ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЛЯ РЕЗОНАНСНО-УСИЛЕННОГО ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

1. Приспособление для преобразования вращательного движения в колебательное аксиальное движение, содержащее:
(a) вращающийся элемент (1);
(b) базовый элемент (2); и
(c) один или более подшипников (3) для обеспечения вращательного движения вращающегося элемента относительно базового элемента;
при этом вращающийся элемент и/или базовый элемент содержат один или более поднятых участков (4) и/или один или более опущенных участков (5), по которым один или более подшипников (3) проходят для периодического увеличения и уменьшения аксиального расстояния между вращающимся элементом (1) и базовым элементом (2), когда происходит вращение, тем самым придается колебательное аксиальное движение вращающемуся элементу (1) относительно базового элемента (2).
2. Приспособление по п. 1, в котором один или более подшипников выбраны из следующего: подшипник с текучей средой (такой как гидравлический подшипник (жидкость) или пневматический подшипник (газ), подшипник скольжения, подшипник качения (такой как шарикоподшипники и/или роликоподшипники и/или подшипники с бочкообразными роликами), магнитный подшипник, подшипник из полудрагоценных камней и шарнирный подшипник.
3. Приспособление по п. 1 или 2, в котором один или более подшипников являются подшипниками качения.
4. Приспособление по любому из предыдущих пунктов, в котором поднятые и/или опущенные участки имеют вид углублений и/или выпуклостей, выполненных во вращающемся элементе и/или в базовом элементе.
5. Приспособление по п. 4, в котором углубления и/или выпуклости имеют вид гребней и впадин, проходящих радиально от оси вращения вращающегося элемента и/или базового элемента.
6. Приспособление по любому из предыдущих пунктов, в котором поднятые и/или опущенные участки выполнены в виде плавных изменений в толщине вращающегося элемента и/или базового элемента.
7. Приспособление по любому из предыдущих пунктов, в котором поднятые и/или опущенные участки выполнены в виде дорожки качения или канавки, выполненной во вращающемся элементе и/или в базовом элементе, при этом дорожка качения или канавка выполнена с возможностью удерживания одного или более подшипников.
8. Приспособление по п. 7, в котором подшипник является шарикоподшипником, и дорожка качения или канавка имеет тангенциальное сечение в форме дуги окружности.
9. Приспособление по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащее пружину для сжатия вместе вращающегося элемента и базового элемента.
10. Исполнительный механизм для применения в модуле резонансно-усиленного бурения, содержащий приспособление по любому предыдущему пункту.
11. Исполнительный механизм по п. 10 для применения в модуле резонансно-усиленного бурения, содержащий:
первое приспособление по любому из предыдущих пп. 1-9, причем первое приспособление имеет первое количество подшипников, и
второе приспособление по любому из предыдущих пп. 1-9, причем второй блок имеет второе количество подшипников,
при этом первое количество и второе количество не равны.
12. Устройство для применения в резонансно-усиленном вращательном бурении, содержащее приспособление или исполнительный механизм по любому предыдущему пункту.
13. Устройство по п. 12, которое содержит:
(i) датчик для измерения статической нагрузки или для мониторинга прочности на сжатие материала, в котором осуществляют бурение;
(ii) виброизоляционный блок;
(iii) приспособление или исполнительный механизм по любому из предыдущих пп. 1-9, для приложения аксиальной колебательной нагрузки на долото вращательного бурения;
(iv) датчик для измерения динамической аксиальной нагрузки или для мониторинга прочности на сжатие материала, в котором осуществляют бурение;
(v) присоединительное устройство бурового долота; и
(vi) буровое долото,
при этом датчик (i) предпочтительно установлен выше виброизоляционного блока, и датчик (iv) предпочтительно установлен между приспособлением или исполнительным механизмом (iii) и присоединительным устройством (v) бурового долота, при этом датчики соединены с контроллером для обеспечения на забое в скважине управления с обратной связью в режиме реального времени приспособлением или исполнительным механизмом (iii).
14. Устройство по п. 13, в котором датчик (i) и/или датчик (iv) представляет собой датчик нагрузки.
15. Устройство по п. 13 или 14, дополнительно содержащее блок передачи вибрации между приспособлением или исполнительным механизмом (iii) и датчиком (iv).
