ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИЙ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ (варианты) И СПОСОБ ИЗОЛИРОВАНИЯ КРУТИЛЬНЫХ ВИБРАЦИЙ В БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЕ (варианты)
VIBRATION ISOLATING CONNECTING ELEMENT (VARIANTS) AND METHOD FOR ISOLATION OF TORSIONAL VIBRATIONS IN THE DRILL STRING (VARIANTS)

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СМЕЖНУЮ ЗАЯВКУ
[0001] Настоящая заявка испрашивает преимущество предварительной заявки на патент США №62/899,354, поданной 12 сентября 2019 г., предварительной заявки на патент США №62/899,291, поданной 12 сентября 2019 г., предварительной заявки на патент США №62/899,331, поданной 12 сентября 2019 г. и предварительной заявки на патент США №62/899,332, поданной 12 сентября 2019 г., полное описание которых включено в настоящий документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] В случае многих областей применения, таких как секвестрация диоксида углерода, геотермальное производство, и разведка, и добыча углеводородов, вглубь земли бурят стволы скважин. Во всех областях применения буровые скважины бурят таким образом, что они проходят через материал или обеспечивают доступ к материалу (например, газ или флюид), который содержится в формации (например, участке), расположенной ниже поверхности земли. В стволах скважин для выполнения различных задач и измерений могут быть размещены различные типы инструментов и приборов.
[0003] При работе скважинные компоненты могут быть подвержены вибрациям, которые могут влиять на эффективность эксплуатации. Например, сильные вибрации в бурильных колоннах и компоновках низа бурильной колонны могут быть вызваны усилиями резания на долоте или дисбалансами масс в скважинных инструментах, таких как забойные двигатели. Вибрации могут принимать форму прихвата/проскальзывания вибраций и высокочастотных крутильных колебаний (HFTO; high frequency torsional oscillations). Вибрации HFTO, как правило, происходят на частотах выше 50 Гц и могут быть локализованы на небольшом участке бурильной колонны. Как правило, HFTO имеют высокие амплитуды на долоте. Воздействие таких вибраций может включать в себя, без ограничений, сниженную скорость проходки при бурении, сниженное качество измерений и избыточную усталость и износ скважинных компонентов, инструментов и/или устройств. В US 6098726 описывается соединительное устройство для передачи крутящего момента от бурильной трубы на буровое долото, обеспечивающее снижение вероятности обратного вращения долота за счет демпфирования крутильных колебаний до такой степени, что мгновенное вращение бурового долота назад компенсируется скоростью вращения вперед. Предусмотрены средства для предотвращения мгновенного обратного вращения бурильной колонны, передаваемого на само буровое долото. Устройство содержит верхний и нижний элементы/участки и демпфирование крутильных колебаний за счет углового перемещения указанных элементов относительно друг друга, обеспечиваемого эластичным материалом, размещенным между внутренней поверхностью верхнего элемента и внешней поверхностью нижнего элемента. Демпфирование крутильных колебаний в бурильной колонне и предотвращение их передачи на буровое долото может также обеспечиваться парами фрикционно взаимодействующих поверхностей или за счет гидравлического демпфирования. Такие соединительные устройства, использующие эластичные материалы и трение для рассеивания энергии вращения, подвержены износу и не эффективны для изолирования высокочастотных крутильных колебаний.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Предлагается виброизолирующий соединительный элемент для изолирования крутильной вибрации в бурильной колонне, содержащий: первый участок соединительного элемента, содержащий первую кольцевую стенку, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, определяющую первый участок центрального канала; второй участок соединительного элемента, расположенный внутри первого участка центрального канала, причем второй участок соединительного элемента содержит вторую кольцевую стенку, имеющую секцию внешней поверхности и секцию внутренней поверхности, определяющую второй участок центрального канала; и множество соединяющих элементов, проходящих от внутренней поверхности первой кольцевой стенки через вторую кольцевую стенку на втором участке центрального канала и соединяющихся с секцией внутренней поверхности второй кольцевой стенки, причем виброизолирующий соединительный элемент обеспечивает изолирование крутильных вибраций путем упругого изгиба множества соединяющих элементов. В другом варианте предлагается виброизолирующий соединительный элемент для изолирования крутильной вибрации в бурильной колонне, содержащий: первый участок соединительного элемента, содержащий первую кольцевую стенку, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, определяющую первый участок центрального канала; второй участок соединительного элемента, расположенный внутри первого участка центрального канала, причем второй участок соединительного элемента содержит вторую кольцевую стенку, имеющую секцию внешней поверхности и секцию внутренней поверхности, определяющую второй участок центрального канала; и множество соединяющих элементов, проходящих от внутренней поверхности первой кольцевой стенки через вторую кольцевую стенку на втором участке центрального канала и соединяющихся с внутренней поверхностью второй кольцевой стенки, причем второй участок соединительного элемента содержит множество разнесенных в осевом направлении отверстий, проходящих от секции внешней поверхности второй кольцевой стенки через вторую кольцевую стенку к секции внутренней поверхности второй кольцевой стенки. В еще одном варианте предлагается виброизолирующий соединительный элемент для изолирования крутильной вибрации в бурильной колонне, содержащий: первый участок соединительного элемента, содержащий первую кольцевую стенку, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, определяющую первый участок центрального канала; второй участок соединительного элемента, расположенный внутри первого участка центрального канала, причем второй участок соединительного элемента содержит вторую кольцевую стенку, имеющую секцию внешней поверхности и секцию внутренней поверхности, определяющую второй участок центрального канала; и множество соединяющих элементов, проходящих от внутренней поверхности первой кольцевой стенки через вторую кольцевую стенку на втором участке центрального канала и соединяющихся с внутренней поверхностью второй кольцевой стенки, причем виброизолирующий соединительный элемент имеет постоянную торсионной пружины, которая определяет частоту резонанса крутильных колебаний менее 100 Гц, таким образом изолируя вибрации между первым и вторым участками соединительного элемента с частотой выше примерно частоты резонанса крутильных колебаний.
[0005] Кроме того, предлагается способ изолирования крутильных вибраций от одного участка бурильной колонны, соединенного с другим участком бурильной колонны через виброизолирующий соединительный элемент, имеющий первый участок соединительного элемента, соединенный со вторым участком соединительного элемента через множество соединяющих элементов, причем способ включает в себя: введение крутильных вибраций в первый участок соединительного элемента; передачу крутильной вибрации во множество соединяющих элементов, проходящих от секции внутренней поверхности второго участка соединительного элемента, через кольцевую стенку второго участка соединительного элемента к внутренней поверхности первого участка соединительного элемента; и изолирование крутильных вибраций путем упругого изгиба множества соединяющих элементов. В другом варианте предлагается способ изолирования крутильных вибраций от одного участка бурильной колонны, соединенного с другим участком бурильной колонны через виброизолирующий соединительный элемент, имеющий первый участок соединительного элемента, соединенный со вторым участком соединительного элемента через множество соединяющих элементов, причем способ включает в себя: выбор жесткости при кручении виброизолирующего соединительного элемента, чтобы иметь частоту резонанса крутильных колебаний виброизолирующего соединительного элемента менее 100 Гц; и выбор момента инерции секции бурильной колонны, расположенной ниже виброизолирующего соединительного элемента до момента инерции, имеющего частоту резонанса крутильных колебаний виброизолирующего соединительного элемента; введение крутильных вибраций в один из первого участка соединительного элемента и второго участка соединительного элемента; передачу крутильной вибрации во множество элементов соединителя, проходящих от секции внутренней поверхности второго участка соединительного элемента, через кольцевую стенку второго участка соединительного элемента к внутренней поверхности первого участка соединительного элемента; и изолирование крутильных вибраций между первым и вторым участками соединительного элемента с частотой выше примерно частоты резонанса крутильных колебаний.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0006] Приведенные ниже описания не следует рассматривать как носящие какой-либо ограничительный характер. В описании со ссылкой на прилагаемые чертежи одинаковые элементы имеют одинаковую нумерацию.
[0007] На ФИГ. 1 представлена система разведки и добычи ресурсов, содержащая виброизолирующий соединительный элемент, в соответствии с одним аспектом иллюстративного варианта осуществления;
[0008] на ФИГ. 2А представлена геометрическая конфигурация компоновки низа бурильной колонны отверстия (КНБК) без виброизолирующего соединительного элемента;
[0009] на ФИГ. 2В представлены формы высокочастотного крутильного колебания (HFTO) без виброизолирующего соединительного элемента;
[0010] на ФИГ. 3А представлена геометрическая конфигурация КНБК с виброизолирующим соединительным элементом в соответствии с одним иллюстративным аспектом;
[0011] на ФИГ. 3В представлены формы HFTO с виброизолирующим соединительным элементом в соответствии с одним иллюстративным вариантом осуществления;
[0012] на ФИГ. 4 представлен вид в горизонтальной проекции с наводкой по матовому стеклу виброизолирующего соединительного элемента в соответствии с одним иллюстративным аспектом;
[0013] на ФИГ. 5 представлен вид в поперечном сечении виброизолирующего соединительного элемента, показанного на ФИГ. 4, в соответствии с одним аспектом одного иллюстративного варианта осуществления;
[0014] на ФИГ. 6 представлено множество элементов соединителя, соединяющих первый участок соединительного элемента и второй участок соединительного элемента виброизолирующего соединительного элемента, в соответствии с иллюстративным аспектом;
[0015] на ФИГ. 7 представлен вид в поперечном сечении виброизолирующего соединительного элемента, показанного на ФИГ. 4, выполненного по линии 5-5, изображающей концевой упор, в соответствии с одним аспектом одного иллюстративного варианта осуществления; и
[0016] на ФИГ. 8 представлен вид в поперечном сечении виброизолирующего соединительного элемента, показанного на ФИГ. 4, в соответствии с другим аспектом одного иллюстративного варианта осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0017] Подробное описание одного или более вариантов осуществления описанного устройства и способа приведено в настоящем документе в качестве примера со ссылкой на графические материалы и не имеет ограничительного характера.
