УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
PERCUSSION-ROTARY FACILITY (VERSIONS)

Настоящее изобретение относится к ударно-вращательному устройству, а в частности к ударно-вращательному устройству для использования в скважинах.
Заявитель предложил различные устройства для обеспечения сотрясения буровой колонны для нисходящих скважин для различных целей, см., например, патент США №6,279,670 и №6,439,318 и международные патентные заявки WO 02/20940 и РСТ/GB2004/004503, раскрытия которых содержатся здесь в виде ссылок.
В ударно-вращательных устройствах, описанных в патенте США 6,279,670, раскрыты конфигурации клапанов, обеспечивающие циклическое изменение в проходном сечении через клапан. Это, в свою очередь, создает пульсацию давления в потоке текучей среды через клапан, которая может быть использована для обеспечения энергией ударного инструмента. Чтобы поддерживать поток текучей среды через ударно-вращательное устройство, клапан никогда полностью не перекрывает траекторию потока.
Целью настоящего изобретения является создание улучшенного ударно-вращательного устройства.
По первому объекту настоящего изобретения создано ударно-вращательное устройство, содержащее корпус, приспособленный для монтажа на опорном элементе, объемный двигатель, имеющий статор и ротор, в котором при эксплуатации ротор колеблется, вращаясь и перемещаясь в поперечном направлении внутри статора, и клапан, включающий колеблющийся первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, причем каждый клапанный элемент образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент соединен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, при этом при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение через клапан, и по меньшей мере одно из отверстий клапанных элементов смещено от соответствующей основной продольной оси.
Ударно-вращательное устройство главным образом предназначено для использования в приспособлениях для создания скважин, таких как буровые скважины для доступа к подземным пластам, содержащим углеводороды, или для содействия прохождению труб, инструментов и устройств через скважины. Устройство может быть смонтировано на удлиненном опорном элементе для размещения в скважинах. Клапан может обеспечивать непрерывный, но переменный поток.
Смещение по меньшей мере одного из клапанных отверстий облегчает обеспечение большего отклонения между минимальным и максимальным проходными сечениями, образованными клапанными отверстиями, при сохранении большого максимального проходного сечения. Это помогает в получении большей пульсации давления для заданного падения давления через ударно-вращательное устройство. Обычно этого достигают выполнением отверстий таким образом, что по меньшей мере в одной конфигурации отверстия совмещены, так что максимальное проходное сечение соответствует проходному сечению одного или обоих отверстий. Это является противоположностью выполнения, в котором отверстия не смещены, в этой ситуации отверстие первого клапанного элемента при колебаниях ротора будет стремиться следовать по круговой траектории вокруг отверстия второго клапанного элемента, так что совмещение отверстий в нормальных условиях не предполагается.
Одно или оба отверстия могут быть круглыми, облегчая изготовление и сборку устройства, хотя при желании могут быть использованы другие формы.
Отверстия могут иметь одинаковые или похожие формы или размеры, и предпочтительно, чтобы по меньшей мере однажды во время поворота ротора отверстия совмещались таким образом, чтобы максимальное проходное сечение через клапан было таким же, как площадь открытия клапанного элемента, или похожим.
Предпочтительно, чтобы первый клапанный элемент был непосредственно соединен с ротором для обеспечения непосредственной передачи клапанному элементу вращательного и поперечного перемещения ротора.
Отверстие первого клапанного элемента может быть размещено на центральной или главной оси первого клапанного элемента, или примыкать к ней. Таким образом, при колебании элемента отверстие будет стремиться следовать, по существу, по круговой траектории. Обеспечением смещенного отверстия второго клапанного элемента, связанного с таким же несмещенным отверстием первого клапанного элемента, есть возможность обеспечить, чтобы во время каждого колебания отверстия один раз оказывались на одной линии. В таком воплощении частота изменения потока через клапан будет совпадать со скоростью двигателя.
Отверстие первого клапанного элемента может быть смещено; при этой конфигурации отверстие будет стремиться описывать эллиптическую траекторию, или может описывать, по существу, линейную поперечную траекторию. При использовании совместно со смещенным отверстием второго клапанного элемента отверстия могут один раз во время каждого колебания оказываться на одной линии. Однако если смещенный первый клапанный элемент используют совместно с отверстием второго клапанного элемента, расположенным на главной оси второго клапанного элемента или примыкающим к ней, отверстия во время каждого колебания могут дважды оказываться на одной линии. В таком воплощении частота изменения потока через клапан будет в два раза больше скорости двигателя.
