ГЕНЕРАТОР МЕХАНИЧЕСКОГО УСИЛИЯ ДЛЯ СКВАЖИННОГО УСТРОЙСТВА ВОЗБУЖДЕНИЯ
MECHANICAL FORCE GENERATOR FOR EXCITATION OF DOWNHOLE DEVICE

Настоящее изобретение относится к генераторам механического усилия, устройствам возбуждения, скважинным компоновкам возбуждения и т.п., их использованию, их узлам, соответствующей методологии, системам и т.п.
В сфере бурения и конкретнее в бурении на большой глубине горизонтальных интервалов часто требуется придание бурильной колонне (как составленной из бурильных штанг, так и непрерывной гибкой насосно-компрессорной трубе) аксиального возбуждения некоторого уровня для минимизации сил трения, которые могут серьезно замедлять или останавливать бурение или операции повторного входа в скважину. Кроме того, инструмент такого типа должен быть весьма полезен в составе бурильной колонны (или несколько таких устройств в бурильной колонне) для содействия в освобождении бурильных колонн в случае прихвата.
В идеале такое устройство должно быть выполнено с возможностью:
- работать в нужном месте, когда необходимо;
- генерировать достаточное усилие для минимизации трения и/или для освобождения прихваченных бурильных колонн;
- обеспечивать, по существу, беспрепятственный проход текучей среды вдоль инструмента буровых растворов, материалов борьбы с поглощением и т.д.;
- иметь регулируемую с поверхности величину усилия, от незначительного до значительного.
В дополнение к указанному выше устройство можно также использовать как генератор сейсмического сигнала, или использовать для содействия затвердеванию цемента, или в любом другом варианте применения, где аксиальное возбуждение является полезным.
Дополнительной или альтернативной задачей является создание возможности приведения в действие в скважине генератора механического усилия “по требованию”, когда и где требуется. Дополнительной альтернативой является обеспечение постоянной или по большей части постоянной готовности приведения в действие.
Устройства, предложенные и описанные ниже, нацелены на или предназначены для решения, по меньшей мере, одной или нескольких данных задач.
В другом аспекте изобретение является генератором механического усилия, содержащим или включающим в себя:
удлиненный кожух, по меньшей мере, по существу, аксиально проходящих внутренних и наружных элементов,
массу в удлиненном кожухе между внутренними и наружными элементами, выполненную с возможностью аксиального возвратно-поступательного перемещения, кроме того, удерживаемую от любого существенного вращения относительно одного или обоих элементов,
вращающийся элемент с кулачковым устройством или иное устройство создания шагового перемещения, или иное сцепление (“создания шагового перемещения”) с массой между внутренними и наружными элементами, причем вращающийся элемент выполнен с возможностью при вращении относительно массы создавать от оборота (оборотов) на входе вращающегося элемента несколько имульсов с изменением аксиальной длины, выполненной с возможностью создания шагового перемещения компоновки, т.е., предпочтительно, каждый оборот привода вращения создает одно или несколько возвратно-поступательных перемещений и/или аксиальное возбуждение вращающегося элемента и его выполненной с возможностью создания шагового перемещения массы,
привод вращения для прямого или непрямого приведения во вращение вращающегося элемента, и,
если необходимо, любое одно, или несколько, или отсутствие следующего:
пружина передачи крутящего момента (любого вида) от привода вращения для вращения вращающегося элемента для обеспечения, по меньшей мере, по существу, продольного относительного перемещения между приводом вращения и вращающимся элементом.
пружина (любого вида), проходящая от бурильной штанги, гибкой насосно-компрессорной трубы или т.п. к удлиненному кожуху от одного конца [например, ближнего], и/или
пружина (любого вида), проходящая от бурильной штанги, гибкой насосно-компрессорной трубы, инструмента или т.п. от удлиненного кожуха от другого конца [например, дальнего].
Предпочтительно шаговое перемещение массы/вращающегося элемента предусматривает скользящую связь, обеспечивающую их относительное вращение и, кроме того, управление их относительным аксиальным позиционированием как блока в сборе.
Предпочтительно, при работе в устройстве не происходит ударного воздействия.
Предпочтительно, генератор механического усилия находится в составе бурильной колонны или выполнен для нее (например, колонны из соединенных бурильных штанг или непрерывной гибкой насосно-компрессорной трубы) для создания аксиального возбуждения.
Предпочтительно наружный элемент является трубой или трубчатым корпусом.
Предпочтительно, внутренний элемент является трубой (менее предпочтительно, может являться не трубчатым).
Предпочтительно кожух является, по меньшей мере, по существу, герметичным для создания удлиненного кольцевого пространства, в котором масса, вращающийся элемент и привод вращения (и, если имеется, пружина передачи крутящего момента) могут совместно работать надлежащим образом.
