УСТРОЙСТВО ШАРНИРА РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ, СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ
ARRANGEMENT OF CONSTANT-VELOCITY JOINT, SYSTEMS AND METHODS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[001]  Настоящее изобретение относится в целом к используемому оборудованию, а также действиям, выполняемым в отношении забойных буровых систем.
[002]  Винтовые забойные двигатели уже много лет используются при бурении нефтяных, газовых и прочих скважин. В обычном режиме эксплуатации вал вывода крутящего момента двигателя и буровое долото вращаются относительно корпуса двигателя. Многие винтовые забойные двигатели обычно приводятся в движение продолговатым спиралеобразным ротором, размещенным внутри винтообразного статора. Роторы и статоры создают эксцентричное вращение, обычно передающееся посредством валов шарниров или несоосных торсионных валов, передающих мощность через подшипниковый узел для вращения бурового долота. В текущих реализациях величина крутящего момента, который может передаваться ими буровому долоту, ограничена.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[003]  На Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение примера буровой системы в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
[004] На Фиг. 2 проиллюстрирован вид в перспективе примера забойного двигателя в сборе в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
[005] На Фиг. 3 проиллюстрировано покомпонентное изображение примера шарнирного соединения в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
[006] На Фиг. 4A-4B проиллюстрированы боковая вертикальная проекция и вид в перспективе промежуточного элемента в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
[007] На Фиг. 5A-5B проиллюстрированы вид сбоку в поперечном разрезе и боковая вертикальная проекция шарнира равных угловых скоростей в сборе в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
[008] На Фиг. 6 проиллюстрирована боковая вертикальная проекция шарнирного соединения с одним промежуточным элементом в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
[009] На Фиг. 7 проиллюстрирована боковая вертикальная проекция шарнирного соединения с двумя промежуточными элементами в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
[0010] На Фиг. 8 проиллюстрирован вид в перспективе шарнирного узла, имеющего по три шпунта и паза для каждого элемента в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
[0011] На Фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая некоторые способы шарнирного соединения в соответствии с различными вариантами реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012]  Приводимое ниже подробное описание относится к сопроводительным графическим материалам, на которых изображены различные подробности примеров, выбранных для демонстрации воплощения в жизнь конкретных вариантов реализации изобретения. В настоящем документе обсуждаются различные примеры объекта изобретения, по меньшей мере, частично со ссылкой на эти графические материалы, а также достаточно подробно описаны проиллюстрированные варианты реализации, чтобы специалисты в данной области техники имели возможность использовать на практике данное изобретение. Для применения предмета изобретения может быть использовано множество других вариантов реализации изобретения, отличных от описанных в данном документе иллюстративных примеров, а также может быть внесено множество структурных и операционных изменений в дополнение к альтернативам, описанным в данном документе отдельно, без отклонения от объема предмета изобретения.
[0013]  В настоящем изобретении описан механизм, предназначенный для использования при передаче крутящего момент между узлом забойного двигателя и буровым долотом. Раскрываемые инструменты и способы проще всего понять в контексте более крупных систем, в рамках которых они работают. Соответственно, на Фиг. 1 проиллюстрирован пример буровой системы 100 в соответствии с различными вариантами изобретения. Буровая установка или платформа 102 является основой для буровой вышки 104 или другой несущей конструкции, такую как включающую в себя или соединенную с лебедкой 106. Лебедка 106 используется для подъема или опускания оборудования или других устройств, таких как бурильная колонна 108. Бурильная колонна 108 получает доступ к буровой скважине 110, также называемой стволом скважины, через устье скважины 112. Нижний конец бурильной колонны 108 содержит различные устройства, такие как бурильная головка 114, для формирования буровой скважины 110. Узел забойного двигателя 116 вращает бурильную головку 114. По мере вращения бурильная головка 114 расширяет буровую скважину 110, проходящую сквозь различные подземные пласты F. Узел забойного двигателя 116 может содержать систему для наклонно-направленного бурения роторным способом (СННБРС), позволяющую буровой бригаде прокладывать буровую скважину 110 по нужному пути.
[0014]  Флюид или «буровой раствор» циркулирует в кольцевом пространстве вокруг бурильной головки 114 или в другом месте, например, подается в буровую скважину 110 по трубопроводу 118, циркулирует при помощи насоса 120 и возвращается на поверхность, где захватывается в сточный пруд 122 или шламовый амбар. Флюид переносит обломки породы из буровой скважины в сточный пруд 122 и помогает сохранять целостность буровой скважины.
[0015] Бурильная головка 114 и узел забойного двигателя 116 образуют часть компоновки низа бурильной колонны (КНБК) 124, содержащей одну или более утяжеленную бурильную трубу (толстостенную стальную трубу), создающую вес и жесткость для содействия процессу бурения. Различные элементы бурильной колонны или приспособления в сборе также могут располагаться вдоль бурильной колонны 108 и/или в КНБК 124. Например, КНБК 124 может содержать инструмент для каротажа по методу сопротивления 126, собирающий данные измерений, имеющих отношение к различным свойствам пласта, а также к ориентированию забойной компоновки и/или другим условиям бурения. По мере прохождения КНБК 124 сквозь различные области пласта F может собираться соответствующая информация.
