecuta un levantamiento de múltiples disparos desde abajo hacia arriba de la cuña para dar una posición precisa y facilitar los cálculos para cualquier hueco hijo o nieto posterior.

Cada viaje que involucre el montaje seguido del desmontaje de una sarta de varillas o sarta de perforación puede ocupar un turno de trabajo completo, ocupando dos o más operadores que trabajan en el equipo en la superficie. Será evidente que la duración y, por lo tanto, el coste relacionado de estos viajes repetitivos es un inconveniente significativo.

Los viajes múltiples también aumentan el riesgo de que algo salga mal al bajar o subir una sarta de varillas o una sarta de perforación, tal como que la pared del hueco se derrumbe hacia adentro o que se acumulen escombros sobre los tapones. Incluso es posible que las barras de perforación se caigan fuera o dentro del hueco, lo que podría lesionar a los operadores e interrumpir gravemente las operaciones de perforación.

Otro problema de la colocación de la cuña convencional es que el acoplamiento entre el tapón de madera y el borde de la hoja en la parte inferior de la cuña puede no ser fiable, en particular si los desechos que surgen de múltiples viajes se acumulan encima del tapón. Esto podría permitir que la faceta de la cuña se aleje del azimut deseado.

El uso de bloqueo tanto hidráulico como mecánico es bien conocido en la técnica. Ejemplos de mecanismos de bloqueo hidráulico se describen en: US 9347268; US 7789134; RU 2472913; RU 2473768; RU 2469172; CA 2446947; US 5163522; US 8919431; US 7448446 y DE 4395361. Los ejemplos de mecanismos de bloqueo mecánico se describen en GB 2309721; US 5829531; AU 66732786 y US 10006264. Los documentos US 2006/0207771 y US 7963341 describen anclas capaces de ser activadas mecánica o hidráulicamente.

Tradicionalmente, un diseño de “nariz de toro” facilita la circulación de fluido al mecanismo de anclaje a través de un canal estrecho dentro del cabezal de corte. Ejemplos de tales se describen en: ZA 199008719; ^r U 107820U1; US 2013/0319653 y ZA 198900656.

El uso de un pivote para facilitar aún más la alineación del mecanismo de cuña también se describe en la técnica. Ejemplos de mecanismos de pivote se describen en: US 4303299; US 4285399; US 2002/144815; US 2506799; WO 95/07404; US 6167961; US 6035939; US 1570518 y GB 2315506. Los ejemplos de zapatas de alineación en la técnica anterior incluyen: WO 99/49178; US 2013299160 y US 2007/0175629.

Además, el uso de sensores para determinar la orientación de una cuña también se describe en la técnica anterior. Ejemplos de tales son: WO 2014078028; WO 85/01983 y US 5488989. De manera similar, el uso de puntos de referencia es un método conocido para determinar la orientación de una cuña. Ejemplos de tales son WO 2016/024867 y US 6427777. Las herramientas topográficas que utilizan el norte magnético como referencia también se describen en US 5467819 y WO 95/23274.

En un esfuerzo por reducir el número de viajes necesarios para establecer una cuña, Groupe Fordia Inc. ha desarrollado lo que llama una cuña de “un viaje”. Como su nombre lo indica, la cuña se puede colocar con un solo viaje de regreso de una sarta de varillas. Sin embargo, “un viaje” es un nombre inapropiado porque la sarta de varillas debe retirarse y reemplazarse por una sarta de perforación, por lo que se requiere al menos un viaje más antes de que pueda comenzar a perforar más allá de la cuña para iniciar un hueco hijo. Otros ejemplos de cuñas de un viaje incluyen: WO 1995/023273; US 2015/122495 y GB 22480679.

La cuña de un viaje de Fordia emplea un dispositivo de bloqueo de dos etapas debajo de un cuerpo de cuña. La primera etapa bloquea el cuerpo de la cuña a la profundidad deseada en el hueco padre. La segunda etapa bloquea la faceta de la cuña del cuerpo de la cuña en la dirección o el azimut requerido para el hueco hijo.

La cuña se cuelga en el hueco padre de una sarta de varillas a través de un martillo de cuña. Una vez en la profundidad deseada, la sarta de varillas se gira repetidamente para girar el martillo de cuña y la cuña dentro del hueco. Este giro con respecto a la pared circundante del hueco hace que un mecanismo de rosca del dispositivo de bloqueo separe los brazos de anclaje, que se abren contra la pared del hueco para efectuar el bloqueo de primera etapa. La rotación adicional de la sarta de varillas corta un pasador de cobre blando entre el cuerpo de la cuña y el dispositivo de bloqueo, lo que libera el cuerpo de la cuña para que gire en relación con el dispositivo de bloqueo ahora estacionario. Esto permite orientar la faceta de la cuña girando más la sarta de varillas.

Cuando la faceta de la cuña se ha orientado correctamente, la sarta de varillas se empuja hacia abajo para forzar la unión de las partes del dispositivo de bloqueo que se acoplan axialmente, lo que bloquea la faceta de la cuña en la orientación requerida. Al continuar empujando hacia abajo, la sarta de varillas corta los remaches de cobre blando que fijan el cuerpo de la cuña al martillo de la cuña. Esto libera el martillo de la cuña para que se levante de nuevo a la superficie en el extremo inferior de la sarta de varillas.

Si bien su funcionamiento es simple en teoría, la cuña de un viaje de Fordia puede no ser confiable en la práctica. Múltiples partes cooperantes expuestas tienen que funcionar correctamente incluso en condiciones difíciles de fondo de hueco. Además, el sistema confía considerablemente en los operadores en la superficie para realizar cada una de las dos etapas de bloqueo completa y correctamente. Sin embargo, no hay retroalimentación adecuada a los operadores para verificar el progreso y la finalización exitosa de cada etapa.

También existe el riesgo de un funcionamiento prematuro o incompleto del dispositivo de bloqueo en el que se basa la cuña de un viaje de Fordia. Por ejemplo, el dispositivo de bloqueo aparentemente podría fijarse adecuadamente contra el movimiento de rotación dentro del hueco padre pero, en realidad, podría fijarse de manera inadecuada contra el movimiento longitudinal a lo largo del hueco. Si es así, la cuña podría deslizarse por el hueco hasta un nivel por debajo del KOP deseado.

Otro problema, que es común a todas las cuñas conocidas anteriormente, es el riesgo de que el borde superior delgado de la faceta de la cuña sobresalga de la pared del hueco padre. Potencialmente, esto podría bloquear la trayectoria del equipo de perforación con cable, el equipo de perforación con motor y el equipo de escariado necesarios para establecer y avanzar el hueco hijo después de que la cuña se haya colocado en el hueco padre.

EL documento US 5826651 divulga operaciones de pozo que requieren un número reducido de viajes de herramientas en un pozo para crear una cavidad o ventana recortada en un tubular, tal como una tubería de revestimiento en el pozo y para continuar en una formación adyacente a un hueco padre que forma un pozo lateral en comunicación con el pozo principal. Preferiblemente se requiere un viaje.

Resumen de la invención

En este contexto, la presente invención proporciona un método de perforación direccional. El método comprende hacer avanzar una cuña desde un equipo de perforación hasta un punto de partida en un hueco padre mientras se sostiene la cuña distalmente con respecto a una sarta de perforación tubular. La cuña está sostenida a través de un enlace sustancialmente rígido que se extiende a lo largo de un eje longitudinal central a través de un cabezal de corte anular para conectar la cuña a la sarta de perforación.

