РЕГУЛИРУЕМЫЙ ЗАБОЙНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННОГО БУРЕНИЯ
ADJUSTABLE BOTTOM-HOLE ENGINE FOR DIRECTIONAL DRILLING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к нефтепромысловому оборудованию и, в частности, к скважинным инструментам.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Управляемую систему бурения используют для бурения отклоненного ствола скважины от прямого участка ствола скважины. В управляемых системах бурения обычно используют забойный двигатель (гидравлический забойный двигатель), приводимый в действие посредством бурового раствора, нагнетаемого с поверхности для вращения бурового долота. Обычно используют гидравлический забойный двигатель, работающий по принципу Муано, в котором использован спиральный ротор, приводимый в действие давлением текучей среды, проходящей между ротором и статором. Такие гидравлические забойные двигатели выполнены с возможностью обеспечения бурения с высоким крутящим моментом и низкой скоростью, обычно требуемого для управляемых применений.
В приведенном в качестве примера варианте реализации двигатель и долото опираются на бурильную колонну, отходящую от поверхности скважины. Двигатель выполнен с возможностью функционирования для вращения долота через рычажную передачу с постоянной скоростью (CV), проходящую через кривой переводник или изогнутый корпус, расположенный между секцией питания двигателя и подшипникового узла двигателя. В дополнение к размещению силовой передачи над изогнутым углом передача с постоянной скоростью (CV) обеспечивает возможность спиральной нутации секции питания гидравлического забойного двигателя.
Изогнутые корпусы (неподвижные или регулируемые) используют в качестве части гидравлического забойного двигателя для изменения направления бурового долота, осуществляющего бурение ствола скважины. Обычно изогнутый корпус обеспечивает перемещение положения инструмента, т.е. положения бурового долота, взаимодействующего с пластом, от 1 до 5 градусов от центральной линии бурильной колонны и ствола скважины, таким образом обеспечивая изменение направления ствола скважины.
Роторное бурение, при котором бурильную колонну вращают от установки на поверхности, используют для бурения прямых участков скважины. Гидравлический забойный двигатель и кривой переводник вращают посредством бурильной колонны, что приводит к незначительному увеличению скважины, подлежащей бурению. Однако для управления долотом оператор удерживает бурильную колонну от вращения и питает забойный двигатель для вращения долота. Выполненная без возможности вращения бурильная колонна и узел гидравлического забойного двигателя скользят вперед вдоль скважины во время проникновения. Во время операции скольжения изгиб направляет долото по направлению от оси скважины для обеспечения незначительно изогнутого участка скважины, причем изгиб обеспечивает требуемый угол отклонения или набора кривизны.
Гидравлические забойные двигатели обычно содержат изогнутый корпус, выполненный без возможности управления углом изгиба во время нахождения в скважине. Для изменения наклона изогнутого корпуса необходимо вытянуть изогнутый корпус из скважины (этот процесс называют “подъемом”) для изменения параметров наклона. Подъем из скважины увеличивает непроизводительное время. Предпочтительно наличие системы или механизма, позволяющего оператору изменять угол наклона изогнутого корпуса во время нахождения в скважине.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее варианты реализации описаны более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен вид в осевом сечении кривого переводника регулируемого скважинного гидравлического забойного двигателя, приводимого в действие от поверхности, и участка нижнего подшипника в соответствии с предпочтительным вариантом реализации, изображающим регулируемый изогнутый участок, в данном случае имеющий изгиб, составляющий нуль градусов, содержащий вал шарнира с постоянной скоростью для присоединения под верхней секцией питания гидравлического забойного двигателя;
на фиг. 2 представлена перспективная разобранная диаграмма изогнутого участка и участка нижнего подшипника, показанного на фиг. 1, изображающая узел батареи, узел электронного управления и блок смещения, содержащий узел линейного привода и поворотный подшипниковый узел, содержащийся в регулируемом изогнутом участке;
на фиг. 3A представлен вид в осевом сечении в увеличенном масштабе поворотного подшипникового узла блока смещения изогнутого участка, показанного на фиг. 1 и 2, изображающий внутреннее и наружное кольца, расположенные соосно;
на фиг. 3B представлен вид в осевом сечении в увеличенном масштабе поворотного подшипникового узла, показанного на фиг. 3A, изображающий внутреннее и наружное кольца, расположенные несоосно, для создания угла кривизны между изогнутым участком и участком нижнего подшипника, показанного на фиг. 1 и 2;
на фиг. 4 представлен перспективный вид блока смещения скважинного инструмента, показанного на фиг. 1, изображенного с вырезом в корпусе для представления внутренних компонентов, включая линейные приводы, талевый блок и подшипниковый узел;
на фиг. 5 представлен перспективный вид в увеличенном масштабе в осевом сечении линейных приводов, талевого блока и подшипникового узла, показанных на фиг. 4;
на фиг. 6 представлена диаграмма в разобранном виде снизу блока смещения, показанного на фиг. 4 и 5, изображающая поворотный подшипниковый узел, содержащий верхний и нижний шариковые упорные подшипники и центральный радиальный шариковый подшипник, электрические двигатели, удерживаемые в пределах кольца узла двигателя для вращения подающих винтов, независимые талевые блоки, перемещающиеся на подающих винтах и взаимодействующие с внутренним кольцом радиального шарикового подшипника, и кольцо талевого блока с пазами для предотвращения вращения талевых блоков при вращении подающих винтов;
на фиг. 7 представлена диаграмма в разобранном виде сверху блока смещения, показанного на фиг. 6; и
на фиг. 8 представлен вид в осевом сечении кривого переводника регулируемого скважинного гидравлического забойного двигателя, приводимого в действие от поверхности, и участка нижнего подшипника, показанного на фиг. 1, изображающий путь протекания текучей среды через них.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
На фиг. 1 и 2 изображен регулируемый скважинный гидравлический забойный двигатель 10, приводимый в действие от поверхности, в соответствии с предпочтительным вариантом реализации. В частности, на чертежах изображен регулируемый изогнутый участок 12 с узлом 14 вала с постоянной скоростью и участком 16 нижнего подшипника. Элементы известной секции питания гидравлического забойного двигателя могут быть включены, но они не изображены на фиг. 1. Подходящий пример гидравлического забойного двигателя включает гидравлический забойный двигатель, работающий по принципу Муано, хотя подходящим образом могут быть использованы другие секции питания, включая турбинные двигатели. Секция питания гидравлического забойного двигателя и узел 14 вала с постоянной скоростью могут быть выполнены в обычной форме и с обычной конструкцией, известной специалистам в данной области техники.