[0016] Телеметрический блок 128 включен в компоновку низа бурильной колонны 124 для обеспечения канала связи с поверхностью. Телеметрический блок 128 обладает возможностями беспроводной телеметрии или каротажа, или и тем, и другим, например, для передачи или предоставления впоследствии операторам на поверхности информации, имеющей отношение к данным о многокомпонентном выпуске, или для доступа к таким данным в процессе последующей оценки характеристик пласта F. Гидроимпульсная скважинная телеметрия является распространенным методом телеметрии для передачи измерений, осуществленных скважинными приборами, на находящийся на поверхности интерфейс 130, а также для получения команд с находящегося на поверхности интерфейса 130, однако также могут использоваться другие методы телеметрии. Например, находящийся на поверхности интерфейс 130 содержит одну или более из функций, таких как беспроводная телеметрия, процессорные схемы или средства памяти, например, для поддержки операций по каротажу во время бурения (КВБ) или скважинных измерений во время бурения (ИВБ).
[0017] Находящийся на поверхности процессор, проиллюстрированный на Фиг. 1 в виде компьютера 132, обменивается информацией с находящимся на поверхности интерфейсом 130 через канал передачи данных по проводной или беспроводной сети 134 и предоставляет графический интерфейс пользователя (ГИП) или интерфейс другой формы, позволяющий пользователю передавать команды и получать визуальное представление полученных измерений, а также, при желании, взаимодействовать с ним. Находящийся на поверхности процессор может принимать альтернативные формы, включая настольный ПК, ноутбук, встроенный процессор, облачный компьютер, пункт центральной обработки данных с доступом через Интернет и множество комбинаций вышеуказанных форм. Во многих примерах находящийся на поверхности процессор содержит один или более процессоров в сочетании с дополнительными аппаратными средствами (энергозависимым и/или энергонезависимым запоминающим устройством; коммуникационными портами; устройствами и портами ввода-вывода и т.п.) по мере необходимости для предоставления результатов определения угла падения пласта и азимута, как описано в настоящем документе.
[0018] Приводимый в качестве примера находящийся на поверхности процессор может служить для управления функциями буровой системы 100, а также для получения и обработки внутрискважинных измерений, переданных с телеметрического блока 128, с целью контроля параметров режима бурения. В таких примерах одно или более энергонезависимых машиночитаемых устройств хранения информации (то есть, запоминающие устройства (такие как DRAM, FLASH, SRAM или любой другой вид запоминающих устройств, которые в любом случае считаются энергонезависимыми носителями данных), жесткий диск или иной механический, электронный, магнитный или оптический механизм хранения данных и т.п.) будут содержать инструкции, способствующие реализации описанной функциональности процессора, такой как различные примеры, описанные в настоящем документе. Находящийся на поверхности процессор работает в соответствии с программным обеспечением (которое может храниться на энергонезависимых машиночитаемых устройствах хранения информации) и командами, вводимым пользователем через устройство ввода для обработки и декодирования полученных сигналов. Получаемые в результате телеметрические данные могут дополнительно анализироваться и обрабатываться находящимся на поверхности процессором для вывода полезной информации на экран монитора компьютера или другого устройства отображения информации. Безусловно, по желанию эти функции могут быть реализованы отдельными обрабатывающими модулями, и один или более таких обрабатывающих модулей могут выполнять дополнительные функции в ответ на инструкции, хранимые аналогичным образом.
[0019] В целях наглядности в примере на Фиг. 1 проиллюстрирована конфигурация вертикальной буровой скважины. Однако инструменты и способы, описанные в настоящем документе, также могут использоваться в других конфигурациях буровых скважин, к примеру, таких как буровая скважина с горизонтальным направлением бурения или буровая скважина, отклоняющаяся по вертикали или по горизонтали. Буровая скважина 110 может быть пробурена в любом направлении, например, вертикально, наклонно, горизонтально, а также в сочетании этих направлений. В примере на Фиг. 1 в целом проиллюстрирован наземный пример. В качестве альтернативы, устройство и способы, описанные в настоящем документе, могут использоваться также и в морской окружающей среде, например, при подводной добыче полезных ископаемых.
[0020] На Фиг. 2 представлена схема, иллюстрирующая вид в перспективе примера узла забойного двигателя 200. Узел забойного двигателя 200 встроен в бурильную колонну 202 над бурильной головкой 204 и обеспечивает вращение бурильной головки 204 на конце бурильной колонны 202. Узел забойного двигателя 200 содержит верхний переводник 206, соединяющий узел забойного двигателя 200 с бурильной колонной 202. Силовая секция 208, состоящая из ротора (не проиллюстрирован) и статора (не проиллюстрирован), соединена с верхним переводником 206. Во время работы узла забойного двигателя 200 буровой раствор пропускается через силовую секцию 208, приводя к вращению ротора внутри статора. Когда бурильная головка 204 входит в контакт с пластом F для бурения, крутящий момент должен вращать бурильную головку 204, находящуюся в контакте с пластом F.
[0021]  Ротор в силовой секции 208 соединен с приводным валом, расположенным внутри узла приводного вала 210, для передачи крутящего момента с ротора на приводной вал для вращения бурильной головки 204. В частности, выводной вал ротора соединен с верхним концом приводного вала посредством шарнирного соединения 212 для передачи вращения ротора на бурильную головку 204 через подшипниковый узел 214. В этом примере подшипник в сборе 214 вращательно поддерживает выводной вал (не проиллюстрирован), передающий вращение и крутящий момент на бурильную головку 204 для бурения ствола скважины.
