ПОВОРОТНОЕ АНКЕРНОЕ КРЕПЛЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ БУРОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ
DRILLING TOOLS COMPONENTS ROTARY ANCHOR ATTACHMENT

Область техники
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к компонентам бурильных колонн для буровых работ, а также к способам эксплуатации бурильных скважинных инструментов. В частности, некоторые варианты реализации изобретения относятся к шарнирным анкерным системам, аппаратам, устройствам, механизмам и способам сопротивления вращению отдельных компонентов скважинного инструмента при инициированном вращательном движении бурильной колонны. Настоящее изобретение также относится к управлению бурильной колонной, а также, к роторным управляемым системам, устройствам, механизмам и способам управления бурильной колонной.
Уровень техники
[0002] Буровые скважины для производства углеводородов (природного газа и нефти), также как и для других целей, как правило, бурятся бурильной колонной, которая содержит бурильную трубу бурильной колонны, содержащую буровое долото, установленное на ее нижнем конце. Буровое долото вращается для сдвига или размельчения материала геологического горизонта для бурения ствола скважины. Вращение бурового долота, как правило, обеспечивается вращением бурильной трубы, например, от буровой платформы в устье скважины. В качестве альтернативы, либо в дополнение, по меньшей мере, часть бурильной трубы в некоторых приложениях приводится в движение гидравлическим забойным двигателем, образующим часть бурильной колонны, рядом с буровым долотом.
[0003] При этом некоторые элементы бурильной колонны могут содержать не вращающиеся или вращательно-статические компоненты, которые не должны вращаться во время работы с вращающейся от привода бурильной трубой. Наоборот, такие не вращающиеся компоненты должны сохранять практически постоянную ориентацию вращения по отношению к геологическому горизонту, через который проходит буровая скважина. Роторные управляемые системы (РУС), часто содержат не вращающийся корпус или муфту, с возможностью продольного скольжения вдоль буровой скважины с бурильной колонной, без вращения с бурильной колонной во время операций наклонно-направленного бурения.
[0004] При бурении скважин для исследования и разработки месторождений газа и нефти, часто, в определенном направлении, необходимо отклонение от вертикального положения скважины. Это называется наклонно-направленным бурением. Наклонно-направленное бурение используется, помимо прочих целей, для повышения дренирования определенной скважины таким путем, как формирование ответвлений скважины относительно основной буровой скважины. Такой способ бурения также удобен в морских условиях, когда одна морская эксплуатационная платформа может достигнуть нескольких месторождений углеводородов путем ряда наклонных скважин, которые расходятся в разные стороны от производственной платформы.
[0005] При операциях наклонно-направленного бурения с использованием роторных управляемых систем с невращающимся корпусом, вращение корпуса нежелательно. Стационарный корпус или муфта, в котором бурильная труба или труба бурильной колонны, как правило, вращается, обеспечивает привязку для контроля бурового долота во время наклонно-направленного бурения. Любое отклонение от привязки обеспечит отклонение операции бурения от установленной траектории скважины.
[0006] Вращательное состояние не вращательного корпуса, как правило, достигается вращательным анкерным механизмом, который установлен на корпусе и радиально расширяется до прижатия к стенке скважины, с передачей устойчивого к вращению крутящего момента от геологического горизонта к корпусу.
Краткое описание графических материалов
[0007] Некоторые варианты реализации изобретения проиллюстрированы посредством примера, не ограничиваясь фигурами, приведенными на прилагаемых графических материалах, при этом:
[0008] Фиг. 1 иллюстрирует схематический чертеж буровой установки, содержащей бурильную колонну с управляющим устройством, содержащим вращательный анкерный механизм, согласно примеру варианта реализации изобретения.
[0009] Фиг. 2 наглядно иллюстрирует боковую проекцию забойного оборудования бурильной колонны с управляющим устройством, содержащим вращательный анкерный механизм согласно примеру варианта реализации изобретения.
[0010] Фиг. 3 иллюстрирует изолированное трехмерное изображение корпуса не вращающегося инструмента, содержащего вращательный анкерный механизм согласно примеру варианта реализации изобретения.
[0011] Фиг. 4A-4B иллюстрируют изолированные боковые проекции вращательного анкерного механизма согласно примеру варианта реализации изобретения, иллюстрируя анкерное соединение вращательного анкерного механизма в полностью убранном положении (фиг. 4A) и в полностью раскрытом положении (фиг. 4B).
[0012] Фиг. 5 иллюстрирует сечение с трехмерным видом поворотного анкерного механизма согласно примеру варианта реализации изобретения, с детальной иллюстрацией примера переменной связи, образующего часть анкерной связи. Длина переменной связи динамически меняется в результате изменения градуса радиального расширения анкерной связи.
[0013] Фиг. 6 иллюстрирует изолированный вид сверху пары вращательного анкерного механизма образующего часть управляющего устройства бурильной колонны согласно примеру варианта реализации изобретения.
[0014] Фиг. 7 иллюстрирует вид сверху соединения или вставки бурильной колонны, которая содержит пару вращательных анкерных механизмов согласно примеру варианта реализации изобретения.
[0015] Фиг. 8 иллюстрирует частичный вид сбоку соединения бурильной колонны, содержащего пару вращательных анкерных механизмов согласно примеру варианта реализации изобретения.
[0016] Фиг. 9 содержит осевой вид с торца устройства бурильной колонны, содержащего не вращающийся корпус и множество вращательных анкерных устройств или антивращательных устройств согласно примеру варианта реализации изобретения, каждое вращательное анкерное устройство, содержащее пару вращательных анкерных механизмов, которые, в иллюстративных целях, показаны в убранном и раскрытом положениях соответственно.
Подробное описание изобретения
[0017] Следующее подробное описание относится к типовым вариантам реализации изобретения, учитывая приложенные графические материалы, иллюстрирующие различные детали примеров для демонстрации практического применения раскрытого в данном документе изобретения. Описание относится к различным примерам новых способов, систем и устройств применительно к приложенным графическим материалам, и обеспечивает достаточно подробное описание проиллюстрированных вариантов реализации изобретения для того, чтобы специалист в данной области техники мог использовать изобретение. При применении данных техник на практике могут быть использованы многие другие варианты реализации изобретения, помимо проиллюстрированных и описанных в настоящем документе. Структурные и операционные изменения в дополнение к альтернативным вариантам, в частности приведенным в настоящем документе, могут быть внесены без отклонения от данного описания изобретения.
[0018] В рамках настоящего описания ссылки на “вариант реализации изобретения”, или “один из вариантов реализации изобретения”, или “один из примеров”, или “пример” не обязательно относятся к одному варианту реализации изобретения или примеру; однако такие варианты реализации изобретения не являются взаимно эксклюзивными, пока такое не утверждается или будет прямо очевидно специалисту в данной области техники, использующему настоящее описание изобретения. Таким образом, возможно множество комбинаций и/или интеграций вариантов реализации изобретения и примеров, описанных в данном документе, так же как и дополнительные варианты реализации изобретения и примеры, попадающие в объем формулы изобретения, основанной на этом описании изобретения, так же как и все законные эквиваленты такой формулы изобретения.
[0019] Согласно одному аспекту изобретения, бурильная колонна и буровая установка оснащены вращательным анкерным механизмом, установленным на функционально не вращающемся корпусе, и образующем часть бурильной колонны, вращательный анкерный механизм образует анкерное соединение, которое совершает радиальное движение и раскрывается или складывается, вследствие чего приводится в движение анкерный элемент, такой как ролик, радиально к и от корпуса, для выборочного контакта со стенкой буровой скважины для сопротивления вращению корпуса относительно бурильной трубы, которая совершает вращение от привода. Анкерное соединение может содержать множество соединений вращательных пар (каждая из которых содержит два элемента жесткого соединения, шарнирно соединенных между собой), множество вращательных пар с практически параллельными соответствующими осями вращения, и соединение поступательной пары с шарнирным соединением с по меньшей мере одной из вращательных пар. Поступательная пара содержит пару элементов жесткого соединения, которые соосно выровнены и обладают возможностью продольного скольжения друг относительно друга в результате изменения градуса радиального расширения механизма соединения.
