Автономная модификация частоты вращения участка бурильной колонны

Группа изобретений относится к системам бурения в земной коре. Технический результат – стабильная скорость вращения каждого из участков бурильной колонны. Способ эксплуатации бурильной колонны включает автономную модификацию частоты вращения размещенного в скважине участка бурильной колонны относительно других размещенных в скважине участков бурильной колонны, причем каждый из указанных участков содержит множество секций бурильных труб. Участок бурильной колонны, имеющий измененную частоту вращения, может представлять собой нижний участок бурильной колонны, расположенный между концом бурильной колонны, находящимся на забое, и изогнутым участком скважины, в которой находится бурильная колонна. Указанный нижний участок бурильной колонны может иметь повышенную частоту вращения относительно частоты вращения участка бурильной колонны, расположенного в пределах изогнутого участка скважины. Автономная модификация частоты вращения может быть реализована посредством присоединения к бурильной колонне одного или более устройств переключения передач, причем указанное устройство переключения передач выполнено с возможностью переключения между режимом расцепления, в котором указанное устройство обеспечивает передачу крутящего момента и вращения бурильной колонны без изменения, и режимом сцепления, в котором указанное устройство обеспечивает передачу крутящего момента и вращения по всей длине бурильной колонны с измененной частотой вращения и крутящим моментом. Селективное переключение устройств переключения передач, находящихся в скважине, может осуществляться с поверхности земли. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящая заявка, в общем, относится к системам бурения в земной коре. Данная заявка дополнительно относится к устройствам, предназначенным для размещения в бурильной колонне, бурильным колоннам, буровым установкам и способам бурения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Бурение скважин для добычи углеводородов (нефти и газа), а также для других целей обычно осуществляют с использованием бурильной колонны, содержащей множество соединенных между собой трубчатых элементов (которые называют секциями бурильной трубы), содержащих бурильную компоновку, которая содержит буровое долото, закрепленное на нижнем конце колонны. Буровое долото приводится во вращение для срезания или измельчения горной породы в процессе бурения скважины. Бурильная колонна часто содержит инструменты или другие устройства, которые в процессе функционирования размещаются в скважине и, соответственно, во время бурения включаются и выключаются дистанционно. Такие инструменты и устройства содержат, например, расширители, стабилизаторы, отклоняющие инструменты, предназначенные для управления ориентацией долота, и устройства для испытания пластов.

Вращение бурильной колонны часто осуществляется с использованием привода посредством приложения наземным оборудованием крутящего момента и вращения, так чтобы стенка трубчатой бурильной колонны (также называется в настоящем документе бурильной трубой) вращалась с общей частотой вращения. Хотя для некоторых участков бурильной колонны часто требуется сравнительно высокая частота вращения (например, рядом с буровым долотом для перемешивания шлама для повышения эффективности удаления шлама), конструкционные характеристики других участков бурильной колонны часто ограничивают частоту вращения, при которой бурильная колонна может безопасно эксплуатироваться.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Некоторые варианты реализации изобретения проиллюстрированы примерами, не имеющими ограничительного характера, которые представлены на прилагаемых графических материалах.

Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид в вертикальном разрезе буровой установки в соответствии с вариантом реализации изобретения, содержащей бурильную колонну, имеющую пару устройств переключения передач в соответствии с вариантом реализации изобретения, причем указанные устройства переключения передач имеют противоположную ориентацию для осуществления селективного вращения промежуточного участка бурильной колонны с пониженной частотой вращения.

Фиг. 2A-2B иллюстрируют соответствующие виды в продольном разрезе по линии A-A, указанной на фиг. 3, устройства переключения передач в соответствии с вариантом реализации изобретения, причем устройство переключения передач, проиллюстрированное на фиг. 2А, находится в режиме расцепления, а устройство переключения передач, проиллюстрированное на фиг. 2В, находится в режиме сцепления.