16. Устройство по любому из предыдущих пп. 13-15, в котором виброизоляционный блок и/или блок передачи вибрации содержит конструктивную пружину.
d
17. Устройство по любому из предыдущих пп. 13-16, в котором контроллер выполнен с возможностью регулирования частоты (f) и динамической силы (F) приспособления или исполнительного механизма.
d
s
18. Устройство по любому из предыдущих пп. 13-17, в котором возможно регулирование частоты (f) и динамической силы (F) приспособления или исполнительного механизма согласно измерениям датчика (предпочтительно датчика нагрузки), представляющим изменения в прочности (U) на сжатие материала, в котором осуществляют бурение.
19. Устройство по любому из предыдущих пп. 13-18 для применения в наклонно-направленном бурении, которое содержит:
(a) по меньшей мере один исполнительный механизм управления направлением движения, способный прикладывать продольную силу на буровом долоте для изменения направления бурения; и/или
(b) по меньшей мере одну вставку управления направлением движения бурового долота, способную выдвигаться и убираться для изменения режущих характеристик бурового долота и, тем самым, изменения направления бурения.
20. Устройство по п. 19, в котором исполнительный механизм управления направлением движения содержит пьезоэлектрический элемент для привода исполнительного механизма управления направлением движения, и/или вставка управления направлением движения бурового долота содержит пьезоэлектрический элемент для обеспечения выдвижения и убирания вставки управления направлением движения.
21. Устройство по п. 19 или 20, которое содержит множество исполнительных механизмов управления направлением движения, расположенных симметрично вокруг оси вращения бурового долота.
22. Устройство по любому из предыдущих пп. 12-21, которое содержит одну или более вставок управления направлением движения, расположенных симметрично или асимметрично вокруг оси вращения бурового долота.
23. Устройство по п. 22, в котором ни одна из вставок управления направлением движения не расположена на оси вращения бурового долота.
24. Устройство по п. 22 или 23, в котором множество вставок управления направлением движения расположены вдоль одного или более   радиусов бурового долота.
25. Устройство по любому из предыдущих пп. 22-24, в котором одна или несколько вставок управления направлением движения расположены асимметрично вокруг оси вращения бурового долота, и симметрия устанавливается, благодаря присутствию вставок, не управляющих направлением движения на других местах в буровом долоте.
26. Устройство по любому из предыдущих пп. 12-25, которое содержит бурильный модуль, содержащий буровое долото, и приспособление или исполнительный механизм по любому из предыдущих пп. 1-11, при этом устройство дополнительно содержит:
- датчик для измерения одного или более   параметров, относящихся к взаимодействию бурового долота и материала, в котором осуществляют бурение; и
- датчик для измерения одного или более   движений бурового долота.
27. Устройство по п. 26, в котором один или более параметров, относящихся к взаимодействию бурового долота и материала, в котором осуществляют бурение, содержат одну или более характеристик соударения бурового долота с материалом, в котором осуществляют бурение, и/или одну или более сил, возникающих между буровым долотом и материалом, в котором осуществляют бурение.
28. Устройство по п. 27, которое содержит акселерометр для измерения одной или более   характеристик соударения бурового долота с материалом, в котором осуществляют бурение, и/или датчик нагрузки для измерения одной или более сил, возникающих между буровым долотом и материалом, в котором осуществляют бурение.
29. Устройство по любому из пп. 26-28, содержащее вихретоковый датчик для измерения одного или более движений бурового долота.
30. Устройство по любому из пп. 26-29, в котором бурильный модуль дополнительно содержит:
- блок усиления вибрации для передачи колебательной нагрузки на буровое долото; и
- виброизоляционный блок для уменьшения или предотвращения колебаний за пределами бурильного модуля.
31. Устройство по п. 30, в котором блок усиления вибрации содержит пружинную систему для передачи колебательной нагрузки на буровое долото, и один или более   ограничивающих крутящий момент блоков для уменьшения или исключения передачи крутящего момента вращения бурового долота на исполнительный механизм.
32. Устройство по любому из пп. 26-31, в котором бурильный модуль дополнительно содержит систему управления для регулирования одного или более   параметров бурения бурильного модуля, при этом система управления использует информацию с датчиков для регулирования параметров бурения.
33. Устройство по п. 32, в котором система управления содержит:
(a) контроллер для определения одной или более характеристик материала, подлежащего бурению, и
(b) контроллер для определения одного или более параметров бурения для приложения к бурильному модулю;
и при этом один или более контроллеров используют информацию с одного или более датчиков.