[0018] На ФИГ. 1 представлена принципиальная схема системы разведки и добычи ресурсов для выполнения операций скважинных работ. Как показано, система разведки и добычи ресурсов принимает форму буровой системы 10. Буровая система 10 содержит традиционную буровую вышку 11, установленную на площадке 12, которая поддерживает стол 14 ротора, который вращается с помощью основного привода, такого как электрический двигатель (не показан), при требуемой скорости вращения. Буровая система 10 также содержит скважинную компоновку, имеющую бурильную колонну 20, которая проходит через стол 14 ротора и содержит бурильный трубчатый элемент 22, такой как буровая труба, которая проходит в ствол 26 скважины, имеющий кольцевую стенку 27, проходящую в формацию 28. Бурильная колонна 20 может представлять собой бурильную колонну для горизонтально-направленного бурения и содержать дефлектор, буровой двигатель и/или направляющий механизм, такой как обозначенный ссылочной позицией 29. Дезинтегрирующий инструмент 30, такой как буровое долото, прикреплен к концу бурильной колонны 20. Дезинтегрирующий инструмент 30 образует часть компоновки низа бурильной колонны (КНБК) 32. Дезинтегрирующим инструментом 30 управляют для дезинтеграции геологической формации при его вращении, что, таким образом, образует ствол 26 скважины. Бурильная колонна 20 соединена с наземным оборудованием, таким как системы для подъема, вращения и/или толкания, включая, без ограничений, буровую лебедку 33 посредством ведущей буровой штанги 35, вертлюга 38 и линии 39 через подъемный блок 43. В некоторых вариантах осуществления наземное оборудование может содержать верхний привод (не показан). Во время буровых работ буровой лебедкой 33 управляют для контроля нагрузки на долото, что влияет на скорость проходки при бурении. Работа буровой лебедки 33 хорошо известна в данной области техники и поэтому не описана подробно в настоящем документе.
[0019] Во время буровых работ подходящий буровой раствор 45 (также называемый «промывочной жидкостью») от источника или резервуара 48 для бурового раствора циркулирует под давлением через внутренний канал бурильной колонны 20 (включая внутренний канал КНБК) с помощью насоса 50 для бурового раствора. Буровой раствор 41 проходит в бурильную колонну 20 через поглотитель 56 гидравлического удара, жидкостную линию 58 и ведущую буровую штангу 35. Буровой раствор 41 выпускается в нижней части 60 ствола 26 скважины через отверстие в дезинтегрирующем инструменте 30. Буровой раствор 41 циркулирует вверх по стволу скважины через кольцевое пространство 64 между бурильной колонной 20 и кольцевой стенкой 27 ствола 26 скважины (стенкой ствола скважины) и возвращается в резервуар 48 для бурового раствора через возвратную линию 68. Датчик S1 в жидкостной линии 58 предоставляет информацию о скорости потока флюида. Датчик S2 крутящего момента на поверхности и датчик S3, связанный с бурильной колонной 20, соответственно предоставляют информацию о крутящем моменте и скорости вращения бурильного трубчатого элемента 22. Кроме того, один или более датчиков (не показаны), связанных с линией 39, применяют для предоставления данных о нагрузке 20 на крюке, а также других требуемых параметров, относящихся к бурению ствола 26 скважины. Буровая система 10 для бурения может дополнительно содержать один или более скважинных датчиков 70, расположенных на бурильной колонне 20 и/или КНБК 32.
[0020] В некоторых областях применения дезинтегрирующий инструмент 30 вращается посредством вращения бурильного трубчатого элемента 22. Однако в других областях применения буровой двигатель (не показан), такой как забойный двигатель, может составлять часть КНБК 32 и им можно управлять для вращения дезинтегрирующего инструмента 30 и/или для наложения или дополнения вращения бурильной колонны 20. В любом случае скорость проходки при бурении (ROP; rate of penetration) дезинтегрирующего инструмента 30 в земную формацию 28 для данной формации и данной буровой компоновки в значительной степени зависит от нагрузки на долото и скорости вращения бурового долота.
[0021] Наземный блок 80 управления принимает сигналы от скважинных датчиков 70 и устройств через преобразователь 83, такой как преобразователь давления, расположенный в жидкостной линии 58, а также отдатчиков S1, S2, S3, датчиков нагрузки на крюке, датчиков оборотов двигателя, датчиков крутящего момента и любых других датчиков. Наземный блок 80 управления обрабатывает такие сигналы в соответствии с запрограммированными командами. Наземный блок 80 управления может отображать требуемые параметры бурения и другую информацию на дисплее/мониторе 85 для применения оператором на буровой площадке для управления буровыми работами. Наземный блок 80 управления содержит компьютер, запоминающее устройство для хранения данных, компьютерные программы, модели и алгоритмы, доступные для процессора на компьютере, устройство записи, такое как накопитель на магнитной ленте, блок памяти и т.д. для регистрации данных и других периферийных устройств. Наземный блок 80 управления также может содержать моделирующие модели для применения компьютером для обработки данных в соответствии с запрограммированными командами. Наземный блок 80 управления может отвечать на команды пользователя, введенные через подходящее устройство, такое как клавиатура. Наземный блок 80 управления выполнен с возможностью активации предупредительных сигналов 87 при возникновении определенных небезопасных или нежелательных условий эксплуатации.
[0022] КНБК 32 также содержит другие датчики и устройства или инструменты для обеспечения различных измерений, относящихся к формации 28, и для бурения ствола 26 скважины вдоль требуемого пути. Такие устройства могут включать в себя устройство для измерения удельного сопротивления формации вблизи дезинтегрирующего инструмента 30, устройства гамма-каротажа для измерения интенсивности гамма-каротажа формации и устройства для определения наклона, азимута и положения бурильного трубчатого элемента 22 и/или перед ними. Другие устройства, такие как устройства каротажа в процессе бурения (КПБ), в общем обозначенные ссылочной позицией 90, такие как устройства для измерения пористости формации, ее проницаемости, плотности, свойств породы, свойств флюида и т.д., могут быть размещены в подходящих положениях в КНБК 32 для предоставления информации, пригодной для оценки ствола 26 скважины формации 28. Такие устройства могут включать в себя, без ограничений, инструменты измерения температуры, инструменты измерения давления, инструменты измерения диаметра ствола скважины (например, кавернометр), акустические инструменты, инструменты радиоактивного каротажа, инструменты ядерного магнитного резонанса и инструменты для испытаний и отбора проб формации.
[0023] Вышеупомянутые устройства передают данные в скважинную телеметрическую систему 92, которая, в свою очередь, передает принятые данные вверх по стволу скважины в наземный блок 80 управления. Скважинная телеметрическая система 92 также принимает сигналы и данные от наземного блока 80 управления и передает такие принятые сигналы и данные в соответствующие скважинные устройства. В одном аспекте телеметрическую систему с гидроимпульсным каналом связи могут применять для передачи данных между скважинными датчиками, в общем обозначенными ссылочной позицией 94, расположенными на бурильной колонне 20, и устройствами и наземным оборудованием во время буровых работ. Преобразователь 83, размещенный в жидкостной линии 58 (например, линии подачи бурового раствора), обнаруживает импульсы в буровом растворе в ответ на данные, передаваемые скважинной телеметрической системой 92. Преобразователь 83 генерирует электрические сигналы в ответ на изменения давления скважинного раствора и передает такие сигналы через проводник 96 в наземный блок 80 управления.
[0024] В других аспектах любая другая подходящая телеметрическая система может быть применена для двустороннего обмена данными (например, нисходящая линия связи и восходящая линия связи) между поверхностью и КНБК 32, включая, без ограничений, акустическую телеметрическую систему, электромагнитную телеметрическую систему, оптическую телеметрическую систему, проводную трубную телеметрическую систему, в которых могут быть применены беспроводные соединительные элементы или воспроизводящие устройства в бурильной колонне или стволе скважины. Проводная трубная телеметрическая система может быть выполнена путем соединения секций буровой трубы, причем каждая секция трубы содержит канал передачи данных, такой как провод, который проходит вдоль трубы. Соединение для передачи данных между секциями трубы может быть выполнено любым подходящим способом, включая, без ограничений, твердые электрические или оптические соединения, индукционную, емкостную, резонансную связь, например способы электромагнитной резонансной связи или прямой связи. В случае, когда в качестве бурильного трубчатого элемента 22 применяют гибкие насосно-компрессорные трубы, линия передачи данных может быть спущена вдоль стороны гибких насосно-компрессорных труб.
