ЗАБОЙНЫЕ ДВИГАТЕЛИ С УДАРНЫМ ПРИВОДОМ
DOWNHOLE MOTORS WITH IMPACT DRIVE

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится, в целом, к забойным двигателям, используемым для бурения нефтяных, газовых и водяных скважин, и, в частности, относится к системам привода, встроенным в такие забойные двигатели.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При бурении ствола скважины в земле, например для добычи углеводородов или минералов из подземного пласта, общепринятый способ заключается в соединении бурового долота с нижним концом узла секций бурильной трубы, соединенных торцом к торцу (обычно называемых «бурильная колонна»), с последующим вращением бурильной колонны, так что бурильная колонна продвигается вниз в земле для создания необходимого ствола скважины. При обычных операциях бурения вертикального ствола скважины бурильную колонну и долото вращают с помощью либо «поворотного стола», либо «верхнего привода», связанного с буровой установкой, установленной на поверхности земли над стволом скважины (или, в операциях морского бурения, на буровой платформе, опирающейся на дно моря, или на приспособленное соответствующим образом плавучее судно).
В процессе бурения буровой раствор (также называемый «глинистый раствор» или просто «раствор») закачивают под давлением вниз через бурильную колонну, из бурового долота в ствол скважины, а затем вверх, обратно к поверхности, через кольцевой зазор между бурильной колонной и стволом скважины. Буровой раствор, который может быть на водной основе или на масляной основе, переносит буровой шлам из ствола скважины на поверхность, а также выполняет другие полезные функции, в том числе, увеличение производительности бурового долота (например, за счет впрыскивания раствора под давлением через каналы в буровом долоте, создание струй раствора, которые врываются в нижележащую формацию и ослабляют ее при продвижении бурового долота), охлаждение бурового долота, и формирование защитной глинистой корки на стенке ствола скважины (для стабилизации и уплотнения стенки ствола скважины).
В частности, с середины 1980-х годов в нефтегазовой отрасли стало все более распространенным и желательным использование методов «направленного бурения» для бурения горизонтальных и других не вертикальных стволов скважин, чтобы способствовать более эффективному доступу и разработке более крупных районов подземных углеводородсодержащих пластов, чем было бы возможно при использовании только вертикальных скважин. При направленном бурении специализированные компоненты бурильной колонны и оборудование низа бурильной колонны (bottomhole assembly, ВНА) используют для стимуляции, мониторинга, и управления отклонениями в траектории бурового долота, чтобы создавать ствол скважины необходимой не вертикальной конфигурации.
Направленное бурение, как правило, выполняют с использованием забойного двигателя (также называемого «двигатель буровой установки» или «гидравлический забойный двигатель»), встроенного в бурильную колонну непосредственно выше бурового долота. Типичный узел забойного двигателя содержит следующие основные компоненты (приведены в последовательности, от верхней части узла двигателя):
• верхний переводник, выполненный с возможностью облегчения соединения с нижним концом бурильной колонны («переводник» распространенный общий термин в нефтегазовой отрасли для какого-либо небольшого или вспомогательного компонента бурильной колонны);
- силовая секция, функционально связанная с верхним переводником;
- корпус приводного вала (который может быть прямым, изогнутым или регулируемым с определенным шагом между нулем градусов и максимальным углом);
- приводной вал, заключенный в корпусе приводного вала, с верхним концом приводного вала, функционально связанным с силовой секцией, и
- несущая секция, содержащая несущую оправку, установленную соосно и с возможностью вращения в корпусе несущей оправки, при этом верхний конец соединен с нижним концом приводного вала, а нижний конец выполнен с возможностью соединения с буровым долотом.
Несущая оправка вращается от приводного вала, который вращается в ответ на течение бурового раствора под давлением через силовую секцию. Несущая оправка вращается относительно корпуса несущей оправки, который соединен с бурильной колонной (посредством корпуса приводного вала и других секций корпуса, образующих часть низа бурильной колонны), так что корпус несущей оправки вращается с бурильной колонной.
Традиционные узлы забойных двигателей обычно содержат силовые секции, включающие либо систему привода Moineau (Муано) (т.е. винтовой насос, содержащий двигатель объемного вытеснения хорошо известного типа, с ротором со спиральными лопастями, выполненным с возможностью вращения внутри секции статора), или систему привода турбинного типа.
В одном режиме работы забойный двигатель может вращать долото без сопутствующего вращения бурильной колонны; это называют «бурение забойным двигателем». В другом режиме работы забойный двигатель может вращать долото относительно бурильной колонны в сочетании с вращением бурильной колонны с помощью верхнего привода или поворотного стола.