[0022]  Силовая секция 208 узла забойного двигателя 200 в данном примере может содержать буровой двигатель объемного типа, обеспечивающий требуемую скорость вращения и крутящий момент для бурения скважин. Например, буровой двигатель может быть аналогичным буровому двигателю объемного типа SPERRYDRILL™, выпускаемому компанией Halliburton Energy Services, Inc. из Хьюстона, штат Техас, США. Однако в других примерах могут использоваться и другие виды буровых двигателей (например, другие объемные двигатели, турбинные двигатели и т.п.). Это описание применимо к буровому двигателю объемного типа; однако узел забойного двигателя 200 не ограничивается буровыми двигателями объемного типа и может содержать, к примеру, турбобуры, в которых движение ротора является планетарным.
[0023]  В режиме работы ротор вращается или обращается вокруг центральной продольной оси корпуса статора, причем ось ротора и ось статора остаются параллельными друг другу. В то же время ротор также вращается вокруг собственной продольной оси. Таким образом, вращение ротора в буровых двигателях объемного типа является эксцентричным относительно оси бурильной колонны 202 и приводного вала из узла приводного вала 210, к которому присоединен ротор. Эксцентричное вращение ротора можно сделать осевым и преобразовать в планетарное вращение для передачи на узел приводного вала 210. Соответственно, шарнирное соединение 212 используется для соединения выводного вала ротора с приводным валом узла приводного вала 210, причем вращение и крутящий момент могут передаваться с ротора на приводной вал независимо от того, что оси выводного вала ротора и приводного вала могут быть неколлинеарными.
[0024] Согласно ссылке на Фиг. 3, на которой проиллюстрировано покомпонентное изображение примера шарнирного соединения для передачи эксцентричного вращения с ротора. В данном примере шарнирное соединение представляет собой шарнир равных угловых скоростей 300, содержащий пять элементов 302, 304, 306, 308 и 310, соединенных последовательно. Каждый из этих пяти элементов 302, 304, 306, 308 и 310 имеет отверстие 312, сквозь которое проходят продольные оси каждого элемента. В данном примере соединительный элемент 314 пересекает отверстия, сквозь которые проходят продольные оси элементов 302, 304, 306, 308 и 310 для обеспечения механического соединения этих элементов. Следует отметить, что для соединительного элемента 314 и отверстий, которые пересекает соединительный элемент 314, предусмотрен зазор для обеспечения свободы движения элементов 302, 304, 306, 308 и 310. Величина этого зазора зависит от желаемого максимального эксцентриситета между продольными осями. Соединительный элемент 314 содержит, к примеру, проволоку, эластичную ленту, винтовую пружину или любое другое механическое средство приложения сжимающей силы между элементами 302, 304, 306, 308 и 310 для их соединения друг с другом аксиально при сжатии и минимизации расстояния между элементами 302, 304, 306, 308 и 310 при наличии аксиальной растягивающей нагрузки. В некоторых вариантах реализации изобретения в качестве замены и/или дополнения к соединительному элементу 314 для соединения элементов 302, 304, 306, 308 и 310 вместе может использоваться внешний крепеж (не проиллюстрирован). В качестве альтернативного варианта, соединительный элемент 314 может не использоваться в шарнире равных угловых скоростей 300, если условия эксплуатации приводят к постоянному наличию сжимающей силы между элементами, и для предотвращения отдаления элементов 302, 304, 306, 308 и 310 друг от друга соединительный элемент 314 больше не требуется.
[0025] Элемент 302 имеет продольную ось и содержит первый конец и второй конец напротив первого конца. На первом конце элемента 302 имеется внешний коннектор 316, обеспечивающий соединение с секцией, находящейся выше по скважине относительно шарнира равных угловых скоростей 300. В данном примере внешний коннектор 316 содержит соединение «многоугольником», резьбовое или шлицевое соединение для передачи крутящего момента с выводного вала (не проиллюстрирован) ротора на шарнир равных угловых скоростей 300. На втором конце элемента 302 имеется паз 318 (например, в форме преимущественно направленной вовнутрь выемки), который соединяется с промежуточным элементом 304. Паз 318 сориентирован преимущественно поперек полукруглого отверстия на втором конце элемента 302.
[0026] Элемент 310 имеет продольную ось и содержит первый конец и второй конец напротив первого конца. На первом конце элемента 310 имеется шпунт 320 (например, в форме преимущественно направленного наружу выступа), который соединяется с промежуточным элементом 308. Шпунт 320 сориентирован преимущественно поперек выступа в форме полусферы на первом конце элемента 310. Второй конец элемента 310 содержит внешний коннектор 322, обеспечивающий соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнира равных угловых скоростей 300. В данном примере внешний коннектор 322 содержит соединение «многоугольником», резьбовое или шлицевое соединение для передачи крутящего момент с шарнира равных угловых скоростей 300 на приводной вал (не проиллюстрирован) узла приводного вала.
[0027]  Хотя в примере, проиллюстрированном на Фиг. 3, шарнир равных угловых скоростей 300 описан как сориентированный таким образом, что внешний коннектор 316 обеспечивает соединение с секцией, расположенной выше по скважине относительно шарнира равных угловых скоростей 300, а внешний коннектор 322 обеспечивает соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнира равных угловых скоростей 300, следует отметить, что эти направления являются взаимозаменяемыми. В некоторых вариантах реализации изобретения внешний коннектор 316 обеспечивает соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнира равных угловых скоростей 300, а внешний коннектор 322 обеспечивает соединение с секцией, расположенной выше по скважине относительно шарнира равных угловых скоростей 300, такой как двигатель или другой инструментальный модуль.