Наиболее предпочтительно, вращающийся элемент снабжен выступами криволинейной формы или другим средством, благодаря которому каждый оборот привода вращения создает два или больше циклов (например, возвратно-поступательного перемещения) в качестве аксиального возбуждения. В других вариантах исполнения не имеющий выступов криволинейной формы вращающийся элемент в форме наклонного диска может создавать один цикл за оборот. Альтернативно, можно использовать любой вращающийся элемент, преобразующий ввод вращения в аксиальное перемещение.
Предпочтительно масса имеет шлицевое соединение с наружным элементом.
Предпочтительно как масса, так и вращающийся элемент опираются на вкладыши, подшипники, ползуны или т.п. от внутреннего элемента.
Предпочтительно, привод вращения опирается на подшипник или вкладыш и т.п. от внутреннего элемента.
Предпочтительно, привод вращения опирается на, по меньшей мере, один упорный подшипник от наружного элемента.
Предпочтительно, пружина действует как связь между приводом вращения и вращающимся элементом.
Предпочтительно, путь возбуждения проходит от массы/компоновки вращающегося элемента при изменении ее длины и/или возвратно-поступательном перемещении через передачу крутящего момента на привод вращения и через него в наружный элемент.
Предпочтительно, связывающая передача крутящего момента является резонансной пружиной или включает ее в себя.
Если необходимо, связывающая пружина отсутствует, и вращающиеся массы являются, по существу, не податливыми.
Предпочтительно, создается центральный проход текучей среды, обеспечивающий прямой, единообразный, непрерывный проход текучей среды через генератор или инструмент.
Если необходимо, проход текучей среды является не прямым, но создается через наружный корпус или вокруг него.
Предпочтительно любые компоненты, вступающие в контакт со скважинной текучей средой, выполнены из кислотостойких материалов (например, инконель, монель и т.д.). Если необходимо, кольцевое пространство (но не проход текучей среды) может заполняться или не заполняться несжимаемой текучей средой.
Если необходимо, можно устанавливать виброизолирующий элемент (пружина/шлицевое устройство/надувная оболочка/или любой другой податливый элемент) либо выше или ниже инструмента для минимизации нежелательной вибрации в направлении либо к устью или к забою скважины.
Если необходимо, любой отвод вибрации можно осуществлять в направлении либо к устью, или к забою скважины, или в обоих направлениях.
Если необходимо, выходной мощностью/силой на выходе можно управлять, регулируя частоту вращения ведущего вала (либо с помощью подачи текучей среды или другим средством).
Предпочтительно, устройство можно использовать в любом месте в бурильной колонне (например, вверху, в середине или в конце) и несколько блоков можно использовать в бурильной колонне.
Если необходимо, устройство можно использовать в соединении с перепускными клапанами (как текучей среды, так или газовыми и т.д.), которые можно использовать для сцепления/расцепления устройства с помощью разобщения с ведущим валом.
Если необходимо, податливый элемент (элементы: пружина и т.д.) может располагаться в любом месте в компоновке.
Если необходимо, любые/все подшипники в устройстве могут защищаться от любой наносящей повреждения силы податливым элементом (элементами: пружинами, надувными оболочками, эластомерами и т.д.).
В другом аспекте предложено устройство возбуждения, содержащее или включающее в себя:
сцепленные массы, по меньшей мере, частично удерживаемые или направляемые для перемещения в виде сцепленной компоновки на оси, причем одна масса (“вращающаяся масса”) выполнена вращающейся относительно другой массы вокруг оси для циклического изменения аксиальной длины компоновки сцепленных масс,
привод вращения, и
пружину (любого вида), помещенную между приводом вращения и вращающейся массой, выполненную с возможностью передачи крутящего момента от привода вращения на вращающуюся массу, кроме того, меняющую длину под управлением сцепленных масс.
Предпочтительно, привод вращения расположен на пути для передачи возбуждения через пружину от сцепленных масс.
Предпочтительно, сцепленные массы имеют одну массу, соединенную шлицами с удерживающим корпусом, и вращающаяся масса вращается вокруг внутреннего удлиненного элемента, служащего аксиальной направляющей сцепленных масс.
В другом аспекте предложено устройство возбуждения, зависящее от селективного привода вращения через податливую удлиняющуюся/сокращающуюся связь передачи крутящего момента в челночную компоновку возвратно-поступательного перемещения, которая сама меняет общую длину во время челночного перемещения, причем челночная компоновка имеет массу, возвратно-поступательно перемещающуюся аксиально вдоль оси привода вращения, и вращающийся элемент, связанный с помощью связи передачи крутящего момента.
Предпочтительно, при работе в режиме без резонанса вращение элемента, вращающегося под действием передаваемого крутящего момента, создает воздействие кулачковым устройством на невращающуюся массу для изменения общей длины челночной компоновки, и при работе в режиме с резонансом или вблизи резонанса, удлиняющаяся/сокращающаяся связь осуществляет улучшенный контроль в средних положениях челночной компоновки относительно привода вращения.