В последние годы полезный выходной крутящий момент силовых секций забойного двигателя продолжает увеличиваться благодаря улучшенным технологиям и производственным возможностям, и превосходит способность забойных двигателей передавать крутящий момент. Вероятно, эта тенденция сохранится, так как для бурения сквозь тяжелые материалы подземной формации требуются все более высокие крутящие моменты.
Такие высокие потребности в крутящем моменте превышают возможности традиционных забойных двигателей, вызывая преждевременные отказы и неблагоприятные условия бурения, такие как «прихват-проскальзывание» и «биение низа бурильной колонны» (термины, которые должны быть знакомы специалистам в данной области). Благодаря конструкционным характеристикам традиционных бурильных инструментов, через компоненты бурильной колонны передаются увеличенные реактивные скручивающие нагрузки, что приводит к потерям мощности и усталостному трещинообразованию.
Исходя из вышесказанного, существует потребность в забойных двигателях, которые позволят использовать обычные силовые секции с пониженным крутящим моментом для бурения сквозь тяжелые подземные материалы, одновременно снижая величину реактивных скручивающих нагрузок, передаваемых к бурильной колонне.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В общих чертах, в настоящем изобретении раскрыты варианты реализации забойных двигателей, в которых прерывистые вращательные и/или осевые удары прилагают к несущей оправке и, следовательно, к буровому долоту.
В первом варианте реализации забойного двигателя в соответствии с настоящим изобретением (указанный первый вариант реализации будет называться в настоящем документе «двигатель с ударным приводом»), несущая оправка вращается относительно других основных компонентов бурильной колонны путем передачи регулярных осевых и вращательных ударов к несущей оправке так, чтобы вращать несущую оправку и буровое долото относительно бурильной колонны. Двигатель с ударным приводом может быть использован либо для операций бурения забойным двигателем, либо в сочетании с вращением бурильной колонны.
Второй вариант реализации забойного двигателя в соответствии с настоящим изобретением (для удобства указанный второй вариант реализации будет называться в настоящем документе «крутильный ударный двигатель»), в частности, предназначен для повышения эффективности и производительности бурения за счет повышенной частотности осевых ударов, прилагаемых к несущей оправке для повышения эффективности бурения при одновременном непрерывном вращении долота с помощью узла приводного вала. В некоторых вариантах крутильного ударного двигателя удары, прилагаемые к несущей оправке, могут включать в себя вращательный (т.е. крутящий) компонент, вызывающий относительное вращение между несущей оправкой и бурильной колонной.
Соответственно, в настоящем изобретении описан забойный двигатель, который содержит:
- несущую оправку, установленную с возможностью вращения в корпусе;
- ударный переходник, расположенный выше и соединенный с несущей оправкой таким образом, что он обладает возможностью вращения с несущей оправкой, при этом ударный переходник имеет верхний конец, с выступающими вверх зубцами ударного переходника;
- приводную оправку, расположенную в корпусе выше и с соосным выравниванием с ударным переходником, при этом приводная оправка выполнена с возможностью как вращения, так и перемещения в осевом направлении относительно корпуса и ударного переходника, причем приводная оправка имеет нижний конец с выступающими вниз зубцами приводной оправки, которые выполнены с возможностью зацепления с зубцами ударного переходника;
- кулачковое устройство, связанное с приводной оправкой, и
- средство запасания кинетической энергии, связанное с приводной оправкой и кулачковым узлом.
Данный забойный двигатель и его компоненты выполнены так, что:
- вращение приводной оправки (например, от силовой секции забойного двигателя) обеспечивает возможность перемещения приводной оправки вверх в осевом направлении относительно ударного переходника и корпуса, что приводит к запасанию кинетической энергии в средстве запасания кинетической энергии, и
- дальнейшее вращение приводной оправки обеспечивает возможность перемещения приводной оправки вниз в осевом направлении, с тем чтобы высвобождать кинетическую энергию, запасенную в средстве запасания кинетической энергии, так что приводная оправка передает осевые ударные усилия к несущей оправке.
В альтернативных вариантах забойный двигатель может быть выполнен так, что вращательные и осевые ударные усилия будут передаваться к несущей оправке при высвобождении кинетической энергии, запасенной в средстве запасания кинетической энергии.
В одном не имеющем ограничительного характера варианте реализации забойного двигателя кулачковое устройство содержит кулачковую шайбу, имеющую центральное отверстие, при этом кулачковая шайба установлена в отверстии корпуса с возможностью вращения в корпусе. Приводная оправка проходит через центральное отверстие в кулачковой шайбе так, что приводная оправка выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении относительно кулачковой шайбы, а кулачковая шайба выполнена с возможностью вращения вокруг приводной оправки. На верхнем конце кулачковой шайбы выполнено множество выступов кулачка, с равномерными угловыми интервалами между соседними выступами кулачка. Каждый выступ кулачка имеет профиль кулачка, который образует нижний плоский участок, соприкасающийся с наклонным участком, который соприкасается с верхним плоским участком, соприкасающимся с осевой поверхностью, соприкасающейся с нижним плоским участком следующего соседнего выступа кулачка.
