БУРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С МУФТОЙ, ВРАЩАЕМОЙ В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ
DRILLING MOTOR WITH COUPLING ROTATING IN ONE DIRECTION

Область изобретения
Настоящее изобретение, в целом, относится к оборудованию, применение которого связано с бурением подземных скважин, и к соответствующим процессам, и, более конкретно, в раскрытом ниже одном из примеров осуществления обеспечивает буровой двигатель с муфтой, вращаемой в одном направлении.
Уровень техники
Турбинный буровой двигатель приводится во вращение потоком проходящей через двигатель буровой текучей среды. Обычно турбинные буровые двигатели используют в случаях, когда требуется относительно высокая скорость вращения при относительно невысоком вращательном моменте, при бурении скважин сложной траектории, и т.д.
К сожалению, если буровое долото, вращаемое обычным турбинным буровым двигателем, застрянет, то его невозможно повернуть посредством вращения секции бурильной колонны, расположенной над буровым двигателем. Поэтому освобождение застрявшего бурового долота может стать очень сложным.
Поэтому очевидно, что усовершенствования в области конструкции и способов работы буровых двигателей требуются постоянно. Такие усовершенствования могут быть использованы с буровыми двигателями других типов, отличных от буровых двигателей турбинного типа.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлен частичный поперечный разрез буровой системы, и соответствующий способ, который может реализовать принципы настоящего изобретения.
На фиг. 2 в увеличенном масштабе представлен частичный поперечный разрез в аксонометрии части турбинного бурового двигателя, в котором могут быть осуществлены принципы настоящего изобретения.
На фиг. 3 в еще более увеличенном масштабе представлена аксонометрическая проекция муфты, вращаемой в одном направлении, которая может быть использована в буровом двигателе и в которой могут быть осуществлены принципы настоящего изобретения, в разобранном виде.
На фиг. 4 в еще большем масштабе представлен поперечный разрез элемента муфты, вращаемой в одном направлении.
На фиг. 5 представлен поперечный разрез муфты, вращаемой в буровом двигателе в одном направлении.
Подробное раскрытие изобретения
На фиг. 1 схематически проиллюстрированы система 10, применяемая в подземных скважинах, и соответствующий способ бурения, в которых могут быть реализованы принципы настоящего изобретения. Однако необходимо ясно понимать, что система 10 и упомянутый способ являются исключительно одним из примеров осуществления принципов настоящего изобретения на практике, и возможны разнообразные другие примеры. Поэтому, объем настоящей заявки не ограничен элементами системы 10 и способом, описанными здесь и/или изображенными на фигурах.
В примере на фиг. 1 бурильная колонна 12 используется для бурения скважины 14. Для этого к дистальному концу бурильной колонны 12 присоединено буровое долото 16. Буровое долото 16 может приводиться во вращение за счет протекания текучей среды (такой как буровая текучая среда, известная также как буровой раствор) через узел 18 бурового двигателя, соединенный с бурильной колонной 12.
Узел 18 бурового двигателя может содержать буровой двигатель 20 и подшипниковое уплотнительное устройство 22. В предпочтительном варианте буровой двигатель 20 выполнен в виде турбинного бурового двигателя, но при необходимости могут быть использованы буровые двигатели других типов (например, гидравлический двигатель, двигатель Муано, и т.д.).
В рассматриваемом примере узел 18 бурового двигателя дополнительно содержит вращаемую в одном направлении муфту 24, которая обеспечивает возможность вращения бурового долота 16 за счет вращения бурильной колонны 12, расположенной над узлом 18 (например, посредством роторного стола, верхнего привода, другого бурового двигателя, и т.д.). Несмотря на то что муфта 24 показана на фиг. 1, установленной между подшипниковым уплотнительным устройством 22 и буровым долотом 16, в других примерах муфта может быть частью подшипникового уплотнительного устройства, частью бурового двигателя 20, или может быть расположена иначе.