[0025] Буровая система 10 относится к буровым системам, в которых применяют буровую трубу для транспортировки КНБК 32 в ствол 26 скважины, причем нагрузкой на долото управляют с поверхности, как правило, посредством управления работой буровой лебедки 33. Однако в большом количестве современных буровых систем, особенно для бурения высокоотклоненных и горизонтальных стволов скважин, применяют гибкие насосно-компрессорные трубы для транспортировки буровой компоновки вглубь скважины. В таком применении в бурильной колонне 20 может быть развернут движитель (отдельно не обозначенный), чтобы обеспечить требуемое усилие на дезинтегрирующем инструменте 30. Кроме того, при применении гибких насосно-компрессорных труб, насосно-компрессорные трубы не вращаются с помощью стола ротора, и вместо этого вводятся в ствол скважины подходящим нагнетателем, в то время как скважинный двигатель, такой как буровой двигатель (не показан), вращает дезинтегрирующий инструмент 30. В случае шельфового бурения морскую буровую установку или судно могут применять для поддержки бурового оборудования, в том числе бурильной колонны.
[0026] Как показано на ФИГ. 1, может быть предложено устройство 100 каротажа сопротивлений, которое содержит, например, множество антенн, включая, например, передатчики 104а или 104b и/или приемники 108а или 108b. Сопротивление может представлять собой одно представляющее интерес свойство формации для выполнения решений по бурению. Специалистам в данной области техники будет понятно, что другие инструменты для определения свойств формации могут быть применены с устройством 100 каротажа сопротивления или вместо него.
[0027] Бурение с помощью хвостовика может представлять собой одну конфигурацию или операцию, применяемую для обеспечения дезинтегрирующего устройства, что становится более привлекательным в нефтегазовой промышленности, поскольку оно имеет несколько преимуществ по сравнению с обычным бурением. Один пример такой конфигурации показан и описан в совместном патенте США №9,004,195, озаглавленном «Apparatus and Method for Drilling a Borehole, Setting a Liner and Cementing the Borehole During a Single Trip», который полностью включен в настоящий документ посредством ссылки. Важно отметить, что несмотря на относительно низкую скорость проходки при бурении, время доставки хвостовика к целевому местоположению сокращается, поскольку хвостовик одновременно спускают в ствол во время бурения ствола скважины. Это может быть полезным при набухании формаций, когда сжатие пробуриваемой скважины может позже препятствовать установке хвостовика. Кроме того, бурение при помощи хвостовика в истощенных и нестабильных пластах-коллекторах сводит к минимуму риск застревания трубы или бурильной колонны из-за разрушения ствола.
[0028] Хотя на ФИГ. 1 показано и описано в отношении буровых работ, специалистам в данной области техники будет понятно, что аналогичные конфигурации, хотя и с различными компонентами, можно применять для выполнения различных скважинных работ. Например, как известно, в данной области техники можно применять каротажный кабель, заканчивание, проводную трубу, бурение посредством хвостовика, расширение ствола скважины, гибкие насосно-компрессорные трубы, повторный вход в скважину и/или другие конфигурации. Кроме того, для извлечения материалов из земных формаций и/или закачивания материалов в земные формации можно применять конфигурации для добычи. Таким образом, настоящее описание не ограничивается буровыми работами, но может быть применено для любых подходящих или требуемых скважинных работ.
[0029] Интенсивные вибрации в бурильных колоннах и компоновках низа бурильной колонны во время буровых работ могут быть вызваны усилиями резания на долоте или дисбалансами масс в скважинных инструментах, таких как буровые двигатели. Такие вибрации могут приводить к снижению скорости проходки при бурении, снижению качества ствола скважины, снижению качества измерений, выполненных с помощью инструментов компоновки низа бурильной, и могут приводить к износу, усталости и/или выходу из строя скважинных компонентов. Как будет понятно специалистам в данной области техники, существуют различные вибрации, такие как поперечные вибрации, осевые вибрации и крутильные вибрации. Например, прихват/проскальзывание всей буровой системы и высокочастотные крутильные колебания (HFTO; high-frequency torsional oscillations) представляют собой оба типа крутильных вибраций. Термины «вибрация», «колебание», а также «изменение» применяются с тем же широким значением повторяющихся и/или периодических движений или периодических отклонений от среднего значения, такого как среднее положение, средняя скорость и среднее ускорение. В частности, эти термины не предназначены для ограничения гармоничных отклонений, но могут включать все виды отклонений, такие как, без ограничений, периодические, гармоничные и статистические отклонения.
[0030] Крутильные вибрации могут быть возбуждены механизмами самовозбуждения, которые возникают вследствие взаимодействия бурового долота или любой другой режущей конструкции, такой как долото-расширитель и формацию. Основной дифференциатор между прихватом/проскальзыванием и HFTO представляет собой частоту и типичные формы колебаний. Например, критическое HFTO имеет частоту, которая, как правило, составляет более 50 Гц по сравнению с крутильными вибрациями прихвата/проскальзывания, которые, как правило, имеют частоты ниже 1 Гц. Как правило, критическое HFTO может находиться в диапазоне от 50 Гц до 500 Гц. Критерий идентификации критических форм HFTO описан в публикации Andreas Hohl et al., Journal of Sound and Vibration 342 (2015), 290-302. Критические формы HFTO, критические частоты и критические формы колебаний также могут называться нежелательными формами HFTO, нежелательными частотами и нежелательными формами колебаний. Более того, форма возбужденных колебаний прихвата/проскальзывания, как правило, представляет собой первую форму колебаний всей буровой системы, в то время как форма колебаний HFTO может быть более высокого порядка и обычно локализована на меньших участках буровой системы со сравнительно высокими амплитудами в точке возбуждения, которая может представлять собой долото или любую другую режущую конструкцию (такую как долото-расширитель), или любой контакт между буровой системой и формацией (например, посредством стабилизатора).
[0031] Из-за высокой частоты вибраций HFTO соответствует высоким значениям ускорения и крутящего момента вдоль КНБК или только на участке КНБК. Специалистам в данной области техники будет понятно, что для крутильных перемещений одно из ускорения, усилия и крутящего момента всегда сопровождается другими двумя из ускорения, усилия и крутящего момента. В этом смысле ускорение, усилие и крутящий момент эквивалентны в том смысле, что ни одно из них не может произойти без двух других. Нагрузки высокочастотных вибраций могут оказывать отрицательное воздействие на эффективность, надежность и/или долговечность электронных и механических частей КНБК. Варианты осуществления, предложенные в настоящем документе, относятся к обеспечению виброизолирующего соединительного элемента 140 для смягчения HFTO. Виброизолирующий соединительный элемент 140 представляет собой модульный инструмент, который может быть установлен в различных положениях выше, ниже или в пределах КНБК 32. Например, виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть установлен выше бурового долота. В бурильной колонне для горизонтально-направленного бурения (КНБК для горизонтально-направленного бурения). В бурильной колонне для горизонтально-направленного бурения (КНБК для горизонтально-направленного бурения) направляющий механизм 29 может быть расположен выше бурового долота. Направляющий механизм 29 расположен рядом с буровым долотом для отклонения направления бурения бурового долота. В КНБК с направляющим механизмом желательно размещать виброизолирующий соединительный элемент 140 выше направляющего механизма. Выше виброизолирующего соединительного элемента 140 могут быть расположены один или более инструментов оценки формации.
[0032] Дезинтегрирующий инструмент 30 представляет собой точку возбуждения HFTO. Без виброизолирующего соединительного устройства, размещенного в КНБК, дезинтегрирующий инструмент 30 возбуждает HFTO на нежелательных частотах вдоль всей КНБК. Виброизолирующий соединительный элемент 140 изолирует участок КНБК выше виброизолирующего соединительного элемента 140 от распространения HFTO, возбужденных на участке КНБК, ниже виброизолирующей КНБК. Виброизолирующий соединительный элемент 140 ограничивает HFTO, возбужденные усилиями резания на буровом долоте 30 до КНБК ниже виброизолирующего соединительного элемента 140. Ввиду конструкции виброизолирующего соединительного элемента 140 динамика кручения КНБК модифицируется, чтобы обеспечить наличие в нежелательных формах колебаний HFTO значительной амплитуды только на участке КНБК ниже виброизолирующего соединительного элемента 140.
[0033] Виброизолирующий соединительный элемент 140 в КНБК позволяет участку КНБК ниже виброизолирующего соединительного элемента 140 генерировать колебания (HFTO) путем изолирования колебания от участка КНБК выше виброизолирующего соединительного элемента. Кроме того, виброизолирующий соединительный элемент 140 изменяет количество возбужденных нежелательных форм HFTO. В КНБК с виброизолирующим соединительным элементом 140 возбуждается меньшее количество нежелательных форм HFTO. Виброизолирующий соединительный элемент 140 действует как механический фильтр нижних частот для HFTO и содержит изолирующую частоту (частоту свободных колебаний или первую резонансную частоту).