Convenientemente, la cuña se puede orientar a un azimut deseado girando la sarta de perforación alrededor del eje longitudinal central para aplicar un par de torsión a la cuña a través del enlace. Luego, la cuña se bloquea en el punto de partida en el hueco padre en el azimut deseado y la conexión hecha por el enlace entre la sarta de perforación y la cuña bloqueada se rompe, por ejemplo, tirando de la sarta de perforación proximalmente. La sarta de perforación puede entonces avanzar, sin retirar la sarta de perforación, para perforar un hueco hijo que se ramifica desde el hueco padre en el azimut determinado por la cuña. La sarta de perforación que avanza puede escariar la unión entre el hueco padre y el hueco hijo.

En consecuencia, el concepto inventivo abarca un sistema de perforación direccional, comprendiendo el sistema: una sarta de perforación tubular que tiene una cabezal de corte anular en un extremo distal; una cuña dispuesta distalmente con respecto al cabezal de corte, comprendiendo la cuña un mecanismo de bloqueo distal para bloquear la cuña en un hueco, unido a un cuerpo de cuña proximal que define una faceta de cuña inclinada; y un enlace sustancialmente rígido que conecta la cuña a la sarta de perforación, extendiéndose el enlace a lo largo de un eje longitudinal central a través del cabezal de corte.

Preferiblemente, la cuña se sostiene a través de un mecanismo de caída dentro de la sarta de perforación. Por lo tanto, el enlace puede conectar la cuña de forma rígida a la sarta de perforación a través del mecanismo de caída. En ese caso, el mecanismo de caída se puede recuperar en el equipo de perforación después de romper la conexión, por ejemplo, utilizando un sistema de elevación con cable avanzado dentro de la sarta de perforación. El mecanismo de caída puede entonces ser reemplazado con un tubo de núcleo interior que se hace avanzar dentro de la sarta de perforación antes de que la sarta de perforación avance para perforar el hueco hijo.

El concepto inventivo también abarca las partes principales del sistema individualmente y en combinación, por ejemplo, una cuña para iniciar un hueco hijo durante la perforación direccional. La cuña comprende: un mecanismo de bloqueo distal para bloquear la cuña en un hueco padre; un cuerpo de cuña proximal que define una faceta de cuña inclinada; y una porción de enlace sustancialmente rígida que se comunica con el mecanismo de bloqueo y que se extiende proximalmente desde la faceta de la cuña a lo largo de un eje longitudinal central.

En consecuencia, el concepto inventivo abarca un mecanismo de caída para soportar una cuña para uso en perforación direccional. El mecanismo de caída comprende: un mecanismo de sujeción para enganchar el mecanismo de caída dentro de un barril de núcleo exterior de una sarta de perforación; una porción de enlace sustancialmente rígida que se extiende distalmente a lo largo de un eje longitudinal central en un extremo distal del mecanismo de caída; y un sistema de recuperación con cable en un extremo proximal del mecanismo de caída. El mecanismo de sujeción, el enlace y el sistema de recuperación por cable están bloqueados juntos contra el movimiento angular relativo alrededor del eje longitudinal central.

Al menos parte del enlace puede retirarse a través del cabezal de corte después de romper la conexión. Por ejemplo, el enlace se puede fracturar para romper la conexión dejando una porción distal del enlace incrustada en la cuña. Se observará que en el estado de la técnica de “nariz de toro”, no es posible tirar de parte del enlace hacia atrás a través del cabezal de corte aunque haya un canal estrecho para el paso del agua. En su lugar, el cabezal de corte de nariz de toro suele fresar la parte restante del enlace que sobresale de la faceta de la cuña.

La energía de bloqueo, tal como la sobrepresión del fluido, se aplica preferiblemente a un mecanismo de bloqueo de la cuña a través del enlace, convenientemente desviando el fluido de perforación a través del enlace para bloquear la cuña. Por ejemplo, el enlace puede estar en comunicación fluida con una válvula de descarga que tiene un elemento de válvula móvil para desviar el fluido de perforación a lo largo del enlace. Preferiblemente, el elemento de válvula se puede mover para desviar el fluido de perforación a lo largo del enlace en respuesta a que el fluido de perforación exceda una presión umbral.

Se puede aplicar una fuerza de alineación a la cuña, preferiblemente mientras se bloquea la cuña, para pivotar la cuña alrededor de un eje de pivote transversal al eje longitudinal central. Esto puede forzar un borde proximal de la cuña contra una pared circundante del hueco padre. Para lograr esto, la cuña puede comprender zapatas de anclaje y una zapata de alineación dispuesta proximalmente con respecto a las zapatas de anclaje en el mismo lado de la cuña que la faceta de la cuña.

Por lo tanto, la cuña de la invención también puede expresarse como una cuña para iniciar un hueco hijo durante la perforación direccional, comprendiendo la cuña: un mecanismo de bloqueo distal para bloquear la cuña en un hueco padre; y un cuerpo de cuña proximal que tiene una cara de cuña inclinada en un lado de la cuña; en el que el mecanismo de bloqueo tiene zapatas de bloqueo móviles hacia fuera que comprenden zapatas de anclaje y una zapata de alineación, estando dispuesta la zapata de alineación próxima a las zapatas de anclaje y pudiendo moverse hacia fuera al mismo lado de la cuña que la faceta de la cuña.

Un método correspondiente para colocar una cuña para la perforación direccional comprende: hacer avanzar una cuña desde un equipo de perforación hasta un punto inicial en un hueco; bloquear la cuña en el punto de inicio; y antes de perforar más allá de la cuña, aplicar fuerza de alineación a la cuña para pivotar la cuña alrededor de un eje de pivote transversal a un eje longitudinal central del hueco.

Elegantemente, un sistema de recuperación con cable en un extremo proximal del mecanismo de caída, tal como un pestillo cuádruple de tipo Christensen, puede adaptarse para servir también como un receptor de orientación. Esa adaptación puede comprender una formación de chaveta de estrechamiento proximal del sistema de recuperación con cable. En ese caso, se puede adaptar una herramienta topográfica para acoplarse con el sistema de recuperación por cable en una orientación determinada por la formación de la chaveta.

El mecanismo de bloqueo puede comprender: un cilindro hidráulico en comunicación fluida con el enlace; y una varilla que se extiende distalmente desde un pistón en el cilindro hasta las zapatas de bloqueo de la cuña. La barra está preferiblemente restringida para un movimiento distal unidireccional dentro de la cuña, por ejemplo extendiéndose a través de un sistema de trinquete. Ventajosamente, un retén resiste el movimiento de las zapatas de bloqueo hasta que se ha excedido un umbral de presión de fluido.

El concepto inventivo también se extiende a un método para determinar el azimut de una cuña para uso en perforación direccional, comprendiendo el método: hacer avanzar la cuña a lo largo de un hueco hasta un punto inicial en el que el hueco está inclinado con respecto a la vertical; con referencia a la gravedad, determinar un lado alto o bajo del hueco en el punto de inicio; buscar el azimut y la inclinación del hueco medidos previamente en el punto de inicio; y determinar el azimut de la cuña con referencia al azimut y la inclinación del hueco medidos previamente, usando el lado alto o bajo del hueco como referencia, por ejemplo, usando datos de referencia de cuadrícula.