В состав бурильной колонны 12 могут дополнительно входить другие компоненты, например отклонитель 62. В таком случае муфта 24, вращаемая в одном направлении, может быть частью отклонителя 62. Объем настоящего изобретения не ограничен какими-либо конкретными сочетанием, конструкцией или расположением компонентов узла 18 или бурильной колонны 12.
Возможность вращения бурового долота 16 за счет вращения бурильной колонны 12, расположенной над узлом 18, может быть полезна, например, в том случае, если буровое долото застревает и не может быть приведено во вращение потоком текучей среды, проходящей через буровой двигатель 20. Вращение бурового долота 12 за счет вращения бурильной колонны 12 может быть использовано для устранения застревания бурового долота 16, чтобы процесс бурения мог быть продолжен.
Однако объем настоящего изобретения не ограничен какой-либо конкретной задачей, для выполнения которой в узле 24 применяется муфта 24, вращаемая в одном направлении. Муфта 24, вращаемая в одном направлении, может быть использована во множестве различных способов для предотвращения относительного вращения между буровым долотом 16 и бурильной колонной 12, расположенной над узлом 18, в одном направлении, и одновременного обеспечения возможности относительного вращения между буровым долотом и бурильной колонной, расположенной выше узла, в противоположном направлении вращения.
Обратимся теперь также к фиг. 2, на которой в увеличенном масштабе схематически представлен частичный поперечный разрез силовой секции бурового двигателя 20. В этой проекции более четко видно, что буровой двигатель 20, в предпочтительном варианте, содержит статорные лопатки 26, направляющие буровую текучую среду 28 в сторону соударения с роторными лопатками 30. Статорные лопатки закреплены неподвижно относительно внешнего корпуса 32, роторные лопатки 30 закреплены неподвижно относительно внутреннего вала 34.
В штатном режиме работы обеспечивается протекание текучей среды 28 через буровой двигатель 20, которое вызывает вращение роторных лопаток 30 и вала 34 относительно статорных лопаток 26 и внешнего корпуса 32. Вал 34 соединен с буровым долотом 16, поэтому протекание текучей среды 28 через буровой двигатель 20 вызывает вращение бурового долота.
Отметим, что на фиг. 2 изображен буровой двигатель 20 турбинного типа, и два набора статорных и роторных лопаток 26, 30, служащих для вращения вала 34 относительно корпуса 32. Однако в других примерах могут быть использованы другие типы буровых двигателей, может быть использовано любое количество статорных и роторных лопаток 26, 30, корпус 32 и вал 34 могут быть выполнены из множества соединенных вместе элементов и т.д. То есть должно быть ясно, что объем настоящего изобретения не ограничен какими-либо конкретными признаками бурового двигателя 20, изображенными на чертежах или описанными в настоящей заявке.
Обратимся теперь также к фиг. 3, на которой в еще более крупном масштабе схематически представлена вращаемая в одном направлении муфта 24 в разобранном виде. В этой проекции видно, что муфта 24 содержит несколько собачек 36, установленных с возможностью поворота вокруг своей оси, которые могут входить в зацепление с выемками 38 соответствующей формы, за счет чего предотвращается относительное вращение между корпусом 40 и внутренним шпинделем 42.
В рассматриваемом примере корпус 40 представлен в виде трех частей 40a, b, c и закреплен неподвижно относительно корпуса 32 бурового двигателя 20. В других примерах корпусы 32, 40 могут представлять собой один и тот же корпус, или различные части одного корпусного узла. Шпиндель 42 закреплен неподвижно относительно вала 34. Таким образом, относительное вращение между корпусом 40 и шпинделем 42 соответствует относительному вращению между корпусом 32 и валом 34 бурового двигателя 20.
Должно быть ясно, что при вращении шпинделя 42 по часовой стрелке (при взгляде сверху на фиг. 3) относительно корпуса 40, например, посредством бурового двигателя 20, собачки 36 поворачиваются в сторону выхода из зацепления с выемками 38, обеспечивая возможность такого относительного вращения. Собачки 36 поворачиваются вокруг шарнирных пальцев 44, предусмотренных на противоположных сторонах собачек. Шарнирные пальцы 44 выполнены с возможностью вставки в отверстия 46, выполненные в корпусных частях 40b, c.