Кулачковое устройство в данном варианте реализации также содержит роликовую обойму, расположенную выше кулачковой шайбы и соосно с ней. Роликовая обойма расположена вокруг приводной оправки и прикреплена к ней так, что роликовая обойма выполнена с возможностью вращения с приводной оправкой. Роликовая обойма содержит множество роликов, соответствующих выступам кулачка с точки зрения количества и углового промежутка, при этом ролики выполнены с возможностью взаимодействия с качением с кулачковыми профилями выступов кулачка.
Средство для запасания кинетической энергии может содержать винтовую пружину, расположенную в кольцевом зазоре между приводной оправкой и корпусом, при этом нижний конец пружины противодействует роликовой обойме, а верхний конец пружины противодействует заплечику, выполненному в отверстии корпуса. В альтернативных вариантах реализации средство запасания кинетической энергии может быть выполнено в виде пневматической пружины.
В некоторых вариантах реализации забойного двигателя, когда приводная оправка находится в крайнем верхнем положении в осевом направлении, зубцы ударного переходника и зубцы приводной оправки полностью разъединены. В других вариантах реализации зубцы ударного переходника и зубцы приводной оправки никогда полностью не разъединяются.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будут описаны варианты реализации в соответствии с настоящим изобретением со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых числовые обозначения обозначают одинаковые детали, и на которых:
Фиг. 1 изображает вид в изометрии ударного механизма согласно первому варианту реализации узла забойного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, показанного с удаленными с целью наглядности частями корпуса узла двигателя.
Фиг. 2А изображает на увеличенном виде в изометрии ударный механизм, показанный на фиг. 1, иллюстрирующий переходник наковальни и оправку ударника ударного механизма в первом рабочем положении.
Фиг. 2В изображает на увеличенном виде в изометрии ударный механизм, показанный на фиг. 1, иллюстрирующий переходник наковальни и оправку ударника ударного механизма во втором рабочем положении.
Фиг. 3 изображает продольный разрез ударного механизма, показанного на фиг. 1, 2А и 2В.
Фиг. 4 изображает вид в изометрии ударного механизма для второго варианта реализации узла забойного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, показанного с удаленными с целью наглядности частями корпуса узла двигателя.
Фиг. 5А изображает на увеличенном виде в изометрии ударный механизм, показанный на фиг. 4, иллюстрирующий ударный переходник и приводную оправку ударного механизма в первом рабочем положении.
Фиг. 5В изображает на увеличенном виде в изометрии ударный механизм, показанный на фиг. 1, иллюстрирующий ударный переходник и приводную оправку ударного механизма во втором рабочем положении.
Фиг. 6 изображает продольный разрез ударного механизма, показанного на фиг. 4, 5А и 5В.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Двигатель с ударным приводом
Фиг. 1, 2А, 2В и 3 иллюстрируют примерный вариант двигателя 100 с ударным приводом в соответствии с настоящим изобретением.
Во-первых, как показано на фиг.1 и 3, двигатель 100 с ударным приводом содержит несущую оправку 20 (имеющую нижний конец 10L, выполненный с возможностью соединения с буровым долотом), при этом верхний участок несущей оправки 20 установлен с возможностью вращения в корпусе 30 несущей оправки (который образует часть всего корпуса узла двигателя, и только часть которого показана на фиг. 1). Верхний конец 10U узла, показанный на фиг. 1, выполнен с возможностью соединения с приводным валом забойного двигателя (и связан с корпусом приводного вала). Как показано на фиг. 3, несущая оправка 20 имеет центральное отверстие 15, через которое в буровое долото можно закачивать буровой раствор. Центральное отверстие 15 сообщается по текучей среде с бурильной колонной посредством смежных отверстий или каналов в других компонентах узла двигателя между несущей оправкой 20 и бурильной колонной.
В иллюстрируемом варианте реализации уравновешивающий поршень 40 расположен в кольцевом зазоре 25 между несущей оправкой 20 и корпусом 30 несущей оправки для предотвращения перепада давления через вращающееся уплотнение между несущей оправкой 20 и корпусом 30 несущей оправки. Однако только с целью иллюстрации, вышеуказанная функция поршня 40 может быть выполнена другими средствами, известными специалистам в данной области, и поршень 40 или функционально эквивалентные средства не являются существенными элементами самых распространенных вариантов реализации в объеме настоящего изобретения.