Предпочтительно статор имеет главную продольную ось, а главная ось первого клапанного элемента смещена от оси статора. Для использования с несмещенным отверстием второго клапанного элемента отверстие первого клапанного элемента может быть смещено к оси статора. Центр отверстия первого клапанного элемента предпочтительно находится на радиусе клапанного элемента, ориентированного под углом от 185 до 225° к линии, соединяющей оси, а наиболее предпочтительно - под углом 210°. Такое отверстие клапанного элемента обеспечивает более эффективную работу. Однако там, где отверстие второго клапанного элемента смещено, центр отверстия первого клапанного элемента находится на радиусе, который совмещен с линии, соединяющей оси, под углом 0 или 180°, в зависимости от конструкции клапана. В таком случае ориентацию отверстия второго клапанного элемента выбирают такой, чтобы центры отверстий совмещались один раз во время каждого колебания первого клапанного элемента.
В воплощениях, в которых оба отверстия смещены, важно, чтобы отверстия были правильно выровнены для обеспечения совмещения отверстий. В одном из воплощений одно или оба отверстия выполнены в резьбовых вставках, и ориентацию отверстий можно контролировать ограничением хода вставок по резьбам, например, обеспечением прокладок разной толщины в выемках, принимающих вставки.
Отношение между максимальным и минимальным проходным сечением через клапан предпочтительно находится между 10:1 и 2,5:1. Когда минимальное проходное сечение относительно мало по отношению к максимальному проходному сечению, требуется относительно высокий перепад давления через двигатель для предотвращения остановки двигателя. Однако более высокий перепад давления увеличивает осевую нагрузку на двигатель и сопряженные детали и увеличивает трение между контактирующими частями. Меньшая разность между максимальным и минимальным проходными сечениями требует меньшего перепада давления, но также обеспечивает меньшую пульсацию давления.
Двигатель предпочтительно является двигателем, работающим по принципу Moineau. В таком двигателе работа двигателя требует обеспечения по меньшей мере одного полного шага статора, что соответствует единственной ступени. Предпочтительно двигатель имеет от одной до двух ступеней, и наиболее предпочтительно, чтобы число ступеней было больше или равно 1,1 и меньше или равно 1,5. Это обеспечивает относительно короткий двигатель и относительно жесткий статор.
Корпус предпочтительно имеет роторный упор для ограничения осевого перемещения ротора в обратном направлении. При нормальной работе ротор будет испытывать давление текучей среды от рабочей текучей среды, и осевому перемещению ротора в ответ на давление, вероятно, будет противодействовать, по меньшей мере частично, контакт между клапанными элементами. Однако в случае, когда двигатель испытывает обратный перепад давления, упор ограничит или предотвратит перемещение ротора в противоположном осевом направлении, и, таким образом, предотвратит или ограничит повреждение двигателя, в особенности статора. Упор предпочтительно представляет собой поверхность, смонтированную в корпус над ротором, которая обычно расположена на расстоянии от ротора и, следовательно, во время нормальной работы двигателя не подвергается износу.
Статор может содержать эластомерный вкладыш, образующий несколько выступов, а ротор образует на один выступ меньше, чем статор. Между ротором и статором предпочтительно имеется некоторая степень натяга, и в предпочтительном воплощении выбран натяг, составляющий по меньшей мере 0,005'' (0,127 мм) при рабочей температуре, или при температуре базовой линии 70°F.
Клапанные элементы предпочтительно имеют взаимодействующие поверхности, обеспечивающие возможность контакта со скольжением между ними. Обычно поверхности выполнены из относительно твердого материала, такого как карбид вольфрама, для сопротивления износу. В поверхностях могут быть образованы отверстия, боковые стороны которых предпочтительно ортогональны к поверхностям, и таким образом образуют прямоугольные кромки. Такие кромки обеспечивают более резкую пульсацию давления, которая обеспечивает более эффективное сотрясение. Нормальной практикой является снабжение таких кромок фасками, чтобы снизить потери и износ и приспособить для использования относительно хрупкие материалы, такие как карбид вольфрама, применяемые для образования поверхностей таких деталей. Обнаружено, что относительно острые кромки при нормальной эксплуатации не имеют тенденции к сколько-нибудь значительной степени повреждения или износа.
Отверстие второго клапанного элемента предпочтительно выходит в проточный канал, и стенки канала могут быть образованы вставкой, выполненной из материала, устойчивого к эрозии, такого как карбид вольфрама. Результатом изменений в потоке через канал является направление текучей среды к стенке канала, и вставка сопротивляется эрозии стенки.