En resumen, por lo tanto, una cuña sostenida distalmente por delante de una sarta de perforación tubular avanza a lo largo de un hueco padre en preparación para la perforación direccional. La cuña está conectada a la sarta de perforación por un enlace rígido que se extiende a lo largo de un eje longitudinal central a través de un cabezal de corte anular. La cuña se puede conectar a la sarta de perforación a través de un mecanismo de martillo interno que se puede acoplar mediante un sistema de elevación con cable.

Después de bloquear la cuña en un punto de partida en el hueco en un azimut deseado, se rompe la conexión del enlace. El mecanismo de martillo se puede recuperar y reemplazar por un tubo de núcleo interior, sin mover la sarta de perforación. Luego, la sarta de perforación avanza para perforar un hueco hijo que se ramifica desde el hueco padre en el azimut determinado por la cuña. Ventajosamente, no hay necesidad de retirar la sarta de perforación antes de que pueda comenzar la perforación del hueco secundario.

En general, la técnica anterior, tal como el cabezal de corte de “nariz de toro” antes mencionado, no permite que tenga lugar la extracción de núcleos sin reemplazar el cabezal de corte con una broca de extracción de núcleos. Esto, de manera desventajosa, requiere al menos un viaje adicional.

Breve descripción de los dibujos

Para facilitar la comprensión de la invención, se hará ahora referencia, a modo de ejemplo, a los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista lateral esquemática de un equipo de perforación que baja un sistema de cuñas de la invención en un hueco padre;

La figura 2 es una vista lateral esquemática de un barril de núcleo exterior de una sarta de perforación, que contiene un mecanismo de caída del sistema de cuña;

La figura 3 es una vista lateral esquemática que muestra el barril de núcleo exterior seccionado para revelar el mecanismo de caída y también muestra una cuña del sistema de cuñas;

Las figuras 4 a 12 son una secuencia de vistas laterales esquemáticas que muestran el sistema de cuñas en funcionamiento en el fondo del hueco;

Las figuras 13 a 15 son una selección de vistas en perspectiva de la cuña;

Las figuras 16 a 18 son una secuencia de vistas en perspectiva que muestran el funcionamiento de un mecanismo de bloqueo de la cuña;

La figura 19 es una vista lateral en sección longitudinal de una unidad de trinquete del mecanismo de bloqueo; La figura 20 es una vista en perspectiva ampliada en sección longitudinal que muestra el funcionamiento de una zapata de alineación del mecanismo de bloqueo;

La figura 21 es una vista en perspectiva ampliada en sección longitudinal que muestra el funcionamiento de las zapatas de anclaje del mecanismo de bloqueo;

La figura 22 es una vista en perspectiva en despiece de partes del mecanismo de caída distintas del tubo de conexión; La figura 23 es una vista en perspectiva ampliada de un tubo lanzador en un extremo proximal de la cuña;

La figura 24 es una vista lateral esquemática ampliada en sección longitudinal, que muestra el tubo lanzador dentro de un tubo de conexión en un extremo distal del mecanismo de caída;

La figura 25 es una vista lateral esquemática que muestra el tubo de conexión que sobresale de un extremo distal del barril de núcleo exterior;

La figura 26 es una vista lateral esquemática que muestra el tubo de conexión acoplado con un tubo de cuña en el extremo proximal de la cuña;

La figura 27 es una vista ampliada en perspectiva despiezada de una válvula de descarga del mecanismo de caída; La figura 28 es una vista en perspectiva ampliada de la interfaz entre el barril exterior del núcleo y un mecanismo de pestillo del mecanismo de caída;

La figura 29 es una vista en perspectiva de un sistema de guía de cuatro pestillos de recuperación del mecanismo de caída; y

La figura 30 es una vista en perspectiva de una herramienta topográfica que comprende una zapata de mula que se acopla con el sistema de guía del recuperador de cuatro pestillos de la figura 29.

Descripción de realizaciones ejemplares

En la descripción que sigue, el extremo o dirección inferior, más bajo o hacia abajo se denominará “distal” o “distalmente”. Por el contrario, el extremo o dirección superior, más arriba o hacia arriba se denominará “proximal” o “proximalmente”. Esto refleja que la invención puede usarse en huecos que, en algunas circunstancias, podrían extenderse horizontalmente o hacia arriba y no solo hacia abajo.

Descripción general del sistema de cuña

Haciendo referencia en primer lugar a la figura 1 de los dibujos, aquí se muestra un sistema 10 de cuña de acuerdo con la invención suspendido de una sarta 12 de perforación en un hueco 14 padre. La sarta 12 de perforación se extiende distalmente en el hueco 14 desde un equipo de perforación convencional 16 en la superficie.

El sistema 10 de cuña comprende una cuña 18 que está suspendida de un mecanismo 20 de caída a la profundidad del KOP deseado. El mecanismo 20 de caída está suspendido, a su vez, de la sarta 12 de perforación.

Con referencia ahora también a las figuras 2 y 3, el mecanismo 20 de caída se recibe telescópicamente dentro de un barril 22 de núcleo exterior en el extremo distal de la sarta 12 de perforación. El barril 22 de núcleo exterior tendrá típicamente cuatro metros de largo.

El mecanismo 20 de caída está acoplado de forma extraíble dentro del barril 22 de núcleo exterior. Cuando está así acoplado, el mecanismo 20 de caída se puede levantar proximalmente pero no se puede mover distalmente en relación con el barril 22 de núcleo exterior. En consecuencia, el barril 22 de núcleo exterior y el resto de la sarta 12 de perforación soportan el peso del mecanismo 20 de caída y la cuña 18.

La cuña 18 que se muestra en la figura 3 comprende un mecanismo 24 de bloqueo que está fijado a un extremo distal de un cuerpo 26 de cuña que se estrecha proximalmente. Aunque está fijado al cuerpo 26 de cuña durante el uso, el mecanismo 24 de bloqueo podría separarse del cuerpo 26 de cuña antes de su uso para facilitar el manejo y el transporte. El cuerpo 26 de cuña tiene una faceta 28 de cuña inclinada que, en uso, desviará la sarta 12 de perforación hacia un hueco hijo para ramificarse desde el hueco 14 padre. Por lo tanto, cuando se activa, el mecanismo 24 de bloqueo se acopla a la pared circundante del hueco 14 para bloquear la cuña 18 de forma inamovible en el hueco 14.

Elegantemente, en la realización preferida que se describirá, el mecanismo 24 de bloqueo se activa usando el fluido de perforación, preferiblemente agua, que se bombea hacia abajo de la sarta 12 de perforación. No hay necesidad de un sistema de accionamiento hidráulico separado.

En principio, podrían utilizarse otros sistemas de accionamiento, tales como sistemas eléctricos o neumáticos, para activar el mecanismo 24 de bloqueo. Sin embargo, el uso de un fluido de perforación tal como agua es mucho más preferido por su simplicidad y eficacia. Por ejemplo, a pesar de la gran presión hidrostática en el hueco 14 en profundidad, un aumento relativamente pequeño en la presión del agua aplicada en la superficie es suficiente para activar el mecanismo 24 de bloqueo y fijar la cuña 18.

Para aplicar la sobrepresión hidráulica necesaria, un tubo 30 de cuña rígido en el eje 32 longitudinal central penetra la faceta 28 de cuña para efectuar una comunicación fluida con el mecanismo 24 de bloqueo. El tubo 30 de cuña permite que el agua fluya a lo largo de la sarta 12 de perforación para aplicar presión de activación distalmente al mecanismo 24 de bloqueo a través de la faceta 28 de cuña.