[0020] Таким образом, поступательная пара может обеспечивать соединение переменной длины анкерного соединения, с динамическим раскрытием или складыванием в результате изменения градуса радиального расширения механизма соединения.
[0021] Анкерное соединение может дополнительно содержать механизм привода, такой как упругая эластичная пружина, для инициирования движения анкерного элемента наружу для обеспечения контакта со стенкой скважины. В некоторых вариантах реализации изобретения пружина, работающая на сжатие, может оказывать воздействие на пару поступательного соединения для инициирования раскрытия сложного поддающегося изменению соединения и для расширения анкерного соединения.
[0022] Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид типового варианта реализации изобретения буровой установки 100, которая содержит бурильную колонну 108 с роторной управляемой системой с поворотным анкерным механизмом 315 (см., например, фиг. 3) согласно типовому варианту реализации изобретения.
[0023] Буровая установка 100 содержит подземную буровую скважину 104, в которой находится бурильная колонна 108. Бурильная колонна 108 может содержать соединенные секции бурильной трубы, подвешенные с буровой платформы 112, зафиксированные на устье скважины. Скважинное оборудование или комплект нижней бурильной колонны (КНБК) 122 на нижнем конце бурильной колонны 108 может содержать буровое долото 116 для размельчения геологического пласта на ведущем конце бурильной колонны 108, для направления ствола скважины 104.
[0024] Таким образом, буровая скважина 104, как правило, представляет собой практически цилиндрическую удлиненную полость, с практически круглым контуром поперечного сечения, который остается более-менее неизменным по всей длине буровой скважины 104. В некоторых случаях буровая скважина 104 может быть направлена по прямой, но, при этом, также может часть включать один и более изгибов, поворотов, резких изгибов или углов по длине буровой скважины. Использованное в отношении буровой скважины 104 и ее компонентов (если из контекста документа явно не следует другое), понятие “ось” буровой скважины 104 (и, следовательно, бурильной колонны 108 или ее части) означает продольную центральную линию цилиндрической буровой скважины 104. Таким образом, понятие “осевое” означает направление вдоль линии, практически параллельной продольному направлению буровой скважины 104 на соответствующем участке или в соответствующей части рассматриваемой буровой скважины 104; понятие “радиальное” означает направление, практически вдоль линии, которая, по меньшей мере, приблизительно пересекает ось буровой скважины и находится в плоскости, практически перпендикулярной оси буровой скважины; “касательное” означает направление практически вдоль линии, которая принадлежит плоскости, практически перпендикулярной оси буровой скважины, которая радиально удалена (в ближайшей к оси точке) от оси буровой скважины на расстояние, нетривиальное в контексте соответствующего описания; а понятия “по окружности” или “вращательное” означают практически точную круговую траекторию движения, описанную при вращении касательного вектора вокруг оси буровой скважины. Следует обратить внимание, что движение по окружности или вращательное движение в рамках приведенного примера, содержат движение по касательной.
[0025] В контексте настоящего документа, движение или расположение “вперед” или “вниз по стволу скважины” (а также производные и соответствующие термины), означает осевое движение или относительное осевое расположение вдоль буровой скважины 104 относительно бурового долота 116, в направлении, противоположенном поверхности. И наоборот, понятия “обратно”, “назад” или “вверх по стволу скважины означают относительное осевое расположение вдоль буровой скважины 104, в противоположенную сторону от бурового долота 116 и в направлении земной поверхности.
[0026] Буровой раствор (например, буровой “шлам” или другие жидкости, которые могут быть использованы в скважине), циркулирует из емкости бурового раствора, например, из емкости хранения бурового раствора на земной поверхности, соединенной с устьем скважины, которое, как правило, обозначается 130, при помощи насосной системы 132, оказывающей усилие для нагнетания бурового раствора в бур 128 через пустотельную внутреннюю часть бурильной колонны 108, чтобы буровой раствор выходил под относительно высоким давлением через буровое долото 116. После выхода из бурильной колонны 108 буровой раствор движется обратно в направлении вверх вдоль буровой скважины 104, занимая затрубное пространство 134 в скважине, расположенное между бурильной колонной 108 и стенкой 115 буровой скважины 104. Хотя с установкой 100 могут быть связаны многие другие затрубные пространства, ссылки на затрубное давление, кольцевой зазор и аналогичные им, относятся к свойствам затрубного пространства 134 буровой скважины, если иное не указано или однозначно вытекает из контекста настоящего документа. Следует обратить внимание, что буровой раствор закачивается вдоль внутреннего диаметра (т.е. бура 128) бурильной колонны 108, как правило, при условии, что бурильная труба 118 с потоком жидкости из бура 128 ограничена на буровом долоте 116. Бурильная труба 118 бурильной колонны 108 выполняет двойную функцию (a) передачи крутящего момента и вращения от устья скважины к буровому долоту 116, и (b) переноса бурового раствора вниз по стволу скважины.
[0027] Затем буровой раствора движется вверх по затрубному пространству 134, транспортируя выбуренную породу из нижней части буровой скважины 104 к устью скважины, где выбуренная порода удаляется, а буровой раствор возвращается в емкость бурового раствора 132.
[0028] Буровая установка 100 может содержать роторную управляемую систему (РУС), содержащую роторный отклоняющий инструмент 123, установленный в бурильной колонне 108 и образующий ее соосную часть. Отклоняющий инструмент 123 обеспечивает контроль направления бурового долота 116 в ходе операций роторного бурения, путем контроля положения бурового долота 116. Таким образом, можно контролировать направление полученного ствола скважины или буровой скважины 104.
[0029] В приведенном типовом варианте реализации изобретения отклоняющий инструмент 123 содержит трубчатую муфту или корпус 129, расположенный вдоль части бурильной колонны 108, соосно с приемной частью бурильной трубы 118 (см., например, фиг. 2). Часть бурильной трубы 118, проходящая через корпус 129 далее по тексту документа упоминается как карданный вал. При этом следует обратить внимание, что вся длина бурильной трубы 118 эффективно функционирует в качестве карданного вала, передающего крутящий момент и вращение от системы привода на буровой платформе 112 к буровому долоту 116. При этом отклоняющий инструмент 123 может содержать участок бурильной трубы 118, при условии установки карданного вала с корпусом 129 на нем. Корпус 129 практически соосно устанавливается на карданном вале. Карданный вал вращается относительно корпуса 129 для обеспечения инициированного вращения карданного вала в корпусе 129 при неизменной ориентации корпуса 129. Следует обратить внимание, что корпус 129 может быть использован для изгиба или отклонения бурильной трубы 118, в связи с чем может не всегда быть идеально соосным относительно бурильной трубы 118. Терминологию в отношении соосного расположения этих компонентов следует понимать как подразумевающую такое незначительное отклонение. Аналогично, описание вращающегося монтажа на корпусе 129 на бурильной трубе 118, не указывает на вращение корпуса 129 во время операции бурения, а наоборот, указывает на то, что корпус 129 и бурильная труба 118 не имеют вращательного скрепления, и, таким образом, вращаются относительно друг друга, что обеспечивает отсутствие вращения для корпуса 129.
[0030] Вращательное анкерное устройство 315 установлено на корпусе 129 для сопротивления вращению корпуса 129 с бурильной трубой 118 вокруг продольной оси 209 (фиг. 2) бурильной колонны 108, что обеспечивает практически неподвижное положение корпуса 129 относительно вращения. Вращательное анкерное устройство 315 выполнено для достижения такого анкерного зацепления со стенкой 115 буровой скважины 104, чтобы момент сопротивления передавался от стенки буровой скважины 115 на корпус 129, посредством вращательного анкерного устройства 315. Функционирование типового вращательного анкерного устройства 315 будет более подробно описано при рассмотрении фиг. 3-9.