Фиг. 3 иллюстрирует схематический вид в разрезе по линии B-B варианта реализации устройства переключения передач, проиллюстрированного на фиг. 2A.

Фиг. 4 иллюстрирует другой схематический вид в разрезе по линии C-C варианта реализации устройства переключения передач, проиллюстрированного на фиг. 2A.

Фиг. 5 иллюстрирует вид в продольном разрезе по линии D-D, указанной на фиг. 4, устройства переключения передач в соответствии с вариантом реализации изобретения, проиллюстрированным на фиг. 1-4.

Фиг. 6 иллюстрирует схематический вид в вертикальном разрезе буровой системы в соответствии с другим вариантом реализации изобретения, содержащей бурильную колонну, имеющую ряд одинаково ориентированных устройств переключения передач, которые распределены с интервалами по длине бурильной колонны для осуществления селективного вращения компонентов бурильной колонны, размещенных под изогнутым участком скважины, с более низкой частотой вращения, чем частота вращения компонентов бурильной колонны, размещенных на изогнутом участке и по скважине выше изогнутого участка скважины.

Фиг. 7 иллюстрирует вид, соответствующий фиг. 6, на котором бурильная колонна перемещена далее в направлении низа скважины по сравнению с видом, указанным на фиг. 6.

Фиг. 8 иллюстрирует схематический вид в вертикальном разрезе буровой системы в соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения, содержащей пару устройств переключения передач, которые установлены в бурильной колонне по скважине выше компоновки низа бурильной колонны, содержащей буровое долото.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В представленном далее подробном описании изобретения рассмотрены варианты реализации изобретения со ссылкой на прилагаемые фигуры, иллюстрирующие различные детали вариантов реализации, указывающие возможные примеры осуществления изобретения. В данном описании представлены различные примеры новых способов, систем и устройств со ссылкой на указанные фигуры, и содержится информация относительно проиллюстрированных вариантов реализации изобретения достаточно подробная, чтобы специалисты в данной области техники могли осуществить раскрытый предмет изобретения. Для осуществления указанных способов могут использоваться различные варианты реализации изобретения, отличающихся от описанных в настоящем документе иллюстративных примеров. В варианты реализации изобретения, описанные в настоящем документе, могут быть внесены конструктивные и функциональные изменения без выхода за пределы объема изобретения.

В настоящем описании ссылки на «один из вариантов» или «вариант» либо «один из примеров» или «пример» не обязательно касаются одного варианта или примера реализации; однако указанные варианты реализации не являются также взаимоисключающими, если это явно не указано или очевидно для специалистов в данной области техники, использующих настоящее описание изобретения. Таким образом, могут быть использованы различные комбинации и (или) сочетания описанных в настоящем документе вариантов и примеров реализации изобретения, а также дополнительные варианты и примеры, определенные в пределах объема формулы изобретения, а также всех юридически значимых эквивалентов указанной формулы изобретения.

Один аспект настоящего изобретения касается способа, включающего автономную модификацию частоты вращения участка бурильной колонны, размещенного в скважине, относительно частоты вращения других участков бурильной колонны, размещенных в скважине, причем каждый из указанных участков содержит множество секций бурильных труб. Автономная модификация частоты вращения означает, что изменение частоты вращения применяется ко всей бурильной колонне (например, посредством изменения частоты, с которой бурильная колонна вращается наземным оборудованием), но изменение частоты вращения участка бурильной колонны, размещенного в скважине, осуществляется отдельно от общего изменения частоты вращения бурильной колонны.