El tubo 30 de cuña tiene una rosca macho en su extremo proximal, con la que se acopla una tuerca 34 de seguridad. La contratuerca 34 permite que el tubo 30 de cuña se acople de forma fluida y mecánica con el mecanismo 20 de caída en el extremo proximal de la cuña 18, como se explicará más adelante.

Las Figuras 4 a 6 muestran el sistema 10 de cuña suspendido del barril 22 de núcleo exterior de una sarta 12 de perforación en el KOP en el hueco 14 padre. Específicamente, la figura 4 muestra el sistema 10 de cuña recién bajado al KOP. La figura 5 muestra una herramienta 36 topográfica que se baja para acoplarse con el mecanismo 20 de caída. La figura 6 muestra la herramienta 36 topográfica ahora acoplada con el mecanismo 20 de caída para determinar su azimut y, por lo tanto, el azimut de la faceta 28 de cuña.

Típicamente, la herramienta 36 topográfica se elevará a la superficie después de su acoplamiento con el mecanismo 20 de caída para que se pueda leer el azimut detectado. Si el azimut detectado se aparta del azimut deseado, el mecanismo 20 de caída y la cuña 18 se pueden girar girando la sarta 12 de perforación según corresponda para lograr el azimut deseado. Sin embargo, es una buena práctica bajar la herramienta 36 topográfica de nuevo para acoplarla con el mecanismo 20 de caída y luego levantar la herramienta 36 topográfica a la superficie nuevamente para verificar que se haya logrado el azimut deseado.

Cuando la sarta 12 de perforación, que incluye el barril 22 de núcleo exterior, gira alrededor de su eje 32 longitudinal, como se muestra en la figura 6, el barril 22 de núcleo exterior también puede aplicar un par de torsión para girar el mecanismo 20 de caída y, por lo tanto, girar la cuña 18 dentro del hueco 14. Esto orienta la faceta 28 de la cuña del cuerpo 26 de la cuña para que coincida con el azimut requerido para el hueco hijo.

La figura 7 muestra el mecanismo 24 de bloqueo ahora activado para colocar la cuña 18 en la profundidad y orientación azimutal deseadas. Al activarse, las zapatas 38 de anclaje y una zapata 40 de alineación se proyectan lateralmente desde el mecanismo 24 de bloqueo para acoplarse con la pared circundante del hueco 14. El funcionamiento del mecanismo 24 de bloqueo se explicará en detalle más adelante con referencia a las figuras 16 a 21.

A continuación, como se muestra en la figura 8, la sarta 12 de perforación, que incluye el barril 22 de núcleo exterior, tira del mecanismo 20 de caída proximalmente para romper la conexión entre el mecanismo 20 de caída y la cuña 18 fijada, que permanece fija en el hueco 14. Esto se consigue rompiendo el tubo 30 de cuña en un punto débil predeterminado, como se describirá más adelante.

Luego, el mecanismo 20 de caída se puede desacoplar del barril 22 de núcleo exterior para ser tirado proximalmente por un sistema 42 de elevación con cable en relación con el barril 22 de núcleo exterior, como se muestra en la figura 9. Esto permite que el mecanismo 20 de caída se recupere a la superficie con un cable después de que se haya colocado la cuña 18 y el mecanismo 20 de caída se haya separado de la cuña 18. El barril 22 de núcleo exterior permanece en el hueco 14 en el extremo distal de la sarta 12 de perforación como se muestra en la figura 10.

A continuación, se puede bajar un tubo 44 de núcleo interior e insertarlo telescópicamente en el barril 22 de núcleo exterior para reemplazar el mecanismo 20 de caída como se muestra en la figura 11, utilizando técnicas convencionales de perforación con cable. La sarta 12 de perforación está entonces lista para comenzar a perforar más allá de la cuña 18 para iniciar el hueco 46 hijo como se muestra en la figura 12.

Será evidente que el barril 22 de núcleo exterior, incluido su cabezal 48 de corte distal, se baja junto con la cuña 18 y el mecanismo 20 de caída al hueco 14 y luego permanece en posición proximal justo encima de la cuña 18. Esto coloca la sarta 12 de perforación lista para comenzar a perforar más allá de la cuña 18 una vez que la cuña 18 se haya colocado en el hueco 14. Es importante, por lo tanto, que no haya necesidad de perder tiempo en un nuevo viaje a la superficie y de vuelta antes de que pueda comenzar la perforación del hueco 46 hijo.

Ventajosamente, el barril 22 de núcleo exterior puede ser un cilindro de núcleo escariador. Un cuerpo cilíndrico de escariado está rodeado por insertos 50 de escariado circunferenciales que están separados longitudinalmente del cabezal 48 de corte cerca del extremo distal. Los insertos 50 de escariado escarian la intersección entre el hueco 14 padre y el hueco 46 hijo. Esto elimina la necesidad de bajar el equipo de escariado adicional y, por lo tanto, evita otro viaje de una sarta de varillas.

La cuña

Ahora se hace referencia adicionalmente a las figuras 13 a 15, que muestran la cuña 18 aisladamente. Las figuras 14 y 15 muestran la cuña 18 seccionada longitudinalmente en planos mutuamente ortogonales.

El mecanismo 24 de bloqueo de la cuña 18 está fijado y dispuesto distalmente con respecto al cuerpo 26 de cuña que se estrecha proximalmente.

La faceta 28 de la cuña parcialmente cilíndrica y curvada convexa está definida por la conicidad del cuerpo 26 de la cuña. La faceta 28 de cuña está inclinada superficialmente con respecto a un eje 32 longitudinal central y termina en un borde proximal delgado convexo-curvado 52. El radio de curvatura de la faceta 28 de la cuña y su borde 52 proximal se aproxima al de un hueco 14 padre en el que se va a colocar la cuña 18.

Será evidente que cuando la cuña 18 se ha colocado en el hueco 14 padre, el eje 32 longitudinal central se corresponde sustancialmente con el eje 32 longitudinal central del hueco 14.

Una porción 54 distal del tubo 30 de cuña que se extiende hasta el mecanismo 24 de bloqueo está incrustada en el cuerpo 26 de cuña en un lado distal de la faceta 28 de cuña. A la inversa, una porción 56 proximal del tubo 30 en cuña está expuesta en un lado proximal de la faceta 28 de cuña.

El tubo 30 de cuña tiene una línea de debilidad 58 en el lado distal de la faceta 28 de cuña, en la porción 54 distal incrustada en el cuerpo 26 de cuña. Por ejemplo, el tubo 30 de cuña puede tener una sección de pared adelgazada localmente en virtud de una ranura circunferencial. Esta línea de debilidad 58 hace que el tubo 30 en cuña se rompa bajo una tensión que exceda un valor umbral. La tensión necesaria se aplica al tubo 30 de cuña mediante el retroceso hidráulico del equipo 16 de perforación para tirar hacia arriba de la sarta 12 de perforación. El tubo 30 de cuña luego se divide en dos porciones separadas como se muestra en la figura 8.

Cuando el tubo 30 de cuña se ha fracturado y dividido de esta manera, el mecanismo 20 de caída se puede retirar del hueco 14 como se muestra en la figura 9. Esto incluye la porción del tubo 30 de cuña en el lado proximal de la fractura que permanece unida al mecanismo 20 de caída.