[0031] Контроль наклонно-направленного бурения при помощи устройства, содержащего стационарный компонент, такой как корпус 129, является известной практикой. В рассматриваемом типовом варианте реализации изобретения содержится отклонение оси карданного вала вдоль корпуса 129, т.е. механизмами изгиба вала в корпуса 129. Как было указано, отсутствие вращения корпуса 129 во время таких операций управления имеет критическую важность для точности управления, поскольку корпус 129 является справочным для контроля направления управления.
[0032] КНБК 122 может дополнительно содержать стабилизатор бурильной колонны над буровым долотом 153 (см. также фиг. 2), расположенный непосредственно над бурильным долотом 116, смежно с нижним концом корпуса 129.
[0033] Установка 100 может содержать наземную систему управления 140 для получения сигналов от скважинных датчиков и приборов оборудования телеметрии. Датчики и средства телеметрии установлены в бурильной колонне 108. В данном типовом варианте реализации изобретения КНБК 122 содержит блок измерений и контроля 120 с подключением вдоль линии контроля в бурильной колонне 108, расположенный непосредственно выше по стволу скважины над отклоняющим инструментом 123. Блок измерений и контроля 120 может содержать контрольно-измерительные приборы для измерения параметров буровой скважины, рабочих характеристик бурильной колонны и аналогичных. Блок 120 может дополнительно содержать оборудование телеметрии для обеспечения связи с наземной системой управления 140, т.е., для передачи данных контрольно-измерительных приборов, а также для получения сигналов управления от наземной системы управления 140. Такие сигналы управления могут содержать команды управления, контролируемые оператором, которые передаются на отклоняющий инструмент 123.
[0034] Наземная система управления 140 может отображать параметры бурения и другую информацию на дисплее или экране, используемом оператором для контроля операций бурения. Некоторые буровые установки могут быть частично или полностью автоматическими. В таком случае операции управления бурением могут выполняться вручную, полу автоматически или полностью автоматически. Наземная система управления 140 может содержать компьютерную систему с одним и более центральными процессорами и запоминающими устройствами для хранения данных. Наземная система управления 140 может выполнять обработку данных, связанных с операциями бурения, данных с датчиков и устройств на поверхности, данных полученных из скважины, а также может контролировать одну или более операций скважинного оборудования и инструментов, которые находятся в скважине и/или устройств на поверхности.
[0035] Фиг. 3 иллюстрирует трехмерный вид отклоняющего инструмента 123 согласно одному типовому варианту реализации изобретения. В данном типовом варианте реализации изобретения корпус 129 оснащен тремя вращательными анкерными устройствами 315, с постоянными круговыми интервалами вокруг корпуса 129, таким образом, что соседние вращательные анкерные устройства 315 расположены друг относительно друга под углом 120°.
[0036] В данном варианте реализации изобретения, каждое вращательное анкерное устройство 315 оснащено узлом, образующим съемный модуль или вставку с полу стационарной установкой по радиусу на внешней поверхности корпуса 129. Форма корпуса 129 определяет взаимосвязанное приемное углубление или выемку 305 каждого из устройств 315.
[0037] Каждое вращательное анкерное устройство 315 содержит корпус или раму 308, полустационарно соединенные с корпусом 129 посредством пары вращательных анкерных механизмов 318, установленных в и соединенных с рамой 308. Каждый из вращательных анкерных механизмов 318 содержит анкерное соединение 321, обеспечивающее разъемное соединение анкерного элемента, в типовом варианте реализации изобретения, ролика 323 к корпусу 129. Каждое анкерное соединение 321 имеет независимое радиальное раскрытие от корпуса 129, для перемещения ролика 323 в радиальном направлении от корпуса 129 к стенке 115 буровой скважины. С другой стороны, анкерное соединение 321 в выдвинутом положении имеет радиальный контакт, реагирующий на инициированное движение ролика 323 в радиальном направлении ближе к корпусу 129.
[0038] Анкерные соединения 321 пары вращательных анкерных механизмов 318 в отдельном устройстве 315 идентичны, но имеют противоположенные продольные ориентации, таким образом, что их ролики 323 имеют продольное шахматное расположение. В данном типичном варианте реализации изобретения, каждый ролик 323 содержит пару дисковидных лопастей 325 (см., например, фиг. 6), соосно установленных на одном шпинделе 537 (фиг. 5) обеспечивающем шарнирное соединение частей компонентов анкерного соединения 321 (более подробное описание приведено ниже).
[0039] Ось вращения 412 (см., например, фиг. 4) каждого из роликов 323 ориентирована более или менее по касательной относительно продольной оси корпуса 129, для обеспечения роликового контакта с геологическим горизонтом, с возможностью вращения дисковидных лопастей 325 вдоль по стенке 115 цилиндрической буровой скважины в результате продольного движения бурильной колонны 108, на которой установлен корпус 129. Дисковидные лопасти 325 могут быть сконфигурированы таким образом, чтобы проникать в стенку 115 буровой скважины. В данном типовом варианте реализации изобретения дисковидные лопасти сужаются к краю. В процессе эксплуатации лопасти 325 могут врезаться в стенки 115 буровой скважины, что способствует передаче момента сопротивления на лопасти 325 от стенок, одновременно обеспечивая продольное движение вдоль них.
[0040] Как видно на фиг. 3, частично-цилиндрическая пластина рамы 308 определяет крышку 327, которая частично расположена над шарнирными анкерными соединениями 321, эффективно образуя часть радиальной внешней поверхности корпуса 129. Крышка 327 определяет отверстие или зазор 329, который обеспечивает радиальный проход компонентов соединения и роликов 323 через крышку 327 (см. также фиг. 7).
[0041] Для ясности иллюстрации, фиг. 4А и 4B иллюстрируют один из вращательных анкерных механизмов 318 в изолированном положении, когда анкерное соединение 321 находится в полностью убранном состоянии на фиг. 4А и полностью раскрытом состоянии на фиг. 4B. Типовое анкерное соединение 321 содержит множество соединений, соединенных вместе и/или установленных таким образом, чтобы концы соответствующих соединений шарнирно вращались вокруг соответствующих осей вращения. Оси вращения могут быть практически параллельны (являясь приблизительно касательными относительно осей корпуса), причем анкерное соединение 321 обеспечивает так называемое плоское соединение.
[0042] Одно из соединений анкерного соединения 321 может иметь переменную длину для динамического изменения расстояния между осями, вокруг которых оно совершает шарнирное вращение. В данном варианте реализации изобретения, такое поддающееся изменению соединение обеспечивается телескопическим удлинителем 331, содержащим компоненты соединения с относительным смещением в типовом варианте реализации в виде пары жестких металлических труб 519 (см. фиг. 5) с соосной установкой и подвижным соединением. Одна из труб 519 убирается в другую трубу по принципу телескопа. Следует обратить внимание, что хотя телескопический удлинитель 331 описывается в настоящем документе как соединение переменной длины, трубы 519 также могут рассматриваться как пара элементов жесткого соединения с подвижным соединением для образования поступательной связи.
[0043] Ссылаясь на фиг 5, видно, что телескопический удлинитель 331, который обеспечивает поддающееся изменению соединение, образует часть приводного механизма 523 встроенного в анкерное соединение 321 для инициирования расширения анкерного соединения 321. Приводной механизм 523 может содержать блок пружины, представленный в данном типовом варианте реализации изобретения спиральной пружиной на сжатие 529, которая установлена соосно, вдоль расширяющегося зазора, определенного трубами 519 телескопического удлинителя 331. Противоположенные концы пружины 529 оказывают воздействие на соответствующие трубы 519, инициируя их движение в противоположенные стороны.