[0034] Изолирующие эффекты происходят от значительно меньшей изолирующей частоты виброизолирующего соединительного элемента по сравнению с частотами HFTO, возбужденными на буровом долоте или в любой другой режущей конструкции КНБК. Меньшая изолирующая частота может быть достигнута с помощью виброизолирующего соединительного элемента с достаточно небольшой жесткостью при кручении. Низкая жесткость при кручении виброизолирующего соединительного элемента изолирует массу, расположенную ниже от массы, расположенной выше, в степени свободы кручения для частот выше изолирующей частоты. Формы HFTO, возбужденные на долоте с частотами выше изолирующей частоты, изолированы от участка КНБК выше виброизолирующего соединительного элемента 140. Термин «небольшая жесткость при кручении» относится к соотношению между жесткостью при изгибе и жесткостью при кручении (жесткость при изгибе/жесткость при кручении (BST/TST; bending stiffness/torsional stiffness)) более 10, более 15, более чем 20, более 30, более 40 или более 50.
[0035] В одном варианте осуществления требуемая частота для виброизолирующего соединительного элемента в скважинной компоновке составляет от 10 Гц до 200 Гц. В другом варианте осуществления изолирующая частота может составлять от 10 Гц до 100 Гц. В еще одном варианте осуществления изолирующая частота может составлять от 20 Гц до 50 Гц. В еще одном варианте осуществления изолирующая частота, составляющая 30 Гц, снижает (изолирует) нежелательные формы HFTO, например формы HFTO в диапазоне от 50 Гц до 500 Гц.
[0036] Изолирующая частота виброизолирующего соединительного элемента зависит от постоянной торсионной пружины (пропорциональной жесткости при кручении) виброизолирующего соединительного элемента и движущейся возвратно-поступательной массы ниже виброизолирующего соединительного элемента. В одном варианте осуществления виброизолирующий соединительный элемент 140 выше направляющего механизма 29 и дезинтегрирующий инструмент 30 обеспечивает достаточно высокую движущуюся возвратно-поступательную массу (массу инерции) для достижения изолирующей частоты, составляющей около 30 Гц. Меньшие массы, например, только буровое долото, приводят к возникновению изолирующих частот выше 30 Гц, например от 100 Гц до 200 Гц. Компоненты КНБК, расположенные близко к дезинтегрирующему инструменту 30, выполнены с возможностью выдерживать высокий уровень вибраций (осевых, поперечных и крутильных).
[0037] Изолирующая частота 30 Гц ограничивает нежелательные формы HFTO и связанные нагрузки крутящего момента и нагрузки углового ускорения, действующие на направляющий механизм 29 и буровое долото 30 только до нескольких критических форм HFTO. Как показано на ФИГ. 2, также существуют другие формы на уровне или вблизи изолирующей частоты 30 Гц, которые имеют более высокую вероятность возникновения, но не считаются нежелательными. Более высокая изолирующая частота приводит к более нежелательным формам HFTO, возбужденным на участке КНБК, ниже виброизолирующего соединительного элемента 140, что потенциально приводит к повреждениям направляющего механизма 29 или дезинтегрирующего инструмента 30.
[0038] В одном варианте осуществления нижняя часть КНБК, например этот участок КНБК ниже виброизолирующего соединительного элемента 140, отсоединена (изолирована) с точки зрения HFTO от верхней части КНБК, например этот участок КНБК выше виброизолирующего соединительного элемента 140. В альтернативных вариантах осуществления нежелательные формы HFTO могут быть возбуждены на участке КНБК выше виброизолирующего соединительного элемента 140, например с помощью расширителя. В таком случае виброизолирующий соединительный элемент 140 изолирует участок КНБК ниже виброизолирующего соединительного элемента 140 от нежелательных форм HFTO. В КНБК с виброизолирующим соединительным элементом, как описано в настоящем документе, амплитуды нежелательных форм колебаний HFTO выше виброизолирующего соединительного элемента 140 (участок КНБК без возбуждения HFTO) являются сравнительно низкими по сравнению с амплитудами форм колебаний HFTO ниже виброизолирующего соединительного элемента 140 (участок КНБК с возбуждением HFTO).
c
[0039] На ФИГ. 2А и 2В показана геометрическая конфигурация базовой КНБК (размер инструмента 4,75'') в бурильной колонне без виброизолирующего соединительного элемента, демонстрирующего шесть иллюстративных нежелательных форм колебаний HFTO с соответствующими частотами (f) от 119,4 Гц до 357,6 Гц. Параметр S представляет собой индикатор вероятности возникновения формы колебаний HFTO. Амплитуды формы колебаний HFTO указывают на то, что энергия крутильной вибрации проявляется в секции КНБК бурильной колонны.
[0040] На ФИГ. 3А и 3В показана геометрическая конфигурация базовой КНБК в бурильной колонне с виброизолирующим соединительным элементом в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, размещенным выше дезинтегрирующего инструмента 30 и направляющего механизма 29. Включение виброизолирующего соединительного элемента 140 приводит к уменьшению количества нежелательных форм HFTO в диапазоне частот от 50 Гц до 500 Гц. Кроме того, существуют другие формы на уровне или вблизи изолирующей частоты виброизолирующего соединительного элемента 140 (30 Гц), которые имеют высокую вероятность возникновения. Однако эти формы HFTO с небольшой частотой (около 30 Гц) могут считаться менее нежелательными из-за их небольших частот и небольших амплитуд по сравнению с амплитудами, возникающими вдоль КНБК в базовой КНБК без виброизолирующего соединительного элемента (ФИГ. 2В).
[0041] На ФИГ. 3В показано, что HFTO сконцентрировано на дезинтегрирующем инструменте 30 и направляющем механизме 29. Выше виброизолирующего соединительного элемента 140, амплитуды форм колебаний HFTO меньше по сравнению с амплитудами соответствующих амплитуд форм колебаний ниже виброизолирующего соединительного элемента 140. Формы колебаний HFTO, которые существуют в верхней части базовой КНБК без виброизолирующего соединительного элемента либо не возбуждаются в КНБК с виброизолирующим соединительным элементом в результате динамики кручения, либо проявляются со значительно меньшими амплитудами форм колебаний HFTO. Следовательно, инструменты FE или инструменты ИПБ, содержащие высокосложные электронные средства (РСВА, керамический материал, включая многочиповые модули (МСМ; Multi-Chip Module)), датчики, соединители, провода, гидравлические устройства и/или механические устройства, расположенные выше виброизолирующего соединительного элемента, подвергаются пониженным нагрузкам динамики кручения, что приводит к более высокому качеству данных измерения в скважине (в конкретных данных визуализации) и увеличению надежности скважинного инструмента.
[0042] Предпочтительно, чтобы виброизолирующий соединительный элемент 140 был настолько коротким, насколько это возможно, чтобы удерживать инструменты FE вблизи долота. В одном варианте осуществления виброизолирующий соединительный элемент 140, описанный в настоящем документе, может быть короче, чем около 10 м. В другом варианте осуществления виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть короче, чем около 5 м. В еще одном иллюстративном варианте осуществления виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть короче, чем около 2 м. В еще одном иллюстративном варианте осуществления виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть короче, чем около 1,5 м. В еще одном иллюстративном варианте осуществления виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть короче, чем около 1,2 м. В еще одном иллюстративном варианте осуществления виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть короче, чем около 1,1 м. Кроме того, в другом примере осуществления виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть короче, чем около 1 м. Кроме того, в другом примере виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть короче, чем около 0,5 м.
[0043] Для достижения требуемой характеристики изолирования виброизолирующий соединительный элемент 140 обладает небольшой жесткостью при кручении (мягкость при кручении) для изолирования HFTO. В то же время виброизолирующий соединительный элемент должен иметь высокую жесткость при изгибе, чтобы облегчить режим направления КНБК для горизонтально-направленного бурения, а именно направляющий механизм. В настоящем документе представлены различные конфигурации виброизолирующего соединительного элемента для реализации требуемых механических свойств, уравновешивая оптимальное соотношение между мягкостью при кручении и жесткостью при изгибе при сохранении механических напряжений ниже приемлемого предела. Механические напряжения вызваны осевыми нагрузками (нагрузка на долото (WOB; weight on bit)), крутящий момент, применяемый к наземному оборудованию (вращение бурильной колонны), динамический изгиб посредством резкого искривления ствола скважины и вибрации (поперечной, осевой, крутильной).
[0044] Виброизолирующий соединительный элемент предпочтительно выполнен за одно целое только в одном цельном элементе или может быть выполнен из очень небольшого количества частей. Виброизолирующий соединительный элемент, выполненный за одно целое без соединений (таких как резьбы, сварные соединения или другие образованные соединения), менее подвержен выходам из строя инструмента. Современные способы производства, такие как аддитивное производство, обеспечивают возможности создания виброизолирующего соединительного элемента, выполненного за одно целое со сложной формой.