El lado 60 reverso del cuerpo 26 de cuña opuesto a la faceta 28 de cuña es parcialmente cilindrico. Por lo tanto, el cuerpo 26 de cuña puede considerarse como un cilindro del que se ha recortado una porción cilíndrica parcial inclinada, definiendo la curvatura cóncava de esa porción recortada la faceta 28 de cuña.

El mecanismo 24 de bloqueo tiene una carcasa 62 cilíndrica cuyo radio de curvatura coincide con el del lado 60 reverso parcialmente cilíndrico del cuerpo 26 de cuña. Ese radio se selecciona para que tenga un ajuste deslizante estrecho dentro del hueco 14. La carcasa 62 tiene un extremo 64 distal cónico, redondeado o de nariz de toro para facilitar el movimiento distal de la cuña 18 a lo largo del hueco 14 hasta la profundidad del KOP

El funcionamiento del mecanismo 24 de bloqueo se explicará ahora con referencia a las figuras 16 a 21.

La carcasa 62 tiene cuatro aberturas espaciadas equiangularmente cerca de su extremo distal que acomodan las respectivas zapatas 38 de anclaje en una disposición cruciforme. Las zapatas 38 de anclaje son móviles radialmente hacia fuera con respecto al eje 32 longitudinal central en planos radiales mutuamente ortogonales.

Cuando se mueven en direcciones radiales hacia afuera dentro del hueco 14 padre, las zapatas 38 de anclaje se apoyan contra la pared circundante del hueco 14 para bloquear la cuña 18 en el KOP deseado, como también se muestra en las figuras 7 a 12. Para ello, las zapatas 38 de anclaje están dentadas para agarrarse a la pared del hueco 14. Convenientemente, la operación de bloqueo único también establece la faceta 28 de la cuña en el azimut deseado, es decir, el ángulo de orientación deseado con respecto al eje 32 longitudinal central para coincidir con la dirección azimutal prevista de un hueco 46 hijo que se iniciará en el KOP

La carcasa 62 tiene otra abertura orientada lateralmente que está separada proximalmente de las zapatas 38 de anclaje, más cerca del cuerpo 26 de cuña. Esta abertura adicional acomoda una única zapata 40 de alineación móvil radialmente que se mueve en una dirección radial hacia afuera dentro del hueco 14 al mismo tiempo que las zapatas 38 de anclaje.

El propósito de la zapata 40 de alineación es apoyarse contra la pared circundante del hueco 14 para pivotar la cuña 18 ligeramente sobre un punto de apoyo horizontal definido por las zapatas 38 de anclaje. La dirección de giro es tal que fuerza el borde 52 proximal de la faceta 28 de la cuña firmemente contra la pared adyacente del hueco 14, como se muestra en las figuras 7 a 12. Esto ayuda a incrustar el borde 52 proximal en la pared del hueco 14, lo que evita que el borde 52 proximal bloquee el movimiento distal del barril 22 de núcleo exterior en operaciones de perforación posteriores para iniciar un hueco 46 hijo.

Por lo tanto, la zapata 40 de alineación se mueve en una dirección que mira de la misma manera que la faceta 28 de cuña con respecto al eje 32 longitudinal central. En otras palabras, la zapata 40 de alineación se mueve en una dirección opuesta al lado parcialmente cilíndrico del cuerpo de la cuña 26 que está en el reverso de la faceta 28 de la cuña.

En este ejemplo, la zapata 40 de alineación se mueve en el mismo plano radial que un par opuesto de zapatas 38 de anclaje cerca del extremo distal de la carcasa 62. Sin embargo, sería posible que la zapata 40 de alineación se moviera en un plano radial diferente, siempre que su acción empuje el borde 52 proximal de la faceta 28 de cuña en la dirección requerida.

El mecanismo 24 de bloqueo de la cuña 18 comprende un cilindro 66 hidráulico en el extremo proximal en comunicación fluida con el extremo distal del tubo 30 de cuña. Un pistón 68 puede moverse distalmente dentro del cilindro 66 en respuesta a la presión del fluido aplicada al cilindro 66 a través del tubo 30 de cuña. El movimiento distal del pistón 68 impulsa el movimiento distal de una varilla 70 que se extiende longitudinalmente unida al pistón 68. La varilla 70 está soportada por cojinetes 72 dentro de la carcasa 62 para un movimiento de deslizamiento distal a lo largo de la carcasa 62.

La figura 19 muestra que una porción proximal de la varilla 70 se extiende a través de una unidad 74 de trinquete sin retorno que permite solo el movimiento distal unidireccional de la varilla 70. Para este propósito, la unidad 74 de trinquete comprende una sucesión longitudinal de dientes 76 que miran hacia adentro y sesgados hacia adentro que pueden engranar con una sucesión longitudinal de dientes 78 que miran hacia afuera en la sección proximal de la varilla 70.

Ventajosamente, cada diente 76 de la unidad de trinquete comprende un grupo de hojas 80 relativamente delgadas que se mueven independientemente. Esto reduce la holgura entre la varilla 70 y la unidad 74 de trinquete asegurando que incluso un pequeño movimiento de la varilla 70 se acoplará con otra de las hojas 80 en lugar de tener que cubrir toda la distancia longitudinal de un diente 76 al siguiente.

Como se muestra mejor en las figuras 20 y 21, una porción distal de la varilla 70 tiene partes que se estrechan distalmente que definen superficies 82, 84 de leva inclinadas alineadas, respectivamente, con las zapatas 38 de anclaje y la zapata 40 de alineación. En virtud de esas superficies 82, 84, de leva el movimiento distal de la varilla 70 impulsa el movimiento radial hacia afuera de las zapatas 38 de anclaje y la zapata 40 de alineación al bloquear la cuña 18 en el hueco 14.

Para garantizar que el mecanismo 24 de bloqueo no se pueda activar prematuramente o accidentalmente, la varilla 70 está restringida por un pasador 86 de seguridad que se muestra en la figura 21 que se extiende transversalmente en la varilla desde uno de los cojinetes 72 en la carcasa 62 circundante.

El pasador 86 de seguridad se corta para liberar la varilla 70 para el movimiento distal solo cuando se ha aplicado una presión de umbral a la varilla 70 a través del pistón 68 en el cilindro 66.

El mecanismo de caída

Como se muestra de forma esquemática en la figura 3, el mecanismo 20 de caída es un conjunto alargado que está dimensionado para encajar telescópicamente dentro del barril 22 de núcleo exterior. En sucesión, moviéndose proximalmente, el mecanismo 20 de caída comprende un tubo 88 de conexión rígido hueco en un extremo distal, una válvula 90 de descarga, un mecanismo 92 de pestillo y un sistema 94 de guía de recuperación en un extremo proximal.

La figura 22 omite el tubo 88 de conexión pero muestra las otras partes del mecanismo 20 de caída, a saber, la válvula 90 de descarga, el mecanismo 92 de pestillo y el sistema 94 de guía del recuperador. Estas partes se describirán con más detalle más adelante con referencia a las figuras 27 a 29.

La figura 22 también muestra un manguito 96 que forma parte del barril 22 del núcleo exterior, que interactúa con el mecanismo 92 de pestillo como se describirá con referencia a la figura 28. La herramienta topográfica que se muestra esquemáticamente en las figuras 5 y 6 también se muestra en la figura 22 y se describirá más detalladamente con referencia a la figura 30.