Изогнутый участок 12 содержит цилиндрический корпус 20, содержащий верхний резьбовой штыревой соединитель 22 для присоединения к статору (не показан) секции питания гидравлического забойного двигателя. Корпус 20 выполнен с возможностью приема трубчатого узла 30 батареи и трубчатого узла 40 электронного управления. Узел 30 батареи и узел 40 электронного управления определяют полый осевой канал 35, размещающий поток бурового раствора через инструмент и узел 14 вала с постоянной скоростью, с достаточным зазором для предполагаемой нутации и диапазона углов кривизны. Узел 30 батареи и узел 40 электронного управления питают и управляют несколькими электрическими линейными приводами в блоке 50 смещения в соответствии со следующим более подробным описанием.
Блок 50 смещения содержит узел 60 линейного привода, воздействующий на поворотный подшипниковый узел 70. Участок 16 нижнего подшипника по существу выполнен в обычной форме и с обычной конструкцией за исключением того, что он присоединен к регулируемому изогнутому участку 12 только через внутреннее кольцо 72 поворотного подшипникового узла 70, а не к корпусу 20, что является типичным. В частном варианте реализации участок 16 нижнего подшипника содержит корпус 18 нижнего подшипника, содержащий верхний конец 19, характеризующийся сужающимся диаметром, присоединенный посредством резьбы или другим способом к внутреннему кольцу 72.
На фиг. 3A и 3B описана эксплуатация поворотного подшипникового узла 70 в соответствии с предпочтительным вариантом реализации. По существу поворотный подшипниковый узел 70 является сферическим подшипниковым узлом, содержащим наружное кольцо 74, имеющее сферический профиль на радиусе вокруг центральной точки 71, в котором функционирует два ряда бочкообразных роликов 76. Бочкообразные ролики 76, в свою очередь, направлены внутренним кольцом 72. Сферические роликовые подшипники характеризуются большой производительностью для радиальных нагрузок и осевых нагрузок в любом из этих направлений. Необязательный радиальный подшипник, содержащий наружное кольцо 80, внутреннее кольцо 82 и ряд шариков 84, может быть расположен между верхним и нижним рядами бочкообразных роликов 76. Аналогично наружному кольцу 74 наружное кольцо 80 выполнено с профилем, проходящим по кругу вокруг центральной точки 71. Для направления роликов 76 и шариков 84 может быть необязательно использована клетка, что является известным в области техники конструкции подшипников. Аналогично, другие конфигурации подшипников, включая общую конструкцию и конфигурацию внутреннего и наружного колец, могут быть использованы подходящим образом при условии, что подшипник обеспечивает ограниченное расхождение осей между внутренним и наружным кольцами и выдерживает требуемые осевые и радиальные нагрузки.
Наружные кольца 74 и 80 вдавлены внутри корпуса 20. Верхний конец 19 корпуса 18 нижнего подшипника прикреплен к внутренним кольцам 72 и 82. На фиг. 3A внутреннее кольцо 72 и наружное кольцо 74 выполнены соосно таким образом, чтобы обеспечивать выравнивание корпуса 18 нижнего подшипника по оси с цилиндрическим корпусом 20 изогнутого участка. На фиг. 3B узел 60 линейного привода (фиг. 1 и 2) воздействует на внутренние кольца 72, 82 в направлениях, обозначенных стрелками 88, для обеспечения сгибания корпуса 18 нижнего подшипника под углом α относительно цилиндрического корпуса 20 изогнутого участка.
