УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ В СКВАЖИНЕ
TORQUE LIMITER FOR DRILL STRING IN WELL

Область изобретения
[0001] Настоящее изобретение относится к системам, устройствам и способам защиты внутрискважинного инструмента (называемого буровым снарядом), присоединенного к «бурильной колонне», расположенной в скважине, где могут иметься неблагоприятные условия, затрудняющие вращательное движение бурового снаряда в скважине.
Уровень техники
[0002] При разведке месторождений нефти и газа важна защита структурной целостности бурильной колонны и присоединенных к ней скважинных инструментов. Как показано на фиг. 1, обычно буровая установка 10, расположенная на поверхности 12 или над ней, вращает бурильную колонну 20, расположенную в скважине под поверхностью. Обычно бурильная колонна содержит бурильную трубу 22 и утяжеленные бурильные трубы 24, которые вращаются и передают крутящий момент расположенному в глубине скважине буровому долоту 50 или другому скважинному оборудованию (обычно называемому «буровым снарядом») 40, присоединенному к дистальному концу бурильной колонны. Поверхностное оборудование 14 на буровой установке приводит во вращение бурильную колонну 20 и буровое долото 50, пробуривающее земную кору с образованием скважины 60. При этом буровое долото, как правило, сталкивается с различиями геологических пластов, которые могут обусловливать отличающиеся значения сопротивления буровому долоту. Во многих случаях такое сопротивление может быть непредвиденным, в результате чего с поверхности по бурильной колонне может быть передан излишне высокий крутящий момент, возможно, вызывающий повреждение и/или обрыв бурильной колонны или присоединенного к бурильной колонне бурового снаряда. Такой обрыв вызывает, помимо затрат, связанных с простоем, необходимость дополнительных работ и затрат, которые требуются для извлечения секции бурильной колонны и бурового снаряда ниже обрыва, и ремонта повреждений.
Сущность изобретения
[0003] В настоящем документе, в целом, раскрыто устройство ограничения крутящего момента, использование которого связано с бурением скважин и/или с инструментом для заканчивания скважин. Устройство ограничения крутящего момента содержит вращательный входной элемент, имеющий внутреннюю полость, которая содержит упорные гнезда. Во внутренней полости расположен вращательный выходной элемент, этот вторичный вращательный элемент содержит радиальные выступы и углубления. Радиально между входным элементом и выходным элементом расположены радиальные храповые элементы, причем каждый храповой элемент имеет радиально внутреннюю поверхность и радиально наружную поверхность, которая содержит по меньшей мере один радиально выступающий упор. Между храповыми элементами и выходным элементом радиально расположены подшипники. Удерживающий узел выполнен с возможностью обеспечения силы податливости для поддержания контакта между храповыми элементами, подшипниками и вторичным вращательным элементом. Каждый подшипник, по меньшей мере, частично удерживается между одним из храповых элементов и вторым вращательным элементом, а каждый упор, по меньшей мере, частично удерживается в соответствующем упорном гнезде.
[0004] Подробности одного или нескольких вариантов осуществления раскрыты в приведенном ниже описании и в приложенных чертежах.
Описание чертежей
[0005] На фиг. 1 схематически представлена буровая установка и скважинное оборудование, расположенное в скважине.
[0006] На фиг. 2 представлен вид в аксонометрии нижней части бурильной колонны, содержащей пример устройства ограничения крутящего момента в скважине.
[0007] На фиг. 3 представлен вид в аксонометрии примера устройства ограничения крутящего момента в скважине, представленного на фиг. 2.
[0008] На фиг. 4 представлен вид примеров храповых элементов в аксонометрии.
[0009] На фиг. 5 представлен поперечный разрез примера устройства ограничения крутящего момента в скважине.
[0010] На фиг. 6 представлен поперечный разрез примера устройства ограничения крутящего момента в скважине в режиме ограничения крутящего момента.
[0011] На фиг. 7А-7С представлены поперечные разрезы примера устройства ограничения крутящего момента в скважине.