Al ensamblar el sistema 10 de cuña en la superficie, la cuña 18 se sostiene mediante un mecanismo de sujeción del equipo 16 de perforación y el mecanismo 20 de caída se eleva por encima del extremo proximal de la cuña 18. Se establece una alineación angular alrededor de un eje vertical entre el mecanismo 20 de caída y la cuña 18. El tubo 88 de conexión luego se acopla de extremo a extremo con el tubo 30 de cuña para permitir la comunicación fluida entre el tubo 88 de conexión y el tubo 30 de cuña para activar el mecanismo 24 de bloqueo de la cuña 18.

Opcionalmente, como se muestra mejor en la figura 23, el tubo 30 de cuña de la cuña 18 termina y se comunica fluidamente con un tubo 98 lanzador más estrecho que se proyecta proximalmente desde el tubo 30 de cuña más allá de la tuerca 34 de seguridad. Un extremo distal del tubo 98 lanzador tiene una rosca macho que se puede enroscar en una rosca hembra complementaria dentro del extremo proximal del tubo 30 de cuña. El tubo 98 lanzador tiene un extremo distal cerrado pero la pared del tubo 98 lanzador está penetrada por múltiples aberturas 100 laterales cerca del extremo distal.

Con referencia ahora también a la figura 24, el tubo 98 lanzador en el extremo proximal del tubo 30 de cuña se extiende proximalmente en el tubo 88 de conexión del mecanismo 20 de caída. El tubo 98 lanzador y el tubo 88 de conexión circundante están entonces en relación telescópica, dejando un estrecho espacio 102 anular entre ellos.

El agua que fluye desde la sarta 12 de perforación a lo largo del tubo 88 de conexión ingresa al tubo 98 lanzador a través de las aberturas 100 laterales cerca del extremo distal del tubo 98 lanzador. A medida que el agua lo hace, la arena y el limo arrastrados por el agua tienden a asentarse distalmente fuera del flujo por gravedad y, por lo tanto, al espacio 102 anular entre el tubo 98 lanzador y el tubo 88 de conexión, donde quedan atrapadas las partículas sólidas. Esto reduce significativamente la cantidad de material en partículas que el agua transporta al mecanismo 24 de bloqueo a través del tubo 98 lanzador y el tubo 30 de cuña, en beneficio de la fiabilidad.

Cuando el mecanismo 20 de caída está completamente asentado dentro del barril 22 de núcleo exterior, el tubo 88 de conexión sobresale distalmente alrededor de medio metro más allá del cabezal de corte en el extremo distal del barril 22 de núcleo exterior, como se muestra en la figura 25. Esto facilita el acoplamiento de extremo a extremo del tubo 88 de conexión al tubo 30 de cuña cuando está soportado por el equipo 16 de perforación. Para ello, el tubo 88 de conexión tiene en su extremo distal una rosca macho para engranar con la mencionada tuerca 34 de seguridad en el extremo proximal del tubo 30 de cuña, como se muestra en la figura 26.

La tuerca 34 de seguridad acopla el tubo 88 de conexión al tubo 30 de cuña no solo de forma fluida sino también mecánica. Por lo tanto, el tubo 88 de conexión y el tubo 30 de cuña conectado pueden soportar cada uno la carga de peso axial de la cuña 18 cuando el sistema 10 de cuña está suspendido de una sarta 12 de perforación en un hueco 14. El tubo 88 de conexión y el tubo 30 de cuña conectado también están bloqueados juntos contra el movimiento angular relativo. Por lo tanto, el tubo 88 de conexión y el tubo 30 de cuña también pueden transmitir par para girar la cuña 18 cuando la sarta 12 de perforación y el mecanismo 20 de caída giran juntos dentro del hueco 14.

El sistema 94 de guía recuperador está preferiblemente articulado al mecanismo 92 de pestillo para permitir que el sistema 94 de guía recuperador pivote en relación con el resto del mecanismo 20 de caída, que de otro modo sería rígido. Esto facilita levantar el mecanismo 20 de caída desde una orientación horizontal en la superficie a una orientación vertical en el equipo 16 de perforación para insertarlo en el hueco 14. Sin embargo, todas las partes del mecanismo 20 de caída están bloqueadas juntas contra el movimiento angular relativo alrededor de su eje 32 longitudinal central.

De ello se deduce que, cuando está en el hueco 14, la orientación angular del tubo 88 de conexión en el extremo distal del mecanismo 20 de caída siempre debe seguir la orientación angular del sistema 94 de guía del recuperador en el extremo proximal del mecanismo 20 de caída. Determinar la orientación angular del sistema 94 de guía recuperador dentro del hueco 14 determina, por lo tanto, la orientación angular del tubo 88 de conexión dentro del hueco 14.

Además, como el tubo 88 de conexión y el tubo 30 de cuña conectado están bloqueados juntos contra el movimiento angular relativo, la orientación angular de la cuña 18 siempre debe seguir la orientación angular del sistema 94 de guía recuperador en el extremo proximal del mecanismo 20 de caída. En consecuencia, determinar la orientación angular del sistema 94 de guía recuperador dentro del hueco 14, como se explicará a continuación, determina la orientación angular de la cuña 18 que está bloqueada angularmente en una orientación conocida con respecto al tubo 88 de conexión. Por lo tanto, esto determina la alineación azimutal de la faceta 28 de la cuña dentro del hueco 14.

El extremo proximal del tubo 88 de conexión está en comunicación fluida con la válvula 90 de descarga que se muestra aisladamente en la figura 27. La válvula 90 de descarga iguala la presión del agua dentro y fuera de la sarta 12 de perforación, lo que normalmente permite que el agua de la sarta 12 de perforación fluya a través y alrededor del mecanismo 20 de caída dentro del barril 22 de núcleo exterior.

La válvula 90 de descarga comprende un émbolo 104 inclinado proximalmente que puede ser forzado distalmente contra la inclinación de un resorte 106. El agua que fluye distalmente por la sarta 12 de perforación fluye a través de una abertura 108 central del émbolo 104.

Cuando el émbolo 104 está en su posición proximal normal, parte del agua que fluye a través de su abertura 108 central sale a través de los huecos 110 en la pared tubular circundante de la válvula 90 de descarga. Sin embargo, el aumento de la presión del agua bombeada en la sarta 12 de perforación en la superficie supera la tendencia a mover el émbolo 104 distalmente. El émbolo 104 luego bloquea los huecos 110. Esto dirige sustancialmente todo el flujo de agua a alta presión hacia el tubo 88 de conexión y, por lo tanto, se desvía de la válvula 90 de descarga. El agua a alta presión desviada por la válvula 90 de descarga se dirige a través del tubo 88 de conexión hacia y a lo largo del tubo 30 de cuña para activar el mecanismo 24 de bloqueo de la cuña 18 como se describe anteriormente.

El mecanismo 92 de pestillo en el extremo proximal de la válvula 90 de descarga se ejemplifica aquí mediante un tubo 92 interior de bloqueo de pestillo de hoja de tipo Boart Longyear, que se muestra ampliado en la figura 28. El sistema 94 de guía recuperador se ejemplifica aquí mediante un pestillo 94 cuádruple de tipo Christensen especialmente adaptado, que se muestra ampliado en la figura 29. Ambas marcas comerciales se usan de forma descriptiva en la industria de la perforación para los productos respectivos y, por lo tanto, se han vuelto genéricas. Individualmente, ambos ítems del equipo son familiares para los técnicos de la industria y, por lo tanto, necesitan poca elaboración adicional aquí.