34. Устройство по любому из пп. 26-33, в котором датчики выполнены с возможностью измерения одного или более из следующих параметров бурения:
(a) аксиальную силу, действующую от бурильного инструмента наматериал, в котором осуществляют бурение (также называется ʺосевой нагрузкой на долотоʺ (WOB), или ʺстатической силойʺ)
(b) быстродействие или скорость бурового долота и/или бурильного модуля (также известна, как ʺскорость продвиженияʺ(ROP);
c) ускорение бурового долота и/или бурильного модуля;
(d) частоту колебаний бурового долота и/или бурильного модуля;
(e) амплитуду колебаний бурового долота и/или бурильного модуля;
(f) колебательную аксиальную силу воздействия бурильного инструмента на материал, в котором осуществляют бурение (также называется ʺдинамической силойʺ);
(g) скорость вращения или частоту вращения бурильного инструмента;
(h) вращательную силу или крутящий момент бурильного инструмента;
(i) расход текучей среды; и
(j) относительное смещение бурового долота.
35. Устройство по любому из пп. 12-34, в котором частота (f) приспособления или исполнительного механизма регулируется для поддержания в диапазоне 100 Гц и выше, предпочтительно, от 100 до 500 Гц.
d
36. Устройство по любому из пп. 12-35, в котором динамический сила (F) регулируется для поддержания в диапазоне до 1000 кН, более предпочтительно, от 40 до 500 кН, еще более предпочтительно, от 50 до 300кН.
37. Способ бурения, содержащий применение приспособления и исполнительного механизма или устройства по любому предыдущему пункту.
38. Способ управления буром резонансно-усиленного вращательного бурения, содержащим приспособление, исполнительный механизм или устройство по любому из пп. 1-36, причем способ, включает:
регулирование частоты (f) приспособления или исполнительного механизма в буре резонансно-усиленного вращательного бурения, при этом частота (f) поддерживается в диапазоне:
2
1/2
2
1/2
s
f
s
(DU/(8000πAm)≤ f ≤ S(DU/8000πAm))
s
f
где D диаметр долота вращательного бурения, U прочность на сжатие материала, в котором осуществляют бурение, A амплитуда колебаний, m вибрирующая масса, и S коэффициент масштабирования больше 1; и
d
d
регулирование динамической силы (F) приспособления или исполнительного механизма в буре резонансно-усиленного вращательного бурения, при этом динамическая сила (F) поддерживается в диапазоне:
2
2
eff
s
d
Fd
eff
s
[(π/4)DU]≤ F ≤ S[(π/4)DU]
eff
s
Fd
где D эффективный диаметр долота вращательного бурения, U прочность на сжатие материала, в котором осуществляют бурение, и S коэффициент масштабирования больше 1,
d
s
d
s
при этом частоту (f) и динамическую силу (F) приспособления или исполнительного механизма регулируют с помощью мониторинга сигналов, представляющих прочность (U) на сжатие материала, в котором осуществляют бурение, и корректировки частоты (f) и динамической силы (F) приспособления или исполнительного механизма с применением механизма с замкнутым контуром и обратной связью в режиме реального времени согласно изменениям прочности (U) на сжатие материала, в котором осуществляют бурение.
f
39. Способ по п. 38, в котором S меньше 5, предпочтительно меньше 2, более предпочтительно, меньше 1,5 и, наиболее предпочтительно, меньше 1,2.
Fd
40. Способ по п. 38 или 39, в котором S меньше 5, предпочтительно, меньше 2, более предпочтительно, меньше 1,5 и, наиболее предпочтительно, меньше 1,2.
f
41. Способ по любому из предыдущих пп. 38-40, в котором S выбирается при условии:
r
f ≤ f
r
где fчастота, соответствующая условиям пикового резонанса для материала, в котором осуществляют бурение.
f
42. Способ по п. 41, в котором S выбирается при условии:
r
f ≤ (f- X)
где X является коэффициентом безопасности, обеспечивающим, что частота (f) не превышает частоты условий пикового резонанса на переходе между двумя отличающимися материалами, в которых осуществляют бурение.
r
r
r
43. Способ по п. 42, в котором X > f/100, более предпочтительно, X > f/50, еще более предпочтительно, X > f/10.
44. Способ по любому из пп. 40-43, в котором:
d
Fd
eff
s
2
F ≤ S [(π/4)DU - Y]
d
где Y коэффициент безопасности, обеспечивающий, что динамическая сила (F) не превышает предел, обуславливающий катастрофическое удлинение трещин на переходе между двумя отличающимися материалами, бурение которых осуществляется.
