МЕХАНИЗМ ПЕРЕДАЧИ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ ДЛЯ ВНУТРИСКВАЖИННОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА
TORQUE ACTUATOR INTENDED FOR BOREHOLE DRILLING TOOL

Область техники
Настоящее изобретение, в общем, относится к оборудованию, применяемому в связи с подземной скважиной и работам, проводимым в связи с такой скважиной, и, в соответствии одним из вариантов осуществления настоящего изобретения, который более подробно будет раскрыт ниже, обеспечивает механизм передачи крутящего момента, предназначенный для внутрискважинного бурового инструмента.
Уровень техники
При бурении в режиме вращения, когда вращение бурильной колонны используется для вращения бурового долота, и при гидравлическом забойном двигателе в бурильной колонне, частота вращения бурового долота обычно выше, чем частота вращения бурильной колонны. Это происходит за счет того, что буровой двигатель вращает буровое долото, а бурильная колонна над буровым двигателем вращает буровой двигатель.
К сожалению, по мере повышения осевого усилия на долото и/или повышения крутящего момента (например, вследствие столкновения с более твердыми породами и т.д.), частота вращения долота может снизиться до точки, когда бурильная колонна над буровым двигателем будет вращаться с большей частотой, чем долото. Это может привести к повреждению бурового двигателя и/или другого бурового оборудования в бурильной колонне.
Таким образом, следует отметить, что существует постоянная потребность в усовершенствованиях в области конструирования внутрискважинного бурового инструмента и работы с этим инструментом. Такие усовершенствования могут быть полезны в описанной выше ситуации или в других ситуациях, возникающих в процессе бурения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен частичный разрез системы бурения скважин и связанного с ней способа в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 представлен частичный разрез части бурильной колонны, которая может применяться в системе и способе по фиг. 1 в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 3 представлен разрез механизма передачи крутящего момента, который может применяться в бурильной колонне в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 представлен разрез части механизма передачи крутящего момента.
На фиг. 5 и 6 представлен вид с торца и разрез наружного корпуса механизма передачи крутящего момента.
На фиг. 7 и 8 представлен вид с торца и разрез внутреннего шпинделя механизма передачи крутящего момента.
На фиг. 9 представлена собачка механизма передачи крутящего момента.
На фиг. 10 и 11 представлен вид с торца и вид сбоку линейного подшипника механизма передачи крутящего момента.
На фиг. 12 представлен вид в аксонометрии смещающего устройства механизма передачи крутящего момента.
Подробное раскрытие изобретения
На фиг. 1 представлена система 10 для бурения скважины и связанный с ней способ в соответствии с настоящим изобретением. Однако должно быть ясно, что система 10 и соответствующий способ являются лишь одним из вариантов осуществления настоящего изобретения на практике, и возможно осуществление множества других вариантов. Таким образом, настоящее изобретения не ограничено описанными здесь и/или представленными на чертежах элементами системы 10 и способа.
На фиг. 1 представлена бурильная колонна 12, используемая для бурения ствола 14 скважины в толще 16 пород. Ствол 14 скважины может проходить в любом направлении, и бурильная колонна 12 может быть бурильной колонной любого типа (например, буровой трубой, гибкой трубой, изготовленной из композиционных материалов, сигналопроводящей или «умной» буровой трубой и т.д.). Настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным типом буровых работ или бурильной колонны.
Буровой двигатель 18 соединен с бурильной колонной 12. В соответствии с этим вариантом осуществления, буровой двигатель 18 может быть гидравлическим забойным двигателем, обеспечивающим требующиеся частоту вращения и крутящий момент для работ по бурению скважины. Для бурового двигателя может использоваться винтовой буровой насос типа Муано, хорошо известный в данной области техники.