Las realizaciones preferidas de la invención utilizan un pestillo 94 cuádruple de tipo Christensen para reemplazar un acoplamiento de elevación de punta de lanza orientado proximalmente que caracteriza un dispositivo 92 de bloqueo Boart Longyear. Por lo tanto, el uso de un pestillo 94 cuádruple de tipo Christensen en combinación con un dispositivo 92 de bloqueo Boart Longyear es un aspecto novedoso y ventajoso de la invención. De acuerdo con la invención, por lo tanto, el equipo familiar que es compatible con el equipo de perforación existente puede usarse de una manera nueva y beneficiosa.

Un dispositivo 92 de bloqueo de pestillo de hoja del tipo Boart Longyear comprende retenes 112 de pestillo retráctiles diametralmente opuestos, uno de los cuales se muestra en la figura 28. Cuando el mecanismo 20 de caída se baja para acoplarse con el barril 22 de núcleo externo circundante, los retenes 112 de pestillos se alinean longitudinalmente con una lengüeta 114 interna dentro del manguito 96 del barril 22 de núcleo exterior. Nuevamente, la lengüeta 114 se muestra en la figura 28.

Cuando el mecanismo 20 de caída está asentado dentro del barril 22 de núcleo exterior, los retenes 112 de pestillos sobresalen radialmente del tubo. Como es convencional, esto se acopla con un hombro dentro del barril 22 del núcleo exterior para bloquear el mecanismo 20 de caída axialmente contra el movimiento proximal con respecto al barril 22 del núcleo exterior. Los retenes 112 de pestillos también se acoplan con la lengüeta 114 para bloquear el mecanismo 20 de caída angularmente con respecto al barril 22 de núcleo exterior y, por lo tanto, con respecto a la sarta 12 de perforación de la que está suspendido el barril 22 de núcleo exterior. Por lo tanto, el par aplicado en la superficie para hacer girar la sarta 12 de perforación también hace girar el mecanismo 20 de caída y la cuña 18 suspendida del mecanismo 20 de caída por el hueco 14.

Cuando el pestillo 94 cuádruple que se muestra en la figura 29 se acopla con un sistema 42 de elevación con cable como se muestra en la figura 9 para recuperar el mecanismo 20 de caída después de colocar la cuña 18, el sistema 42 de elevación soporta el peso del mecanismo 20 de caída. Esto retrae los retenes 112 de pestillos de regreso al tubo para desengancharlos del barril 22 de núcleo exterior. El mecanismo 20 de caída está ahora libre para ser levantado desde dentro del barril 22 de núcleo exterior y para ser recuperado a la superficie. Un tubo 44 de núcleo interior estándar, que puede, por ejemplo, estar equipado con su propio dispositivo de bloqueo de pestillo de hoja Boart Longyear, puede luego bajarse para acoplarse con el barril 22 de núcleo exterior, como se muestra en la figura 11, para que pueda comenzar la perforación con cable.

Los pestillos cuádruples de tipo Christensen se describen, por ejemplo, en la Patente US No. 4482013. Brevemente, un pestillo 94 cuádruple de este tipo se caracteriza por cuatro pestillos 116 con resorte que se extienden proximalmente y que pueden engancharse mediante un sistema 42 de elevación con cable correspondiente para levantar y recuperar un tubo de núcleo interior desde el interior de un barril 22 central exterior.

Para los fines de la invención, el pestillo 94 cuádruple no se fija a un tubo de núcleo interior, sino al resto del mecanismo 20 de caída a través del mecanismo 92 de pestillo. Además, el pestillo 94 cuádruple realiza funciones duales. Su primera función es permitir que la orientación azimutal del mecanismo 20 de caída y, por lo tanto, de la faceta 28 de cuña de la cuña 18 unida al mecanismo 20 de caída, sea inspeccionada antes de que se coloque la cuña 18. Su segunda función es permitir que el mecanismo 20 de caída se recupere a la superficie utilizando un sistema 42 de elevación por cable después de que se haya colocado la cuña 18. Esta segunda función corresponde a su función normal de recuperar un tubo de núcleo interior desde dentro de un barril 22 de núcleo exterior, que es familiar para los expertos en la técnica y, por lo tanto, no necesita más elaboración aquí.

Para realizar su primera función de permitir la inspección, el pestillo 94 cuádruple de la invención está adaptado para acoplarse con la herramienta 36 topográfica que se muestra esquemáticamente en las figuras 5 y 6 y ampliada en la figura 30. La herramienta 36 topográfica también está adaptada para acoplarse con el pestillo 94 cuádruple. Para este propósito, el pestillo 94 cuádruple y la herramienta 36 topográfica están provistos de formaciones complementarias de acoplamiento mutuo, como se explicará a continuación.

La herramienta 36 topográfica se puede bajar dentro de la sarta 12 de perforación sobre un cable que se extiende desde la superficie hasta el pestillo 94 cuádruple, con el que se acopla entonces la herramienta 36 topográfica. Para una determinación confiable del azimut, es necesario que la herramienta 36 topográfica solo pueda acoplarse con el pestillo 94 cuádruple en una posición angular con respecto al pestillo 94 cuádruple. Además, es ventajoso que la herramienta 36 topográfica pueda girar automáticamente a esa posición angular durante su acoplamiento con el pestillo 94 cuádruple.

Específicamente, una zapata de mula 118 de la herramienta 36 topográfica está dispuesta para sobresalir distalmente entre los cuatro pestillos 116 que se extienden proximalmente del pestillo 94 cuádruple. La zapata 118 de mula es un tubo que se extiende distalmente que se corta oblicuamente para formar una cara 120 de extremo distal inclinada. Una ranura 122 se extiende proximalmente desde un lado proximal de la cara 120 extrema. Un sensor de acoplamiento 124 está colocado en la ranura 122.

En consecuencia, la figura 29 muestra que se agrega una formación 126 de llave que se proyecta hacia adentro y que se estrecha proximalmente al lado interior de uno de los cuatro pestillos 116 del pestillo 94 cuádruple. La formación 126 de llave está formada y orientada para encajar en la ranura 122 de la zapata 118 de mula cuando la herramienta 36 topográfica está alineada correctamente con el pestillo 94 cuádruple. Así, la formación 126 de llave adapta el pestillo 94 cuádruple para proporcionar un receptor de orientación incorporado.

La alineación angular correcta de la herramienta 36 topográfica con el pestillo 94 cuádruple está asegurada por la cara 120 extrema distal inclinada de la zapata 118 de mula. La inclinación de la cara 120 del extremo distal coopera con el estrechamiento proximal de la formación 126 de llave para hacer girar la herramienta 36 topográfica alrededor de un eje 32 longitudinal a medida que la zapata 118 de mula se mueve distalmente. Esta rotación de la herramienta 36 topográfica alinea la ranura 122 con la formación 126 de llave a medida que la zapata 118 de mula se desliza distalmente alrededor de la formación 126 de llave y entre los pestillos 116 circundantes. El sensor 124 de acoplamiento luego confirma el acoplamiento de la formación 126 de llave en la ranura 124.

Opcionalmente, una cámara orientada distalmente dentro de la herramienta 36 topográfica puede ayudar con la alineación angular entre la herramienta 36 topográfica y el pestillo 94 cuádruple y puede confirmar que la herramienta 36 topográfica se ha acoplado correctamente con la formación 126 de llave del pestillo 94 cuádruple.