Предпочтительно, выход возбуждения происходит через связь и привод вращения в корпус (например, через упорный подшипник).
В другом аспекте изобретено применение в корпусе или бурильной колонне массы (не вращающейся относительно корпуса) с шаговым перемещением под воздействием вращающегося кулачкового устройства (вращающегося относительно корпуса), такой как челночная компоновка, выполненная с возможностью:
(I) увеличения и уменьшения длины в осевом направлении при взаимодействии вращающегося кулачкового устройства со следящим устройством массы, и
(II) приема крутящего момента для вращения вращающегося кулачкового устройства от удлиняющейся/сокращающейся связи от ввода вращения.
Предпочтительно, применение обеспечивает возбуждение корпуса в аксиальном направлении (предпочтительно с помощью связи в корпус через ввод вращения).
В другом аспекте изобретен генератор механического усилия, содержащий или включающий в себя:
удлиненный кожух, по меньшей мере, по существу, продольно проходящих внутренних и наружных элементов, причем наружный элемент является трубой;
массу, челнок или поршень (“поршень”) в удлиненном кожухе между внутренними и наружными элементами выполненные с возможностью возвратно-поступательного перемещения в продольном направлении, кроме того, удерживаемые от любого существенного вращения относительно одного или обоих элементов,
вращающийся элемент, выполненный с возможностью создания шагового перемещения с поршнем, но вращающийся относительно него, и как часть поршневой компоновки в кожухе между внутренними и наружными элементами, причем вращение вращающегося элемента обуславливает возвратно-поступательное перемещение поршня относительно вращающегося элемента и, таким образом, с помощью шагового перемещения, изменение длины поршневой компоновки,
привод вращения, и
передачу крутящего момента от привода вращения для вращения вращающегося элемента для обеспечения, по меньшей мере, по существу, продольного относительного перемещения между приводом вращения и вращающимся элементом и образования части пути для возбуждения, обусловленного изменением длины поршневой компоновки и любых возвратно-поступательных перемещений ее средних положений относительно кожуха.
В дополнительном аспекте изобретено устройство возбуждения, выполненное с функциональной возможностью селективного создания скважинного аксиального возбуждения, причем устройство имеет или должно иметь как часть бурильной колонны (либо соединенные бурильные штанги или непрерывная гибкая насосно-компрессорная труба), продольно проходящий кожух с аксиально проходящим корпусом и разнесенным в направлении внутрь аксиально проходящим внутренним элементом (предпочтительно, трубчатым);
причем устройство, отличающееся тем, что наружная труба несет (например, с помощью, по меньшей мере, одного упорного подшипника) селективно вращающуюся компоновку привода вращения (например, любого из видов, упомянутых ниже в данном документе); и
дополнительно, отличающееся тем, что в корпусе, но вокруг внутреннего элемента, располагается аксиально возвратно-поступательно перемещающаяся компоновка, состоящая из следующего:
(I) поршня или челнока, выполненных с возможностью перемещения продольно в корпусе, но не вращаясь относительно него, и
(II) вращающийся элемент, выполненный с кулачковым устройством с возможностью обеспечивать шаговое возвратно-поступательное аксиальное перемещение относительно поршня или челнока или их самих, и, кроме того, перемещаться аксиально с ними, вне зависимости от вращения относительно поршня или челнока;
и, дополнительно, отличающееся тем, что продольно эластичная передача крутящего момента установлена между компоновкой привода вращения и вращающимся элементом, при этом вращение компоновки привода вращения может обеспечивать вращение вращающегося элемента, и указанное приводит к продольному возвратно-поступательному перемещению компоновки аксиального-возвратно-поступательного перемещения.
Предпочтительно, продольное возвратно-поступательное перемещение частично обусловлено аксиальным растяжением и сжатием передачи крутящего момента при работе в ответ на взаимодействия с кулачковым устройством, как следствие шагового перемещения.
В другом аспекте изобретена скважинная компоновка возбуждения для вибрирования полностью или частично как следствие аксиального возвратно-поступательного перемещения массы, включающей в себя челнок или поршень компоновки (“поршневой компоновки”), реагирующей на селективный привод вращения, причем, компоновка содержит или включает в себя:
кожух, по меньшей мере, по существу, аксиально проходящих внутренних и наружных элементов,
массу, челнок или поршень (“поршень”) в кожухе между внутренними и наружными элементами, выполненный с возможностью аксиального возвратно-поступательного перемещения, кроме того, удерживаемый от любого существенного вращения относительно одного или обоих указанных элементов,
связанный вращающийся элемент, выполненный с возможностью создания шагового перемещения, как часть поршневой компоновки в кожухе между внутренними и наружными элементами, причем каждый оборот вращающегося элемента, по меньшей мере, частичный, обуславливает, по меньшей мере, одно возвратно-поступательное перемещение, или несколько возвратно-поступательных перемещений поршня относительно вращающегося элемента и/или поршневой компоновки,
привод вращения, и
передачу крутящего момента от привода вращения для связывания, и для вращения вращающегося элемента, и для обеспечения, по меньшей мере, по существу, продольного относительного перемещения между приводом вращения и вращающимся элементом, причем связь, выполненную в виде подходящей пружины с возможностью попеременного создания возвращающей силы натяжения и сжимающей силы разделения.