Хотя поворотный подшипниковый узел 70, как описано ранее, обеспечивает возможность относительного вращения между корпусом 20 изогнутого участка и участком 19 нижнего корпуса подшипника, в альтернативном варианте реализации может быть предоставлен подшипниковый узел, обеспечивающий возможность только шарнирного соединения между корпусом 20 изогнутого участка и участком 19 нижнего корпуса подшипника без вращения.
Со ссылкой на фиг. 4-7 блок 50 смещения содержит поворотный подшипниковый узел 70, как описано ранее. В частном изображенном варианте реализации поворотный подшипниковый узел 70 содержит верхний и нижний сферические шариковые упорные подшипники 90, 92 соответственно и центральный радиальный подшипник 94 со сферическим шариком. Наружное кольцо 74 верхнего упорного подшипника 90 не показано на фиг. 4 для отображения взаимодействия узла 60 линейного привода с внутренним кольцом 82 радиального подшипникового узла, как описано ранее. Внутреннее кольцо 72 нижнего упорного подшипника 92 присоединено к корпусу 18 нижнего подшипника через верхний утонченный участок 19.
Узел 60 линейного привода воздействует на внутреннее кольцо 82 радиального подшипника 94, обеспечивая поворот внутреннего кольца 72 нижних упорных подшипников 90, 92, верхнего утонченного участка 19 и корпуса 18 нижнего подшипника. Узел 60 линейного привода содержит один, но наиболее предпочтительно несколько линейных приводов 100, радиально расположенных вокруг центральной линии инструмента и обращенных для осевого перемещения. Каждый из линейных приводов выполнен с возможностью перемещения талевого блока 102, примыкающего и смещающего осевое усилие на внутреннее кольцо 82. В предпочтительном варианте реализации расстояние от верхней части инструмента 10 до точки взаимодействия талевого блока 102 с внутренним кольцом 82 меньше расстояния, измеренного от верхней части инструмента 10 до точки поворота поворотного подшипникового узла 70. Другими словами, линейные приводы воздействуют выше точки поворота в качестве рычага 1 класса для наклона нижнего корпуса.
Обеспечивается индивидуальное управление каждым приводом 100 для изменения относительного положения соответствующего ему талевого блока 102 и, следовательно, изгибания инструмента 10. Линейные приводы 100 принимают питание от узла 30 батареи и сигналы управления от узла 40 электронного управления через провода, проходящие через одно или большее количество пазов 42 для проводов (фиг. 4), выполненных в узле 30 батареи, узле 40 электронного управления и кольце 104 узла двигателя. В предпочтительном варианте реализации узел 40 электронного управления осуществляет непрерывное наблюдение текущих данных о положении инструмента. В случае изменения требований к положению инструмента узел 40 электронного управления отправляет сигналы управления к индивидуальным приводам 100 для достижения требуемого положения инструмента.
При наличии трех или большего количества линейных приводов 100 управление направлением наклона и углом наклона может быть осуществлено посредством системы изобретения. Может быть использован один привод 100, хотя такая конфигурация уменьшает возможность оператора управлять направлением наклона. В изображенном варианте реализации использованы четыре линейных привода 100. Хотя изображено четыре винта и талевых блока, в других вариантах реализации может быть использовано другое количество, причем большее количество увеличивает возможность оператора управлять направлением наклона.
В предпочтительном варианте реализации каждый линейный привод 100 в целом содержит электрический двигатель 108, выполненный с возможностью вращения подающего винта 110. Талевый блок 102 имеет резьбу и выполнен с возможностью перемещения на подающем винте 110 при вращении двигателя 108. Электрические двигатели 108 предпочтительно установлены в кольце 104 узла двигателя. Кольцо 120 талевого блока расположено под кольцом 104 узла двигателя. Кольцо 120 талевого блока содержит отверстия 122, образованные в нем, через которые проходят подающие винты 110. Внутренняя стенка кольца 120 талевого блока содержит пазы 124, образованные в ней, а талевые блоки 102 содержат дополнительные осевые ребра 126, выполненные с возможностью скольжения внутри пазов 124 для предотвращения вращения талевых блоков 102 при вращении подающих винтов 110.
Хотя изображены электрические двигатели 108 и подающие винты 110, в других вариантах реализации могут быть использованы другие типы линейных приводов 100, что является известным для специалистов в области механики.
Внутренний рукав 130 с О-образными кольцами или подобными уплотнениями 132 расположен внутри кольца 104 узла двигателя, кольца 120 талевого блока и внутреннего кольца 82 для направления бурового раствора и предотвращения его попадания в узел 60 линейного привода.
На фиг. 8 представлен вид в осевом сечении кривого переводника и участка нижнего подшипника регулируемого скважинного гидравлического забойного двигателя, приводимого в действие от поверхности, по фиг. 1, причем указатели 140 обозначают путь протекания текучей среды через них.
Реферат настоящего изобретения приведен исключительно для Ведомства США по патентам и товарным знакам и более широкой аудитории для быстрого определения сущности и сути технического описания из беглого прочтения и предоставляет только один или большее количество вариантов реализации.
Хотя различные варианты реализации были подробным образом описаны, настоящее описание не ограничено изображенными вариантами реализации. Специалистам в данной области техники будут понятны модификации и адаптации в раскрытых ранее вариантах реализации. Эти модификации и адаптации находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.