В некоторых вариантах реализации изобретения участок бурильной колонны, имеющий измененную частоту вращения, представляет собой нижний участок бурильной колонны, расположенный между нижним концом бурильной колонны и переходной точкой, удаленной от обоих концов бурильной колонны. Указанный нижний участок может вращаться с повышенной частотой вращения относительно частоты вращения верхнего участка бурильной колонны, расположенного по скважине выше переходной точки. В одном из вариантов реализации изобретения переходная точка расположена в месте размещения нижнего конца изогнутого участка скважины или рядом с указанным нижним концом, так чтобы по меньшей мере часть верхнего участка бурильной колонны являлась изогнутой, а нижний участок мог быть, по существу, прямолинейным. В таких случаях сравнительно высокая частота вращения нижнего участка может способствовать повышению эффективности бурения и перемешивания бурового раствора в скважине для удаления шлама. Сравнительно низкая частота вращения верхнего участка бурильной колонны обеспечивает уменьшение износа бурильной колонны вследствие снижения нагрузки, обусловленной вращением в изогнутом состоянии.

В других случаях участок, имеющий пониженную частоту вращения, может представлять собой промежуточный участок бурильной колонны, и в этом случае автономная модификация частоты вращения промежуточного участка обеспечивает вращение промежуточного участка с частотой вращения, отличающейся от частоты вращения смежных участков бурильной колонны, расположенных на противоположных концах промежуточного участка, при этом указанные смежные участки могут иметь одинаковую частоту вращения. В одном из вариантов реализации изобретения промежуточный участок может представлять собой изогнутый участок бурильной колонны, и в этом случае промежуточный участок может иметь пониженную частоту вращения относительно частоты вращения участков бурильной колонны, расположенных по скважине выше изогнутого участка и по скважине ниже указанного участка. В других вариантах реализации изобретения промежуточный участок может иметь повышенную частоту вращения относительно частоты вращения участков бурильной колонны, расположенных на противоположных концах промежуточного участка.

Другой аспект настоящего изобретения касается устройства переключения передач, выполненного с возможностью размещения в бурильной колонне для передачи крутящего момента и вращения стенки трубчатой бурильной колонны смежным участкам бурильной колонны, причем устройство переключения передач выполнено с возможностью переключения между режимом расцепления, в котором указанное устройство обеспечивает передачу крутящего момента и вращения бурильной колонны без изменения, и режимом сцепления, в котором устройство переключения передач обеспечивает передачу крутящего момента и вращения бурильной колонны с выходной частотой вращения, измененной относительно входной частоты вращения устройства переключения передач.

Устройство переключения передач может содержать передаточный механизм, который соединяет входной элемент и выходной элемент с возможностью передачи приводного усилия и обеспечивает селективное изменение частоты вращения. Передаточный механизм может содержать планетарную передачу. В таких случаях указанное устройство может быть выполнено с возможностью переключения в режим сцепления посредством вращательного сцепления коронной шестерни планетарного механизма со стенкой скважины и одновременного обеспечения возможности вращения солнечной шестерни и несущего вала планетарной передачи относительно коронной шестерни. Анкерный механизм, предназначенный для вращательного сцепления коронной шестерни со стенкой скважины, может быть выполнен с учетом сохранения возможности продольного перемещения указанного устройства по направлению к устью и низу скважины, когда устройство находится в режиме сцепления. Таким образом, указанное устройство может быть выполнено с возможностью продольного перемещения в скважине, когда вращение коронной шестерни относительно стенки скважины застопорено. Указанное устройство может быть дополнительно выполнено с возможностью переключения в режим расцепления посредством высвобождения от вращательного сцепления коронной шестерни со стенкой скважины и посредством вращательного закрепления по меньшей мере солнечной шестерни или несущего вала планетарной передачи к коронной шестерне. Указанное устройство может дополнительно содержать переключающий элемент, выполненный с возможностью перемещения под воздействием привода в положение сцепления, в котором указанный элемент осуществляет (a) вращательного сцепления коронной шестерни со стенкой скважины и (b) высвобождение от вращательного сцепления по меньшей мере солнечной шестерни или несущего вала планетарной передачи относительно коронной шестерни.

Другой аспект настоящего изобретения касается бурильной колонны, содержащей множество установленных в бурильную колонну устройств переключения передач. В одном из вариантов реализации изобретения по меньшей мере два устройства переключения передач распределены с интервалами по длине бурильной колонны и ограничивают расположенный между ними промежуточный участок, длина которого в продольном направлении составляет по меньшей мере несколько секций бурильной колонны.