Как лучше понятно со ссылкой на фиг. 3, верхний конец несущей оправки 20 соединен с нижним концом ударного переходника, так что выполнен с возможностью вращения вместе с ним. С целью описания двигателя с ударным приводом, показанного на фиг. 1, 2А, 2В и 3, данный ударный переходник будет называться переходником 110 наковальни, чтобы отличать его от ударного переходника крутильного ударного двигателя, описанного далее в данном описании и показанного на фиг.4, 5А, 5В и 6.
Переходник 110 наковальни выполнен с возможностью вращения в корпусе 115 переходника наковальни (который образует часть всего корпуса узла двигателя, и показан только на фиг. 3), который соединен с корпусом 30 несущей оправки, так что выполнен с возможностью вращения вместе с ней. Множество зубцов 112 переходника наковальни выступает вверх в осевом направлении из верхнего конца переходника 110 наковальни с равными угловыми интервалами по периметру переходника 110 наковальни. В иллюстрируемом варианте реализации переходник 110 наковальни имеет два зубца 112 переходника наковальни с промежутком 180°; однако в альтернативных вариантах число зубцов 112 переходника наковальни может быть больше, без отступления от объема настоящего изобретения.
Хотя в иллюстрируемом варианте два зубца переходника наковальни имеют по существу одинаковую конфигурацию, с целью наглядности на фиг. 2А и 2В они обозначены ссылочными номерами 112А и 112В. Кольцевые заплечики 116 (или 116А и 116В в иллюстрируемом варианте реализации по фиг. 2А и 2В) выполнены между соседними зубцами (112А, 112В) переходника наковальни. Кроме того, на стыках зубцов 112 переходника наковальни и заплечиков 116 могут быть выполнены пазы 114, как показано в качестве примера на фиг. 2А и 2В, для обеспечения канала для потока смазки.
Приводная оправка установлена выше и с соосным выравниванием с переходником 110 наковальни. С целью описания двигателя с ударным приводом, показанного на фиг. 1, 2А, 2В и 3, данная приводная оправка будет называться оправкой 110 ударника, чтобы отличать ее от приводной оправки крутильного ударного двигателя, описанного далее в данном описании и показанного на фиг. 4, 5А, 5В и 6.
Оправка 120 ударника выполнена с возможностью вращения в корпусе 125 оправки ударника (который образует часть всего корпуса узла двигателя, и показан только на фиг. 3), который соединен с корпусом 115 переходника наковальни, так что выполнен с возможностью вращения вместе с ним. Множество зубцов 122 оправки ударника (соответствующих зубцам 112 переходника наковальни по числу и угловому промежутку) выступает вниз в осевом направлении из нижнего конца оправки 120 ударника.
Хотя в иллюстрируемом варианте два зубца оправки ударника имеют по существу одинаковую конфигурацию, с целью наглядности на фиг. 2А и 2В они обозначены ссылочными номерами 122А и 122В. Кольцевые заплечики 126 (или 126А и 126В в иллюстрируемом варианте реализации по фиг. 2А и 2В) выполнены между соседними зубцами (122А, 122В) оправки ударника. Кроме того, на стыках зубцов 122 оправки ударника и заплечиков 126 могут быть выполнены пазы 124, как показано в качестве примера на фиг. 2А и 2В, для обеспечения канала для потока смазки. Оправка 120 ударника выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении в корпусе 125 оправки ударника, так что она может выполнять ход в осевом направлении относительно переходника 110 наковальни.
Верхний цилиндрический участок оправки 120 ударника проходит через кулачковую шайбу 130 и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно нее, при этом кулачковая шайба установлена в отверстии корпуса узла двигателя так, чтобы вращаться с ним; таким образом, оправка 120 ударника выполнена с возможностью вращения относительно кулачковой шайбы 130. Верхний конец кулачковой шайбы 130 выполнен с множеством выступов 131 кулачка (соответствующих зубцам 112 и 122 по числу и угловому промежутку). В иллюстрируемом варианте кулачковая шайба 130 имеет два выступа кулачка, которые, хотя и имеют идентичную конфигурацию, на фиг. 2А и 2В с целью наглядности обозначены ссылочными номерами 131А и 131В. Каждый выступ кулачка (131А, 131В) в иллюстрируемом варианте имеет профиль кулачка, образованный нижним плоским участком (132А, 132В), соприкасающимся с наклонным участком (134А, 134В), который соприкасается с верхним плоским участком (136А, 136В), соприкасающимся с осевой поверхностью (138А, 138В), соприкасающейся с нижним плоским участком (132В или 132А) другого выступа (131В или 131А) кулачка.
Выше кулачковой шайбы 130 соосно с оправкой 120 ударника установлена роликовая обойма 140 и закреплена в ней с возможностью вращения вместе с ней. Роликовая обойма 140 содержит множество роликов 142, соответствующих выступам 131 кулачка по числу и угловому промежутку, и выполнена с возможностью зацепления с качением с кулачковыми профилями выступов 131 кулачка. В иллюстрируемом варианте роликовая обойма 140 имеет два ролика, которые, хотя по существу имеют идентичную конфигурацию, на фиг. 2А и 2В с целью наглядности обозначены ссылочными номерами 142А и 142В.