Fd
eff
s
Fd
eff
s
Fd
eff
s
2
2
2
45. Способ по п. 44, в котором Y > S[(π/4)DU]/100, более предпочтительно, Y > S [(π/4)DU]/50, еще более предпочтительно, Y > S [(π/4)DU]/10.
s
d
s
46. Способ по любому из пп. 42-45, в котором один или оба, X и Y регулируют согласно прогнозируемым вариациям в прочности (U) на сжатие материала, в котором осуществляют бурение, и скорости, с которой частота (f) и динамическая сила (F) могут быть изменены когда обнаружено изменение в прочности (U) на сжатие материала, в котором осуществляют бурение.
47. Способ по любому из пп. 37-46, который дополнительно содержит регулирование амплитуды колебаний приспособления или исполнительного механизма, подлежащей поддержанию в диапазоне от 0,5 до 10 мм, более предпочтительно, от 1 до 5 мм.
48. Способ по любому из пп. 37-47, в котором частота (f) приспособления или исполнительного механизма регулируется для поддержания в диапазоне 100 Гц и выше, предпочтительно, от 100 до 500 Гц.
d
49. Способ по любому из пп. 37-48, в котором динамическую силу (F) регулируют для поддержания в диапазоне до 1000 кН, более предпочтительно, от 40 до 500 кН, еще более предпочтительно, от 50 до 300 кН.
50. Способ управления буром резонансно-усиленного вращательного бурения, содержащим устройство по любому из пп. 26-34, способ, содержит:
(a) использование одной или более начальных характеристик материала, в котором осуществляют бурение, и/или одного или более начальных параметров бурения для управления бурильным модулем;
(b) измерение одного или более текущих параметров бурения с применением датчиков для получения одного или более измеренных параметров бурения;
(c) использование одного или более измеренных параметров бурения для вычисления одной или более характеристик материала, в котором осуществляют бурение;
(d) использование одной или более вычисленных характеристик материала, в котором осуществляют бурение, и/или одного или более измеренных параметров бурения для получения одного или более вычисленных параметров бурения;
(e) опционно, применение одного или более вычисленных параметров бурения для бурильного модуля;
(f) опционно, повторение этапов (b), (c), (d) и (e).
51. Способ по п. 50, в котором на этапе (d) один или более вычисленных параметров бурения из предыдущей итерации процесса управления используют, как дополнительный ввод данных для определения вычисленных параметров бурения.
52. Способ по п. 50 или 51, в котором параметры бурения содержат один или более   из следующего:
(a) аксиальную силу воздействия бура на материал, в котором осуществляют бурение (также называемую ʺосевой нагрузкой на долотоʺ (WOB), или ʺстатической силойʺ)
(b) быстродействие или скорость прохождения бурового долота и/или бурильного модуля сквозь материал, в котором осуществляют бурение;
(c) ускорение бурового долота и/или бурильного модуля, проходящего сквозь материал, в котором осуществляют бурение;
(d) частоту колебаний бурового долота и/или бурильного модуля;
(e) амплитуду колебаний бурового долота и/или бурильного модуля;
(f) колебательную аксиальную силу воздействия бура на материал, в котором осуществляют бурение (также называемую ʺдинамической силойʺ);
(g) частоту оборотов или скорость вращения бура;
(h) вращающую силу или крутящий момент бура на материале, в котором осуществляют бурение;
(i) расход текучей среды; и
(j) относительное смещение бурового долота.
53. Способ по любому из пп. 50-52, в котором характеристики материала, в котором осуществляют бурение, содержат одно или более   из следующего:
(a) прочность материала на сжатие;
(b) жесткость или расчетную жесткость материала;
(c) предел текучести материала;
(d) ударную прочность материала;
(e) усталостную прочность материала;
(f) прочность материала на растяжение;
(g) сдвиговую прочность материала;
(h) твердость материала;
(i) плотность материала;
(j) модуль Юнга материала; и
(k) коэффициент Пуассона материала.
54. Способ по любому из пп. 50-53, в котором одну или более начальных характеристик материала, в котором осуществляют бурение, на этапе (a) получают из эмпирической информации, предпочтительно, из базы данных.
55. Способ по любому из пп. 50-54, в котором один или более начальных параметров бурения на этапе (a) получают из эмпирической информации, предпочтительно, из базы данных.
56. Способ по любому из пп. 50-55, в котором одну или более вычисленных характеристик материала, в котором осуществляют бурение, на этапе (c) получают, применяя одну или более моделей, предпочтительно одну или более эмпирических моделей и/или одну или более математических моделей.