При вращении корпуса 40 по часовой стрелке относительно шпинделя 42, например, за счет вращения бурильной колонны 12, расположенной над узлом 18 бурового двигателя, собачки 36 поворачиваются в сторону входа в зацепление с выемками 38, исключая возможность такого относительного вращения. Таким образом, муфта 24 обеспечивает возможность вращения шпинделя 42 и вала 34 относительно корпусов 32, 40 по часовой стрелке, но предотвращает возможность вращения шпинделя и вала относительно корпусов против часовой стрелки.
Обратимся теперь также к фиг. 4, на которой в увеличенном масштабе представлена часть муфты 24. Данная проекция является видом с торца собачки 36, на ней показано, как собачка поворачивается вокруг оси 48 вращения относительно корпуса 40.
Отметим, что отверстие 46 в корпусной части 40c является удлиненным, поэтому сжимающее усилие 50, воздействующее на собачку 36, когда она предотвращает вращение шпинделя 42 относительно корпуса 40 против часовой стрелки, не передается через шарнирный палец 44 корпусной части 40c. Отверстия 46 корпусной части 40b, предпочтительно, выполнены таким же образом.
Поэтому, при передаче крутящего момента между корпусом 40 и шпинделем 42 (например, в случае, если зацепление между собачкой 36 и выемкой 38 препятствует вращению шпинделя относительно корпуса против часовой стрелки, или вращению корпуса относительно шпинделя по часовой стрелке) не требуется, чтобы шарнирные пальцы 44 воспринимали сжимающее усилие 50. Вместо этого, сжимающее усилие 50 воспринимает корпусная часть 40a в месте соприкосновения с собачкой 36. Это позволяет предотвратить преждевременный износ шарнирных пальцев 44 и распределить усилие вдоль части собачки 36, расположенной между шарнирными пальцами 44.
Отметим также, что, в целом, плоская контактная поверхность 52 собачки 36 входит в зацепление с, в целом, плоской контактной поверхностью 54 шпинделя 42. Такое зацепление между плоскими контактными поверхностями 52, 54 обеспечивает распределение контактного давления, обусловленное контактом по плоским поверхностям, за счет чего уменьшается контактное давление.
Кроме того, между собачкой 36 и нижней частью выемки 38 образуется клиновидное пространство 56, «захватывающее» текучую среду между собачкой и выемкой. Эта «захваченная» текучая среда при вращении шпинделя 42 относительно корпуса 40 по часовой стрелке подвергается все большему сдавливанию между собачкой 36 и нижней частью выемки 38, за счет чего создается гидродинамическое давление между собачкой и выемкой 38. Гидродинамическое давление снижает контактное давление между собачкой 36 и выемкой 38 при вращении вала 34 и шпинделя 42 с относительно высокой скоростью посредством бурового двигателя 20.
Аналогичным образом создается гидродинамическое давление между собачкой 36 и наружной поверхностью шпинделя 42 при вращении шпинделя относительно корпуса 40 по часовой стрелке. Гидродинамическое давление снижает контактное давление между собачкой 36 и шпинделем 42 при вращении вала 34 и шпинделя с относительно высокой скоростью посредством бурового двигателя 20.
Обратимся теперь также к фиг. 5, на которой схематически представлен поперечный разрез муфты 24, вращаемой в одном направлении, которая установлена в узле 18 бурового двигателя. На этой проекции четко видно, что собачки 36 смещены в сторону вхождения в зацепление с выемками 38 посредством смещающих устройств 58 (таких как цилиндрические пружины, пластинчатые пружины, упругие элементы, жидкость под давлением, и т.д.).