Подробное раскрытие изобретения
[0012] Как показано на фиг. 1, обычно буровая установка 10, расположенная на поверхности 12 или над ней, вращает бурильную колонну 20, расположенную в скважине 60 под поверхностью. Обычно бурильная колонна содержит бурильную трубу 22 и утяжеленные бурильные трубы 24, которые вращаются и передают крутящий момент расположенному в глубине скважины буровому долоту 50 или другому скважинному оборудованию (обычно называемому «буровым снарядом») 40, присоединенному к дистальному концу бурильной колонны 20. Поверхностное оборудование 14 на буровой установке приводит во вращение бурильную колонну 20 и буровое долото 50, пробуривающее земную кору с образованием скважины 60. Скважина 60 укреплена обсадной колонной 34 и цементной оболочкой 32 в кольцевом пространстве между обсадной колонной 34 и скважиной. При этом буровое долото 50, как правило, сталкивается с различиями геологических пластов 25, которые могут обуславливать отличающиеся значения сопротивления буровому долоту. Во многих случаях такое сопротивление может быть непредвиденным, в результате чего с поверхности 12 по бурильной колонне 20 может быть передан излишне высокий крутящий момент. В других случаях в искривленной скважине бурильная колонна 20 или буровой снаряд 40 может застревать в скважине 60, вызывая избыточный крутящий момент в бурильной колонне 20 или буровом снаряде. В иных ситуациях со стенок ствола скважины может сходить материал пласта, уплотняясь вокруг бурового долота 50, бурового снаряда 40 или бурильной колонны 20 и вызывая застревание одного или нескольких из вышеперечисленных элементов, в результате чего крутящий момент в бурильной колонне 20 становится избыточным.
[0013] В некоторых вариантах осуществления буровой снаряд 40 может быть буровым снарядом для бурения, заканчивания или для повторного входа в скважину. Буровой снаряд для бурения содержит такие элементы инструмента, как вращательно-управляемые системы, гидравлические забойные двигатели, расширители, и/или устройства измерения при бурении (MWD)/FEWD. Чтобы избежать приложения избыточного крутящего момента к бурильной колонне 20 и/или элементам бурового снаряда 40, между бурильной колонной 20 и буровым снарядом 40 может быть установлено устройство 110 ограничения крутящего момента.
[0014] Если вращающие силы, действующие на устройство 110 ограничения крутящего момента между бурильной колонной 20 и буровым снарядом 40, превышают заданную величину, то устройство 110 будет разъединять по вращению две указанные секции, до тех пор, пока силы не уменьшатся до величин, не превышающих заданные.
[0015] На фиг. 2 представлен вид в аксонометрии устройства 110 ограничения крутящего момента в скважине. Как показано на фиг. 1 и 2, в некоторых вариантах осуществления устройство 110 ограничения крутящего момента ограничивает величину крутящего момента, который может быть передан от вращательного входного элемента (например, наружного корпуса 114), присоединенного к бурильной колонне 20 (см. фиг. 1) и воспринимающего крутящий момент от бурильной колонны 20, к вращательному выходному элементу (например, приводному валу 112). В некоторых вариантах осуществления устройство ограничения крутящего момента может быть использовано для ограничения величины крутящего момента, развиваемого на секции бурового снаряда 40 (см. фиг. 1) при вращении наружного корпуса 114 для приведения во вращение бурового долота 50 (см. фиг. 1), непосредственно или косвенно связанного с приводным валом 112.
[0016] Устройство 110 ограничения крутящего момента содержит радиальный храповой узел 120, пружинный опорный узел 122а, граничащий с верхним по направлению скважины осевым концом радиального храпового узла 120, и пружинный опорный узел 122b, граничащий с нижним по направлению скважины осевым концом радиального храпового узла 120. Пружинная секция 124а аксиально обеспечивает осевое сжатие между пружинным опорным узлом 122а и радиальным храповым узлом. Пружинная секция 124b аксиально обеспечивает осевое сжатие между пружинным опорным узлом 122b и радиальным храповым узлом.