Cuando el hueco 14 padre está inclinado aunque sea ligeramente con respecto a la vertical, lo que normalmente ocurrirá en la práctica, incluso en un hueco nominalmente vertical, la herramienta 36 topográfica puede determinar el azimut de la cuña 18 y, por lo tanto, del hueco 46 hijo resultante, gravitacionalmente con referencia al lado alto y/o al lado bajo del hueco 14. Esto es posible porque la inclinación local y el azimut del hueco 14 padre en la profundidad del KOP ya se conocen a partir de un estudio detallado del hueco 14 realizado previamente como una cuestión de rutina.

El lado alto y/o el lado bajo del hueco 14 pueden determinarse girando la sarta 12 de perforación para girar el mecanismo 20 de caída alrededor de su eje 32 longitudinal dentro del hueco 14. Esto también cambia la orientación de la herramienta 36 topográfica cuando se acopla con el pestillo 94 cuádruple.

Conocer el lado alto y/o el lado bajo del hueco 14 proporciona una referencia o un punto de partida de referencia para el uso de técnicas de posicionamiento de referencia de cuadrícula o “GR”. Ventajosamente, esto evita la necesidad de barras de perforación no magnéticas, que son extremadamente caras y normalmente no se pueden usar en una sarta de perforación porque son demasiado blandas.

En principio, sin embargo, sería posible que la herramienta 36 topográfica determinara el azimut de otras formas, como giroscópica o magnéticamente con referencia al norte magnético. Los errores menores en el buzamiento y el azimut del hueco 46 hijo pueden corregirse durante una fase posterior de perforación con motor después de que se haya completado la perforación inicial con cable más allá de la cuña 18.

Son posibles muchas variaciones dentro del concepto inventivo. Por ejemplo, el enlace rígido que comprende el tubo en forma de cuña y el tubo de conexión no necesariamente tiene que ser fracturado o tirado proximalmente para romperse. Las partes del enlace rígido podrían separarse de otras formas, por ejemplo, activando un mecanismo de desconexión o girando el tubo de cuña más allá de un límite angular o en una rosca inversa.

Claims (15)

REIVINDICACIONES

1. Un método de perforación direccional, comprendiendo el método:

avanzar una cuña (18) desde un equipo (16) de perforación hasta un punto de partida en un hueco (14) padre mientras se sostiene la cuña (18) distalmente con respecto a una sarta (12) de perforación tubular a través de un enlace sustancialmente rígido que se extiende a lo largo de un eje (32) longitudinal central a través de un cabezal (48) de corte anular para conectar la cuña (18) a la sarta (12) de perforación;

bloquear la cuña (18) en el punto de inicio en el hueco (14) padre en un azimut deseado;

romper la conexión realizada por el enlace entre la sarta (12) de perforación y la cuña (18) bloqueada;

retirar al menos parte del enlace a través del cabezal (48) de corte después de romper la conexión; y

sin retirar la sarta (12) de perforación, avanzar la sarta (12) de perforación para perforar un hueco (46) hijo que se ramifica desde el hueco (14) padre en el azimut determinado por la cuña (18).

2. El método de la reivindicación 1, que comprende orientar la cuña (18) al azimut deseado girando la sarta (12) de perforación alrededor del eje (32) longitudinal central para aplicar torsión a la cuña (18) a través del enlace.

3. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, que comprende fracturar el enlace para romper la conexión mientras se deja una porción distal del enlace incrustada en la cuña (18).

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende sostener la cuña (18) a través de un mecanismo (20) de caída dentro de la sarta (12) de perforación, que comprende opcionalmente recuperar el mecanismo (20) de caída al equipo (16) de perforación después de romper la conexión, y preferiblemente que comprende acoplar el mecanismo (20) de caída con un sistema (42) de elevación por cable avanzado dentro de la sarta (12) de perforación.

5. El método de la reivindicación 4, que comprende reemplazar el mecanismo (20) de caída con un tubo (44) de núcleo interior que avanza dentro de la sarta (12) de perforación antes de avanzar la sarta (12) de perforación para perforar el hueco (46) hijo.

6. El método de cualquier reivindicación precedente, realizado sin desmontar la sarta (12) de perforación.

7. El método de cualquier reivindicación precedente, que comprende transmitir energía de bloqueo a la cuña (18) a través del enlace, por ejemplo aplicando presión de fluido a través del enlace, por ejemplo desviando fluido de perforación a través del enlace para bloquear la cuña (18), por ejemplo aplicando presión por encima del umbral al fluido en el equipo (16) de perforación, comprendiendo el método opcionalmente resistir el bloqueo de la cuña (18) hasta que se exceda una presión de fluido umbral y, opcionalmente, que comprende transportar fluido a través del enlace en una trayectoria serpenteante para atrapar partículas arrastradas en el fluido.

8. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende hacer avanzar una herramienta (36) topográfica dentro de la sarta (12) de perforación para determinar el azimut de la cuña (18) antes de bloquear la cuña (18), que comprende opcionalmente acoplar la herramienta (36) topográfica con un mecanismo (20) de caída dentro de la sarta (12) de perforación, el mecanismo (20) de caída está conectado rígidamente a la cuña (18) a través del enlace, comprendiendo opcionalmente acoplar la herramienta (36) topográfica con un sistema de recuperación de cable orientado proximalmente del mecanismo (20) de caída, y que comprende opcionalmente girar la herramienta (36) topográfica para alinearla con el mecanismo (20) de caída como consecuencia del movimiento distal de la herramienta (36) topográfica con respecto al mecanismo (20) de caída.

9. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende aplicar una fuerza de alineación a la cuña (18) para girar la cuña (18) alrededor de un eje de pivote transversal al eje (32) longitudinal central, que comprende opcionalmente aplicar la fuerza de alineación a la cuña (18) mientras bloquea la cuña (18).

10. El método de la reivindicación 9, que comprende hacer pivotar la cuña (18) para forzar un borde (52) proximal de la cuña (18) contra una pared circundante del hueco (14) padre.

11. El método de cualquier reivindicación precedente, que comprende tirar de la sarta (12) de perforación proximalmente para romper la conexión.

12. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende escariar una unión entre el hueco (14) padre y el hueco (46) hijo mediante el avance de la sarta (12) de perforación.

13. Un sistema de perforación direccional, comprendiendo el sistema:

una sarta (12) de perforación tubular que tiene un cabezal (48) de corte anular en un extremo distal, rodeando el cabezal (48) de corte un pasaje que se extiende a lo largo de un eje (32) longitudinal central de la sarta (12) de perforación;

una cuña (18) dispuesta distalmente con respecto al cabezal (48) de corte, comprendiendo la cuña (18) un mecanismo (24) de bloqueo distal para bloquear la cuña (18) en un hueco, unido a un cuerpo (26) de cuña proximal que define una faceta (28) de cuña inclinada; y

un enlace sustancialmente rígido que conecta la cuña (18) a la sarta (12) de perforación, extendiéndose el enlace a lo largo del paso a través del cabezal (48) de corte y siendo soportado para un movimiento longitudinal relativo a través y con respecto al cabezal (48) de corte, pudiendo retirarse al menos parte del enlace a través del cabezal (48) de corte después de romper una conexión hecha por el enlace entre la sarta (12) de perforación y la cuña (18) bloqueada.

14. El sistema de la reivindicación 13, en el que el enlace se extiende a un mecanismo (20) de caída dentro de la sarta (12) de perforación, conectando rígidamente la cuña (18) a la sarta (12) de perforación a través del mecanismo (20) de caída.

15. El sistema de la reivindicación 14, que comprende además un tubo (44) de núcleo interior que es intercambiable con el mecanismo (20) de caída.