[0044] Проксимальная труба 519 установлена на корпусе 129 (в данном типовом варианте реализации изобретения - посредством рамы 308) обеспечивая шарнирное вращение вокруг монтажной оси 416 (отмечено точкой D на фиг. 4), которая расположена практически по касательной относительно продольной оси 209, раскрываясь практически перпендикулярно продольному направлению буровой скважины 104. Шаровое шарнирное соединение 541 в рамках настоящего типового примера реализации изобретения, обеспечивает шарнирное соединение телескопического удлинителя 331 с корпусом 129, проксимальный конец проксимальной трубы 519 имеет внутреннюю часть выпуклой сферической формы, которая дополняется вогнутым зазором 305 рамы 308 вставки. Радиальное наружное вращение телескопического удлинителя 331 ограничено на пике диапазона движения препятствием в крышке 327, что соответствует полностью раскрытому положению анкерного соединения. Таким образом, анкерное соединение устанавливается на корпусе 129 телескопическим удлинителем 331, и обеспечивает шарнирное монтажное соединение переменной длины, подвижное вокруг фиксированной оси (416) относительно корпуса 129. Следует обратить внимание, что рама 308 при установке на корпусе 129, продольно, радиально и вращательно закреплена на корпусе 129, образуя интегральный структурный элемент корпуса 129, а описание или ссылки на соединения или монтаж компонентов на корпусе 129 содержит соединение или установку таких компонентов на раме 308 и наоборот.
[0045] Возвращаясь к фиг. 4A и 4B, будет видно, что другие соединения анкерного соединения 321 обеспечены в данном типовом варианте реализации изобретения жесткими элементами соединения неизменной длины, а именно, балками жесткого соединения. Если телескопический удлинитель 331 показан как одно поддающееся изменению соединение, анкерное соединение 321 в данном типовом варианте реализации изобретения содержит четырехзвенный механизм. Балки соединения содержат жесткое монтажное соединение 400 (действующее вдоль линии 0A), скрытое монтажное соединение 420 (BE), и промежуточное соединение 424 (EA).
[0046] Жесткое монтажное соединение 400 шарнирно установлено на его проксимальном конце на раме 308, для шарнирного вращения вокруг монтажной оси 404 (обозначено точкой O) практически параллельно монтажной оси 416 телескопического удлинителя 331. Противоположенный, дистальный конец жесткого монтажного соединения 400 соединен с дистальным концом телескопического удлинителя 331 на внешнем соединении 408 (обозначен точкой A), таким образом, что телескопический удлинитель 331 и жесткое монтажное соединение 400 (0А) имеют относительное вращение вокруг оси соединения 436, которая практически параллельна монтажным осям 416, 404. Жесткое монтажное соединение 400 в данном типовом варианте реализации изобретения находится под углом, образуя радиальное резкое искривление с внешней стороны смежно с дистальным концом для продвижения радиального профиля для анкерного соединения 321. Ролик 323 поддерживается анкерным соединением 321 на внешнем соединении 408, а ось ролика 412 совпадает с осью соединения 436.
[0047] Скрытое монтажное соединение 420 (BE) соединяется с корпусом 129 аналогично жесткому монтажному соединению 400, с шарнирным вращением вокруг соответствующей монтажной оси 428 (обозначено точкой B), которая параллельна другим монтажным осям 416, 404. При этом скрытое монтажное соединение 420 не имеет прямого шарнирного соединения с внешним соединением 408, но шарнирно соединено с промежуточным соединением 424 на свободном соединении 432 с соответствующей осью вращения (обозначена E) вокруг которой совершают вращение скрытое монтажное соединение 420 и промежуточное соединение 424. Ось соединения 436 практически параллельна монтажной оси 428. Таким образом, будет видно, что каждая пара шарнирно соединенных жестких соединений образует вращательную пару с поддающимся изменению соединением DA, содержащим компонент переменной длины вращательных пар соединений с соединениями EA и OA.
[0048] Противоположенный, радиальный внешний конец промежуточного соединения 424 шарнирно соединен с жестким монтажным соединением 400 и телескопическим удлинителем 331 на внешнем соединении 408 (А), для шарнирного вращения вокруг оси соединения 436.
[0049] Фиг. 4A иллюстрирует анкерное соединение 321 в полностью сложенном состоянии, в котором ролик 323 находится в предельном внутреннем положении. Фиг. 4B иллюстрирует анкерное соединение 321 в полностью раскрытом состоянии, в котором ролик 323 находится на максимальном радиальном расстоянии от корпуса 129. Следует обратить внимание, что раскрытие анкерного соединения 321 включает вращение в наружную сторону по радиусу всех трех монтажных соединений 331, 400, и 420, по причине инициированного расширения телескопического удлинителя 331. Движение внешней оси соединения 436 (и, следовательно, ролика 323) опишет дугу по радиусу вокруг монтажной оси 404, балка жесткого соединения, обеспечивающая жесткое монтажное соединение 400 (0А) расширяется непосредственно между монтажной осью 404 и внешней осью соединения 436. Монтажные оси 404, 428, и 416 зафиксированы на корпусе, и, следовательно, находятся в фиксированной пространственной связи.
[0050] Следует обратить внимание, что в полностью убранном положении (фиг. 4А), телескопический удлинитель 331 расширяется, по меньшей мере, частично радиально наружу, таким образом, что линия между монтажной осью 416 и внешней осью соединения 436 имеет положительный радиальный компонент. Такое радиальное положение в убранном положении способствует расширению анкерного соединения 321 путем повышения плеча рычага момента, воздействующего на жесткое монтажное соединение 400 (0А) телескопическим удлинителем 331. Тот рычаг может быть дополнительно расширен при выборе радиальных положений монтажной оси 416 и монтажной оси 404. Как видно на фиг. 4А, например, монтажная ось 416 телескопического удлинителя 331 является радиально удаленной и находится за монтажной осью 404 жесткого монтажного соединения 400 (0А), таким образом, что даже если телескопический удлинитель 331 расширялся в осевом направлении из полностью убранного положения (что в данном примере не описывается), движущая сила, действующая продольно по длине телескопического удлинителя 331, будет стремиться повернуть жесткое монтажное соединение 400 (0A) радиально наружу.
[0051] Кроме того, анкерный механизм анкерного соединения 321 описывается как плоское соединение, что не свидетельствует о том, что балки соединения и телескопический удлинитель 331 находятся в одной плоскости, а наоборот, говорит о том, что оси поворота соединения (например, всех шарнирных соединений между соединениями, а также всех шарнирных монтажных соединений) практически параллельны друг другу.
[0052] Как видно на фиг. 6 и 7 (которые иллюстрируют пару вращательных анкерных механизмов 318 одного из устройств 315, которые видно радиально и ортогонально относительно осей ролика 436), одна и более балок соединения могут быть наклонены или изогнуты в боковом направлении (т.е. с отклонением по окружности или по касательной от продольного направления соединения). В данном примере, проксимальный конец (в точке O) жесткого монтажного соединения 400 частично в осевом направлении совпадает с проксимальным концом (в точке B) скрытого монтажного соединения 420, но имеет ступенчатое отклонение 606 рядом со скрытым монтажным соединением 420, для ясности связи 420 в точке B. В результате жесткое монтажное соединение 400 и скрытое монтажное соединение 420 расположены близко друг к другу смежно с монтажной осью 404. Выполнение монтажа в точке В может таким образом обеспечить боковое анкерное крепление для жесткого монтажного соединения 400.
[0053] Смежно с монтажной осью 428 скрытого монтажного соединения 420, жесткое монтажное соединение 400 имеет выравнивание по оси с проксимальным концом промежуточного соединения 424 (в точке Е). Жесткое монтажное соединение 400 снова изгибается вбок наружу, при этом, на центральном изгибе 612, для освобождения промежуточного соединения 424. В итоге, жесткое монтажное соединение 400 имеет обратный изгиб 618 смежно с дистальным концом (в точке A), таким образом, что часть жесткого монтажного соединения 400 на дистальном конце расширяется в осевом направлении, в то время как ориентация показана на фиг. 6 и 7.