Предпочтительно передача настраивается или выполнена с возможностью настройки, обеспечивающей усиление силы при резонансе или вблизи резонанса или без обеспечения такого усиления.
Предпочтительно, вращающийся элемент создает несколько возвратно-поступательных перемещений при каждом обороте на входе.
В другом аспекте изобретен генератор механического усилия, содержащий или включающий в себя:
удлиненный кожух, по меньшей мере, по существу, аксиально проходящих внутренних и наружных элементов,
массу в удлиненном кожухе между внутренними и наружными элементами, выполненную с возможностью аксиального возвратно-поступательного перемещения, кроме того, удерживаемую от любого существенного вращения относительно одного или обоих элементов,
вращающийся элемент, выполненный с возможностью создания шагового перемещения, или иначе сцепленный («создания шагового перемещения») с массой между внутренними и наружными элементами, причем вращающийся элемент выполнен с возможностью при вращении относительно массы изменять аксиальную длину выполненной с возможностью создания шагового перемещения компоновки,
привод вращения, и
пружину передачи крутящего момента (любого вида) от привода вращения для вращения вращающегося элемента для обеспечения, по меньшей мере, по существу, продольного относительного перемещения, между приводом вращения и вращающимся элементом.
Предпочтительно шаговое перемещение массы/вращающегося элемента предусматривает скользящую связь, обеспечивающую их относительное вращение и, кроме того, управление их относительным аксиальным позиционированием, как блока в сборе.
Предпочтительно, пружина действует как связь между приводом вращения и вращающимся элементом.
Если необходимо, при работе в устройстве не происходит ударного воздействия.
Предпочтительно, генератор механического усилия выполнен в бурильной колонне или для нее (например, либо колонны из соединенных бурильных штанг или непрерывной гибкой насосно-компрессорной трубы) для создания аксиального возбуждения.
Предпочтительно наружный элемент является трубой или трубчатым корпусом.
Предпочтительно, внутренний элемент является трубой.
Предпочтительно кожух является, по меньшей мере, по существу, герметичным для создания удлиненного кольцевого пространства, в котором масса, вращающийся элемент, привод вращения и пружина передачи крутящего момента могут совместно работать.
Если необходимо, каждый оборот привода вращения создает одно или несколько возвратно-поступательных перемещений и/или аксиальное возбуждение вращающегося элемента и его выполненной с возможностью создания шагового перемещения массы.
Предпочтительно, вращающийся элемент снабжен выступами криволинейной формы.
Предпочтительно масса имеет шлицевое соединение с наружным элементом.
Предпочтительно как масса, так и вращающийся элемент опираются на вкладыши, подшипники, ползуны или т.п. от внутреннего элемента.
Предпочтительно, привод вращения опирается на подшипник или вкладыш и т.п. от внутреннего элемента.
Предпочтительно, привод вращения опирается на, по меньшей мере, один упорный подшипник от наружного элемента.
Предпочтительно, путь возбуждения проходит от массы/компоновки вращающегося элемента при изменении ее длины и/или возвратно-поступательном перемещении через передачу крутящего момента на привод вращения и через него в наружный элемент.
В другом аспекте изобретен генератор механического усилия, содержащий или включающий в себя:
удлиненный кожух, по меньшей мере, по существу, аксиально проходящих внутренних и наружных элементов,
массу в удлиненном кожухе между внутренними и наружными элементами, выполненную с возможностью аксиального возвратно-поступательного перемещения, кроме того, удерживаемую от любого существенного вращения относительно одного или обоих элементов,
кулачковое устройство вращающегося элемента или иное устройство создания шагового перемещения, или иначе сцепленное («для создания шагового перемещения») с массой между внутренними и наружными элементами, вращающийся элемент выполнен с возможностью при вращении относительно массы создавать при обороте (оборотах) на входе вращающегося элемента несколько импульсов с изменением аксиальной длины, выполненной с возможностью создания шагового перемещения компоновки, т.е. предпочтительно каждый оборот привода вращения создает одно или несколько возвратно-поступательных перемещений и/или аксиальное возбуждение вращающегося элемента и его выполненной с возможностью создания шагового перемещения массы,
привод вращения для прямого или непрямого приведения во вращение вращающегося элемента,
и если необходимо, любое одно, или несколько, или отсутствие следующего:
пружина передачи крутящего момента (любого вида) от привода вращения для вращения вращающегося элемента для обеспечения, по меньшей мере, по существу, продольного относительного перемещения, между приводом вращения и вращающимся элементом.