Выше роликовой обоймы 140 оправка 120 ударника проходит через винтовую пружину 150, расположенную в кольцевом зазоре 121 между оправкой 120 ударника и корпусом 125 оправки ударника. Как лучше показано на фиг. 3, пружина 150 упирается нижним корцом в роликовую обойму 140, а верхним концом в заплечик, выполненный в отверстии корпуса 125 оправки ударника. Кольцевой зазор 121 предпочтительно будет заполнен подходящей смазкой.
Как лучше показано на фиг. 3, верхний конец корпуса 125 оправки ударника соединен с корпусом 160 поршня, а верхний конец оправки 120 ударника проходит в корпус 160 поршня, а затем функционально связан с силовой секцией (не показано) узла забойного двигателя. В иллюстрируемом варианте кольцевой зазор 161 между оправкой 120 ударника и корпусом 160 поршня также заполнен подходящей смазкой, а уравновешивающий поршень 165 расположен в кольцевом зазоре 161 для обеспечения уравновешивания гидравлического давления двигателя 100 с ударным приводом.
Действие двигателя 100 с ударным приводом будет лучше понятно со ссылками на фиг. 2А и 2В. Вращение оправки 120 ударника (посредством силовой секции забойного двигателя) вызывает перемещение роликов 142А и 142В по кулачковым профилям кулачковой шайбы 130. Поскольку кулачковая шайба 130 закреплена относительно узла корпуса, когда ролики (142А, 142В) перемещают вверх наклонные участки (134А, 134В) кулачка на верхние плоские участки (136А, 136В) кулачкового профиля, роликовая обойма 140 и оправка 120 ударника оттягиваются вверх в корпусе 125 оправки ударника, как показано на фиг. 2А, при этом оправка 120 ударника полностью отсоединяется от переходника 110 наковальни, а винтовая пружина 150 сжимается в осевом направлении, что приводит к запасанию в ней кинетической энергии. В этот момент оправка 120 ударника не передает никакого крутящего момента к долоту (через переходник 110 наковальни), поскольку в этот момент долото не вращается. Дополнительное давление силовой секции, необходимое для поворота роликов 142 вверх по наклонным участкам 134 кулачка, теперь может быть полностью снято, поскольку никакие нагрузки бурения не действуют на силовую секцию.
Поскольку вращение оправки 120 ударника продолжается, как показано на фиг. 2В, ролики (142А, 142В) соскакивают с верхних плоских участков, на которых они находились (т.е. 136А, 136В, как показано на фиг. 2А), на соседние нижние плоские участки (132В, 132А). Это вызывает мгновенное высвобождение энергии, запасенной в пружине 150, так что оправка 120 ударника движется вниз и передает осевое ударное усилие к переходнику 110 наковальни (за счет либо осевого удара зубцов 122А, 122В оправки ударника по кольцевым заплечикам 116А, 116В на переходнике 110 наковальни, либо осевого удара кольцевых заплечиков 126А, 126В на оправке 120 ударника по зубцам 112А, 112В переходника наковальни), который, в свою очередь, передает осевое ударное усилие к буровому долоту через несущую оправку 20. Осевое ударное усилие запасенной энергии в пружине 150 дополняется добавочной энергией, запасенной в массе приводного вала и роторе силовой секции выше оправки 120 ударника, при этом дополнительная энергия высвобождается одновременно с энергией в пружине 150.
Вследствие продолжающегося вращения оправки 120 ударника, боковые поверхности зубцов (122А, 122В) оправки ударника также передают поперечные ударные усилия к боковым поверхностям следующих соседних зубцов (т.е. 112В и 112А) переходника наковальни, как показано на фиг. 2В, таким образом, поворачивая с определенным шагом оправку 110 наковальни, несущую оправку 20 и буровое долото относительно бурильной колонны.
Поскольку вращение приводного вала (не показано) продолжается, ролики (142А, 142В) снова перемещают вверх наклонные участки 132 кулачка, как показано на фиг. 2В, поднимающие оправку 120 ударника так, чтобы полностью отсоединять зубцы (122А, 122В) оправки ударника от переходника 110 наковальни, и опять сжимать пружину 150, при этом осевые нагрузки на ротор, приводной вал и оправку 120 ударника воздействуют через кулачковую шайбу 130 на корпус узла двигателя.
Такое приложение регулярных ударных усилий к переходнику 110 наковальни происходит непрерывно по мере вращения приводного вала и оправки 120 ударника, причем число ударов за один оборот равно числу зубцов 112 переходника наковальни (и зубцов 122 оправки ударника, и выступов 131 кулачка). Для каждого полного оборота ротора долото будет поворачиваться только на определенный процент оборота, и это будет уменьшать реактивный крутящий момент, передаваемый к бурильной колонне.