Предпочтительно, чтобы ударно-вращательное устройство обеспечивало частоту пульсации между 1 и 40 Герц, а наиболее предпочтительно - от 6 до 30 Герц.
Ударно-вращательное устройство предпочтительно приспособлено для размещения в опорном элементе, таком как колонна буровых труб, обсадная колонка, хвостовик или спирально свернутый трубопровод. Ударно-вращательное устройство может быть размещено по направлению к ведущему концу опорного элемента таким образом, что конец опорного элемента испытывает сотрясение. В качестве альтернативы ударно-вращательное устройство может быть расположено в том месте опорного элемента, которое предположительно будет размещено в изгибе или другом сложном участке скважины, где сотрясение будет иметь максимальный эффект в облегчении прохода опорного элемента через скважину или в содействии передаче нагрузки от поверхности через опорный элемент. В других ситуациях в опорном элементе могут быть размещены два или более ударно-вращательных устройства, чтобы обеспечить возбуждение выбранных участков опорного элемента или, более того, всей длины опорного элемента.
Было обнаружено, что обеспечение ударно-вращательного устройства в опорном элементе при применении в скважинах может значительно облегчить прохождение опорного элемента через скважину. При применении как для вращательного, так и для скользящего бурения было обнаружено, что ударно-вращательное устройство увеличивает скорости бурения и увеличивает длину пробуренных скважин. При применении в бурении для спирально свернутых трубопроводов было обнаружено, что обеспечение ударно-вращательного устройства значительно уменьшает или устраняет спиральную блокировку.
Ударно-вращательное устройство может быть обеспечено в комбинации с относительно гибкими участками опорных элементов, выполненными над ударно-вращательным устройством или под ним. Такие участки будут изгибаться в первую очередь и, таким образом, стремиться предохранить статор от изгибания.
Ударно-вращательное устройство может быть обеспечено в комбинации с элементом, чувствительным к давлению, и, в частности, с ударным инструментом, приспособленным для того, чтобы вытягиваться в осевом направлении в ответ на положительную пульсацию давления.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения создано ударно-вращательное устройство, содержащее: корпус, приспособленный для монтажа на опорном элементе, объемный двигатель, имеющий статор и ротор, и клапан, включающий первый клапанный элемент и второй клапанный элемент, причем каждый клапанный элемент образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент соединен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, при этом при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение через клапан, и по меньшей мере одно из отверстий клапанных элементов смещено от соответствующей основной продольной оси.
Далее эти и другие объекты настоящего изобретения будут описаны, в качестве примера, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых изображено следующее:
фигура 1 изображает вид в разрезе ударно-вращательного устройства по предпочтительному воплощению настоящего изобретения;
фигура 2 - увеличенный вид в разрезе верхнего конца ударно-вращательного устройства, изображенного на фигуре 1;
фигура 3 - увеличенный вид в разрезе участка клапана ударно-вращательного устройства, изображенного на фигуре 1;
фигура 4 - вид сбоку участка клапана, изображенного на фигуре 3;
фигура 5 - вид сбоку стационарной клапанной пластины ударно-вращательного устройства, изображенного на фигуре 1; и
фигура 6 - вид альтернативной клапанной пластины.
Ударно-вращательное устройство 10, показанное на фигуре 1, содержит удлиненный трубчатый корпус 12, предназначенный для образования части буровой колонны (не показана). Соответственно, вспомогательные поверхности 14, 15, которые образуют концы корпуса, снабжены соответствующими соединительными муфтой 16 и ниппелем 17. Центральный участок корпуса 12 образует статор 18 объемного двигателя 19, работающего по принципу Moineau. Таким образом, статор 18 содержит металлическую муфту 20, которая вмещает эластомерное тело 22, образующее, в сущности, крупногабаритную винтовую резьбу с крупным шагом. Ротор 24 из нержавеющей стали проходит сквозь статор 18 и взаимодействует с телом 22 статора, создавая последовательность герметизированных камер. Эти камеры или полости поступательно перемещаются сквозь статор 18, когда вращается ротор 24. Приложением достаточного перепада давления через двигатель 19 полости эффективно продавливаются через статор 18 и тем самым вращают ротор 24.