пружина (любого вида), проходящая от бурильной штанги, гибкой насосно-компрессорной трубы, или т.п. к удлиненному кожуху от одного конца [например, ближнего], и/или
пружина (любого вида), проходящая от бурильной штанги, гибкой насосно-компрессорной трубы, инструмента или т.п. от удлиненного кожуха от другого конца [например, дальнего].
Предпочтительно шаговое перемещение массы/вращающегося элемента предусматривает скользящую связь, обеспечивающую их относительное вращение и, кроме того, управление их относительным аксиальным позиционированием, как блока в сборе.
Предпочтительно на устройство при работе нет ударного воздействия.
Предпочтительно, устройство выполнено в составе бурильной колонны или для нее (например, либо колонны из соединенных бурильных штанг или непрерывной гибкой насосно-компрессорной трубы) для создания аксиального возбуждения.
Предпочтительно наружный элемент является трубой или трубчатым корпусом.
Предпочтительно, внутренний элемент является трубой.
Предпочтительно кожух является, по меньшей мере, по существу, герметичным для создания удлиненного кольцевого пространства, в котором масса, вращающийся элемент и привод вращения (и, если имеется, пружина передачи крутящего момента) могут совместно работать надлежащим образом.
Предпочтительно, вращающийся элемент снабжен выступами криволинейной формы или другим средством, благодаря которому каждый оборот привода вращения создает два или больше циклов (например, возвратно-поступательного перемещения) в качестве аксиального возбуждения.
Предпочтительно масса имеет шлицевое соединение с наружным элементом.
Предпочтительно как масса, так и вращающийся элемент опираются на вкладыши, подшипники, ползуны или т.п. от внутреннего элемента.
Предпочтительно, привод вращения опирается на подшипник или вкладыш и т.п. от внутреннего элемента.
Предпочтительно, привод вращения опирается на, по меньшей мере, один упорный подшипник от наружного элемента.
Предпочтительно, пружина действует как связь между приводом вращения и вращающимся элементом.
Предпочтительно, путь возбуждения проходит от массы/компоновки вращающегося элемента при изменении ее длины и/или возвратно-поступательном перемещении через передачу крутящего момента на привод вращения и через него в наружный элемент.
Предпочтительно, имеется связывающая передача крутящего момента, которая является резонансной пружиной или включает ее в себя.
Если необходимо, связывающая пружина отсутствует, и вращающиеся массы являются, по существу, не податливыми.
Предпочтительно обеспечен проход текучей среды через устройство.
Предпочтительно кольцевое пространство (но не проход текучей среды) может быть заполнено несжимаемой текучей средой.
Предпочтительно, виброизолирующий элемент (пружина/шлицевое устройство/надувная оболочка/или любой другой податливый элемент) расположен выше или ниже для минимизации нежелательной вибрации в направлении либо к устью, или к забою скважины.
Если необходимо, любая вибрация отводится в направлении либо к устью, или к забою скважины, или в обоих направлениях.
Предпочтительно, выходной мощностью/силой на выходе можно управлять, регулируя частоту вращения ведущего вала (либо с помощью подачи текучей среды или другим средством).
Предпочтительно, устройство используется в бурильной колонне.
Предпочтительно, устройство используется в соединении с перепускными клапанами, (либо текучей среды, или газа, и т.д.), которые можно использовать для подсоединения/отсоединения ведущего вала.
Предпочтительно податливый элемент (элементы: пружина и т.д.) используется в компоновке.
Предпочтительно, изобретение является устройством, средством или генератором, описанным выше, при этом устройство можно устанавливать как выше, ниже, так и выше и ниже источника крутящего момента.
Если необходимо, и предпочтительно, устройство, средство или генератор при использовании, или приспособленное для использования, можно применять в одном или нескольких следующих скважинных мероприятий:
- переключение клапанов,
- установка пробок,
- установка фильтров,
- борьба с поступлением песка в фильтрах,
- расфрезеровывание,
- удаление нерастворимого осадка,
- цементирование,
- отбор керна,
- бурение,
- ловильные работы для извлечения прихваченных инструментов,
- работы на стальном тросе.
Предпочтительно, источник крутящего момента имеет два выхода привода вращения что обеспечивает установку вибрационного устройства выше источника крутящего момента и установку некоторых других инструментов (например, бурового долота/фрезера и т.д.) ниже источника крутящего момента.
При использовании в данном документе термин “связь” и его вариации означают просто удержание вместе.