Дополнительный аспект настоящего изобретения касается способа бурения, включающего присоединение к бурильной колонне двух или более устройств переключения передач и переключение по меньшей мере одного устройства переключения передач между режимом сцепления и режимом расцепления, когда устройство переключения передач располагается на нижнем участке скважины, в которой находится бурильная колонна.

Указанный способ может дополнительно включать установку двух или более устройств переключения передач в соответствующие режимы сцепления, так чтобы изогнутый участок бурильной колонны вращался с более низкой частотой вращения, чем, по существу, прямолинейный участок бурильной колонны. В одном из вариантов реализации изобретения указанный способ включает: присоединение к бурильной колонне ряда размещенных с интервалом в продольном направлении устройств переключения передач, причем каждое устройство переключения передач выполнено с возможностью получения повышенной частоты вращения бурильной колонны на выходе устройства; и переключение конкретного устройства переключения передач из режима расцепления в режим сцепления, когда конкретное устройство переключения передач располагается ниже участка скважины, требующего ограничения частоты вращения, так чтобы компоненты бурильной колонны, размещенные выше указанного конкретного устройства переключения передач (в том числе участки бурильной колонны, расположенные на участке, требующем ограничения частоты вращения), имели пониженную частоту вращения относительно компонентов бурильной колонны, расположенных ниже указанного конкретного устройства переключения передач. В одном из вариантов реализации изобретения участок скважины, требующий ограничения частоты вращения, представляет собой изогнутый, наклонный или искривленный участок скважины, и в этом случае селективное сцепление и расцепление ряда устройств переключения передач может использоваться для согласованного вращения участков бурильной колонны на изогнутом участке со сравнительно низкой частотой вращения и вращения участков бурильной колонны, расположенных ниже искривленного участка (например, охватывающих, по существу, прямолинейный участок скважины), со сравнительно высокой частотой вращения.

Устройства переключения передач могут представлять собой подобные или идентичные модульные блоки, выполненные с возможностью размещения в любом месте бурильной колонны и имеющие элементы соединения, совместимые с секциями бурильных труб, составляющими бурильную колонну, так чтобы множество устройств переключения передач образовывало модульный комплект, обеспечивающий динамическую адаптацию характеристик вращения различных участков бурильной колонны по длине колонны.

Далее представлено описание варианта реализации устройства переключения передач, бурильной колонны, содержащей устройство переключения передач, и способа бурения с использованием устройства переключения передач со ссылкой на фиг. 1, на котором позиция 100, в общем, указывает буровую установку, содержащую буровую систему 102 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Буровая установка 100 содержит подземную скважину 104, в которой находится бурильная колонна 108. Бурильная колонна 108 может содержать свинченные секции бурильной колонны, подвешенные на буровой вышке 112, установленной над устьем скважины, которые соединены между собой для передачи крутящего момента и вращения от вышки 112 к буровому долоту 116. Большая часть бурильной колонны 108 может состоять из секций 109 бурильных труб, каждая из которых содержит в данном варианте реализации отрезок бурильной трубы, имеющий цельную конструкцию и стандартную длину (далее называется в настоящем документе секцией бурильной колонны). Забойная компоновка или компоновка 151 низа бурильной колонны (КНБК), находящаяся на нижнем конце бурильной колонны 108, может содержать буровое долото 116, предназначенное для измельчения породы и определения направления бурения скважины 104, и может содержать один или более узлов расширителей, расположенных над буровым долотом 116 и предназначенных для расширения скважины 104 посредством селективного применения режущих элементов. Узел 120 измерения и управления может быть включен в КНБК 151, которая содержит также измерительные приборы, предназначенные для измерения параметров скважины, производительности бурения и аналогичных параметров.