Крутильный ударный двигатель
Фиг. 4, 5А, 5В и 6 иллюстрируют примерный вариант «крутильного ударного двигателя» в соответствии с настоящим изобретением.
Вначале, как показано на фиг. 4 и 6, крутильный ударный двигатель 200 содержит несущую оправку 20 (имеющую нижний конец (не показано), выполненный с возможностью соединения с буровым долотом), при этом верхний участок несущей оправки 20 установлен с возможностью вращения в корпусе 30 несущей оправки (только часть которого показана на фиг. 4). Верхний конец 10U узла, показанный на фиг. 4, выполнен с возможностью соединения с приводным валом забойного двигателя (и корпусом приводного вала). Как показано на фиг. 6, несущая оправка 20 имеет центральное отверстие 15, через которое в буровое долото можно закачивать буровой раствор. Центральное отверстие 15 сообщается по текучей среде с бурильной колонной посредством смежных отверстий или каналов в других компонентах узла двигателя между несущей оправкой 20 и бурильной колонной. В иллюстрируемом варианте реализации уравновешивающий поршень 40 расположен в кольцевом зазоре 25 между несущей оправкой 20 и корпусом 30 несущей оправки.
Как лучше понятно со ссылкой на фиг. 6, верхний конец несущей оправки 20 соединен с нижним концом ударного переходника 210, так что выполнен с возможностью вращения вместе с ним. Ударный переходник 210 выполнен с возможностью вращения в корпусе 215 ударного переходника (показано только на фиг. 6), который соединен с корпусом 30 несущей оправки, так что выполнен с возможностью вращения с ним. Множество зубцов 212 ударного переходника выступает вверх в осевом направлении из верхнего конца ударного переходника 210 с равными угловыми промежутками по периметру ударного переходника 210. В иллюстрируемом варианте реализации ударный переходник 210 имеет четыре зубца 212 ударного переходника с промежутком 90°; однако в альтернативных вариантах число зубцов 212 ударного переходника может быть больше или меньше, без отступления от объема настоящего изобретения. Хотя в иллюстрируемом варианте четыре зубца переходника наковальни имеют по существу одинаковую конфигурацию, с целью наглядности на фиг. 5А и 5В они обозначены ссылочными номерами 212А и 212В.
Приводная оправка 220 установлена выше и с соосным выравниванием с ударным переходником 210. Приводная оправка 220 выполнена с возможностью вращения в корпусе 225 приводной оправки (показано только на фиг. 6), который соединен с корпусом 215 ударного переходника, так что выполнен с возможностью вращения с ним. Множество зубцов 222 приводной оправки (соответствующих зубцам 212 ударного переходника по числу и угловому промежутку) выступает вниз в осевом направлении из нижнего конца приводной оправки 220.
Как более подробно показано на фиг. 5А, каждый зубец 212 ударного переходника в иллюстрируемом варианте реализации имеет верхнюю торцевую поверхность 213, проходящую между осевой боковой поверхностью 214 и наклонной боковой поверхностью 216, образующими кольцевой заплечик 218 на верхнем конце ударного переходника 210 между основаниями каждой пары соседних зубцов 212. Каждый зубец 222 приводной оправки имеет нижнюю торцевую поверхность 225, проходящую между осевой боковой поверхностью 224 и наклонной боковой поверхностью 226, образуя кольцевой заплечик 228 на нижнем конце приводной оправки 220 между основаниями каждой пары соседних зубцов 222.
Как показано на фиг. 5А и 5В, приводная оправка 220 установлена с зацеплением с ударным переходником 210, так что нижняя торцевая поверхность 225 каждого зубца 222 приводной оправки обращена к верхней торцевой поверхности 213 соответствующего зубца 212 ударного переходника, при этом осевая боковая поверхность 224 каждого зубца 222 приводной оправки является смежной и параллельной осевой боковой поверхности 214 соответствующего зубца 212 ударного переходника, а наклонная боковая поверхность 226 каждого зубца 222 приводной оправки является смежной и параллельной наклонной боковой поверхности 216 соответствующего зубца 212 ударного переходника.
Приводная оправка 220 выполнена с возможностью перемещения в осевом направлении в корпусе 225 приводной оправки, так что она может выполнять ход в осевом направлении относительно ударного переходника 210. Однако узел выполнен таким образом, что приводная оправка 220 никогда полностью не отсоединяется от ударного переходника 210, и относительное вращательное перемещение между приводной оправкой 220 и ударным переходником 210 ограничено до угла закручивания между зубцами 212 ударного переходника и зубцами 222 приводной оправки.