Подшипниковый узел 20 передает вращательную мощность двигателя 18 на буровое долото 26, соединенное с удаленным концом бурильной колонны 12. В соответствии с этим вариантом осуществления, на подшипниковый узел с возможностью вращения опирается выходной вал 34 (не виден на фиг. 1, см. фиг. 2) бурового двигателя 18. В соответствии с другими вариантами осуществления, подшипниковый узел 20 может быть объединен с буровым двигателем 18 или расположен иным образом. Система 22 измерений в процессу бурения (MWD) и/или каротажа в процессе бурения (LWD) может применяться для измерения некоторых внутрискважинных параметров и для связи с удаленным пунктом (таким как надводная буровая установка, подводный нефтепромысловый объект и т.д.). Такая связь может осуществляться любыми способами, например, с помощью проводной или беспроводной телеметрии, оптических волокон, акустических импульсов, импульсов давления, электромагнитных волн и т.д.
Хотя бурильная колонна 12 описана здесь как включающая определенные компоненты, должно быть ясно, что настоящее изобретение не ограничено каким-либо определенным сочетанием или размещением компонентов, и возможно использование большего или меньшего числа компонентов в соответствии с конкретными обстоятельствами. Бурильная колонна 12 описана здесь только как один из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.
В процессе бурения через бурильную колонну 12 циркулирует буровой раствор. Этот поток текучей среды выполняет несколько функций, таких как охлаждение и смазка долота 26, суспендирование бурового шлама, контроль давления в скважине и т.д.
В соответствии с вариантом осуществления по фиг. 1, поток текучей среды также вынуждает буровой двигатель 18 вращать долото 26. Если бурильная колонна 12 над двигателем 18 также вращается (например, роторным столом, верхним силовым приводом, другим буровым двигателем и т.д.), то вследствие этого частота вращения долота 26 может превышать частоту вращения бурильной колонны над двигателем. Обычно это является желательным.
Однако при повышении осевого усилия на долото 26 частота вращения долота может снизиться из-за того, что для продолжения вращения при повышенном осевом усилии необходим повышенный крутящий момент. Аналогичным образом, при столкновении с более твердыми породами реактивный крутящий момент, приложенный через долото 26 к двигателю 18, повышается, снижая частоту вращения долота.
В конечном счете частота вращения долота 26 может снизиться до того, что оно перестанет вращаться быстрее, чем бурильная колонна 12 над двигателем 18. В такой ситуации говорят об «опрокидывании» двигателя 18, поскольку он больше не обеспечивает вращение долота 26.
Если долото 26 продолжит замедляться, может возникнуть ситуация, когда оно действительно будет вращаться медленнее, чем бурильная колонна 12 над двигателем 18. Если двигатель 18 является гидравлическим забойным двигателем, это может привести к тому, что двигатель начнет работать как насос, т.е. попытается качать буровой раствор вверх через бурильную колонну 12.
Это может повредить двигатель 18 и другое буровое оборудование, и этого следует избегать. Затормаживание такого двигателя и предотвращение его возможного повреждения повысит непрерывность бурения, снизит число аварийных остановов бурильной колонны 12 в стволе 14 скважины и вне его.
Бурильная колонна 12 в соответствии с настоящим изобретением содержит скважинный инструмент 24 с механизмом 30 передачи крутящего момента, предотвращающим такое обратное вращение долота 26 относительно двигателя 18. Скважинный инструмент и механизм 30, представленные на фиг. 1, присоединены между подшипниковым узлом 20 и долотом 26, но в соответствии с другими вариантами осуществления, эти компоненты могут быть расположены или размещены иначе, могут иметься другие компоненты, различные компоненты могут быть объединены друг с другом и т.д.
На фиг. 2 можно видеть буровой двигатель 18, подшипниковый узел 20 и скважинный инструмент 24, изображенный отдельно от остальной бурильной колонны 12. В соответствии с этим вариантом осуществления настоящего изобретения, буровой двигатель 18 содержит силовую секцию 28 с ротором, заключенным в статоре, вследствие чего поток жидкости, проходящий через силовую секцию, вынуждает ротор вращаться относительно статора.