Таким образом, скважина 104 представляет собой удлиненную полость, по существу, имеющую цилиндрическую форму и, по существу, круговой контур в поперечном сечении, который остается более или менее неизменным по длине скважины 104. Скважина 104 может быть в некоторых случаях прямолинейной, но часто может содержать один или более изогнутых, криволинейных, искривленных или наклонных участков по длине скважины. В варианте, проиллюстрированном на фиг. 1, скважина 104 содержит изогнутый участок 105. При использовании со ссылкой на скважину 104 и ее компоненты термин «ось» скважины 104 (и, следовательно, главная ось бурильной колонны 108 или ее участки) означает продольную центральную линию цилиндрической скважины 104 (соответствующую, например, продольной оси 248 на фиг. 2).

Таким образом, «осевое» или «продольное» направление означает направление вдоль линии, по существу, параллельной продольному направлению скважины 104 в соответствующей точке или на рассматриваемом участке скважины 104; «радиальное» направление означает направление, по существу, вдоль линии, пересекающей ось скважины и расположенной в плоскости, перпендикулярной оси скважины; «поперечное» направление означает направление, по существу, вдоль линии, не пересекающей ось скважины и расположенной в плоскости, перпендикулярной оси скважины; и «тангенциальная» или «касательная» траектория означает, по существу, дуговую или круговую траекторию, описываемую при вращении поперечного вектора вокруг оси скважины. Термин «вращение» и его производные означают не только непрерывное или повторяющееся вращение на 360° или больший угол, но также охватывают угловое или круговое перемещение на угол менее 360°.

При использовании в настоящем документе движение или положение «вперед» или «по скважине ниже» (и связанные с ними термины) означают продольное перемещение или относительное положение на осевой линии по направлению от поверхности земли к буровому долоту 116. И наоборот, выражения «назад», «в обратном направлении» или «по скважине выше» означают перемещение в продольном направлении или относительное положение на осевой линии вдоль скважины 104 по направлению от бурового долота 116 к поверхности земли. Следует отметить, что на фиг. 2 и 5 направление вниз по стволу скважины для бурильной колонны 108 соответствует направлению слева-направо.

Промывочная жидкость (например, «буровой раствор» или другие жидкости, которые могут быть в скважине) подается из емкости для промывочной жидкости, например, амбара для хранения жидкости, расположенного на поверхности земли (и соединенного с устьем скважины), насосной системой 132, которая прокачивает промывочную жидкость вниз по внутреннему каналу 128, образованному внутренней полостью бурильной колонны 108, так что промывочная жидкость под сравнительно высоким давлением выходит через буровое долото 116. После выхода из бурильной колонны 108 промывочная жидкость поступает в обратном направлении вверх по скважине 104 в затрубном пространстве 134 скважины, образованном между бурильной колонной 108 и стенкой скважины 104. Хотя с системой 102 могут быть связаны различные другие затрубные пространства, ссылки на давление в затрубном пространстве, кольцевой зазор и аналогичные параметры касаются характеристик затрубного пространства 134 скважины, если не указано иное или если контекст явно не указывает иное.

Следует отметить, что промывочная жидкость прокачивается вдоль внутренней стенки (то есть по каналу 128) бурильной колонны 108, причем расход жидкости, протекающей по каналу 128, ограничивается у бурового долота 116. Далее промывочная жидкость поступает вверх по затрубному пространству 134, унося шлам из забоя скважины 104 к устью скважины, где шлам удаляется, и промывочная жидкость может быть возвращена в емкость для промывочной жидкости, являющуюся составной частью насосной системы 132. Следовательно, давление жидкости в канале 128 выше давления жидкости в затрубном пространстве 134. Если контекст не указывает иное, термин «перепад давления» означает разность между общим давлением жидкости в канале 128 и давлением в затрубном пространстве 134.