[0017] Предусмотрен подшипниковый узел 130, ограничивающий относительное перемещение приводного вала 112, и устраняющий связь по вращению приводного вала 112 и наружного корпуса (не показан) устройства 110 ограничения крутящего момента. Уплотнительный корпус 140 предусмотрен для, по меньшей мере, минимизации попадания загрязнений (например, выбуренной породы, взвешенных частиц, мусора, бурового раствора, песка) во внутренние компоненты устройства 110 ограничения крутящего момента.
[0018] На фиг. 3 представлен частичный вид в аксонометрии примера устройства 110 ограничения крутящего момента в скважине. Радиальный храповой узел 120 содержит набор роликовых подшипников 202 и набор радиальных храповых элементов 204. На фиг. 3 радиальный храповой узел 120, представленный на фиг. 2, показан со снятым одним из храповых элементов 204, чтобы обеспечить видимость роликовых подшипников 202.
[0019] На фиг. 4 представлен вид в аксонометрии примеров храповых элементов 204 и роликовых подшипников 202. Как более подробно раскрыто ниже, набор роликовых подшипников 202, по меньшей мере, частично размещен в наборе соответствующих углублений 302, выполненных на радиально внутренней поверхности 304 каждого из радиальных храповых элементов 204.
[0020] На фиг. 5 представлен поперечный разрез примера устройства 110 ограничения крутящего момента в скважине. Как показано на фиг. 5, набор радиальных храповых элементов 204 радиально зажат посредством пружинных опорных узлов 122а и 122b. Зажатие является податливым, при этом наклонные грани 210 каждого из радиальных храповых элементов 204 находятся в скользящем контакте с соответствующими наклонными гранями 212 пружинных опорных узлов 122а и 122b. Эти компоненты раскрыты более подробно при описании фиг. 7А-7С.
[0021] На фиг. 6 представлен поперечный разрез примера устройства 110 ограничения крутящего момента в скважине в режиме ограничения крутящего момента. Во время работы при силах крутящего момента, развиваемых на устройстве 110 ограничения крутящего момента в скважине, по существу, равных нулю, радиальные храповые элементы 204 находятся, в целом, в сжатой конфигурации, такой, как представлена на примере фиг. 5. Во время работы по мере увеличения крутящего момента, развиваемого на устройстве 110 ограничения крутящего момента в скважине, радиальные храповые элементы 204 смещаются радиально наружу, как показано на примере с фиг. 6. Данный процесс радиального выдвижения наружу раскрыт более подробно в описании фиг. 7А-7С.
[0022] Пружинные секции 124а-124b сжимают пружинные опорные элементы 122а-122b аксиально по направлению друг к другу. Такое сжатие податливо воздействует на радиальные храповые элементы 204, вынуждая их смещаться радиально внутрь. При эксплуатации вращающие силы, возникающие в устройстве 110 ограничения крутящего момента в скважине, воздействуют на радиальные храповые элементы 204, заставляя их смещаться радиально наружу. Такое выдвижение наружу вызывает передачу наклонными поверхностями 210 осевой силы наклонным поверхностям 212, заставляя пружинные опорные элементы 122а-122b смещаться в осевом направлении от радиального храпового узла 120, в результате чего пружинные секции 124а-124b подвергаются сжатию.