Верхний цилиндрический участок приводной оправки 220 проходит через кулачковую шайбу 230 и выполнен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно нее, при этом кулачковая шайба установлена в отверстии корпуса узла двигателя так, что выполнена с возможностью вращения вместе с ним; таким образом, приводная оправка 220 выполнена с возможностью вращения относительно кулачковой шайбы 230. Верхний конец кулачковой шайбы 230 выполнен с множеством выступов 231 кулачка. В иллюстрируемом варианте кулачковая шайба 230 имеет два выступа кулачка, которые, хотя и имеют идентичную конфигурацию, на фиг. 5А и 5В с целью наглядности обозначены ссылочными номерами 231А и 231В. Каждый выступ кулачка (231А, 231В) в иллюстрируемом варианте имеет профиль кулачка, образованный нижним плоским участком (232А, 232В), соприкасающимся с наклонным участком (234А, 234В), который соприкасается с верхним плоским участком (236А, 236В), соприкасающимся с осевой поверхностью (238А, 238В), соприкасающейся с нижним плоским участком (232В или 232А) другого выступа (231В или 231А) кулачка.
Выше кулачковой шайбы 230 соосно с приводной оправкой 220 установлена роликовая обойма 240 и закреплена в ней с возможностью вращения вместе с ней. Роликовая обойма 240 содержит множество роликов 242, соответствующих выступам 231 кулачка по числу и угловому промежутку, и выполнена с возможностью зацепления с качением с кулачковыми профилями выступов 231 кулачка. В иллюстрируемом варианте роликовая обойма 240 имеет два ролика, которые, хотя по существу имеют идентичную конфигурацию, на фиг. 5А и 5В с целью наглядности обозначены ссылочными номерами 242А и 242В.
Выше роликовой обоймы 240 приводная оправка 220 проходит через винтовую пружину 250, расположенную в кольцевом зазоре 221 между приводной оправкой 220 и корпусом 225 приводной оправки. Как лучше показано на фиг. 6, пружина 250 упирается нижним торцом в роликовую обойму 240, а верхним концом в заплечик, выполненный в отверстии корпуса 225 приводной оправки. Кольцевой зазор 221 предпочтительно будет заполнен подходящей смазкой.
Как лучше показано на фиг. 6, верхний конец корпуса 225 приводной оправки соединен с корпусом 260 поршня, а верхний конец приводной оправки 220 проходит в корпус 260 поршня, а затем функционально связан с силовой секцией (не показано) узла забойного двигателя. В предпочтительном варианте реализации кольцевой зазор 261 между приводной оправкой 220 и корпусом 260 поршня также заполнен подходящей смазкой (не обязательно того же типа, что смазка в кольцевом зазоре 221), а уравновешивающий давление поршень 265 расположен в кольцевом зазоре 261 для обеспечения уравновешивания гидравлического давления во время работы крутильного ударного двигателя 200.
Действие крутильного ударного двигателя 200 будет лучше понятно со ссылками на фиг. 5А и 5В. Вращение приводной оправки 220 (посредством силовой секции забойного двигателя) вызывает перемещение роликов 242А и 242В по кулачковым профилям кулачковой шайбы 230. Поскольку кулачковая шайба 230 закреплена относительно корпуса 225 приводной оправки, когда ролики (242А, 242В) перемещают вверх наклонные участки (234А, 234В) кулачка на верхние плоские участки (236А, 236В) кулачкового профиля, роликовая обойма 240 и приводная оправка 220 оттягиваются вверх в корпусе 225 приводной оправки, как показано на фиг. 5А, а это, в свою очередь, вызывает сжимание винтовой пружины 250, что приводит к запасанию в ней кинетической энергии.
Поскольку вращение приводной оправки 220 продолжается, как показано на фиг. 2В, ролики (242А, 242В) соскакивают с верхних плоских участков, на которых они находились (т.е. 236А, 236В, как показано на фиг. 5А), на соседние нижние плоские участки (232В, 232А). Это вызывает мгновенное высвобождение энергии, запасенной в пружине 250, так что приводная оправка 220 движется вниз и передает осевое ударное усилие к ударному переходнику 210 (за счет либо осевого удара нижних торцевых поверхностей 223 зубцов 222 приводной оправки по кольцевым заплечикам 218 на ударном переходнике 210, либо осевого удара кольцевых заплечиков 228 на приводной оправке 220 по верхним торцевым поверхностям 213 на зубцах 212 ударного переходника), который, в свою очередь, передает осевое ударное усилие к буровому долоту через несущую оправку 20. Осевое ударное усилие запасенной энергии в пружине 250 дополняется добавочной энергией, запасенной в массе приводного вала и роторе выше приводной оправки 220, при этом дополнительная энергия высвобождается одновременно с энергией в пружине 250.