В некоторых случаях буровое долото 116 приводится во вращение в результате вращения бурильной колонны 108 оборудованием буровой вышки 112. Передача крутящего момента и вращения буровой колонны осуществляется при помощи стенки составной трубчатой конструкции, которая также называется в настоящем документе стенкой 217 бурильной трубы (см. фиг. 2A и 2B), представленной соответствующими стенками трубчатых секций 109 бурильных труб, составляющих бурильную колонну 108. Указанное вращение бурильной колонны (в результате которого вращается составная бурильная труба, образованная бурильной колонной 108) следует отличать от вращения относительно стенки 217 бурильной трубы в результате действия привода компонентов бурильной колонны, например, вращения в результате действия привода бурового долота 116 или вращения приводной передачи бурового долота от забойного двигателя, который может входить в состав бурильной колонны 108. В данном варианте реализации изобретения буровое долото 116 может приводить во вращение забойный двигатель (такой как, например, так называемый гидравлический забойный двигатель или турбинный забойный двигатель), установленный в бурильной колонне 108 и в этом случае входящий в состав КНБК 151. В этом варианте реализации изобретения участки бурильной колонны 108, размещенные по скважине выше гидравлического забойного двигателя, предусмотренного в КНБК 151, приводятся во вращение наземным оборудованием, которое прикладывает крутящий момент и приводит во вращение самую верхнюю секцию 109 бурильной трубы, размещенную вблизи буровой вышки 112.

Система 102 может содержать систему 140 управления, расположенную на поверхности и предназначенную для приема сигналов от скважинных датчиков и телеметрического оборудования, причем указанные датчики и телеметрическое оборудование установлены в бурильной колонне 108, например, входят в состав узла 120 измерения и управления. Система 140 управления, расположенная на поверхности, может осуществлять отображение на дисплее или мониторе параметров бурения и другой информации, которая используется оператором для управления операциями бурения. Некоторые буровые установки могут быть частично или полностью автоматизированными, поэтому операции управления бурением могут выполняться в ручном, полуавтоматическом или автоматическом режиме. Система 140 управления, расположенная на поверхности, может содержать компьютерную систему, имеющую один или более процессоров для обработки данных и устройств запоминания данных. Система 140 управления, расположенная на поверхности, может обрабатывать данные, касающиеся операций бурения, данные, полученные от датчиков и устройств, расположенных на поверхности, данные, полученные из нижней части скважины, и может осуществлять управление одной или более операциями скважинных устройств и (или) устройств, расположенных на поверхности.

Обмен данными измерений и управления между системой 140 управления, расположенной на поверхности, и скважинными компонентами (например, узлом 120 измерения и управления и (или) устройствами управления соответствующих скважинных устройств, установленных в бурильной колонне 108) может осуществляться с использованием различных известных способов передачи данных, касающихся бурильной колонны, или их комбинаций. Таким образом, дистанционное управление размещением, включением или переключением режимов скважинных устройств может быть реализовано, среди прочего, при помощи управляющих сигналов, содержащих акустические сигналы, электромагнитные сигналы или гидравлические импульсы, передаваемые промывочной жидкостью, находящейся во внутреннем канале 128, при помощи акустических сигналов, передаваемых с использованием продольных или поперечных волн, распространяющихся в стенке 217 составной бурильной трубы, электрических сигналов, передаваемых по проводнику, предусмотренному в бурильной колонне и проходящему по колонне, и (или) электромагнитных сигналов, переданных по меньшей мере частично по геологическим пластам, в которых проходит скважина 104. Следует отметить, что указанные выше примеры способов передачи данных не являются исчерпывающими, и для управления функционированием компонентов бурильной колонны, например, переключения устройств переключения передач, как описано в настоящем документе, между режимами сцепления и расцепления, могут использоваться любые приемлемые механизмы передачи данных.