При использовании в данном документе термин “вращающийся” относится в варианте вращающегося элемента только к его способности вращаться относительно массы, с которой он сцепляется или шаговое перемещение которой создает. Должно быть ясно, что как часть бурильной колонны, устройство в целом может являться вращающимся.
При использовании в данном документе термин “поршень” может включать в себя любую массу, циклически перемещающуюся вдоль оси, на которой вращающийся элемент вращается. Термин “поршень” не требует и не исключает любого предполагаемого последовательного сжатия газа.
“Пружина” может являться трубчатой пружиной (например, из скручивающегося в проволочную спираль титана или друг). Пружина может являться унитарным элементом или совместно работающей группой элементов. Пружина может иметь скелетную или не скелетную структуру. Пружина может быть выполнена из синтетического каучука, являться пневматической пружиной или любым другим податливым элементом, отвечающим необходимым требованиям.
Использование в данном документе термина “во множественном числе” означает, что существительное применимо как единственном числе, так и в множественном числе.
При использовании в данном документе термин “и/или” означает “и” или “или”. В некоторых обстоятельствах означает то и другое.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Предпочтительные формы настоящего изобретения описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
На фиг.1 [в разных состояниях выше и ниже центральной осевой линии (“CL”) на фиг.1A и 1B соответственно] показан вариант осуществления устройства настоящего изобретения, на фиг.1A показано состояние максимального возвратно-поступательного смещения массы/поршня при ходе растяжения и на фиг.1B показано состояние максимального смещения массы/поршня при ходе сжатия (например, в положении на 180°).
На фиг.2 показана, в качестве примера, вибрирующая шайба с четырьмя криволинейными рабочими выступами, как подходящая часть вращающегося элемента для действия в качестве кулачковой шайбы с четырьмя криволинейными рабочими выступами или кулачкового следящего устройства (нет принципиальной разницы, если соответствует массе с которой контактирует).
На фиг.3 показано для варианта осуществления, по существу, фиг.1A применяемое при необходимости исполнение с заполнением текучей средой с непрерывным путем бурового раствора во внутренней трубе и указана позицией 'F', применяемая при необходимости окружающая текучая среда, заключенная в герметичный объем, и подшипники внутри наружной трубы.
На фиг.4 показана компоновка головки прямолинейного бурения, включающая в себя устройство, например, фиг.1 или фиг.3.
На фиг.5 показан вариант осуществления изобретения способом, аналогичным фиг.1 (и фиг.1A и 1B), где нет пружины, помещенной между вращающим ведущим валом и вибрирующей шайбой с несколькими криволинейными рабочими выступами для вращения ведущим валом.
На Фиг.6 показан способом, аналогичным фиг.1, вариант осуществления где, кроме того, устройство изобретения является шлицовым устройством, пружиной или тем и другим, соединенным с помощью наружной трубы с бурильной колонной (например, в каждом случае с бурильной штангой, гибкой насосно-компрессорной трубой или т.п.).
На фиг.7 показано приспособление устройства, по существу, фиг.1 (включающего в себя показанное на фиг.1A и на фиг.1B), используемое также для генерирования электроэнергии в скважине.
На фиг.8 показано генерирующее усилие молотковое устройство.
На фиг.9A показан кривой переводник в составе компоновки для головки управляемого бурения.
На фиг.9B показана часть внутреннего устройства кривого переводника [например, уплотнение внецентренного подшипника и гибкий вал или аналогичное устройство передачи крутящего момента между устройством варианта осуществления фиг.1A/1B и гидравлическим забойным двигателем.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.1 (в ее частях 1A и 1B) показана наружная труба или корпус 1 и внутренняя труба 2. Кольцевая окружающая среда изолирована с помощью кольцевых уплотнений круглого сечения или уплотнений 3 и 5 другого типа соответственно между позициями 1 и 2 и позициями 1, 4 и 2.
Челночная компоновка содержит массу, челнок или поршень 8 и вращающийся элемент 10, выполненный с возможностью создания шагового перемещения (также масса). Вкладыши 9 и 11 обеспечивают челночной компоновке (8 и 10) перемещение вдоль оси труб 1 и 2, при этом шлицевое устройство 19 связывает массу, челнок или поршень 8, препятствуя вращению относительно корпуса 1.
Вращение вращающегося элемента 10 происходит от приводного вала или другого ведущего вала 4 (например, вращаемого гидравлическим забойным двигателем приводного вала 4 или по другому, как описано ниже в данном документе). Данный приводной вал 4 скользит на вкладыше 6 и удерживается упорными подшипниками 7 (предпочтительно, совместно работающей парой упорных подшипников) на трубе или корпусе 1. При этом создается путь выпуска энергии возбуждения для создания аксиального возбуждения трубы или корпуса 1.