Смещающие усилия передаются на собачки 38 от смещающих устройств 58 через «кнопки» 60. Предпочтительно, сопрягаемые поверхности кнопок 60, корпусной части 40a, шарнирных пальцев 44, корпусных частей 40b, c и т.д. специально обработаны так, чтобы выдерживать повторяющиеся истирание, ударные воздействия, и т.д. Например, поверхности сопряжения могут быть упрочнены до твердости по Бринеллю 400 и выше, могут быть выполнены из карбида вольфрама или другого материала с высокой твердостью, могут быть покрыты (например, с использованием химического осаждения из газовой фазы, и т.д.), или подготовлены другим способом так, чтобы выдерживать истирание при больших скоростях и/или ударные воздействия.
Отметим, что угол A между контактными поверхностями 52, 54 и радиусом r, проходящим вдоль собачки 36 из оси 48 вращения, превышает девяносто градусов (это также показано на фиг. 4). Когда контактные поверхности 52, 54 находятся в зацеплении (например, в том случае, когда муфта 24 предотвращает вращение вала 34 и шпинделя 42 относительно корпусов 32, 40 против часовой стрелки), этот непрямой угол A предотвращает выход собачки 36 из зацепления с выемкой 38, в частности, при передаче относительно высокого момента от корпусов 32, 40 валу 34 через шпиндель 42 (например, для освобождения застрявшего бурового долота 16).
Теперь должно быть вполне понятно, что представленное изобретение предлагает существенные усовершенствования в области создания и эксплуатации буровых двигателей при бурении скважин. В описанных выше примерах муфта 24, вращаемая в одном направлении, позволяет использовать буровой двигатель 20 для вращения бурового долота, и также позволяет приводить во вращение буровое долото 16 посредством вращения бурильной колонны 12, расположенной над узлом 18 бурового двигателя.
В вышеприведенном описании предложен узел 18 бурового двигателя. В одном из примеров узел 18 бурового двигателя может содержать корпус 32, вал 34, и по меньшей мере одну собачку 36, которая выборочно входит в зацепление с по меньшей мере одной выемкой 38. Собачка 36 имеет ось 48 вращения и, в целом, плоскую контактную поверхность 52, которая для предотвращения относительного вращения между корпусом 32 и валом 34 входит в зацепление c, в целом, плоской контактной поверхностью 54 выемки 38. Входящие в зацепление контактные поверхности 52, 54 собачки и выемки расположены под углом к радиусу r, проходящему из оси 48 вращения в сторону входящих в зацепление контактных поверхностей 52, 54 собачки и выемки.
В некоторых описанных выше примерах обеспечена возможность относительного вращения между корпусом 32 и валом 34 в одном направлении, но исключена возможность вращения в противоположном направлении за счет вхождения в зацепление контактных поверхностей 52, 54 собачки и выемки.
Собачка 36 выполнена с возможностью поворота вокруг шарнирного пальца 44. Шарнирный палец 44 может вставляться в продолговатое отверстие 46, при этом шарнирный палец 44 не передает крутящий момент между корпусом 32 и валом 34 при предотвращении относительного вращения между корпусом 32 и валом 34. Сжимающее усилие 50 может передаваться между корпусом 32 и валом 34 через собачку 36, причем шарнирный палец 44 не воспринимает это сжимающее усилие 50.
В некоторых примерах собачка 36 вращается вместе с корпусом 32, а выемка 38 вращается вместе с валом 34.
Собачка 36 может поворачиваться в сторону выхода из зацепления с выемкой 38 при обеспечении возможности относительного вращения между корпусом 32 и валом 34.
При обеспечении возможности относительного вращения между корпусом 32 и валом 34, гидродинамическое давление может уменьшать контактное давление между собачкой 36 и выемкой 38.
Входящие в зацепление контактные поверхности 52, 54 собачки и выемки могут быть ориентированы относительно радиуса под углом A, превышающим 90 градусов.
Узел 18 бурового двигателя может содержать турбинный буровой двигатель 20, приводящий во вращение вал 34 под действием потока текучей среды, протекающей через буровой двигатель 20.