[0045] Жесткость при изгибе описанного в настоящем документе виброизолирующего соединительного элемента не достигается путем включения корпуса с высокой жесткостью при изгибе. Виброизолирующий соединительный элемент, как описано в настоящем документе, не содержит подшипники или другие элементы, которые включают поверхности, перемещающиеся относительно друг друга. Таким образом, виброизолирующий соединительный элемент не включает или не применяет силы трения или фрикционные поверхности. Трение в этом контексте также включает вязкое трение (силу вязкости). В описанном в настоящем документе виброизолирующем соединительном элементе не применяют фрикционные поверхности или вязкое трение для рассеивания энергии вращения. Виброизолирующий соединительный элемент не включает в себя износ из-за сил трения. Следует отметить, что виброизолирующий соединительный элемент изолирует только высокочастотные крутильные колебания. Вращение (неколеблющееся или непрерывное вращение), прилагаемое к столу ротора, передается от КНБК выше виброизолирующего соединительного элемента на КНБК ниже виброизолирующего соединительного элемента. Хотя виброизолирующий соединительный элемент изолирует HFTO, КНБК выше и ниже виброизолирующего соединительного элемента соединены с возможностью вращения.
[0046] В соответствии с иллюстративным вариантом осуществления, показанным на ФИГ. 4-7, виброизолирующий соединительный элемент 140 содержит первый соединитель 144, который может принимать форму соединителя 146 с внутренней резьбой, и второй соединитель 148, который может принимать форму соединителя 150 с наружной резьбой. Первый участок 154 соединительного элемента соединен со вторым соединителем 148, а второй участок 156 соединительного элемента соединен с первым соединителем 144. Как будет подробно описано в настоящем документе, второй участок соединительного элемента проходит внутри и является концентрическим с первым участком 154 соединительного элемента. Кроме того, первый участок 154 соединительного элемента функционально соединен со вторым участком 156 соединительного элемента через множество соединяющих элементов, обозначенных в общем ссылочной позицией 159, как также подробно описано в настоящем документе. Соединяющие элементы 159 могут быть выполнены за одно целое с первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента. Альтернативно, соединяющие элементы 159 могут быть соединены с первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента посредством сварки. Уплотнение 160 может быть расположено между первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента. Уплотнение 160 может быть выполнено из различных материалов, таких как каучук, эластомер или металл. Кроме того, уплотнение 160 может обеспечивать контролируемое количество утечки между первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента.
[0047] Следует отметить, что соединяющие элементы 159 могут иметь разные формы, как показано на ФИГ. 4-7. В иллюстративных вариантах осуществления соединяющие элементы 159 могут иметь поперечное сечение, включающее в себя I-образную форму, 8-образную форму, круглую форму (эллиптическую, округлую) или могут включать в себя полый профиль. Все соединяющие элементы 159 могут не иметь одинаковых размеров. Кроме того, удлинение в осевом направлении может варьироваться в зависимости от соединяющего элемента. Удлинение в радиальном направлении может варьироваться в зависимости от соединяющего элемента. Используемое в настоящем документе осевое направление относится к направлению, параллельному продольной оси А (ФИГ. 4) виброизолирующего соединительного элемента 140, а радиальное направление R (ФИГ. 4) в настоящем документе относится к направлению, перпендикулярному продольной оси А. Окружное направление С (ФИГ. 7) относится к касательному направлению, перпендикулярному продольной оси А. Угол α (ФИГ. 7) относится к углу вокруг продольной оси А.
[0048] Как показано на ФИГ. 4 и 5, первый соединитель 144 может содержать соединитель 146 с внутренней резьбой, а второй соединитель 148 может содержать соединитель 150 с наружной резьбой. Первый соединитель 144 и второй соединитель 148 могут быть соединены концевой сваркой с первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента соответственно. Первый участок 154 соединительного элемента и второй участок 156 соединительного элемента соединены множеством соединяющих элементов 159 и образуют виброизолирующий участок 151 для виброизолирующего соединительного элемента 140. Таким образом, первый соединитель 144 и второй соединитель 148 могут быть соединены стопорной сваркой с виброизолирующим участком 151 виброизолирующего соединительного элемента 140. Сварочный шов 165 обозначает концевую сварку между соединителем 146 с внутренней резьбой и вторым участком 156 соединительного элемента, а сварочный шов 167 обозначает концевую сварку между соединителем 150 с наружной резьбой и первым участком 154 соединительного элемента. Альтернативно, соединитель 146 с внутренней резьбой и соединитель 150 с наружной резьбой могут быть выполнены за одно целое с первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента соответственно или соединены при помощи другой технологии, такой как сварка трением, лазерная сварка или электронно-лучевая сварка.
[0049] В соответствии с одним иллюстративным аспектом первый участок 154 соединительного элемента содержит первый трубчатый участок 162 с первой кольцевой стенкой 164, имеющей внешнюю поверхность 166 и внутреннюю поверхность 168, которая образует первый центральный канал 170. Первая кольцевая стенка 164 содержит первый конец 172 и противоположный второй конец 173. Второй участок 156 соединительного элемента содержит второй трубчатый участок 171, имеющий вторую кольцевую стенку 180, содержащую секцию 182 внешней поверхности и секцию 184 внутренней поверхности, которая определяет второй центральный канал 186. В одном варианте осуществления второй центральный канал 186 может обеспечивать канал для бурового раствора, проходящего через бурильную колонну 20. Вторая кольцевая стенка 180 содержит первый концевой участок 187 и противоположный второй концевой участок 188. Первый соединитель 144 соединен с первым концевым участком 187 второго участка 156 соединительного элемента, а второй соединитель 148 соединен со вторым концом 173 первого участка 154 соединительного элемента.
[0050] Внутренняя поверхность 168 первой кольцевой стенки 164 разнесена от внешней поверхности 182 второй кольцевой стенки 180. В одном варианте осуществления внутренняя поверхность 168 разнесена от внешней поверхности 182 на расстояние около 1 мм. В альтернативном варианте осуществления внутренняя поверхность 168 разнесена от внешней поверхности 182 на расстояние около от около 0,1 до 0,9 мм. В еще одном иллюстративном аспекте внутренняя поверхность 168 разнесена от внешней поверхности 182 на расстояние от около 1 мм до 2 мм. В еще одном иллюстративном аспекте внутренняя поверхность 168 разнесена от внешней поверхности 182 на расстояние от около 2 мм до 10 мм. В еще одном иллюстративном аспекте внутренняя поверхность 168 разнесена от внешней поверхности 182 на расстояние более чем около 10 мм.
[0051] В соответствии с одним иллюстративным аспектом второй участок 156 соединительного элемента содержит первое множество разнесенных в осевом направлении отверстий 190а и 190b, которые проходят через вторую кольцевую стенку 180 от внешней поверхности 182 к внутренней поверхности 184, которая соединяет по текучей среде первый центральный канал 170 и второй центральный канал 186. Следует понимать, что хотя и показано, что отверстия 190а и 190b разнесены в осевом направлении, они могут быть разнесены по окружности или могут быть разнесены как в осевом направлении, так и по окружности. Второй участок 156 соединительного устройства также содержит второе множество разнесенных в осевом направлении отверстий 193а и 193b, которые смещены в осевом направлении и по окружности относительно разнесенных в осевом направлении отверстий 190а и 190b, третье множество разнесенных в осевом направлении отверстий 196а и 196b, которые смещены в осевом направлении и по окружности относительно отверстий 190а/190b и 193а/193b, и четвертое множество разнесенных в осевом направлении отверстий 198а и 198b, которые сменены в осевом направлении и по окружности относительно отверстий 190a/190b, 193а/193b и 196а/196b. Количество и местоположение разнесенных в осевом направлении отверстий могут варьироваться. В одном варианте осуществления первое, второе, третье и четвертое множества разнесенных в осевом направлении отверстий смещены по окружности на 90° относительно друг друга.
[0052] Далее в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления множество соединяющих элементов 159 содержит первое множество соединяющих элементов 207а и 207b, второе множество соединяющих элементов 209а и 209b, третье множество соединяющих элементов 212а и 212b и четвертое множество соединяющих элементов 214а и 214b. Соединительные элементы 207а и 207b проходят от внутренней поверхности 168 первого участка 154 соединительного элемента через соответствующие из первого множества разнесенных в осевом направлении отверстий 190а и 190b и соединяются с внутренней поверхностью 184 второго участка 156 соединительного элемента. Соединяющие элементы 209а и 209b проходят от внутренней поверхности 168 через соответствующие из второго множества разнесенных в осевом направлении отверстий 193а и 193b и соединены с внутренней поверхностью 184. Соединяющие элементы 212а и 212b проходят от внутренней поверхности 168 через соответствующие из третьего множества разнесенных в осевом направлении отверстий 196а и 196b и соединены с внутренней поверхностью 184. Соединяющие элементы 214а и 214b проходят от внутренней поверхности 168 через соответствующие из четвертого множества разнесенных в осевом направлении отверстий 198а и 198b и соединены с внутренней поверхностью 184.