[0023] В некоторых вариантах осуществления каждая из пружинных секций 124а-124b может содержать набор из одной или нескольких усеченных конических пружин (например, конусных тарельчатых пружин, конусных тарельчатых шайб, дисковых пружин, вогнутых пружинных шайб, пружин Бельвиля, шайб Бельвиля). В некоторых вариантах осуществления пружины могут быть винтовыми пружинами сжатия, такими как пружины для штампов. В некоторых вариантах осуществления для изменения коэффициента жесткости, обеспечиваемого пружинными секциями 124а-124b, могут быть использованы наборы из нескольких пружин. В некоторых вариантах осуществления наборы из нескольких пружин могут быть использованы для изменения величины отклонения, обеспечиваемой пружинными секциями 124а-124b. Например, если пружины набраны в одном направлении, это может способствовать увеличению коэффициента жесткости и одновременно созданию более жесткого соединения с, по существу, той же величиной отклонения. В другом примере пружины, набранные в переменном направлении, могут выполнять, по существу, те же функции, что и пружины, набранные последовательно, в результате чего уменьшается коэффициент жесткости и увеличивается величина отклонения. В некоторых вариантах осуществления за счет применения пружин различных и/или одинаковых направлений можно достичь заранее заданных коэффициента жесткости и величины допустимого отклонения. В некоторых вариантах осуществления за счет изменения величины отклонения и/или коэффициента жесткости пружинных секций 124а-124b может быть также изменена величина крутящего момента, который необходим для перевода устройства 110 ограничения крутящего момента в скважине в режим ограничения крутящего момента.
[0024] На фиг. 7А-7С представлены поперечные разрезы примера устройства 110 ограничения крутящего момента в скважине, выполненные через центральную осевую точку радиального храпового узла 120. Показанное на фиг. 7А устройство 110 ограничения крутящего момента в скважине содержит наружный корпус 602 (соответствующий корпусу 114 на фиг. 2). Наружный корпус 602 содержит внутреннюю полость 604. Внутренняя полость 604 содержит внутреннюю поверхность 606, которая содержит набор гнезд 608.
[0025] Радиальные храповые элементы 204 содержат один или несколько выступов («упоров») 610, которые выступают радиально наружу от радиально наружной поверхности 612. При эксплуатации упоры 610, по меньшей мере, частично удерживаются в гнездах 608 (далее именуемых «упорными гнездами»). Должно быть ясно, что показаны упоры 610 треугольной формы. Однако необходимо понимать, что могут быть использованы другие геометрические конфигурации выступов и соответствующих гнезд и что «упор» и форма упора не ограничены треугольной конфигурацией.
[0026] Как раскрыто выше, радиальные храповые элементы 204 также содержат радиально внутреннюю поверхность 614. Радиальная внутренняя поверхность 614 содержит по меньшей мере одно полукруглое углубление 616. Каждое полукруглое углубление 616 выполнено с возможностью частичного удержания соответствующего одного роликового подшипника из набора роликовых подшипников 202. Поддерживается, по существу, контакт качения набора роликовых подшипников 202 с приводным валом 112.
[0027] Приводной вал 112 содержит набор радиальных выступов 620 и радиальных углублений 622. Под действием сжатия пружинными секциями 124а-124b (например, показанными на фиг. 3, 4, 5 и 6) радиальные храповые элементы 204 вынуждены смещаться радиально внутрь. Соответственно, в условиях, когда устройство 110 ограничения крутящего момента в скважине испытывает, по существу, нулевой крутящий момент, роликовые подшипники 202 закатываются, по существу, в основания радиальных углублений 622 (то есть позволяют пружинным секциям 124а-124b находиться в точке с относительно низкой потенциальной энергией).
[0028] На фиг. 7В проиллюстрирован пример радиального храпового узла 120 при некотором крутящем моменте (например, при величине крутящего момента меньшей, чем заданное пороговое значение крутящего момента), развиваемом между приводным валом 112 и наружным корпусом 602. При эксплуатации наружный корпус 602 (также обозначенный номером 114 на фиг. 2) вращается. Эта вращающая сила передается роликовым подшипникам 202, радиальным храповым элементам 204 и приводному валу 112.