Также выше описан способ бурения скважины 14. В одном из примеров такой способ может содержать: протекание буровой текучей среды 28 через узел 18 бурового двигателя, вызывающее вращение вала 34 относительно корпуса 32; и вращение корпуса 32, за счет чего по меньшей мере одна собачка 36 входит в зацепление с по меньшей мере одной выемкой 38 и предотвращается относительное вращение между корпусом 32 и валом 34, причем как собачка 36, так и выемка 38 имеют, в целом, плоские контактные поверхности 52, 54, при этом за счет вхождения в зацепление поверхностей 52, 54 зацепления предотвращается взаимное вращение вала 34 и корпуса 32. Буровой двигатель 20 может быть турбинным буровым двигателем.
Узел 18 бурового двигателя, описанный выше, может содержать буровой двигатель 20, который, за счет протекания через буровой двигатель 20 текучей среды 28, приводит вал 34 во вращение относительно корпуса 32, и по меньшей мере одну собачку 36, выборочно входящую в зацепление с по меньшей мере одной выемкой 38, чтобы выборочно предотвращать относительное вращение между валом 34 и корпусом 32. Собачка 36 поворачивается вокруг шарнирного пальца 44, и сжимающее усилие 50 передается между корпусом 32 и валом 34 через собачку 36 без восприятия этого сжимающего усилия 50 шарнирным пальцем 44.
Несмотря на то, что выше описаны различные примеры, каждый из которых имеет определенные признаки, должно быть понятно, что конкретные признаки одного примера не обязательно могут быть использованы только с этим примером. Напротив, любой из описанных выше и/или изображенных на чертежах признаков можно сочетать с любым из примеров в дополнение или вместо любого из других признаков этих примеров. Признаки одного примера и признаки других примеров не являются взаимно исключающими. Напротив, объем настоящего изобретения охватывает любые сочетания этих признаков.
Несмотря на то что каждый из описанных выше примеров содержит определенное сочетание признаков, должно быть понятно, что не обязательно должны быть использованы все признаки конкретного примера. Напротив, могут быть использованы любые описанные признаки без одновременного использования какого-либо или каких-либо других признаков.
Должно быть ясно, что различные раскрытые выше варианты осуществления могут быть использованы, без отступления от принципов настоящего изобретения, в различных положениях в пространстве, например, в наклоненном, перевернутом, горизонтальном, вертикальном, и так далее, и в различных конфигурациях. Варианты осуществления описаны исключительно в виде примеров полезных вариантов применения принципов настоящего изобретения, которое не ограничивается никакими конкретными деталями этих вариантов осуществления.
В приведенном выше описании характерных примеров термины направлений (такие как «над», «под», «верхний», «нижний» и другие) использованы для удобства ссылки на прилагаемые чертежи. Однако должно быть ясно, что объем настоящего изобретения не ограничен какими-либо конкретными направлениями, описанными выше.
Термины «содержащий», «содержит», «имеющий», «имеет» и подобные использованные в настоящем описании термины не являются ограничивающими. Если, например, система, способ, устройство, приспособление, и тому подобное, описаны как «содержащие» некоторый признак или элемент, система, способ, устройство, приспособление, и тому подобное, могут содержать этот признак или элемент, и также могут содержать другие признаки или элементы. Аналогично, термин «содержит» использован в значении «содержит, не ограничиваясь этим».
Конечно, специалисту в области техники, при внимательном рассмотрении приведенного выше раскрытия примеров осуществления настоящего изобретения, легко станет очевидно, что в конкретные варианты осуществления могут быть внесены множество модификаций, дополнений, исключений и других изменений, и такие изменения охвачены принципами настоящего изобретения. Например, конструкции, описанные как выполненные отдельно, в других примерах могут быть выполнены интегрально, и наоборот. Соответственно, приведенное выше описание должно рассматриваться как представленное только для примера и иллюстрации, при этом сущность и объем настоящего изобретения ограничены исключительно прилагаемыми пунктами формулы и их эквивалентами.