[0053] В одном варианте осуществления первый участок 154 соединительного элемента образован из первого материала, второй участок 156 соединительного элемента образован из второго материала, а множество соединяющих элементов 159 образованы из третьего материала. В иллюстративном аспекте первый, второй, третий и четвертый материалы являются по существу идентичными. В другом иллюстративном аспекте первый участок 154 соединительного элемента, второй участок 156 соединительного элемента и множество соединяющих элементов 159 выполнены за одно целое. Таким образом, первый участок 154 соединительного элемента, второй участок 156 соединительного элемента и множество соединяющих элементов 159 образованы в виде одного цельного компонента, например, путем аддитивного производства. Однако следует понимать, что первый, второй и третий материалы могут отличаться, и могут применяться другие методы производства. Например, отдельные части могут быть соединены с помощью сварки, пайки, завинчивания, зажимания или других способов соединения. Другие способы производства могут включать в себя литье по выплавляемой модели.
[0054] Материалы, применяемые для образования виброизолирующего соединительного элемента 140, могут представлять собой сталь, высокопрочную сталь, титан, титановые сплавы, никель или никелевые сплавы (например, Inconel). Применяемые материалы могут иметь различные свойства материала, такие как модуль упругости, модуль сдвига, прочность, плотность. В еще одном варианте осуществления различные части виброизолирующего соединительного элемента могут быть образованы из различных материалов для обеспечения требований к модулю упругости или сдвига, или требований к коррозионным свойствам. Современные методы аддитивного производства позволяют комбинировать различные материалы в одной выполненной за одно целое части.
[0055] Также следует понимать, что упругий изгиб соединяющих элементов 159 может обеспечивать выбранную величину упругости при изгибе между первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента. Кроме того, следует понимать, что скважинные компоненты, расположенные в ниже по стволу скважины от вибрационного виброизолирующего соединительного элемента 140, имеют момент инерции при вращении или колебании (вибрации). Момент инерции скважинных компонентов ниже по стволу скважины от виброизолирующего соединительного элемента 140, рассматриваемый совместно с упругим изгибом (упругостью при изгибе), обеспечиваемым соединяющими элементами 159, создает первый резонанс крутильных колебаний, полученный на основании уравнения (1.1):
где f - частота [1/с], i - момент инерции [кгм2], k - постоянная торсионной пружины [Нм/рад], например, менее 100 Гц. Следует понимать, что момент инерции также может включать в себя факторы, способствующие моменту инерции, возникающему из виброизолирующего соединительного элемента.
[0056] Таким образом, виброизолирующий соединительный элемент 140 изолирует (отделяет) вибрации между первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента с частотой, превышающей первый резонанс крутильных колебаний.
[0057] Б соответствии с иллюстративным аспектом, нагрузка может быть приложена к виброизолирующему соединительному элементу 140 через первый соединитель 144. Нагрузка может представлять собой крутящую нагрузку, осевую нагрузку и/или изгибающую нагрузку. В одном варианте осуществления нагрузка может передаваться на первый соединитель 144 столом 14 ротора и/или буровой лебедкой 33. При приложении крутящей нагрузки (крутящего момента при бурении или крутящего момента долота) между первым соединителем 144 и соединителем 150 с наружной резьбой множество соединяющих элементов 159 создают крутильное гибкое соединение между первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента. Таким образом, множество соединяющих элементов 159 подвергаются изгибу и обеспечивают угловое перемещение (угол α (ФИГ. 7) первого участка 154 соединительного элемента относительно второго участка 156 соединительного элемента.
[0058] При приложении изгибающего момента между первым соединителем 144 и вторым соединителем 148 множество соединяющих элементов 159 подвергаются воздействию для проталкивания тяговых усилий с помощью всего поперечного сечения с равномерно распределенным напряжением и, следовательно, представляя достаточно жесткое соединение для изгиба между первым участком 154 соединительного элемента и вторым участком 156 соединительного элемента. При осевой нагрузке множество соединяющих элементов 159 подвергаются изгибу вдоль их большего момента инерции, таким образом испытывая сопоставимые низкие напряжения и низкую деформацию.
[0059] Далее в соответствии с иллюстративным аспектом, при приложении крутящего момента к первому соединителю 144 и второму соединителю 148 множество соединяющих элементов 159 могут деформироваться. После достижения предварительно заданного уровня крутящего момента одно или более из множества соединяющих элементов 159 могут контактировать с поверхностью отверстия соответствующего из разнесенных в осевом направлении отверстий 190а/190b, 193a/193b, 196а/196b и 198а/198b. В таком случае поверхность отверстия создает крутильный концевой упор, такой как обозначенный ссылочной позицией 224 на ФИГ. 7. Крутильный концевой упор 224 ограничивает дальнейшее отклонение и напряжения во множестве соединяющих элементов 159. Крутильный концевой упор 224 можно применять для приложения высокого статического крутящего момента, например, для высвобождения от застревания в компоненте скважины ниже изолятора. Крутильный концевой упор 224 может принимать различные формы, как показано на ФИГ. 8, причем подобная ссылочная позиция представляет соответствующие части в отдельных видах.
[0060] На ФИГ. 8 крутильный концевой упор 224 отделен от множества соединяющих элементов 159. Отделение крутильного концевого упора 224 от соединяющих элементов 159 предотвращает потенциальное повреждение множества соединяющих элементов 159 при попадании на поверхность отверстия (например, крутильный концевой упор 224). Крутильный концевой упор 224 может входить в зацепление (упор) при кручении виброизолирующего соединительного элемента 140, перед тем, как соединяющие элементы 159 попадут на поверхность отверстия (отдельно не обозначены) крутильного концевого упора 224. Другая причина отделения крутильного концевого упора 224 от соединяющих элементов 159 представляет собой разделение функциональных возможностей.
[0061] Функция множества соединяющих элементов 159 заключается в изолировании HFTO. Когда множество соединяющих элементов 159 изгибается и входит в контакте поверхностями, например, отверстий 190a/190b, 193а/193b, 196а/196b в результате крутящего момента, прилагаемого, например, к поверхности (крутящий момент при бурении), дальнейший изгиб из-за HFTO невозможен, а виброизолирующий соединительный элемент 140 теряет функциональность изолирования. Крутильный концевой упор 224 входит в зацепление перед тем, как множество соединяющих элементов попадают на поверхности отверстий 190а/190b, 193a/193b, 196а/196b для поддержания функциональности виброизолирующего соединительного элемента 140 при ограничении его максимального угла кручения, созданного высокими крутящими моментами.
[0062] Типичное кручение виброизолирующего соединительного элемента 140, вызванное крутящим моментом поверхности (крутящий момент при бурении), может представлять собой угол кручения, составляющий около 10°. Типичное кручение виброизолирующего соединительного элемента 140, вызванное HFTO, может представлять собой угол кручения, составляющий около 15°. Угол кручения относится к углу α, как указано на ФИГ. 7. Угол кручения относится к вращению первого участка 154 соединительного элемента относительно второго участка 156 соединительного элемента. В альтернативных вариантах осуществления угол кручения вследствие крутящего момента при бурении может составлять от около 5° до около 30°. В другом варианте осуществления угол кручения может составлять от около 7° до около 20°. В еще одном иллюстративном варианте осуществления угол кручения может составлять от около 8° до около 15°. Угол кручения вследствие HFTO может также составлять от около 5° до около 50°; от около 8° до около 30° и от около 10° до около 20°.
[0063] Крутящий момент при бурении, прилагаемый столом ротора, передается на буровое долото посредством виброизолирующего соединительного элемента 140. Множество соединяющих элементов 159 изгибаются, но не попадают на поверхности отверстий 190a/190b, 193a/193b, 196а/196b. При процессе бурения и усилиях резания, воздействующих на дезинтегрирующий инструмент 30, HFTO может быть наложено на вращение, осуществляемое столом ротора в местоположении дезинтегрирующего инструмента 30, и распространяется вдоль КНБК. Изгиб при колебании множества соединяющих элементов 159 происходит в направлении, перпендикулярном продольной оси А виброизолирующего соединительного элемента 140. Изгиб множества соединяющих элементов 159 уменьшается вдоль продольной оси А от второго соединителя 148 до первого соединителя 144 для форм HFTO с частотами на уровне и выше первой резонансной частоты виброизолирующего соединительного элемента 140.
[0064] Если виброизолирующий соединительный элемент 140 идеально изолирует HFTO, то HFTO не передается на первый соединитель 144. Изолирование HFTO между вторым соединителем 148 и первым соединителем 144 достигается посредством мягкости при кручении виброизолирующего соединительного элемента 140, которая позволяет второму участку 148 соединительного элемента вращаться относительно первого участка 146 соединительного элемента. В альтернативных вариантах осуществления ввод HFTO может происходить на первом соединителе 144. Это может происходить, когда HFTO получают ближе к первому соединителю 144, чем ко второму соединителю 148, например, с помощью расширителя, расположенного выше виброизолирующего соединительного элемента 140. Термин «выше по стволу скважины» в настоящем описании представляет собой конец виброизолирующего соединительного элемента 140, который расположен ближе к поверхности.