Ведущий вал 4 соединяется сжимающейся/растягивающейся пружиной 12, выполненной с возможностью передачи крутящего момента от элемента 4 на вращающийся элемент 10.
Как можно видеть, результатом вращения элемента 10 относительно элемента 8, который удерживается от вращения относительно трубы 1 (вне зависимости от того, перемещается или нет труба 1 с бурильной колонной), является создание реактивных сил между массой 8 и массой вращающегося элемента 10, связанного передающим крутящий момент пружинным устройством 12. При этом также изменяется длина узла позиций 8 и 10.
Различные аспекты режима работы возникают в зависимости от соотношения частоты вращения ведущего вала 4 и пружины 12 передачи крутящего момента, при различных состояниях челночной компоновку 8/10, и наоборот. Некоторые состояния должны являться переходными вблизи или в резонансном положении, на которое возможна настройка системы.
Внутренняя и наружная трубы являются невращающимися, или вместе могут вращаться с бурильной колонной.
Приводной вал (например, позиция 4, как ведущий вала) от предпочтительно (но не обязательно) гидравлического забойного двигателя вращает вибрирующую шайбу 13 с помощью пружины 12, которая настроена на конкретную резонансную частоту. Вибрирующая шайба преобразует вращение приводного вала в аксиальное простое гармоническое колебание перемещающегося возвратно-поступательно поршня или массы 8. Если вибрирующая шайба имеет четыре выступа криволинейной формы, перемещающийся возвратно-поступательно поршень 8 совершает четыре хода на каждый оборот ведущего вала 4.
Ускорение и отрицательное ускорение поршня 8 создает аксиальную силу, передаваемую от вращающегося элемента 10 через пружину 12 и аксиальные упорные подшипники 7 в наружную гибкую насосно-компрессорную трубу 1.
Скорость вращения ведущего вала 4 должна удовлетворительно регулироваться для надлежащего управления коэффициентом динамического усиления силы вблизи резонансных условий.
Использование вибрирующей шайбы 13 с несколькими выступами криволинейной формы вращающегося элемента 10 и резонансной пружины 12 обеспечивает получение высоких частот и высоких аксиальных сил вибрации в небольшом пространстве, имеющемся в скважине.
Подавать мощность на вал 4 может гидравлический забойный двигатель, турбомотор, механический привод, электрическое или другое скважинное устройство.
На фиг.2 показан вращающийся элемент 10 в виде втулки, несущей вибрирующую шайбу или многокулачковую шайбу 13 с криволинейными рабочими выступами (показана версия с четырьмя выступами криволинейной формы). Шайба действует во многом аналогично кулачку или кулачковому следящему устройству на кулачковое следящее устройство или кулачок, соответственно, в подходящих не обязательных вариантах применения скользящего контакта. Один такой не обязательный вариант применения показан на фиг.1.
Приводящую в действие многокулачковую вибрирующую шайбу, используемую для сообщения колебаний челноку, можно также заменить кривошипно-шатунным механизмом, или любым другим механическим или гидравлическим соединением (тянущим и толкающим), принимающим вращение ведущего вала (гидравлического забойного двигателя и т.д.) и передающим его в виде аксиального перемещения. Данные аксиальные перемещения, как пульсация, предпочтительно являются многочисленными для каждого оборота на входе.
На фиг.1 показано, что многокулачковая вибрирующая шайба 10 вращается под действием вращения ведущего вала 4, например гидравлического забойного двигателя. На фиг.1A показан вращающий ведущий вал, например, в положении ноль градусов, а на фиг.1B показано, что вал повернут в положение 180 градусов.
Предпочтительно, передача осуществляется с помощью настроенной пружины, вращающейся синхронно с вибрирующей шайбой 10, управляемой подводимой мощностью ведущего вала 4. Данная пружина 12 настроена для работы в показаных пределах растяжения/сжатия.
Также как показано на фиг.1, в качестве схемы циркуляции, может обеспечиваться проход бурового раствора через путь, созданный внутри трубы 2. От трубы 2 не требуется вращения, труба предпочтительно является не вращающейся.
Если необходимо, заполненная текучей средой 'F' конфигурация фиг.3 является аналогичной показанной на Фиг.1. Вместе с тем в данной конфигурации внутренние полости (например, кольцевое пространство 20) могут быть заполнены текучей средой, возможно жидким маслом или т.п., как в некоторых типах устройств компенсации давления. Данное является дополнением к любому показанному проходящему потоку бурового раствора.
Указанное должно содействовать предотвращению проблем с уплотнениями при высоких перепадах давления, когда требуется работа инструмента в глубоких скважинах с высоким гидростатическим давлением.