При нормальной работе перепад давления через двигатель 19 будет стремиться столкнуть вниз ротор 24, и этой силе сопротивляется клапанное устройство 30, управляемое двигателем 19, как будет описано. Однако в определенных обстоятельствах перепад давления можно приложить через двигатель 19 в противоположном направлении, таким образом, стремясь толкнуть ротор 24 вверх. Такому направленному вверх движению сопротивляется конечный упор 32 ротора, расположенный между верхним концом эластомерного тела 22 и верхней вспомогательной поверхностью 14, как более подробно проиллюстрировано на фигуре 2. Фигура 2 иллюстрирует относительное расположение упора 32 и ротора 24 при нормальных рабочих условиях, и следует отметить, что между упором 32 и верхним концом ротора 24 имеется промежуток. Соответственно, в нормальных условиях между упором 32 и ротором 24 нет контакта. Однако если двигатель 19 испытает обратный перепад давления, который достаточен, чтобы переместить вверх ротор 24, то конец ротора 24 войдет в контакт с упором 32, который, таким образом, ограничивает степень осевого перемещения ротора 24. Это предотвращает повреждение тела 22 статора и ограничивает ход ротора 24. Когда перепад давления возвращается к нормальному значению, ротор 24 перемещается лишь на короткое расстояние, и, таким образом, не имеет возможности нарастить скорость и импульс, которые в противном случае могли бы привести к повреждению, когда перемещение ротора в противоположном направлении было бы прекращено клапанным устройством 30.
Как отмечено выше, двигатель 19 используют для управления клапаном 30, действующий для создания пульсации давления в текучей среде, перекачиваемой через ударно-вращательное устройство 10. Пульсация давления вырабатывается изменением проходного сечения через клапан 30. Это достигается перемещением колеблющейся первой клапанной пластины 34 относительно неподвижной второй клапанной пластины 36. Колеблющаяся клапанная пластина 34 более подробно проиллюстрирована на фигурах 3 и 4, в то время как неподвижная клапанная пластина 36 показана на фигуре 5.
Следует отметить, что первая клапанная пластина 34 смонтирована непосредственно на нижнем конце ротора 24, проходящем от тела 22 статора. В частности, клапанная пластина 34 смонтирована в клапанном элементе 38, имеющем резьбовой верхний конец 40, который вмещается в соответствующем резьбовом гнезде 42, образованном в конце ротора 24. Клапанная пластина 34 снабжена каналами таким образом, что текучая среда может протекать через каналы 44 в клапанный элемент 38, а затем проходить через проточный канал 46, образованный клапанной пластиной 34.
Первая клапанная пластина 34 образована из цельной вставки из карбида вольфрама и по горячей посадке вставлена в клапанный элемент 38, который определяет главную ось А. Эта ось А смещена относительно главной оси В статора, и в то время как ротор 24 вращается внутри статора 18, ось А описывает круговую траекторию. Однако, как видно из фигур 3 и 4, центральная линия С проточного канала 46 смещена относительно оси А. Более того, центральная линия проточного канала 46 расположена на радиусе R клапанной пластины 34 под углом 210 градусов от линии I, которая пересекает оси А и В. Обнаружено, что создание пульсации давления с использованием ударно-вращательного устройства 10 значительно улучшается размещением проточного канала 46 в пределах плюс-минус 15 градусов от данной ориентации.
Ориентация первой клапанной пластины 34 может быть установлена во время сборки посредством обеспечения прокладок 60 между первым клапанным элементом 38 и ротором 24. Подбирая прокладки 60 разной толщины, можно менять степень, в которой зацепляются резьбовые детали 40, 42, и таким образом контролировать ориентацию проточного канала 46.
Вторая клапанная пластина 36 неподвижно закреплена относительно корпуса и смонтирована под первой клапанной пластиной 34, причем расположенные друг напротив друга торцы пластин 34, 36 находятся в скользящем контакте. Вторая клапанная пластина 36 также образует проточный канал 48, и в ударно-вращательном устройстве 10 проточный канал 48 центрирован по главной оси В ударно-вращательного устройства. Вторая клапанная пластина 36 образована из цельного карбида вольфрама и смонтирована на трубчатой опоре 50 (фигура 1). Отверстие сквозь опору 50 выровнено с устойчивой к эрозии втулкой 52 из карбида вольфрама.
Проточные каналы 46, 48 образованы в цельных деталях из карбида вольфрама. Это твердый, но хрупкий материал. В нормальных обстоятельствах кромки каждой детали снабжены фасками, чтобы минимизировать риск повреждения хрупкого металла и, когда текучая среда протекает над кромками, минимизировать потери. Однако в данном воплощении настоящего изобретения различные поверхности, которые образуют проточный канал 46, 48, и скользящие контактные торцы клапанных пластин 34, 36 являются прямоугольными и образуют острые кромки. Такие кромки обеспечивают более резкую пульсацию давления для обеспечения более эффективного сотрясения.