Ротор соединен с выходным валом 34, который, в соответствии с этим вариантом осуществления, содержит гибкий вал и шарниры равных угловых скоростей (ШРУСы) для передачи вращения ротора через подшипниковый узел 20 на переходник 32 долота. В соответствии с этим вариантом осуществления, скважинный инструмент 24 присоединен между подшипниковым узлом 20 и переходником 32 долота, причем вал 34 проходит через скважинный инструмент 24 от силовой секции 28 до переходника долота.
В соответствии с этим вариантом осуществления, буровой двигатель 18 в основном аналогичен гидравлическому забойному двигателю SPERRYDRILL™ от компании Halliburton Energy Services, Inc., Хьюстон, Техас, США. Однако в соответствии с другими вариантами осуществления могут использоваться и другие типы буровых двигателей (например, другие гидравлические забойные двигатели, турбодвигатели и т.д.).
На фиг. 3 представлен в увеличенном масштабе разрез подшипникового узла 20 и инструмента 24 в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. На этом чертеже можно видеть, что вал 34 опирается с возможностью вращения на подшипниковый узел 20, причем вал проходит через подшипниковый узел и инструмент 24 к переходнику 32 долота.
Предпочтительно, инструмент 24 допускает вращение вала 34 в одном направлении и предотвращает его вращение в противоположном направлении. Таким образом, крутящий момент может передаваться от бурового двигателя 18 на долото 26 через вал 34, но реактивный крутящий момент в противоположном направлении, могущий привести к обратному вращению долота относительно бурового двигателя, не передается через инструмент 24 через вал.
Другой разрез части инструмента 24 в увеличенном масштабе представлен на фиг. 4. На этом чертеже видно, что механизм 30 передачи крутящего момента включает в себя наружный корпус 36, внутренний шпиндель 38 и множество собачек 40, которые могут входить в зацепление с проходящими в продольном направлении зацепляющими профилями 42, выполненными в наружном корпусе.
В соответствии с этим вариантом осуществления, собачки 40 проходят наружу от внутреннего шпинделя 38, входя в зацепление с профилями 42, когда внутренний шпиндель вращается против часовой стрелки относительно наружного корпуса 36 (или наружный корпус 36 вращается по часовой стрелке относительно внутреннего шпинделя). В соответствии с другими вариантами осуществления, собачки 40 могут быть расположены в наружном корпусе для зацепления с профилями 42, выполненными на внутреннем шпинделе 38. Таким образом, должно быть ясно, что настоящее изобретение не ограничено какими-либо специфическими признаками механизма 30 передачи крутящего момента, представленного в данном описании и/или на чертежах.
Собачки 40 радиально смещены наружу (например, в направлении R, проходящем линейно наружу от центральной продольной оси внутреннего шпинделя 38) относительно смещающих устройств 44. При вращении внутреннего шпинделя 38 по часовой стрелке относительно наружного корпуса 36, криволинейные поверхности 40а, 42а входят в зацепление друг с другом, и это зацепление вынуждает собачки 40 перемещаться дальше в углубления 46, выполненные в продольном направлении на внутреннем шпинделе 38, против смещающих усилий, прикладываемых смещающими устройствами 44. Это позволяет внутреннему шпинделю 38 вращаться по часовой стрелке относительно наружного корпуса 36.
Однако, если внутренний шпиндель 38 начинает вращаться против часовой стрелки относительно наружного корпуса 36, собачки 40 смещаются в зацепление с профилями 42 смещающими устройствами 44. Криволинейные поверхности 40а, b собачек 40 входят в зацепление с криволинейными поверхностями 42а, b профилей 42 и таким образом предотвращают вращение против часовой стрелки.
В углублениях 46 имеются линейные подшипники 48, так что линейное перемещение собачек 40 относительно свободно от трения. Линейные подшипники 48 входят в контакт с противолежащими параллельными сторонами 50 собачек 40, обеспечивая линейное перемещение собачек без вращения их относительно внутреннего шпинделя 38.
На фиг. 6-12 более подробно представлены различные компоненты механизма 30 передачи крутящего момента. Однако должно быть ясно, что настоящее изобретение не ограничено какими-либо частными признаками компонентов механизма 30 передачи крутящего момента, или использованием какого-либо конкретного расположения, или сочетания этих компонентов.