[0054] Промежуточное соединение 424 имеет один боковой шаг для размещения конечной части промежуточного соединения 424 таким образом, чтобы дистальный конец 533 телескопического удлинителя 331 складывался с боковой стороны на внешнем соединении 408 (в точке А) между дистальными концами жесткого монтажного соединения 400 и промежуточным соединением 424. Дистальные концы соответствующих соединений соединенные вместе на внешнем соединении 408 имеют соответствующие боковые отверстия или входы для расширения (т.е. расширения по касательной относительно стенок скважины 104), выровненные соосно для приема шпинделя 537 ролика 323. Как было указано выше, дистальные концы соответствующих соединений на внешнем соединении 408 складываются между лопастями 325 ролика 323.
[0055] Боковая конфигурация анкерного соединения 321 в целом, и жесткое монтажное соединение 400 (0А), в частности, обеспечивают специальную установку пары вращательных анкерных механизмов 318 таким образом, чтобы они имели компактный боковой профиль. Анкерные соединения 321 соответствующих вращающихся анкерных механизмов 318 в соединенной паре имеют противоположенные осевые ориентации (например, с поворотом на 180° при рассмотрении в направлении фиг. 6). Это позволяет расположить ролик 323 одного из вращательных анкерных механизмов 318 в боковом пространстве или кармане, определенном другим механизмом 318.
[0056] Как видно на фиг. 6, а также на фиг. 9, конфигурация механизмов 318 согласно описанию обеспечивает относительное расположение роликов 323 по окружности таким образом, чтобы они, как минимум, частично шли с перекрытием, при рассмотрении в осевом направлении (фиг. 9). Общая боковая ширина пары вращательных анкерных механизмов 318 таким образом меньше двойной боковой ширины одного из механизмов 318. Следует обратить внимание, что одно из анкерных соединений 321 каждого вращательного анкерного устройства 315 показано на фиг. 9 в радиально раскрытом состоянии, а второе анкерное соединение 321 показано в радиально убранном состоянии. Раскрытие в шахматном порядке, показанное на фиг. 9 иллюстрирует перекрытие по окружности между роликами 323 в паре, а также подчеркивает независимость расширения соответствующих анкерных соединений в каждой паре. Дополнительным преимуществом бокового профиля соединений, как описано, является улучшение боковой жесткости анкерного соединения 321 за счет более высокой боковой ширины, что способствует эффективной передаче крутящего момента между геологическим горизонтом и корпусом 129 посредством анкерного соединения 321.
[0057] Как видно на фиг. 7, зазор 329 в крышке 327 может иметь плоский S-образный контур, обеспечивая размещение естественно сдвинутых роликов 323 и частей соответствующих шарнирных анкерных соединений 321, радиальная проекция которых выходит за пределы крышки 327, когда анкерные соединения 321 находятся в полностью раскрытом положении (см., например, фиг. 8).
[0058] При эксплуатации, шарнирные анкерные соединения 321, которые изначально находятся в полностью раскрытом состоянии (например, фиг. 8), за счет действия пружины телескопического удлинителя 331 удерживаются в радиальном направлении наружу. Тем не менее, после попадания в буровую скважину 104, ролики 323 движутся относительно стенок 115 буровой скважины. На них оказывается радиальное давление внутрь в направлении корпуса 129. Анкерное соединение 321 является упруго устойчивым к такому радиальному сжатию (снова, по причине упругого сжатия пружины 529 телескопического удлинителя 331, чувствительного к радиальному сжатию анкерного соединения 321), в связи с чем, сила, действующая по радиусу наружу, как правило, перпендикулярно соответствующей части стенки 115 буровой скважины, оказывается анкерным соединением 321 на ролик 323.
[0059] Трение между карданным валом, проходящим через корпус 129, является источником воздействия крутящего момента на корпус 129, стимулирующим вращение корпуса 129 с карданным валом. Силы контакта между роликами 323 и стенкой 115 буровой скважины имеют как радиальный компонент, так и компонент по касательной, когда бурильная труба 118 вращается, являясь источником антивращательного движения корпуса 129 посредством анкерного соединения 321. Контакт между роликами 323 и стенкой 115 буровой скважины может иногда содержать контакт с поверхностью, в случае которого сопротивление вращению преимущественно, получается, от трения между роликами 323 и стенкой 115 буровой скважины. При этом, ролики 323, как правило, врезаются в стенку скважины, проникая в геологический пласт, в связи с чем вращательное взаимодействие или взаимодействие по касательной может быть по меньшей мере в определенном объеме, может быть получено от положительного взаимодействия между роликами 323 и стенкой 115 буровой скважины. Для стимулирования такого положительного взаимодействия, ролики 323 могут иметь заостренную к краю форму по радиусу наружного ребра, клинообразного вида.
[0060] Радиальный зазор внешнего диаметра корпуса 129 от стенки 115 буровой скважины может варьироваться в ходе операций бурения. Таким образом, например, сторона корпуса 129 с внутренней стороны изгиба при отклонении направления бурения, как правило, ближе к стенке 115 буровой скважины, чем в случае диаметрально противоположенного стороне корпуса 129. Вращательный эксцентриситет в бурильной колонне 108 может также привести к цилиндрическому или колебательному радиальному движению корпуса 129.
[0061] Анкерное соединение 321 спроектировано с возможностью динамического приспосабливания к такому изменению радиального положения, сохраняя достаточное усилие воздействия анкерного соединения в радиальном направлении наружу для стимулирования вращательного анкерного соединения роликов 323 со стенкой 115 буровой скважины. В результате сокращения радиального зазора на соответствующем продольном участке, соответствующий ролик 323 служит инициатором для соединения 321, действующего непосредственно на переменное монтажное соединение 331, жесткое монтажное соединение 400 и промежуточное соединение 424 посредством шпинделя 537 на внешнем соединении 408. Поскольку жесткое монтажное соединение 400 является жестким и имеет неподвижное шарнирное или подвесное крепление в корпусе 129, ось внешнего соединения 436 ограничена точным движением вокруг монтажной оси 404. Траектория оси соединения 436 схематически показана на фиг. 4А дугой 440, которая лежит на радиусе OA.
[0062] Для обеспечения движения ролика 323 в направлении корпуса 129, поддающееся изменению монтажное соединение 331 имеет динамическое телескопическое сокращение со сжатием пружины 529. Движущая сила от пружины воздействует на поддающееся изменению монтажное соединение 331 вдоль по его длине и возрастает по мере достижения роликом 323 корпуса 129. Однако следует обратить внимание, что угловая ориентация поддающегося изменению монтажного соединения 331 также варьируется в зависимости от радиального расширения соединения 321. В частности, угол (обозначенный в справочных целях символом β на фиг. 4) при котором поддающееся изменению монтажное соединение 331 расширяется в продольном направлении бурильной колонны 108 и сжимается по мере прижатия ролика 323 ближе к корпусу 129, таким образом, что меньший пропорциональный компонент силы расширения действовал в радиальном направлении наружу. В отличие от стандартных подвесных систем, например, как подвески в автотранспорте, нет необходимости для соединений 321 вращательного анкерного механизма 318 обеспечивать непрерывно нарастающее сопротивление смещению подвешенного элемента (например, ролика 323) в направлении корпуса, на котором он установлен. Для этих подвесных систем является желательным, когда сила в подвеске, действующая между колесом транспортного средства и шасси транспортного средства является максимальной при максимальной близости колеса к корпусу и постепенно снижается по мере удаления колеса от шасси, сила радиального расширения от соединения 321 на ролик 323 во внешних предельных положениях принадлежит к диапазону движения (фиг. 4B) и имеет существенную значимость в отношении функции вращательного анкерного соединения.