На фиг.4 показана бурильная труба 21 (которая может обеспечивать вращение всей компоновки при соответствующем управлении операциями, обеспечивая продвижение бурового долота в бурящийся пласт), пружина или шлицевое устройство 22 (или то и другое), гидравлический забойный двигатель или аналогичный двигатель 23, механический силовой вибратор 24 или генератор колебаний, по существу, любого описанного в данном документе типа, и буровое долото или керновое буровое долото 25. В данной конфигурации добавление податливого элемента 22 обеспечивает всей компоновке колебания вперед и назад, позволяя использовать устройство в качестве ударного молота для бурового долота или колонкового устройства 25, при этом (в некоторой степени) защищая внутренние устройства от ударных нагрузок ближе к устью скважины или любые устройства над пружиной или шлицевым устройством.
Устройство фиг.5 является аналогичным показанному на Фиг.1. Вместе с тем в данной конфигурации отсутствует податливый элемент 12 между вибрирующей шайбой 10 и вращающим ведущим валом 4. Данное устройство можно использовать там, где адекватную аксиальную силу можно генерировать без необходимости создания в инструменте резонансных условий.
На фиг.6 показано устройство аналогичное показанному на фиг.1, где как вблизи, так и удаленно имеется шлицевое устройство, пружина 27, 28 или то и другое, стыкующиеся с наружным корпусом. В некоторых ситуациях пружину/шлицевое устройство (или то и другое) можно использовать как выше, так и ниже инструмента (или в обоих местах) для изоляции любых нежелательных ударов, могущих повредить чувствительное оборудование. Данная конфигурация может быть полезна при использовании инструмента в качестве источника сейсмических колебаний.
Хотя устройство фиг.6 является, по существу, аналогичным показанному на фиг.1, также оно может являться устройством без связывающей пружины 12 (например, показанным на фиг.5).
Показана, например, бурильная штанга, гибкая насосно-компрессорная труба, или т.п., позиция 26, осуществляющие привод с помощью шлицевого устройства, пружины и т.д., позиция 27, на корпус или наружную гибкую насосно-компрессорную трубу. Аналогично здесь может располагаться шлицевое устройство, пружина или т.п., позиция 28, соединенная с более удаленной штангой, гибкой трубой, инструментом или т.п., позиция 29.
Устройство фиг.7 является аналогичным показанному на фиг.1. Вместе с тем магниты 30 (предпочтительно, из редкоземельных металлов) устанавливаются на возвратно-поступательном поршне и электрические обмотки 31 устанавливаются смежно с данными магнитами - так что при колебаниях поршня может генерироваться электрическая энергия. Данное устройство может быть весьма полезным для электропитания любого числа скважинных инструментов. Конечно, положение магнитов и обмоток можно изменять на любую конфигурацию, решающую данную задачу.
Устройство на фиг.8 является аналогичным показанному на фиг.1. Вместе с тем данное устройство имеет податливый элемент 32 (пружину и т.д.) между вибрирующей шайбой 34 и совершающим колебания поршнем или массой 33 поршня, наносящей удар по буровому долоту 35 (или другому элементу, например, бурильной штанге и т.д.), которое соединяется шлицевым устройством 37 с наружным корпусом 36 (и вращается наружным корпусом с помощью бурильных штанг с поверхности), генерирующим действие молота.
Показана также внутренняя труба 38 и вращающий ведущий вал 39 (например, от гидравлического забойного двигателя).
В данном варианте применения податливый элемент (пружина) защищает вибрирующую шайбу, подшипники и т.д. от повреждающих ударных волн. Конечно податливый элемент (пружину и т.д.) можно устанавливать в любом месте в системе, подходящем для уменьшения повреждающих ударных волн.
Направлением движения устройства данного типа также можно управлять способом, аналогичным показанному на фиг.6 или 9A/9B.
Устройство, показанное на фиг.9A/9B является аналогичным показанному на фиг.6. Вместе с тем, здесь добавлен кривой переводник 43 между гидравлическим забойным двигателем 40 или его аналогом и генератором 41 механического усилия. Кривой переводник 43 обеспечивает прямолинейное бурение с помощью всей компоновки вращающейся с поверхности (буровой установкой) в то время, как вибратор 41 передает вибрации на буровое долото 42, помогая осуществлению проходки в бурении, при этом с несколько увеличенным диаметром ствола (благодаря кривому переводнику).
Когда компоновке требуется придать новое направление, буровое долото нацеливают в нужном направлении без вращения наружного корпуса. Вместе с тем вращающий ведущий вал, который вращает вибрирующую шайбу в механическом вибраторе, также продолжает работу через центр инструмента и создает вращение бурового долота (и подачу текучей среды к буровому долоту), а вибратор передает вибрации на буровое долото, таким образом обеспечивая управляемое продвижение управляемой бурильной компоновки через пласт.
Управлять направлением бурения также можно с помощью кривого переводника, но с помощью вибратора, выполненного с возможностью работы, как ударный молот, как показано на фиг.8.