[0028]  Каждый из промежуточных элементов 304, 306 и 308 имеет шпунт 320 (например, в форме преимущественно направленного наружу выступа) на первом конце и паз 318 (например, в форме преимущественно направленной вовнутрь выемки) на втором конце этих промежуточных элементов. Дополнительно ссылаясь на Фиг.  4A-4B и продолжая ссылаться на Фиг. 3, приводимый в качестве примера промежуточный элемент (например, один из промежуточных элементов 304, 306 и 308) репрезентативно проиллюстрирован отдельно от остальной части шарнира равных угловых скоростей 300. На Фиг. 4A-4B проиллюстрированы боковая вертикальная проекция и вид в перспективе промежуточного элемента, соответственно.
[0029]  Шпунт 320 сориентирован преимущественно поперек выступа в форме полусферы 402 на первом конце промежуточного элемента. Паз 318 сориентирован преимущественно поперек полукруглого отверстия 404 на втором конце промежуточного элемента. Следует отметить, что шпунт 320 на первом конце и паз 318 на втором конце сориентированы не соосно друг другу внутри каждого промежуточного элемента. В данном примере шпунт 320 и паз 318 смещены с поворотом на девяносто градусов относительно друг друга. В других примерах шпунт 320 и паз 318 не обязательно должны быть расположены перпендикулярно друг другу, а могут быть смещены относительно друг друга на любое количество градусов.
[0030]  Шпунты 320 и пазы 318 элементов 302, 304, 306, 308 и 310 соединяются друг с другом через полукруглые отверстия и выступы в форме полусферы соответствующих прилегающих к ним элементов, образуя шарнир. Таким образом, пять элементов 302, 304, 306, 308 и 310, соединенные последовательно, образуют четыре шарнира, связывающих элементы вместе и обеспечивающих определенную степень свободы движения всех элементов относительно друг друга. Например, выступ в форме полусферы промежуточного элемента 304 входит в полукруглое отверстие элемента 302 таким образом, что шпунт 320 входит в паз 318. Это обеспечивает возможность передачи вращения и крутящего момента с элемента 302 на промежуточный элемент 304 посредством шпунтового соединения шпунта 320 и паза 318, в то время как элемент 302 вращается вокруг своей продольной оси. В то же время шпунт 320 может поворачиваться, находясь в шарнирном сочленении с пазом 318. Следовательно, промежуточный элемент 304 не обязательно должен иметь общую продольную ось с элементом 302. Таким образом, шарниры обеспечивают встроенные шпунтовые и пазовые соединения для переноса крутящего момента и дополнительно обеспечивают свободу движения, позволяющую преобразовывать вращение вокруг одной продольной оси во вращение вокруг другой продольной оси, несоосной с первой продольной осью.
[0031] Дополнительно ссылаемся на Фиг. 5A-5B, на которых проиллюстрирован шарнир равных угловых скоростей в сборе. На Фиг. 5A-5B проиллюстрированы вид сбоку в поперечном разрезе и боковая вертикальная проекция шарнира равных угловых скоростей в сборе 500, соответственно. Следует отметить, что элементы 302, 304, 306, 308 и 310 шарнира равных угловых скоростей в сборе 500 не все расположены вдоль одной и той же осевой линии. Например, продольная ось 502 элемента 302 смещена относительно продольной оси 504 элемента 310. В данном примере присутствует эксцентриситет величиной 5,1 мм (0,2 дюйма) между элементами 302 и 310 в рамках шарнира равных угловых скоростей в сборе 500. Эксцентриситет означает степень смещения относительно общей продольной оси элементов. Степень эксцентриситета может быть выражена как разница между входной продольной осью элемента 302 и выходной продольной осью элемента 310. Хотя в примере на Фиг. 5A-5B проиллюстрирован эксцентриситет примерно 5,1 мм (0,2 дюйма), передача крутящего момента между соединениями с большим и меньшим эксцентриситетами является целесообразной.
[0032]  Допуская наличие эксцентриситета между осями, шарнир равных угловых скоростей 500 способен принимать s-образную форму и передавать крутящий момент между двумя скрещивающимися прямыми. Другими словами, передающие оси (например, продольные оси элементов 302 и 310) не обязательно должны лежать в общей плоскости или пересекаться. В ходе эксплуатации один элемент (например, элемент 310) соединяется со скважинным переводником и может подвергаться вращению вокруг фиксированной оси вращения, такой как ось, связанная с бурильной головкой. Другой элемент (например, элемент 302) соединяется с ротором в силовой секции и подвергается вращению по круговой траектории вокруг фиксированной оси вращения. Таким образом, эксцентричное движение в силовой секции узла забойного двигателя, предусмотренного на входе в элемент 302, может передаваться в виде концентрического усилия на бурильную головку посредством элемента 310.
.
[0033]  Шарнир равных угловых скоростей, описанный в настоящем изобретении, может быть короче, чем другие шарнирные соединения, известные в данной области техники. В примере, проиллюстрированном на Фиг. 5A-5B, шарнир равных угловых скоростей 500 имеет внешний диаметр (OD) 7,6 см (3 дюйма) и длину 38,1 см (15 дюймов). Перегрузочная способность по крутящему моменту такого приводимого в качестве примера шарнира равных угловых скоростей 500 с внешним диаметром 7,6 см (3 дюйма) и длиной 38,1 см (15 дюймов) составляет примерно 8100 нм (6000 фунтов силы-фут). Перегрузочная способность по крутящему моменту может быть изменена посредством изменения размеров шпунта 320 и паза 318. Например, использование шпунта и паза большего размера обычно повышает перегрузочную способность по крутящему моменту, в то время как использование шпунта и паза меньшего размера обычно снижает перегрузочную способность по крутящему моменту.