[0063] Как описано выше, величина радиальной силы, нормально воздействующей на стенку 115 буровой скважины, является определяющей для характеристик передачи крутящего момента зацепления ролика 323 со стенкой 115 буровой скважины. Например, сила трения, действующая по касательной, может быть пропорциональной по отношению к силе радиального расширения, при незначительном проникновении в геологическую породу. На основании сравнения фиг. 4A и фиг. 4B, будет видно, что поддающееся изменению монтажное соединение 331 (и, следовательно, действующая на него сила расширения) достигает продольной оси в полностью убранном состоянии (фиг. 4B), и значительно более вертикально в полностью раскрытом состоянии (фиг. 4A). В данном примере, угол между осью приложения силы (DA) поддающегося изменению монтажного соединения 331 и продольное направление корпуса варьируются приблизительно на 10° (фиг. 4А) и приблизительно на 30° (фиг. 4B). В некоторых вариантах реализации изобретения длина и установка компонентов соединения могут быть выбраны таким образом, что сила радиального расширения будет практически неизменной для движения ролика 323 вдоль по дуге 440, в то время как соединение в других вариантах реализации изобретения может быть сконфигурировано для создания большего радиального воздействия на ролик 323 в полностью раскрытом состоянии (фиг. 4B), чем при полностью убранном состоянии (фиг. 4А). Следует учитывать, что основная функция вращательных анкерных устройств 315 заключается в сопротивлении вращению корпуса 129 относительно геологического горизонта, а не центра корпуса 129 поперечно в буровой скважине 104 (кроме того, корпус 129 удерживается на определенном расстоянии от стенки 115 буровой скважины вращательными анкерными устройствами 315). Плечо сил, действующих по касательной на ролик 323, возрастает по мере увеличения радиального удаления ролика. Устойчивое к вращению движение, противоположенное вращению бурильной трубы 118, может быть более сильным, когда корпус 129 (в случае эксцентричности) максимально удален от стенки 115, при условии, что ролик 323 под усилием толкается наружу анкерным соединением 321 с достаточной силой.
[0064] При радиальном движении внутрь ролика 323 вдоль по дуге 440, скрытое монтажное соединение 420 вращается вокруг монтажной оси 428 в направлении, противоположенном направлению жесткого монтажного соединения 400, снижая угол между ней и продольным направлением корпуса 129. Промежуточное соединение 424 радиально вращается наружу относительно скрытого монтажного соединения 420 вокруг их общей оси крепления в точке E, в одновременным вращением в направлении корпуса 129 вокруг оси соединения 436 ролика 323. Шарнирное крепление сложного опорного элемента, расширяющегося между роликом 323 и монтажной осью 428 (т.е., сложное соединение AE-EB) обеспечивает ее динамическое сокращение для выполнения лугового движения оси соединения 436.
[0065] Как проиллюстрировано на фиг. 4B, промежуточное соединение 424 и скрытое монтажное соединение 420 имеют такие габаритные размеры и компоновку, чтобы находится более или менее прямолинейно на одной прямой при полном расширении опорного соединения 321, таким образом, их относительное вращение способствует передаче продольных сил между корпусом 129 и роликом 323 вдоль линии AB. В таком расширенном состоянии, промежуточное соединение 424 расширяется на угол относительно радиального направления, который отражает угол телескопического удлинителя 331, способствуя приблизительно аналогичному пропорциональному соединению между радиальным и продольным компонентами соответствующих соединений.
[0066] Ссылаясь на фиг. 6, видно, что промежуточное соединение 424 и жесткое монтажное соединение 400 с боковой стороны находятся на расстоянии друг от друга, равном по меньшей мере ширине конца дистального конца 533 телескопического удлинителя 331 сложенного между ними. Существенная разница сил, действующих вдоль этих соединений, может привести к скручиванию оси ролика 412 и нарушению ее перпендикулярного положения относительно оси бурильной колонны 209, с нежелательными последствиями. Повторно ссылаясь на фиг. 4A и 4B, видно, что промежуточное соединение 424 и скрытое монтажное соединение 420 выполнены таким образом, чтобы промежуточное соединение 424 имело ориентацию, аналогичную ориентации конечной части жесткого монтажного соединения 400 (0A) по всему диапазону движения анкерного соединения 321.
[0067] Описанное выше шарнирное движение анкерного соединения 321 выполняется в результате инициирования движения оси ролика 412 радиально внутрь. При движении корпуса 129 радиально от стенки скважины, либо при дальнейшем проникновении ролика 323 в породу, шарнирное движение соответствующих компонентов анкерного соединения 321 возникает в направлении, противоположенном описанному выше, оказывая воздействие на ось ролика 412 в радиальном направлении наружу для получения контакта со стенками 115 буровой скважины. Основным приводом для расширения анкерного соединения 321 является телескопический удлинитель 331, и, в частности, внешняя радиальная труба 519, которая под действием пружины 529 совершает скользящее движение от монтажной оси 416.
[0068] Свойства анкерного соединения 321 для типового варианта реализации изобретения состоят в том, что хотя поддающееся изменению соединение обеспеченное телескопическим удлинителем 331 находится под сравнительно низким углом относительно радиального (в частности, в полностью убранном состоянии, показанном на фиг. 4A), радиальный компонент движущей силы, обеспеченной пружиной 529 и действующей вдоль линии DA, усиливается силами сопротивления от корпуса 129 к ролику 323 посредством противоположено установленных монтажных соединений вдоль линии BE-EA и линии OA соответственно.
[0069] Пример отклоняющего инструмента 123 иллюстрирует ряд преимуществ относительно существующих вариантов выполнения бурильной колонны или инструментов, которые являлись невращающимися компонентами (например, как корпус 129), которые не должны совершать вращательное движение при бурении бурильной трубой 118. Некоторые из этих преимуществ становятся очевидными при сравнении примера вращательного анкерного механизма 318 с хорошо известным механизмом Липкина-Посселье, в котором вращательное движение преобразуется в прямолинейное движение или наоборот, который использовался в некоторых существующих вращательных анкерных механизмах.
[0070] Механизм Липкина-Посселье, как правило, содержит плоское соединение 6 балок, балки зафиксированы по длине и имеют шарнирное соединение относительно параллельных осей крепления. В механизме Липкина-Посселье четыре балки установлены ромбом и имеют одинаковую длину и шарнирное соединение четырехугольником. Для простоты объяснения и использования обозначений, использованных выше на фиг. 4, в качестве рассматриваемого ромба может быть принять ромб A, B, C и D. Пара более длинных балок шарнирно соединена с соответствующими соединениями в противоположенных вершинах ромба ABCD. Более длинные балки шарнирно соединены между собой в противоположенных концах, и, как правило, могут вращаться вокруг установленной точки (назовем ее, O). Точки O, B, и D выровнены и лежат на симметричной оси механизма Липкина-Посселье.
[0071] Если движение точки B в механизме Липкина-Посселье ограничено и описывает круг, точка D будет описывать прямую линию, перпендикулярную оси симметрии. И наоборот, если точка D ограничена движением по прямой линии (которая не проходит через точку O), траектория точки B будет описывать круг, проходящий через точку O. таким образом, механизм Липкина-Посселье обеспечивает преобразование вращательного движения в прямолинейное и наоборот.
[0072] Приведенное в примере анкерное соединение 321 аналогично механизму Липкина-Посселье, но отличается рядом принципиальных аспектов. Сначала, инициированный элемент соединения (например, ролик 323) движется по дуге или криволинейной траектории, в отличие от траектории прямой линии. Следует учитывать, что анкерное соединение 321, точки A и D механизма Липкина-Посселье соединены жестким соединением. Только одно из соединений O, B, и D механизма Липкина-Посселье, может быть в любой момент неподвижно установлено. Однако, поскольку оба соединения O и D соединения 321 неподвижно установлены на общей опорной структуре, ось соединения ролика 436 (A) ограничена движением по дуге 440, в то время как поддающееся изменению монтажное соединение 331 (OA) имеет динамически изменяемую длину для обеспечения точного движения оси ролика вокруг D. Механизм 318 также является более компактным по сравнению с механизмом Липкина-Посселье, поскольку симметричная половина соединения Посселье является резервной, т.е. соединения OC, BC и DC опущены.