На фиг. 5 и 6 можно видеть, что наружный корпус 36 содержит верхний соединитель 52 с наружной резьбой для соединения механизма 30 передачи крутящего момента с опорой 20. В соответствии с другими вариантами осуществления, наружный корпус 36 может являться частью подшипникового узла 20 или другого компонента бурильной колонны 12 и т.д.
На фиг. 7 и 8 можно видеть, что внутренний шпиндель 38 содержит шлицы 54 для зацепления с комплементарными шлицами на валу 34, чтобы внутренний шпиндель вращался вместе с валом. Для удержания уплотнения (не показано), предотвращающего прохождение текучей среды, обломков и т.д., между валом 34 и внутренним шпинделем 38 имеется канавка 56 под уплотнение.
На фиг. 9 представлен вид в увеличенном масштабе одной из собачек 40. На этом чертеже лучше всего видна взаимосвязь между параллельными противолежащими сторонами 50 и криволинейными поверхностями 40а, b.
На фиг. 10, 11 представлен линейный подшипник 48. В соответствии с этим вариантом осуществления, линейные подшипники 48 содержат шарики 58 для снижения фрикционного сцепления собачек 40 с параллельными сторонами 50, но при желании могут использоваться другие типы подшипников (например, роликовые подшипники, подшипники без вкладышей и т.д.).
На фиг. 12 представлен вид в аксонометрии смещающего устройства 44. В соответствии с этим вариантом осуществления, смещающее устройство 44 содержит волнистую пружину, которая, будучи установлена в механизме 30 передачи крутящего момента, проходит в продольном направлении в выемку 46 под собачкой 40. Однако при желании могут применяться другие типы смещающих устройств (например, пластинчатые пружины, спиральные пружины и т.д.).
Теперь должно быть ясно, что описанное выше настоящее изобретение обеспечивает значительные преимущества в области конструирования внутрискважинного бурового инструмента и проводимых с таким инструментом работ. Такие преимущества повышают непрерывность бурения, снижают число аварийных остановов бурильной колонны 12 в стволе 14 скважины и вне его.
В соответствии с описанными выше вариантами осуществления изобретения, механизм 30 передачи крутящего момента предотвращает обратное вращение долота 26 относительно бурового двигателя 18. Собачки 40 механизма 30 передачи крутящего момента могут радиально перемещаться относительно без трения, входя в зацепление с профилями 42 или выходя из такого зацепления.
В соответствии с описанным выше изобретением, предлагается скважинный инструмент 24 для применения при бурении подземной скважины. В соответствии с одним из вариантов осуществления, скважинный инструмент 24 может содержать механизм 30 передачи крутящего момента, содержащий внутренний шпиндель 38, наружный корпус 36, и по меньшей мере одну собачку 40, которая перемещается радиально и, таким образом, выборочно обеспечивает возможность относительного вращения между внутренним шпинделем 38 и наружным корпусом 36 или предотвращает такое вращение.
Радиальное перемещение собачки 40 в зацепление по меньшей мере с одним из наружного корпуса 36 и внутреннего шпинделя 38 может обеспечивать возможность относительного вращения между наружным корпусом 36 и внутренним шпинделем 38 в одном направлении, но предотвращать относительное вращение между этими элементами в противоположном направлении.
Радиальное перемещение собачки 40 может быть линейным относительно по меньшей мере одного из наружного корпуса 36 и внутреннего шпинделя 38.
Собачка 40 может перемещаться радиально без вращения относительно по меньшей мере одного из наружного корпуса 36 и внутреннего шпинделя 38.
Собачка 40 может содержать противолежащие, по существу, параллельные стороны 50. Механизм 30 может содержать линейные подшипники 48, входящие в зацепление со сторонами 50 собачки.
Собачка 40 и линейные подшипники 48 могут находиться в проходящих продольно углублениях 46, выполненных на внутреннем шпинделе 38.