[0034]  В примерах, проиллюстрированных на Фиг. 3 – Фиг. 5B, шарнир равных угловых скоростей содержит три промежуточных элемента 304, 306 и 308, расположенных между элементами 302 и 310, но в других примерах для обозначения этих промежуточных элементов могут использоваться другие номера. В альтернативном варианте реализации на Фиг. 6 проиллюстрирована боковая вертикальная проекция шарнирного соединения с одним промежуточным элементом. Шарнирное соединение 600 содержит три элемента 602, 604 и 606, соединенных последовательно. Каждый из этих трех элементов 602, 604 и 606 имеет отверстие (не проиллюстрировано), сквозь которое проходят продольные оси каждого элемента. Соединительный элемент пересекает отверстия, сквозь которые проходят продольные оси элементов 602, 604 и 606 для обеспечения механического соединения этих элементов. Следует отметить, что для соединительного элемента и отверстий, которые пересекает соединительный элемент, предусмотрен зазор для обеспечения свободы движения элементов 602, 604 и 606. Величина этого зазора зависит от желаемого максимального эксцентриситета между продольными осями. Соединительный элемент содержит, к примеру, проволоку, эластичную ленту, винтовую пружину или любое другое механическое средство приложения сжимающей силы между элементами 602, 604 и 606 для их соединения друг с другом аксиально при сжатии и минимизации расстояния между элементами 602, 604 и 606 при наличии аксиальной растягивающей нагрузки.
[0035] Элемент 602 имеет продольную ось 608 и содержит первый конец и второй конец напротив первого конца. На первом конце элемента 602 имеется внешний коннектор 610, обеспечивающий соединение с секцией, находящейся выше по скважине относительно шарнирного соединения 600. В данном примере внешний коннектор 610 содержит соединение «многоугольником», резьбовое или шлицевое соединение для передачи крутящего момента с выводного вала (не проиллюстрирован) ротора на шарнирное соединение 600. На втором конце элемента 602 имеется паз (например, обычно в форме направленной вовнутрь выемки), который соединяется с промежуточным элементом 604. Паз сориентирован преимущественно поперек полукруглого отверстия на втором конце элемента 602.
[0036] Элемент 606 имеет продольную ось 612 и содержит первый конец и второй конец напротив первого конца. На первом конце элемента 606 имеется шпунт (например, обычно в форме направленного наружу выступа), который соединяется с промежуточным элементом 604. Шпунт сориентирован преимущественно поперек выступа в форме полусферы на первом конце элемента 606. Второй конец элемента 606 содержит внешний коннектор 614, обеспечивающий соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнирного соединения 600. В данном примере внешний коннектор 614 содержит соединение «многоугольником», резьбовое или шлицевое соединение для передачи крутящего момент с шарнирного соединения 600 на приводной вал (не проиллюстрирован) узла приводного вала.
[0037]  Хотя в примере, проиллюстрированном на Фиг. 6, шарнирное соединение 600 описано как сориентированное таким образом, что внешний коннектор 610 обеспечивает соединение с секцией, расположенной выше по скважине относительно шарнирного соединения 600, а внешний коннектор 614 обеспечивает соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнирного соединения 600, следует отметить, что эти направления являются взаимозаменяемыми. В альтернативном варианте реализации внешний коннектор 610 обеспечивает соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнирного соединения 600, а внешний коннектор 614 обеспечивает соединение с секцией, расположенной выше по скважине относительно шарнирного соединения 600, такой как двигатель или другой инструментальный модуль.
[0038]  Аналогично промежуточным элементам, описанным выше со ссылкой на Фиг. 4, промежуточный элемент 604 содержит шпунт (например, обычно в форме направленного наружу выступа) на первом конце и паз (например, обычно в форме направленной вовнутрь выемки) на втором конце промежуточного элемента 604. Три элемента 602, 604 и 606, соединенные последовательно, содержат два шарнира, которые соединяют элементы вместе и обеспечивают определенную степень свободы движения элементов относительно друг друга. Такая конфигурация шарнирного соединения 600 с двумя шарнирами делает возможным две степени свободы перемещения в трехмерном пространстве. Следует отметить, что элементы 602, 604 и 606 шарнирного соединения 600 не все расположены вдоль одной и той же осевой линии. Например, продольная ось 608 элемента 602 смещена относительно продольной оси 612 элемента 606.
[0039] В альтернативном варианте реализации изобретения оба элемента 602 и 606 имеют первый конец, содержащий шпунт (например, обычно в форме направленного наружу выступа), который соединяется с промежуточным элементом 604, и второй конец, содержащий внешний коннектор. В этом примере и первый конец, и второй конец промежуточного элемента 604 имеют паз (например, обычно в форме направленной вовнутрь выемки), который соединяется со шпунтом элементов 602 и 606.