[0073] В то время как механизм Липкина-Посселье имеет только одну фиксированную поворотную ось (например, O) анкерное соединение 321 фиксируется на корпусе при помощи монтажных соединений, вращающихся по осям 416, 428 и 404 соответственно. Таким образом анкерное соединение 321 имеет три фиксированных монтажных оси. Наличие дополнительных монтажных осей (например, 404 и 428) обеспечивает несколько преимуществ. Продольная жесткость анкерного соединения 321 значительно повышена по сравнению с механизмом Посселье, поскольку нет осевого скольжения монтажных осей B и O. Наоборот, монтажные оси В, D и O поддерживают неизменную пространственную связь при расширении или убирании соединения 321. Осевой компонент силы раскрытия телескопического удлинителя, действующий вдоль линии DA, ограничивается не только жестким элементом соединения OA, а еще и сложным соединением AEB.
[0074] Как было указано выше, движущая сила, действующая вдоль линии DA, приблизительно равна по величине и противоположена по направлению осевых компонентов сил сопротивления, действующих вдоль сложным соединением ВЕА, а также жесткого монтажного соединения 400 (OA), реагирующего на осевое воздействие относительно фиксированных точек монтажа на корпусе 129. В то время как осевые компоненты соединений с противоположенных продольных сторон оси соединения эффективно компенсируют друг друга, эти силы действуют в том же радиальном направлении, т.е. радиально наружу. По причине осевой жесткости соединения 321, действующее по радиусу усилие наружу на ось соединения 436 усиливается переносом сил сопротивления от корпуса 129 к оси соединения 436. Механизм Липкина-Поселлье, например, не может обеспечить аналогичное соединение, поскольку его оси соединения, соответствующие осям B и O, смещены относительно одной, фиксированной монтажной оси. Механизм 318 и также является прочным и надежным, в частности, при сравнении с механизмом Липкина-Посселье, которые имеет две скользящие точки монтажа.
[0075] Сложное соединение BA может дополнительно быть рассмотрено как модификация механизма Посселье, содержащего вращательное соединение в балке Посселье, образующей внутреннюю сторону ромба (например, соединение BA). Промежуточное соединение 424 и скрытое монтажное соединение 420 могут интерпретироваться как компоненты шарнирного соединения с соединением между осью соединения 436 (A) и внутренней монтажной осью 428 (B), с переменной длинной в зависимости от динамического изменения расстояния между точками В и А. Подвижность соединения BA обеспечивает не только динамическое изменение длины, необходимое если ось соединения 436 имеет траекторию с постоянным радиусом вокруг монтажной оси 416 (O), в то время как сложное соединение AB стационарно установлено на оси B, но также обеспечивает возможность динамического изменения конфигурации сложным соединением AB при радиальном расширении/убирании. Таким образом, скрытое монтажное соединение 420 (BE) достигает низкого профиля, когда механизм 318 полностью сложен (фиг. 4A), с раскрытием практически в осевом направлении, но при угловой ориентации, аналогичной ориентации промежуточного соединения 424 (AE) при расширении механизма.
[0076] Следует учитывать, что сложное соединение АВ в данном примере служит опорным элементов, добавляющим жесткость и являющимся структурной опорой для ролика 323. Выполнение направляющей функции для параметров соединений в классических плоских соединениях является второстепенным. Например, удаление сложного соединения АВ не повлияет на траекторию оси соединения 436. И наоборот, точная траектория 440 ролика 323 полностью определяется структурными характеристиками и выполнением соединения переменной длины DA и жесткого монтажного соединения AO. Посредством описанных выше механических сил шарнирное сложное соединение АВ обеспечивает структурную опору для ролика 323 путем: (a) (вместе с жестким монтажным соединением АО) сопротивление осевому движению ролика 323 под воздействием телескопического удлинителя 331; (b) дополнительное усилие к радиальному усилию ролика 323 во внешнюю сторону, как описано; и (c) обеспечение боковой опоры для ролика 323 (см., например, фиг. 6) таким образом, чтобы распределение сил, действующих на ролик 323, со стороны было сбалансировано относительно центральной линии ролика 323.
[0077] Еще одним различием механизма Липкина-Посселье и анкерным соединением 321 является обеспечение приводного механизма или механизма смещения расширения, использованного в соединения 321, в данном примере, обеспеченного пружиной 529, установленной в телескопическом удлинителе 331. Пружина 529 в данном примере, является единственным источником энергии, который приводит к расширению анкерного соединения 321. Телескопический удлинитель 331 имеет преимущества компактности и надежности (например, пружина 529 герметизирована для защиты от воздействия бурового раствора). Подпружиненное поддающееся изменению соединение также обеспечивает движущую силу от пружины для изменения углового положения в соответствии с раскрытием/убиранием соединения, использование которой описано выше. Динамическое изменение угловой ориентации механизма пружины, расположенной в поддающимся изменению соединении DA, обеспечивает для соединения 321 низкий радиальный профиль в полностью убранном состоянии (фиг. 4A). Как указано, телескопический удлинитель 331 расширяется при относительно низкой величине угла относительно продольного положения, в убранном состоянии, таким образом, вращательный анкерный механизм 318 имеет пониженную радиальную ширину по сравнению с существующим механизмом, в котором одна и более приводных пружин имеют фиксированную ориентацию при радиальном расширении. Следует учитывать, что пространство по диаметру буровой скважины 104 строго ограничено, в связи с чем, уменьшение радиального профиля вращательного анкерного механизма 318 может позволить, например, использование бура большего диаметра в бурильной трубе 118.
[0078] Преимуществом устройства (например, приведенный вариант вращательного анкерного устройства 315) с двумя и более вращательными анкерными механизмами 318, является соединение роликов с корпусом 129 при помощи независимого анкерного соединения. Таким образом, радиальное положение каждого ролика 323 не зависит от радиального положения других роликов 323 устройства 315. Данное свойство проиллюстрировано на фиг. 9, на которой один из роликов 323 каждого вращательного анкерного устройства 315 показан в раскрытом состоянии, в то время как другой ролик 323 каждой пары показан в полностью сложенном состоянии. Такая независимо настраиваемая подвеска на пружине способствует эффективной независимой настройке проникновения в геологическую породу, на основании местных свойств породы. Ролики предыдущих вращательных анкерных механизмов 318 часто развертываются вместе или одновременно, что может оказывать воздействие на ограничение проникновения в геологическую породу. В патенте США 7,188,689, например, приведено описание подвесного механизма, в котором пара роликов установлена друг за другом на одной подвижной в радиальном направлении каретке, с эффектом ограничения степени проникновения роликов в геологический горизонт до успешного проникновения ролика на указанной каретке.
[0079] Вращательное анкерное устройство 315 имеет модульную конструкцию, раму 308 и монтажный механизм вращательного анкерного устройства 315, которые в некоторых вариантах реализации изобретения имеют стандартный размер и конфигурацию. Техническое обслуживание и ремонт отклоняющего инструмента 123 упрощены за счет использования модульных вращательных анкерных устройств 315, обеспечивающих, например, сборку инструмента или ремонт на буровой площадке. Модульная конструкция системы позволяет обеспечить ряд поворотных анкерных устройств 315 различными рабочими характеристиками, с возможностью сменной установки в корпусе 129. Это позволит оператору выбрать различные конфигурации устройств 315 для различных целей, либо снять и заменить модульные вращательные анкерные устройства 315 на рабочей площадке. Такое движение и замена вращательных анкерных устройств 315 упрощаются благодаря функциональной стационарной установке корпуса 129.
[0080] Вращательный анкерный механизм 318 имеет возможность модификации или изменения согласно потребностям пользователя для обеспечения необходимых рабочих параметров. Это свойство позволяет обеспечить ряд модульных вращательных анкерных устройств 315 с различными рабочими характеристиками различных моделей, за счет модификации вращательного анкерного механизма, например, пружина 529 может быть выбрана или отрегулирована для обеспечения необходимой силы раскрытия. В некоторых вариантах реализации изобретения возможно использование гнезда пружин. И наоборот, или в дополнение, длина элементов соединения механизма 318 (например, соединения AE, EB и AO) может быть изменена для получения другой траектории движения ролика 323.
[0081] В дополнение, механизм 318 имеет относительно простую конструкцию и низкую стоимость. Вращательное соединение, например, элементов соединения, имеет низкую сложность и высокую надежность. В одном варианте реализации элементы соединения механизма 318 могут содержать квадратные стальные балки.