Система 102 дополнительно содержит устройства переключения передач, представленные в виде зубчатых механизмов 160, которые установлены в бурильную колонну и выполнены с возможностью селективного приведения в действие для изменения частоты вращения бурильной колонны, осуществляемого при помощи указанных устройств, и обратно пропорционального изменения крутящего момента бурильной колонны, передаваемого при помощи указанных устройств. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 1, зубчатые механизмы 160 содержат пару устройств переключения передач, представленную в виде верхнего зубчатого механизма 160a и нижнего зубчатого механизма 160b. Каждый зубчатый механизм 160 установлен соосно в бурильную колонну 108 для передачи крутящего момента и вращения бурильной колонны от соответствующей непосредственно примыкающей верхней секции 109 бурильной трубы к непосредственно примыкающей нижней секции 109 бурильной трубы. Следует отметить, что зубчатые механизмы 160 не обязательно должны быть соединены с секциями 109 бурильных труб, однако конкретный зубчатый механизм 160 в других вариантах реализации изобретения может быть с возможностью передачи приводного усилия соединен с любой другой секцией бурильной колонны и выполнен с возможностью получения или передачи крутящего момента или вращения бурильной колонны.

Верхний зубчатый механизм 160a и нижний зубчатый механизм 160b распределены с интервалами по длине бурильной колонны 108, ограничивая размещенный между ними промежуточный участок 163, состоящий по меньшей мере частично из множества секций бурильной колонны. В данном варианте реализации изобретения промежуточный участок 163 содержит множество секций 109 бурильных труб, и может, таким образом, представлять собой множество секций бурильных труб, проходящих в продольном направлении. Следует отметить, что в данном варианте реализации изобретения каждый зубчатый механизм 160 имеет меньшую длину, чем стандартная секция бурильной трубы. В других вариантах реализации изобретения длина устройств переключения передач, подобных или аналогичных зубчатым механизмам 160, может быть равной соответствующей стандартной длине секции бурильной трубы. Следует также отметить, что в настоящем документе термин «секция бурильной колонны» означает съемный элемент (составной или цельной конструкции), который является частью бурильной колонны 108 и передает крутящий момент и вращение бурильной колонны от одного конца колонны к другому концу колонны. Таким образом, в соответствии с терминологией настоящего описания изобретения каждый зубчатый механизм 160 представляет собой секцию бурильной колонны. Как указано ранее, секции бурильной колонны, составляющие промежуточный участок 163, могут, таким образом, включать не только цельные секции 109 бурильных труб, но также, например, один или более инструментов бурильной колонны, блоков управления телеметрическим оборудованием и (или) дополнительных зубчатых механизмов 160.

Далее со ссылкой на фиг. 2-5 представлено описание конструкции и функционирования зубчатых механизмов 160, осуществляющих функции селективного изменения частоты вращения. Каждый зубчатый механизм 160 выполнен с возможностью селективного переключения между режимом сцепления, в котором указанный механизм обеспечивает получение измененной частоты вращения бурильной колонны на выходе указанного механизма, и режимом расцепления, в котором указанный механизм без изменения передает крутящий момент и вращение от одного конца зубчатого механизма к другому. Фиг. 2A иллюстрирует вариант реализации зубчатого механизма 160a в режиме расцепления, а фиг. 2B иллюстрирует вариант реализации зубчатого механизма 160a в режиме сцепления.

Зубчатый механизм 160a содержит вращающийся входной элемент и вращающийся выходной элемент, представленные в виде пары соосных пустотелых приводных валов, расположенных встык. В данном варианте реализации изобретения указанные приводные валы содержат вал 202 солнечной шестерни и несущий вал 205 планетарной передачи (названный так по причинам, которые будут очевидными из последующего описания). Каждый из приводных валов 202, 205 имеет, в общем, трубчатую форму, и образует проточный канал 207, проходящий насквозь вдоль общей продольной оси. Когда зубчатый механизм 160a установлен в бурильную колонну 108, каждый проточный канал 207 соответствующих приводных валов 202, 205 образует часть внутреннего канала 128 бурильной колонны 108 вдоль ее длины. Проточные каналы 207 имеют одинаковый внутренний диаметр и гидравлически соединены встык. Таким образом, проточные каналы 207 совместно образуют составной непрерывный проточный канал, проходящий сквозь зубчатый механизм 160a, который является, по существу, свободным и имеет одинаковый профиль в поперечном сечении по всей длине. Следует отметить, что в других вариантах реализации изобретения аналогичные зубчатые механизмы могут образовывать непрерывный составной проточный канал, профиль которого в поперечном сечении изменяется по длине проточного канала.