В то же время наклонные боковые поверхности 226 зубцов 222 приводной оправки передают поперечные ударные усилия к наклонным боковым поверхностям 216 соответствующих зубцов 212 ударного переходника, как показано на фиг. 5А, таким образом, поворачивая с определенным шагом ударный переходник 210, несущую оправку 20 и буровое долото относительно бурильной колонны. Величина указанных поперечных ударных усилий будет зависеть от угла наклонных боковых поверхностей 216 и 226 (который показан в качестве не имеющего ограничительного характера примера на фиг. 5А и 5В, приблизительно равным 15°).
Такое приложение прерывистых ударных усилий к ударному переходнику 210 происходит непрерывно по мере вращения силовой секции и приводной оправки 220, причем число ударов за один оборот равно числу выступов 231 кулачка.
В отличие от работы двигателя 100 с ударным приводом, в котором долото вращается только тогда, когда оправка 120 ударника сцеплена с переходником 110 наковальни, работа крутильного ударного двигателя 200 отличается постоянным вращением долота, но при этом эффективность долота дополняется приложением осевых и скручивающих воздействий для увеличения скорости бурения.
Передача осевых и скручивающих воздействий и обеспечение в узле двигателя внутренней массы, движущейся возвратно-поступательно (содержащей, в случае двигателя 100 с ударным приводом, оправку 120 ударника, приводной вал и двигатель; или, в случае крутильного ударного двигателя 200, приводную оправку 220, приводной вал и ротор), оказывает рабочее воздействие, аналогичное установке инструмента с возбуждением вибрации (или дополнительного инструмента с возбуждением вибрации) в низе бурильной колонны очень близко к долоту.
Должно быть понятно, что объем прилагаемой формулы изобретения не должен ограничиваться предпочтительными вариантами реализации, описанными и иллюстрируемыми в настоящем документе, но ему следует давать самое широкое толкование, соответствующее описанию в целом. Следует также понимать, что замена варианта заявленного элемента или признака без каких-либо существенных проистекающих изменений в функциональных возможностях, не будет отклонением от объема изобретения. В качестве только одного не имеющего ограничительного характера примера, варианты реализации в рамках настоящего изобретения могут включать в себя альтернативные известные средства запасания кинетической энергии взамен винтовой пружины 150 (или 250), такие как, например, пневматическая пружина, с кольцевым зазором 121 (или 221), которая выполнена, по существу, газонепроницаемой, и заполнена сжимаемым газом.
В настоящем патентном документе любую форму слова «содержать» следует понимать в не ограничивающем смысле, означающем, что какой-либо элемент, следующий за таким словом, включен, но элементы, не указанные конкретно, не исключены. Ссылка на элемент в единственном числе не исключает наличия более чем одного элемента, если контекст явно не требует наличия одного и только одного элемента.
Любое использование любой формы терминов «соединять», «сцеплять», «связывать», «прикреплять» или любых других терминов, описывающих взаимодействие между элементами, не означает ограничение взаимодействия до прямого взаимодействия между обсуждаемыми элементами, а может также включать в себя косвенное взаимодействие между элементами, например, посредством вспомогательной или промежуточной структуры. Родственные или близкие термины (включающие, помимо прочего, «горизонтальный», «вертикальный», «параллельный» и «перпендикулярный») не предназначены для обозначения или требования абсолютной математической или геометрической точности. Соответственно, такие термины следует понимать как обозначающие или требующие только точности по существу (например, «по существу горизонтальный»), если по контексту явно не требуется иное.
В настоящем патентном документе некоторые компоненты раскрытых вариантов реализации описаны с использованием прилагательных, таких как «верхний» и «нижний». Эти прилагательные используются для создания удобной системы отсчета для облегчения объяснения и улучшения понимания читателем пространственных отношений и относительного расположения различных элементов и особенностей рассматриваемых компонентов. Использование этих прилагательных не следует истолковывать, как подразумевающее, что они будут строго применимы во всех практических вариантах применения и использования узлов забойного двигателя в соответствии с настоящим изобретением, или что такие узлы двигателя должны использоваться в пространственных ориентациях, которые согласуются со строгими значениями этих прилагательных. Например, узлы двигателя в соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы в бурении горизонтально или наклонно ориентированных стволов скважин. Поэтому для большей определенности прилагательные «верхний» и «нижний», используемые в настоящем документе со ссылкой на раскрытые узлы двигателя и их компоненты, следует понимать в смысле «к верхнему или нижнему концу (в зависимости от обстоятельств) бурильной колонны», независимо от того, какая фактическая пространственная ориентация узла двигателя и бурильной колонны может быть в данном практическом использовании.
При использовании в настоящем документе, термины «типичный» и «типовой» следует толковать в смысле показательного или общего использования или практики, и не следует понимать, как подразумевающие неизменность или существенность.