[0040] В еще одном альтернативном варианте реализации изобретения оба элемента 602 и 606 имеют первый конец, содержащий паз (например, обычно в форме направленной вовнутрь выемки), который соединяется с промежуточным элементом 604, и второй конец, содержащий внешний коннектор. В этом примере и первый конец, и второй конец промежуточного элемента 602 имеет шпунт (например, обычно в форме направленного наружу выступа), который соединяется с пазами элементов 602 и 606.
[0041] На Фиг. 7 проиллюстрирована боковая вертикальная проекция шарнирного соединения с двумя промежуточными элементами. Шарнирное соединение 700 содержит четыре элемента 702, 704, 706 и 708, соединенных последовательно. Каждый из этих четырех элементов 702, 704, 706 и 708 имеет отверстие (не проиллюстрировано), сквозь которое проходят продольные оси каждого элемента. Соединительный элемент пересекает отверстия, сквозь которые проходят продольные оси элементов 702, 704, 706 и 708 для обеспечения механического соединения этих элементов. Следует отметить, что для соединительного элемента и отверстий, которые пересекает соединительный элемент, предусмотрен зазор для обеспечения свободы движения элементов 702, 704, 706 и 708. Величина этого зазора зависит от желаемого максимального эксцентриситета между продольными осями. Соединительный элемент содержит, к примеру, проволоку, эластичную ленту, винтовую пружину или любое другое механическое средство приложения сжимающей силы между элементами 702, 704, 706 и 708 для их соединения друг с другом аксиально при сжатии и минимизации расстояния между элементами 702, 704, 706 и 708 при наличии аксиальной растягивающей нагрузки.
[0042] Элемент 702 имеет продольную ось 710 и содержит первый конец и второй конец напротив первого конца. На первом конце элемента 710 имеется внешний коннектор 712, обеспечивающий соединение с секцией, находящейся выше по скважине относительно шарнирного соединения 700. В данном примере внешний коннектор 712 содержит соединение «многоугольником», резьбовое или шлицевое соединение для передачи крутящего момента с выводного вала (не проиллюстрирован) ротора на шарнирное соединение 700. На втором конце элемента 702 имеется паз (например, преимущественно в форме направленной вовнутрь выемки), который соединяется с промежуточным элементом 704. Паз сориентирован преимущественно поперек полукруглого отверстия на втором конце элемента 702.
[0043] Элемент 708 имеет продольную ось 714 и содержит первый конец и второй конец напротив первого конца. На первом конце элемента 708 имеется шпунт (например, обычно в форме направленного наружу выступа), который соединяется с промежуточным элементом 706. Шпунт сориентирован преимущественно поперек выступа в форме полусферы на первом конце элемента 708. Второй конец элемента 708 содержит внешний коннектор 716, обеспечивающий соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнирного соединения 700. В данном примере внешний коннектор 716 содержит соединение «многоугольником», резьбовое или шлицевое соединение для передачи крутящего момент с шарнирного соединения 700 на приводной вал (не проиллюстрирован) узла приводного вала.
[0044]  Хотя в примере, проиллюстрированном на Фиг. 7, шарнирное соединение 700 описано как сориентированное таким образом, что внешний коннектор 712 обеспечивает соединение с секцией, расположенной выше по скважине относительно шарнирного соединения 700, а внешний коннектор 716 обеспечивает соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнирного соединения 700, следует отметить, что эти направления являются взаимозаменяемыми. В альтернативном варианте реализации изобретения внешний коннектор 712 обеспечивает соединение с секцией, расположенной ниже по скважине относительно шарнирного соединения 700, а внешний коннектор 716 обеспечивает соединение с секцией, расположенной выше по скважине относительно шарнирного соединения 700, такой как двигатель или другой инструментальный модуль.
[0045]  Аналогично промежуточным элементам, описанным выше со ссылкой на Фиг. 4, каждый из промежуточных элементов 704 и 706 содержит шпунт (например, обычно в форме направленного наружу выступа) на первом конце и паз (например, обычно в форме направленной вовнутрь выемки) на втором конце промежуточного элемента 704 и 706. Четыре элемента 702, 704, 706 и 708, соединенные последовательно, содержат три шарнира, которые соединяют элементы вместе и обеспечивают определенную степень свободы движения элементов относительно друг друга. Такая конфигурация шарнирного соединения 700 с тремя шарнирами обеспечивает три степени свободы перемещения в трехмерном пространстве. Следует отметить, что элементы 702, 704, 706 и 708 шарнирного соединения 700 не все расположены вдоль одной и той же осевой линии. Например, продольная ось 710 элемента 702 смещена относительно продольной оси 714 элемента 708.
[0046]  Хотя вариант реализации изобретения, проиллюстрированный на Фиг. 3-7, содержит по одному шпунту и пазу для каждого элемента; другие варианты реализации могут предусматривать множественные наборы шпунтов и пазов. Например, на Фиг. 8 проиллюстрирован вид в перспективе конфигурации шарнирного узла с тремя шпунтами и пазами для каждого элемента. На этой проекции видно, что первый конец элемента 802 содержит три шпунта 804 (например, обычно в форме направленного наружу выступа), соединяющиеся с примыкающим элементом 806. Шпунты 804 сориентированы преимущественно поперек выступа в форме полусферы на первом конце элемента 802. Элемент 806 содержит три паза 808 (например, обычно в форме направленной вовнутрь выемки), которые соединяются с элементом 802. Эти пазы 808 сориентированы преимущественно поперек полукруглого отверстия на конце элемента 806. Это увеличение количества шпунтов и пазов увеличивает площадь места соединения между элементами и повышает перегрузочную способность по крутящему моменту шарнирного узлового.