Собачка 40 может содержать одну или более криволинейных поверхностей 40а, b, входящих в зацепление с одной или более криволинейными поверхностями 42а, b зацепляющего профиля 42, выполненного по меньшей мере в одном из наружного корпуса 36 и внутреннего шпинделя 38.
Скважинный инструмент 24 также может включать в себя смещающее устройство 44, смещающее собачку 40 в радиальном направлении. Смещающее устройство 44 может содержать волнистую пружину, продольно проходящую в углублении 46, выполненном на внутреннем шпинделе 38.
Также раскрыта бурильная колонна 12 для использования в бурении подземной скважины. В соответствии с одним из вариантов осуществления, бурильная колонна 12 может содержать буровое долото 26, буровой двигатель 18 и механизм 30 передачи крутящего момента, обеспечивающий возможность вращения бурового долота только в одном направлении относительно бурового двигателя 18. Механизм 30 передачи крутящего момента содержит по меньшей мере одну собачку 40, перемещающуюся линейно и, таким образом, предотвращающую вращение бурового долота 26 в противоположном направлении относительно бурового двигателя 18.
Кроме того, описан способ передачи крутящего момента между буровым двигателем 18 и буровым долотом 26 в процессе бурения. В соответствии с одним из вариантов осуществления, способ может включать этап обеспечения механизма 30 передачи крутящего момента, передающего крутящий момент в одном направлении от бурового двигателя 18 на буровое долото 26, но предотвращающего передачу крутящего момента в противоположном направлении от бурового долота 26 на буровой двигатель 18, и собачки 40 механизма 30 передачи крутящего момента, перемещающейся радиально и, таким образом, избирательно предотвращающей и обеспечивающей возможность относительного перемещения между внутренним шпинделем 38 и наружным корпусом 36 механизма 30 передачи крутящего момента.
Хотя выше были описаны различные варианты осуществления изобретения, каждый из которых имеет некоторые признаки, должно быть ясно, что частный признак одного варианта осуществления не должен обязательно применяться только для этого варианта. Наоборот, любой из описанных выше и/или представленных на чертежах признаков может сочетаться с любым из вариантов осуществления, дополнительно или вместо любого другого признака этих вариантов. Признаки одного из вариантов осуществления не являются взаимоисключающими с признаками другого варианта. Наоборот, настоящее изобретение охватывает любое сочетание любых признаков.
Должно быть ясно, что различные описанные здесь варианты осуществления изобретения могут применяться в различных ориентациях, таких как наклонная, перевернутая, горизонтальная, вертикальная и т.д., и в различных конфигурациях без отклонения от сущности настоящего изобретения. Различные варианты осуществления настоящего изобретения описаны только в качестве примеров осуществления изобретения, которое не ограничено какими-либо специфическими признаками этих вариантов осуществления.
В приведенном описании вариантов осуществления настоящего изобретения термины, касающиеся направления (такие как «над», «под», «верхний», «нижний» и т.д.), использованы для удобства работы с прилагаемыми чертежами. Однако должно быть ясно, что настоящее изобретение не ограничено какими-либо конкретными направлениями, описанными выше.
Термины «включающий в себя», «включает в себя», «содержащий», «содержит» и подобные использованы в неограничивающем смысле. Например, если система, способ, установка, устройство и т.д. описаны как «включающие в себя» некоторый признак или элемент, система, способ, установка, устройство и т.д. могут включать этот признак или элемент, и могут включать также и другие признаки или элементы. Аналогично, термин «содержит» подразумевает «содержит, не ограничиваясь этим».
Должно быть ясно, что специалист в данной области техники после внимательного прочтения приведенного выше описания некоторых вариантов настоящего изобретения, поймет, что возможно осуществление множества модификаций, дополнений, замен, исключений и других изменений этих вариантов осуществления, и такие изменения предусмотрены принципами настоящего изобретения. Например, элементы, описанные как выполненные отдельно, в других вариантах осуществления могут быть выполнены как единое целое и наоборот. Соответственно, должно быть ясно, что приведенное подробное описание дано только для иллюстрации и для примера, и сущность настоящего изобретения ограничена только прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.