[0065] Требуемая длина виброизолирующего соединительного элемента 140 составляет менее 1 м. Подходящая толщина первой и второй стенок 164/180 может составлять 10 мм. В вариантах осуществления толщина стенки может составлять от около 5 мм до около 9 мм. В другом иллюстративном аспекте толщина стенки может составлять от около 11 мм до около 20 мм. В еще одном иллюстративном аспекте толщина стенки может составлять от около 20 мм до около 50 мм. Толщина стенки первой кольцевой стенки 164 может отличаться от толщины стенки второй кольцевой стенки 180. Формы и размеры могут отличаться среди множества соединяющих элементов 159. Следует отметить, что термин «длина» в настоящем описании относится к удлинению вдоль продольной оси А виброизолирующего соединительного элемента, а термины «ширина» и «высота» относятся к удлинению вдоль 2 радиальных направлений, причем два радиальных направления перпендикулярны друг другу. Количество соединяющих элементов не ограничено восемью, как показано на ФИГ. 4-6.
[0066] Первый участок множества соединяющих элементов ориентирован параллельно. Второй участок множества соединяющих элементов может быть ориентирован перпендикулярно первому участку множества соединяющих элементов 159. В альтернативных вариантах осуществления предусмотрены углы, отличные от 90°, между участками множества соединяющих элементов 159. Например, первый участок множества соединяющих элементов может быть расположен под углом от около 1° до около 120° относительно второго участка множества соединяющих элементов. В другом иллюстративном аспекте первый участок множества соединяющих элементов может быть расположен под углом от около 10° до около 90° относительно второго участка множества соединяющих элементов. В другом иллюстративном аспекте первый участок множества соединяющих элементов может быть расположен под углом от около 10° до около 45° относительно второго участка множества соединяющих элементов. В еще одном иллюстративном аспекте первый участок множества соединяющих элементов может быть расположен под углом от около 45° до около 90° относительно второго участка множества соединяющих элементов.
[0067] В одном иллюстративном аспекте следует понимать, что можно применять только два соединяющих элемента. В другом варианте осуществления можно применять от 3 до 50 соединяющих элементов. В еще одном варианте осуществления можно применять гораздо большее количество соединяющих элементов. Например, виброизолирующий соединительный элемент 140 может быть образован с более чем 1000 соединяющих элементов. В таком случае соединяющие элементы 159 ориентированы между внутренней поверхностью 168 первого участка соединительного элемента и внутренней поверхностью 184 второго участка соединительного элемента, образующего спицеобразный рисунок. В случае конфигурации спицеобразного рисунка угол между смежным соединяющим элементом может составлять 5° или менее.
[0068] В этот момент следует понимать, что виброизолирующий соединительный элемент изолирует вибрации, проходящие, например, от дезинтегрирующего устройства выше по стволу скважины. Дезинтегрирующее устройство 30 расположено ниже виброизолирующего соединительного элемента 140 и ближе ко второму соединителю 148, чем к первому соединителю 144. Вибрации могут быть отделены (изолированы) множеством соединяющих элементов 159 таким образом, что амплитуды выше виброизолирующего соединительного элемента 140 могут быть значительно меньше, чем в местоположении ниже виброизолирующего соединительного элемента 140. В иллюстративном варианте осуществления крутильные вибрации с частотой, превышающей первую частоту свободных колебаний упрощенной замещенной механической системы, представленной моментом инерции сегментов 250 КНБК (включая дезинтегрирующее устройство) ниже виброизолирующего соединительного элемента 140, и постоянная торсионной пружины (пропорциональная жесткости при кручении) множества соединяющих элементов 159 будут срезаны. Сегмент 250 КНБК может содержать буровое долото 30 и направляющий механизм 29. Первая частота свободных колебаний упрощенной замещенной механической системы может быть рассчитана по формуле, как указано в уравнении 1.1:
[0069] Сопоставимая с механическим фильтром нижних частот, виброизоляция виброизолирующего соединительного элемента 140 является результатом значительно меньшей (первой) частоты свободных колебаний (например, 30 Гц), частоты среза по сравнению с критическими частотами возбуждения HFTO. Типовое значение для частоты среза описанной механической системы может составлять 10 Гц, 50 Гц, 100 Гц или 200 Гц, будучи выбранным в зависимости от ожидаемой нежелательной частоты HFTO, возбужденной внутри КНБК. Частота среза может быть скорректирована за счет жесткости при кручении соединяющих элементов (или постоянной торсионной пружины виброизолирующего соединительного элемента), или момента инерции компонентов, размещенных ниже виброизолирующего соединительного элемента 140, например, путем добавления или удаления сегментов КНБК ниже соединительного элемента, такого как бурильная труба, утяжеленная бурильная труба или гибкая труба.
[0070] В дополнение к сниженным вибрациям, виброизолирующий соединительный элемент может служить в качестве трубопровода для буровых растворов. Как правило, давление бурового раствора в центре инструмента выше, чем в кольцевом пространстве. Центр жидкостного канала инструмента соединен с внутренним каналом бурильной колонны и внутренним каналом КНБК, причем кольцевое пространство представляет собой возвращение буровых растворов к поверхности. Давление в канале подвержено по меньшей мере повышению давления за счет перепадов давления, вызванных насадками в устройстве дезинтеграции, и/или динамического падения давления текучего флюида через скважинные инструменты (секцию КНБК) и вокруг них ниже изолирующего соединительного элемента. Как показано на ФИГ. 2-5, могут быть (небольшие) проточные каналы в уплотнении 160 между флюидом канала и кольцевым пространством. Путем обеспечения и соответственно размера зазоров в уплотнении 160 (например, 0,1 мм) утечка флюида через эти зазоры может иметь контролируемый и допустимый поток. Обеспечение контролируемой утечки потока флюида устраняет необходимость в дорогих и хрупких уплотнениях, обеспечивающих герметизацию при вращении и/или колебании. Другие варианты, не подробно описанные в настоящем документе, могут включать лабиринтные уплотнения, эластомерные уплотнения, уплотнения зазоров, магнитные уплотнения, сильфонные уплотнения или другие уплотнительные элементы (в совокупности обозначенные ссылочной позицией 160 на ФИГ. 3 и ФИГ. 4).
[0071] Виброизолирующий соединительный элемент 140 может также вмещать в себе канал для управляющих сигналов путем обеспечения канала для проводников, таких как обозначенные ссылочной позицией 260 на ФИГ. 4. Такой канал для проводников 260 обеспечивает подачу электрического или оптического проводника, провода или кабеля через виброизолирующий соединительный элемент 140 для передачи электрической энергии и/или связи (например, шина линии электропитания) через виброизолирующий соединительный элемент 140 от скважинного компонента выше на скважинный компонент ниже и наоборот. Электрический проводник может, например, проходить через первый соединитель 144, вторую кольцевую стенку 180, один или более соединяющих элементов 159, первую кольцевую стенку 164 и переход во второй соединитель 148. Канал для проводников 260 может оканчиваться в модульном электрическом соединителе, который, в свою очередь, может принимать форму электрического контакта, такого как контактное кольцо, размещенное в кольцевой выемке 270, скользящий контакт, индуктивное соединение или резонансное электромагнитное соединяющее устройство, расположенное на соединителях 150 и 146.
[0072] Следует понимать, что возможны и другие типы соединителей. Кроме того, следует понимать, что проводники 200 могут оканчиваться в центральном соединителе (не показан), расположенном в центральном канале (не обозначенном отдельно) первого соединителя 144 и второго соединителя 148. Центральный канал, также называемый внутренним каналом, сообщается по текучей среде с внутренним каналом КНБК и бурильной колонной и обеспечивает канал для бурового раствора.
[0073] Изгиб множества соединяющих элементов 159 приводит к механическим напряжениям на участках виброизолирующего соединительного элемента 140. Эти напряжения локализованы преимущественно в положениях с острыми краями, например в областях, в которых соединяющий элемент прикреплен к внутренней поверхности 168 первой кольцевой стенки 164 и к внутренней поверхности 184 второй кольцевой стенки 180. Чтобы уменьшить механические напряжения в этих областях, образуются переходы с определенным радиусом в процессе изготовления, как показано, например, в примере, обозначенном в общем ссылочной позицией 280 на ФИГ. 7.
[0074] В альтернативных вариантах осуществления вместо одного радиуса может быть образована кривая с тремя центрами. Аналогичная стратегия может быть применена для первого кольца 285 передачи нагрузки, расположенного на первом концевом участке 187 второй кольцевой стенки 180 и/или второго кольца 287 передачи нагрузки, расположенного на втором концевом участке 173 первой кольцевой стенки 164. Угол 290 радиуса может быть образован на переходе между второй кольцевой стенкой 180 и первым кольцом 285 передачи нагрузки. Соответствующий радиус может быть образован на переходе между первой кольцевой стенкой 164 и вторым кольцом 287 передачи нагрузки. Кольца 285/287 передачи нагрузки передают нагрузки от и до первого соединителя 144 и от и до второго соединителя 148, такие как осевая нагрузка, изгибающая нагрузка, крутящая нагрузка. В альтернативных вариантах осуществления вместо одного радиуса может быть образована кривая с тремя центрами. Моделирование конечного элемента (имитационное моделирование FE, моделирование FE) можно применять для моделирования виброизолирующих соединительных элементов с различными свойствами материала и размером различных участков виброизолирующего соединительного элемента 140 (например, количество и размер множества, соединяющие элементы 159, длина виброизолирующего участка 151) для оптимизации и точной настройки как можно более максимального соотношения жесткости при изгибе к жесткости при кручении (BST/TST), например, соотношения более 15.