[0047]  На Фиг. 9 представлена блок-схема, иллюстрирующая некоторые способы шарнирного соединения в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Могут быть претворены в жизнь многие варианты реализации изобретения, например, способ 900 может начинаться на блоке 902 с позиционированием промежуточных элементов между первым и вторым концевым элементом. Например, первый концевой элемент содержит паз на первом конце и отверстие, сквозь которое проходит продольная ось первого концевого элемента. Второй концевой элемент содержит шпунт на первом конце и также содержит отверстие, сквозь которое проходит продольная ось второго концевого элемента. Каждый из промежуточных элементов содержит паз на первом конце и шпунт на втором конце, сориентированные преимущественно перпендикулярно друг другу, а также содержит отверстие, сквозь которое проходит продольная ось каждого соответствующего промежуточного элемента.
[0048]  В блоке 902 первый концевой элемент присоединен ко второму концевому элементу посредством пропускания соединительного элемента через отверстия вдоль продольных осей элементов. Может прилагаться сжимающая сила с использованием соединительного элемента для уменьшения расстояния между первым концевым элементом, вторым концевым элементом и промежуточными элементами при наличии растягивающей нагрузки, распределенной вдоль продольной оси, по меньшей мере, одного из первого, второго или промежуточных элементов. В альтернативном варианте реализации изобретения третий промежуточный элемент может быть расположен между первым и вторым концевыми элементами до соединения первого и второго концевых элементов при помощи соединительного элемента. Аналогично другим промежуточным элементам, третий промежуточный элемент содержит паз на первом конце и шпунт на втором конце, сориентированные преимущественно перпендикулярно друг другу, а также содержит отверстие, сквозь которое проходит продольная ось каждого соответствующего промежуточного элемента.
[0049]  В блоке 906 первый элемент бурильной колонны, выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения для передачи крутящего момента на второй элемент бурильной колонны, выполненный с возможностью вращения по круговой траектории вокруг оси вращения, соединяют со вторым концом первого или второго элемента для вращения вместе с ним. Например, один концевой элемент соединяется со скважинным переводником и может подвергаться вращению вокруг фиксированной оси вращения, такой как ось, связанная с бурильной головкой. Другой элемент соединяется с ротором в силовой секции и подвергается вращению по круговой траектории вокруг фиксированной оси вращения. Таким образом, эксцентрическое движение в силовой секции узла забойного двигателя, предусмотренного на входе одного элемента, может передаваться в виде концентрического усилия на бурильную головку посредством другого элемента. В блоке 908 первый и второй элементы могут вращаться для передачи крутящего момента вдоль несоосных продольных осей.
[0050] Как описано в настоящем изобретении, шарниры равных угловых скоростей могут быть реализованы в виде устройства, содержащего первый элемент, который имеет паз на первом конце первого элемента и отверстие, сквозь которое проходит продольная ось первого элемента, второй элемент, который имеет шпунт на первом конце второго элемента и отверстие, сквозь которое проходит продольная ось второго элемента, и два промежуточных элемента, которые расположены между первым и вторым элементами. Каждый промежуточный элемент содержит паз на первом конце и шпунт на втором конце промежуточных элементов, при этом каждый промежуточный элемент имеет отверстие, сквозь которое проходит продольная ось каждого промежуточного элемента. Паз на первом конце и шпунт на втором конце каждого промежуточного элемента ориентированы не соосно друг другу. Это устройство содержит соединительный элемент для механического соединения первого и второго элементов, отличающийся тем, что этот соединительный элемент пересекает отверстия, сквозь которые проходят продольные оси первого элемента, второго элемента и промежуточных элементов. В некоторых вариантах реализации изобретения это устройство содержит третий промежуточный элемент, расположенный между первым и вторым элементами, и этот третий элемент имеет паз на первом конце и шпунт на втором конце. Третий промежуточный элемент имеет отверстие, сквозь которое проходит продольная ось третьего промежуточного элемента. Паз на первом конце и шпунт на втором конце третьего промежуточного элемента ориентированы преимущественного перпендикулярно друг другу.
[0051]  Пазы первого элемента и промежуточных элементов могут быть проходить преимущественно поперек углубления на первом конце первого элемента и промежуточных элементов. Аналогичным образом, шпунт второго элемента проходит преимущественно поперек выступа на первом конце второго элемента, а шпунты двух промежуточных элементов проходят преимущественно поперек выступа на вторых концах двух промежуточных элементов. Пазы на первом конце первого элемента или второго элемента входят в зацепление со шпунтом на втором конце одного из промежуточных элементов, образуя шарнирное соединение. Паз на первом конце одного из промежуточных элементов также входит в соединение со шпунтом на втором конце другого промежуточного элемента. Таким образом, второй конец, по меньшей мере, одного из первого и второго элементов обеспечивает соединение с забойным двигателем для передачи крутящего момента от двигателя на устройство.