При работе ударно-вращательного устройства ротор 24 и, соответственно, первую клапанную пластину 34 вращают и перемещают в поперечном направлении, в то время как текучую среду перекачивают через двигатель. Из-за внецентрового размещения проточного канала 46 в первой клапанной пластине 34 проточный канал 46 не описывает круговую траекторию, а скорее следует, по существу, по поперечной траектории через вторую клапанную пластину 36. Таким образом, проточные каналы 46, 48, по существу, при каждом обороте ротора 24 дважды оказываются на одной линии, таким образом, что частота пульсации давления в два раза больше скорости ротора.
Следует отметить, что нижняя вспомогательная поверхность 15 включает участок стенки уменьшенной толщины или гибкий профиль 62. Если ударно-вращательное устройство 10 размещено в криволинейном участке скважины, гибкий профиль 62 согнется, чтобы поместиться в изгибе, таким образом защищая сравнительно тонкостенную статорную муфту 20.
При эксплуатации ударно-вращательное устройство 10 размещено в трубчатом опорном элементе, таком как колонна или буровая труба. В нормальных условиях ударный инструмент будет расположен над ударно-вращательным устройством, и пульсация давления, создаваемая ударно-вращательным устройством 10, будет действовать на ударный инструмент.
Ударно-вращательное устройство 10 может быть размещено в оборудовании забоя скважины или примыкать к нему, или может быть размещен в буровой колонне в том месте, где ожидается, что колонна будет испытывать сравнительно большое трение между буровой колонной и стенкой скважины. Если затем текучую среду прокачивают сквозь колонну, текучая среда пройдет сквозь ударно-вращательное устройство 10. Поток текучей среды сквозь ударно-вращательное устройство 10 будет управлять двигателем 19, заставляя ротор 24 и, соответственно, первую клапанную пластину 34 вращаться и перемещаться в поперечном направлении. Таким образом, первая клапанная пластина 34 будет перемещаться поперек второй клапанной пластины 36, а проточные каналы 46, 48 будут перемещаться, то входя в положение выравнивания по одной линии, то выходя из него. Ясно, что это вызовет изменения проходного сечения через ударно-вращательное устройство 10, и получаемое в результате изменение в проходном сечении создает пульсацию давления в буровой текучей среде. Если ударный инструмент предусмотрен в колонне над ударно-вращательным устройством 10, пульсация давления проходит вверх через двигатель 19 и действует на ударный инструмент, заставляя ударный инструмент вытягиваться и убираться.
При операции бурения работа ударно-вращательного устройства 10 будет производить переменную нагрузку на бур, а также будет стремиться вызвать вибрацию участка бурильной колонны, который вмещает ударно-вращательное устройство 10. Полагают, что колебательные движения (сотрясения) бурильной колонны значительно снижают сопротивление, испытываемое бурильной колонной. Было обнаружено, что при направленном бурении, при котором бурильная колонна стремится не вращаться, это сотрясение бурильной колонны значительно облегчает поступательное продвижение бурильной колонны. Более того, было обнаружено, что при вращательном бурении, при котором буровую колонну вращают с поверхности, работа ударно-вращательного устройства 10 также значительно облегчает операции бурения, увеличивая скорость продвижения, срок службы бура и увеличивая глубины отверстий, которые можно пробурить.
Ударно-вращательное устройство 10 также можно использовать для облегчения прохода других инструментов и устройств, а также можно использовать для помощи в спуске обсадных труб и хвостовиков.
В альтернативном воплощении проточный канал 148 второй клапанной пластины смещен от главной оси В, как проиллюстрировано на фигуре 6. В таком ударно-вращательном устройстве центральная линия колеблющегося проточного канала 46 расположена на радиусе колеблющейся клапанной пластины 34, который совпадает с линией I, пересекающей оси А и В. Таким образом, первый и второй проточные каналы 46, 148 могут быть расположены так, чтобы оказываться на одной линии только один раз за одно колебание, так что частота пульсации давления совпадает со скоростью двигателя.
Специалистам данной области техники ясно, что вышеупомянутые воплощения описаны только в качестве примера и что над ними могут быть проведены различные модификации и улучшения без выхода из объема настоящего изобретения.