[0082] Таки образом, один аспект описанных вариантов реализации изобретения представляет собой вращательный анкерный механизм для, практически, не вращающегося корпуса узла бурового инструмента, для анкерного крепления не вращающегося корпуса для предотвращения вращения, когда корпус установлен практически соосно на бурильной колонне с бурильной трубой с вращательным приводом в продольном направлении по буровой скважине, а не вращающийся корпус радиально удален от стенки буровой скважины, анкерный механизм содержит:
[0083] анкерный элемент, выполненный для устойчивого к вращению зацепления со стенкой буровой скважины, чувствительный к радиально направленному контакту со стенкой буровой скважины;
[0084] Анкерное соединение, обеспечивающее разъемное соединение анкерного элемента с корпусом таким образом, чтобы изменение радиального расширения анкерного соединения было синхронно связано с изменением радиального зазора между корпусом и анкерным элементом, при этом анкерное соединение содержит множество функционально связанных монтажных соединений, установленных на корпусе для вращения вокруг соответствующих осей крепления, которые практически параллельны друг другу, с фиксированным пространственным взаимным расположением; а также.
[0085] Приводной механизм, соединенный с анкерным соединением для инициирования радиального расширения анкерного соединения за счет приложения движущей силы к анкерного соединения, при этом, угловая ориентация усилия воздействия по отношению к корпусу является переменной и зависит от изменения радиального расширения анкерного соединения.
[0086] Соединение может содержать одну и более жестких соединений неизменной длины, а также связь переменной длины с динамическим изменением, как по длине, так и по угловой ориентации в результате изменения радиального расширения анкерного соединения. Одно из монтажных соединений может быть оснащено поддающимся изменению соединением. В некоторых примерах монтажное соединение может содержать поддающееся изменению соединение и жесткое соединение.
[0087] Описания и ссылки в данном описании изобретения на “длину” соединения подразумевают кратчайшее расстояние между соответствующими соединениями соединений с другими соединениями в соединении, и/или с шарнирной установкой на корпусе.
[0088] Анкерное соединение может содержать блок упруго эластичной пружины, например, винтовую пружину, работающую на сжатие, образующую часть анкерного соединения. При этом приводной механизм может быть установлен в анкерном соединении, чтобы не было элементов, не связанных с анкерным соединением, действующих между анкерным соединением и корпусом для инициирования радиального расширения анкерного соединения.
[0089] Блок пружины может быть функционально соединен с переменной связью для инициирования продольного расширения поддающегося изменению соединения, анкерное соединение сконфигурировано таким образом, чтобы раскрытие поддающегося изменению соединения приводило к радиальному расширению анкерного соединения вместе с синхронным вращательным смещением поддающегося изменению соединения.
[0090] Поддающееся изменению соединение может содержать компоненты соединения, которые соосно выровнены и подвижные в продольном направлении друг относительно друга, с присоединением блока пружины к компонентам связи для инициирования продольного скольжения компонентов в противоположенные стороны таким образом, чтобы движущая сила действовала продольно вдоль оси поддающегося изменению соединения. Вращение поддающегося изменению соединения, например, вокруг соответствующей монтажной оси, во время инициированного радиального расширения/убирания анкерного соединения приводит к изменению угла наклона движущей силы относительно оси буровой скважины.
[0091] Анкерное соединение может быть выполнено таким образом, чтобы при полностью убранном положении анкерного соединения, поддающееся изменению соединение выдвигалась на относительно малый угол по отношению к продольной оси корпуса, обеспечивая для анкерного соединения относительно низкий радиальный профиль. В некоторых вариантах реализации изобретения угол между подпружиненным поддающимся изменению соединением в сложенном положении составляет менее 30°, а в отдельных вариантах реализации изобретения возможен угол менее 20°.
[0092] В некоторых вариантах реализации изобретения поддающееся изменению соединение может быть представлено телескопическим удлинителем, с трубчатыми компонентами соединения с телескопическим соединением между собой, блоком пружины, установленным в пустотельной внутренней части для оказания инициирования движения компонентов соединения в противоположенные стороны.
[0093] Одно из множества монтажных соединений может быть обеспечено поддающимся изменению соединением, которое может быть шарнирно установлено на проксимальном конце корпуса для вращения вокруг соответствующей монтажной оси. В таком случае поворотная связь может иметь шарнирное соединение на его дистальном конце для одного определенного или нескольких соединений.
[0094] Поддающееся изменению соединение может иметь поворотное соединение на дистальном конце с жестким монтажным соединением, определяя, таким образом, треугольник между осью поворотного соединения, соответствующими монтажными осями поддающегося изменению соединения и жестким соединением. Две ножки такого треугольника (например, линия между монтажными осями, и длина жесткого монтажного соединения) будут в таком случае иметь неизменную длину при изменении радиального расширения анкерного соединения, а монтажная ножка треугольника (например, соответствующая длине поддающегося изменению соединения) имеет переменную длину для обеспечения подвижности соединения, ось соединения в такой конструкции будет описывать дугу вокруг монтажной оси жесткого монтажного соединения. Анкерный элемент может быть установлен на или смежно с его подвижной осью соединения, чтобы анкерный элемент в процессе работы описывал криволинейную траекторию, образуя дугу с радиусом, равным длине жесткого монтажного соединения, центр которого находился на соответствующих монтажных осях.
[0095] Анкерное соединение может дополнительно содержать третье монтажное соединение (например, в дополнение к поддающегося изменению монтажного соединения и жесткого монтажного соединения), которое может быть косвенно соединено с анкерным элементом. В одном примере реализации изобретения третье монтажное соединение обеспечивается жестким соединением, вращающимся вокруг соответствующей монтажной оси, третье монтажное соединение соединено с поворотным соединением поддающегося изменению соединения промежуточным соединением, которое имеет вращательное соединение с противоположенной стороны относительно поддающегося изменению соединения и промежуточного соединения соответственно.
[0096] Две и более монтажных соединений анкерного соединения могут вместе обеспечивать эксклюзивное соединение с корпусом, при этом анкерное соединение устанавливается на корпусе только посредством монтажных соединений, а между анкерным соединением и корпусом нет других монтажных интерфейсов или соединений. “Стационарная” установка или соединение в рамках настоящего описания изобретения, если из содержания явно не следует иное, означает установку или соединение, при котором соединенный элемент ограничен от движения относительно рамы или ссылочной поверхности (как правило - корпуса), даже если вращательное или поворотное движение на соединении допускаются. Согласно определению, анкерное соединение может иметь множество стационарных установок, каждая из которых может содержать соединение с одной, вращательной степенью свободы.
[0097] Анкерное соединение может образовать часть съемного приложения или вставки, анкерного соединения, например, устанавливаемого на раме со съемной установкой на не вращающемся корпусе для образования полупостоянной части скважинного инструмента, частью которого является не вращающийся корпус.
[0098] Другие аспекты описания изобретения, приведенные при помощи примеров вариантов реализации изобретения, содержат, помимо прочего, узел забойного приспособления, содержащий один и более вращательных анкерных механизмов, бурильную колонну, содержащую один и более вращательный анкерный механизм, буровую установку, содержащую бурильную колонну с одним и более вращательным анкерным механизмом, и способ анкерного крепления компонентов бурильной колонны для предупреждения вращения с помощью вращательных анкерных механизмов, как описано.
[0099] В изложенном выше подробном описании изобретения видно, что различные характеристики сгруппированы вместе в один вариант реализации изобретения в целях рационализации описания изобретения. Данный способ описания изобретения не следует рассматривать как отражающий концепцию того, что приведенный в заявке вариант реализации изобретения требует более глубоких характеристик, чем ясно указано в каждой заявке. Скорее, как показано в следующих заявках объект изобретения заключается в не всех характеристиках одного описанного варианта реализации изобретения. Таким образом, следующие пункты настоящим включены в детальное описание изобретения, при этом, каждый пункт следует рассматривать самостоятельно, как отдельный вариант реализации изобретения.