[0052]  В другом варианте реализации изобретения шарнир равных угловых скоростей также может быть воплощен в виде устройства для передачи крутящего момента, содержащего первый элемент, который имеет паз на первом конце первого элемента и отверстие, сквозь которое проходит продольная ось первого элемента, второй элемент, который имеет шпунт на первом конце второго элемента и отверстие, сквозь которое проходит продольная ось второго элемента, и два промежуточных элемента, которые расположены между первым и вторым элементами. Каждый промежуточный элемент содержит паз на первом конце и шпунт на втором конце промежуточного элемента, а также имеет отверстие, сквозь которое проходит продольная ось каждого промежуточного элемента. Паз на первом конце и шпунт на втором конце каждого промежуточного элемента ориентированы преимущественного перпендикулярно друг другу. Это устройство также содержит первый элемент бурильной колонны, выполненный с возможностью вращения вокруг оси вращения для передачи крутящего момента со второго элемента бурильной колонны, выполненного с возможностью вращения по круговой траектории вокруг оси, при этом второй конец первого или второго элемента соединяется с первым элементом бурильной колонны для вращения вместе с ним. В некоторых вариантах реализации изобретения это устройство содержит третий промежуточный элемент, расположенный между первым и вторым элементами, и этот третий элемент имеет паз на первом конце и шпунт на втором конце. Третий промежуточный элемент имеет отверстие, сквозь которое проходит продольная ось третьего промежуточного элемента. Паз на первом конце и шпунт на втором конце третьего промежуточного элемента ориентированы преимущественного перпендикулярно друг другу.
[0053]  Соединительный элемент обеспечивает механическое соединение первого и второго элементов, при этом соединительный элемент пересекает отверстия вдоль продольных осей первого элемента, второго элемента и промежуточных элементов. Соединительный элемент содержит проволоку для приложения сжимающей силы между первым и вторым элементами. Между соединительным элементом и отверстиями, которые пересекает соединительный элемент, имеется зазор, размер которого основан, по меньшей мере, частично, на требуемом максимальном эксцентриситете осей.
[0054]  Второй конец первого или второго элемента обеспечивает соединение с забойным двигателем для передачи крутящего момента с двигателя на устройство. Это соединение представляет собой соединение «многоугольником», резьбовое или шлицевое соединение. Таким образом, когда шпунты и пазы элементов и промежуточных элементов входят в зацепление друг с другом, образуя шарнирное соединение, крутящий момент может передаваться с двигателя на устройство.
[0055]  Вкратце, шарниры равных угловых скоростей, описанные в настоящем документе, обеспечат больший крутящий момент в скважине, чем обычные шарнирные соединения. В результате может быть достигнуто повышение надежности, скорости работы и, соответственно, более высокий уровень удовлетворенности клиентов.
[0056]  Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты реализации, приводимые в качестве примера, будет очевидно, что в эти варианты реализации могут вноситься различные модификации и изменения без отступления от более широкого смысла и объема изобретения. Соответственно, техническому описанию и чертежам следует придавать иллюстративный, а не ограничивающий смысл.
[0057]  В настоящем описании ссылки на «один вариант реализации» или «вариант реализации», или на «один пример» или «пример» означают, что характеристика, о которой идет речь, включена или может быть включена, по меньшей мере, в один вариант реализации или пример изобретения. Отдельные ссылки на «вариант реализации» или «один вариант реализации», или на «один пример» или «пример» в настоящем описании не обязательно указывают на один и тот же вариант реализации изобретения или пример; однако, такие варианты реализации изобретения и не являются взаимоисключающими, если не указано обратное, или как это будет очевидно для специалистов в данной области, которые ознакомятся с настоящим описанием. Таким образом, настоящее изобретение содержит разнообразные комбинации и/или интеграции вариантов реализации и примеров, описанных в настоящем документе, а также дополнительные варианты реализации изобретения и примеры, определенные во всех пунктах формулы изобретения на основании настоящего изобретения, а также во всех правовых эквивалентах таких пунктов формулы изобретения.
[0058]  Хотя вариант реализации изобретения был описан со ссылкой на конкретные примеры вариантов реализации, будет очевидно, что в эти варианты реализации изобретения могут быть внесены различные модификации и изменения без отступления от более широкого смысла и объема изобретения. Соответственно, техническому описанию и чертежам следует придавать иллюстративный, а не ограничивающий смысл. Сопроводительные графические материалы, являющиеся частью настоящего документа, показывают в виде иллюстраций, но без ввода ограничений, конкретные варианты реализации изобретения, в которых может быть осуществлен на практике объект изобретения. Проиллюстрированные варианты реализации изобретения описаны с детализацией, достаточной для предоставления специалистам в данной области возможности практического осуществления изложенных здесь идей. Другие варианты реализации могут использоваться и формироваться на их основе с возможностью внесения конструкционных и логических замен и изменений без отклонения от объема данного изобретения. Поэтому данному подробному описанию не следует придавать ограничивающий смысл, и объем различных вариантов реализации определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения, а также полным диапазоном действия эквивалентов, которые законно приданы данной формуле.
[0059] Такие варианты реализации объекта изобретения могут обозначаться в настоящем документе, по отдельности и/или совместно, термином «изобретение» просто для удобства и без намерения умышленно ограничить объем настоящей заявки каким-либо одним изобретением или одной идеей изобретения, если фактически раскрывается более одной. Таким образом, несмотря на то, что в настоящем документе были проиллюстрированы и описаны конкретные варианты реализации изобретения, следует понимать, что любая конструкция, рассчитанная на достижение такой же цели, может быть подставлена вместо представленных конкретных вариантов реализации. Настоящее раскрытие изобретения призвано охватить любые и все адаптации или вариации различных вариантов реализации изобретения. Комбинации описанных выше вариантов реализации изобретения, а также других вариантов реализации, конкретно не описанных в настоящей заявке, будут очевидны для специалистов в данной области после изучения приведенного выше описания.