[0075] Ниже приведены некоторые варианты осуществления вышеприведенного описания.
[0076] Вариант осуществления 1. Виброизолирующий соединительный элемент для изолирования крутильной вибрации в бурильной колонне, содержащий первый участок соединительного элемента, содержащий первую кольцевую стенку, имеющую внешнюю поверхность и внутреннюю поверхность, определяющую первый участок центрального канала; второй участок соединительного элемента, расположенный внутри первого центрального канала, причем второй участок соединительного элемента содержит вторую кольцевую стенку, имеющую секцию внешней поверхности и секцию внутренней поверхности, определяющую второй участок центрального канала; и множество соединяющих элементов, проходящих от внутренней поверхности первой кольцевой стенки через вторую кольцевую стенку на втором участке центрального канала и соединяющихся с внутренней поверхностью второй кольцевой стенки.
[0077] Вариант осуществления 2. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором второй участок соединительного элемента содержит множество разнесенных в осевом направлении отверстий, проходящих от секции внешней поверхности второй кольцевой стенки через вторую кольцевую стенку к секции внутренней поверхности второй кольцевой стенки.
[0078] Вариант осуществления 3. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором множество разнесенных в осевом направлении отверстий содержит первое множество разнесенных в осевом направлении отверстий, второе множество разнесенных в осевом направлении отверстий, смещенное по окружности относительно первого множества разнесенных в осевом направлении отверстий, третье множество разнесенных в осевом направлении отверстий, смещенное по окружности от первого множества разнесенных в осевом направлении отверстий и второго множества разнесенных в осевом направлении отверстий.
[0079] Вариант осуществления 4. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно содержащий: проводник, проходящий через по меньшей мере один из множества соединяющих элементов.
[0080] Вариант осуществления 5. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором внешняя поверхность второй кольцевой стенки разнесена от внутренней поверхности первой кольцевой стенки.
[0081] Вариант осуществления 6. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно содержащий: уплотнение, расположенное между первым участком соединительного элемента и вторым участком соединительного элемента.
[0082] Вариант осуществления 7. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором первый участок соединительного элемента содержит первый трубчатый участок, а второй участок соединительного элемента содержит второй трубчатый участок, причем первый трубчатый участок, второй трубчатый участок и множество соединяющих элементов образованы из того же материала.
[0083] Вариант осуществления 8. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором первый участок соединительного элемента содержит первый трубчатый участок и второй участок соединительного элемента содержит второй трубчатый участок, причем первый трубчатый участок и второй трубчатый участок образованы из первого материала и множество соединяющих элементов образованы из второго материала, отличного от первого материала.
[0084] Вариант осуществления 9. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором множество соединяющих элементов выполнены за одно целое с первым участком соединительного элемента и вторым участком соединительного элемента.
[0085] Вариант осуществления 10. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором второй участок соединительного элемента является концентрическим с первым участком соединительного элемента.
[0086] Вариант осуществления 11. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором первая кольцевая стенка содержит первый конец и второй конец, а вторая кольцевая стенка содержит первый концевой участок и второй концевой участок, причем первый концевой участок второй кольцевой стенки поддерживает первый соединитель и второй конец первой кольцевой стенки поддерживает второй соединитель.
[0087] Вариант осуществления 12. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором первый соединитель содержит соединитель с внутренней резьбой, а второй соединитель содержит соединитель с наружной резьбой.
[0088] Вариант осуществления 13. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно содержащий первый соединитель и второй соединитель, причем первый соединитель соединен со второй кольцевой стенкой посредством сварки и второй соединитель соединен с первой кольцевой стенкой посредством сварки.
[0089] Вариант осуществления 14. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором виброизолирующий соединительный элемент содержит постоянную торсионной пружины, причем постоянная торсионной пружины определяет частоту резонанса крутильных колебаний менее 100 Гц, таким образом изолируя вибрации между первым и вторым участком соединительного элемента с частотой выше примерно частоты резонанса крутильных колебаний.
[0090] Вариант осуществления 15. Виброизолирующий соединительный элемент по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором виброизолирующий соединительный элемент изолируют крутильную вибрацию с помощью упругого изгиба множества соединяющих элементов.
[0091] Вариант осуществления 16. Способ изолирования крутильных вибраций от одного участка бурильной колонны, соединенного с другим участком бурильной колонны, через виброизолирующий соединительный элемент, имеющий первый участок соединительного элемента, соединенный со вторым участком соединительного элемента через множество соединяющих элементов, причем способ включает: введение крутильных вибраций в первый участок соединительного элемента; передачу крутильной вибрации во множество элементов соединителя, проходящих от секции внутренней поверхности второго участка соединительного элемента, через кольцевую стенку второго участка соединительного элемента к внутренней поверхности первого участка соединительного элемента; и изолирование крутильных вибраций, проходящих от первого участка соединительного элемента ко второму участку соединительного элемента путем упругого изгиба множества соединяющих элементов.
[0092] Вариант осуществления 17. Способ по любому из предшествующих вариантов осуществления, в котором изолирование крутильных вибраций включает в себя упругий изгиб множества соединяющих элементов в направлении, перпендикулярном продольной оси виброизолирующего соединительного элемента.
[0093] Вариант осуществления 18. Способ по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно включающий: ограничение угла кручения второго участка соединительного элемента первым участком соединительного элемента через по меньшей мере один крутильный концевой упор.
[0094] Вариант осуществления 19. Способ по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно включающий: пропускание бурового раствора через виброизолирующий соединительный элемент.
[0095] Вариант осуществления 20. Способ по любому из предшествующих вариантов осуществления, дополнительно включающий: выбор жесткости при кручении виброизолирующего соединительного элемента, чтобы иметь частоту резонанса крутильных колебаний виброизолирующего соединительного элемента менее 100 Гц; и выбор момента инерции секции бурильной колонны, расположенной ниже виброизолирующего соединительного элемента до момента инерции, имеющего частоту резонанса крутильных колебаний виброизолирующего соединительного элемента; и изолирование крутильных вибраций между первым и вторым участком соединительного элемента, имеющим частоту выше примерно частоты резонанса крутильных колебаний.
[0096] Термины «приблизительно» и «по существу» подразумевают включение степени погрешности, связанной с измерением конкретного количества, для оборудования, доступного во время подачи настоящей заявки. Например, термин «около» и/или «по существу» может включать в себя диапазон ±8%, или 5%, или 2% от заданного значения.
[0097] Использование форм единственного и множественного числа и аналогичных отсылок в контексте описания изобретения (особенно в контексте представленной ниже формулы изобретения) следует понимать как охватывающее как единственное, так и множественное число, если в настоящем документе не указано иное или если это явно не противоречит контексту. Дополнительно следует отметить, что термины «первый», «второй» и т.п. в настоящем документе не означают какой-либо порядок, количество или важность, а использованы для различения одного элемента от другого.
[0098] Идеи, представленные в настоящем описании, могут быть использованы во множестве разнообразных операций на скважине. Эти операции могут включать использование одного или более средств для обработки при обработке пласта, флюидов, находящихся в пласте, ствола скважины и/или оборудования в стволе скважины, такого как эксплуатационная насосно-компрессорная труба. Средства для обработки могут быть представлены в форме жидкостей, газов, твердых веществ, полутвердых веществ и их смесей. Иллюстративные средства обработки включают в себя, без ограничений, флюиды для гидроразрыва, кислоты, пар, воду, солевой раствор, антикоррозионные средства, цемент, модификаторы проницаемости, буровые растворы, эмульгаторы, деэмульгаторы, индикаторы, противотурбулентные присадки и т.п. Иллюстративные скважинные работы включают, без ограничений, гидравлический разрыв пласта, интенсификацию, введение индикаторов, очистку, кислотную обработку, нагнетание пара, заводнение, цементирование и т.п.
[0099] Хотя в настоящем описании изобретения приведены ссылки на пример осуществления или варианты осуществления, специалистам в данной области будет понятно, что допускается внесение различных изменений и замена отдельных элементов на эквивалентные без отступления от объема изобретения. Кроме того, допускается внесение множества модификаций для адаптации идей изобретения к конкретной ситуации или материалу без отступления от его существенного объема. Таким образом, предполагается, что изобретение не ограничивается конкретным вариантом осуществления, описанным как лучший способ реализации, предусмотренный для осуществления настоящего изобретения, но предполагается, что изобретение включает в себя все варианты осуществления, входящие в объем формулы изобретения. Кроме того, в графических материалах и описании представлены примеры осуществления изобретения, и, хотя могли быть использованы конкретные термины, если не указано иное, их используют только в общем и описательном смысле, а не в целях ограничения, и это не ограничивает объем изобретения.