[0029] При увеличении вращающей силы между наружным корпусом 602 и приводным валом 112 роликовые подшипники 202 частично вынуждены выходить из радиальных углублений 622 в сторону соседних радиальных выступов 620. Так как роликовые подшипники 202 вынуждены сместиться в сторону радиальных выступов 620, радиальные храповые элементы 204 поддаются и выдвигаются радиально наружу, в противодействие сжимающей силе, которую передают пружинные секции 124а-124b (не показаны). Поскольку радиальные храповые элементы 204 выдвигаются наружу, контакт между упорами 610 и упорными гнездами 608, по существу, сохраняется, так как упоры 610 входят глубже в упорные гнезда 608.
[0030] В вариантах осуществления, в которых крутящий момент, создаваемый между приводным валом 112 и наружным корпусом 602, меньше, чем заданное пороговое значение крутящего момента, вращающие силы могут по-прежнему передаваться приводному валу 112 от наружного корпуса 602. В некоторых вариантах осуществления задаваемое пороговое значение крутящего момента может быть установлено посредством выборочного конфигурирования пружинных секций 124а-124b.
[0031] На фиг. 7С проиллюстрирован пример радиального храпового узла 120 при избыточном крутящем моменте (например, при величине крутящего момента большей, чем заданное пороговое значение крутящего момента), создаваемом между приводным валом 112 и наружным корпусом 602. При эксплуатации наружный корпус 602 вращается. За счет функционирования радиального храпового узла 120, при уровнях крутящего момента, превышающих заданное пороговое значение крутящего момента, по существу, прерывается передача энергии вращения приводному валу 112 от наружного корпуса 602.
[0032] Во время работы избыточный уровень крутящего момента вызывает выкатывание роликовых подшипников 202 еще дальше в сторону радиальных выступов 620. В определенный момент, как показано на примере фиг. 7С, радиальные храповые элементы поддаются настолько, что этого достаточно для достижения роликовыми подшипниками 202 вершин радиальных выступов 620. В такой конфигурации вращающая сила наружного корпуса 602, передаваемая радиальным храповым элементам 204, по существу, не может быть передана в виде энергии вращения роликовым подшипникам 202, и, соответственно, приводной вал 112 становится, по существу, развязанным по вращению с наружным корпусом 602.
[0033] В примерах, раскрытых в описаниях фиг. 1-7С, радиальный храповой узел 120 может быть выполнен с возможностью двустороннего действия, например функция ограничения крутящего момента в устройстве 110 ограничения крутящего момента в скважине может работать, по существу, одинаково под действием крутящего момента по часовой стрелке и против часовой стрелки. В некоторых вариантах осуществления радиальный храповой узел 120, наружный корпус 602 и/или приводной вал 112 могут быть выполнены так, чтобы устройство ограничения крутящего момента было однонаправленным.
[0034] В некоторых вариантах осуществления роликовые подшипники 202 могут быть заменены подшипниками скольжения. Например, радиальные храповые элементы 204 могут содержать полукруглые выступы, проходящие радиально внутрь от радиальной внутренней поверхности храповых элементов 204. Эти полукруглые выступы могут находиться внутри радиальных углублений 622 при условии низких крутящих моментов и смещаться со скольжением в сторону радиальных выступов 620 при увеличении значений крутящего момента.
[0035] В некоторых вариантах осуществления могут одновременно использоваться несколько наборов радиальных храповых узлов. Например, устройство 110 ограничения крутящего момента, для увеличения доступных допустимых крутящих моментов между буровой установкой 10 и буровым долотом 50, может содержать два или больше параллельных радиальных храповых узлов 120.
[0036] Несмотря на то что выше подробно описаны несколько вариантов осуществления, возможны и другие, измененные варианты. Например, логика работы, изображенная на чертежах, не ограничена для достижения желаемых результатов конкретным изображенным порядком или последовательным порядком. Кроме того, могут быть предусмотрены другие этапы, или некоторые этапы описанных последовательностей операций могут быть опущены, и к описанным системам могут быть добавлены другие компоненты, или некоторые компоненты могут быть удалены из описанных систем. Соответственно, приведенная ниже формула изобретения охватывает и другие варианты осуществления.