На наружном конце каждого приводного вала 202, 205 (то есть, конце, удаленном от другого приводного вала 205, 202) предусмотрен элемент 209 соединения. В процессе эксплуатации каждый элемент 209 соединения обеспечивает соединение приводных валов 202, 205 со смежной секцией 109 бурильной трубы (или в других вариантах реализации изобретения - со смежной секцией бурильной колонны) для образования соединения, через которое может передаваться крутящий момент и вращение бурильной колонны. Следует отметить, что на фиг. 2A и 2B отдельно проиллюстрирован зубчатый механизм 160a, который, таким образом, обеспечивает возможность присоединения смежных верхней и нижней секций 109 бурильных труб к валу 202 солнечной шестерни и несущему валу 205 планетарной передачи, соответственно.

В данном варианте реализации изобретения элемент 209 соединения предусматривает применение резьбового муфтового соединения, в котором один элемент 209 соединения ввинчивается по принципу соединения муфта-ниппель в ответный элемент 209 соединения. Элемент 209 соединения зубчатого механизма 160a содержит пару сопряженных элементов 209 соединения (например, элементов с наружной и внутренней резьбой) для обеспечения совместимости и разъемного соосного размещения зубчатого механизма 160a в бурильную колонну 108. Возможность сопряжения элементов 209 соединения позволяет также выполнить стыковое соединение двух или более зубчатых механизмов 160, если для изменения частоты вращения требуется большее передаточное число, чем передаточное число, обеспечиваемое одним зубчатым механизмом 160. Кроме того, предполагается, что вращение приводных валов 202, 205 осуществляется по часовой стрелке при рассмотрении в направлении забоя скважины. Предполагается, что данное согласованное направление вращения сохраняется независимо от того, что зубчатый механизм 160 осуществляет повышение частоты вращения, снижение частоты вращения, находится в режиме сцепления или в режиме расцепления.

Как видно из представленного далее описания, один из приводных валов 202, 205 в процессе эксплуатации служит в качестве входного элемента или входного вала, а второй приводной вал 202, 205 служит в качестве выходного элемента или выходного вала. Выполнение зубчатым механизмом 160 функции повышающей передачи (предназначенной для увеличения частоты вращения) или понижающей передачи (предназначенной для уменьшения частоты вращения) определяется тем, какой из валов функционирует в качестве входного вала: вал 202 солнечной шестерни или несущий вал 205 планетарной передачи. Поскольку крутящий момент и вращение бурильной колонны обычно передаются по направлению к забою скважины, а создаются на буровой вышке 112, приводной вал 202, 205, размещенный на верхнем конце конкретного зубчатого механизма 160, обычно функционирует в качестве входного вала. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 1, зубчатые механизмы пары зубчатых механизмов 160 являются, по существу, подобными, но имеют противоположную ориентацию. Верхний зубчатый механизм 160a ориентирован с учетом выполнения функции понижающей (частоту вращения) передачи, а нижний зубчатый механизм 160b ориентирован с учетом выполнения функции передачи, повышающей частоту вращения бурильной колонны. Фиг. 2 иллюстрирует верхний зубчатый механизм 160a в рабочей ориентации понижающей передачи с валом 202 солнечной шестерни, расположенным на верхнем конце. В некоторых вариантах реализации изобретения зубчатые механизмы 160 могут быть реверсивными, так чтобы конкретный зубчатый механизм 160 мог использоваться в качестве повышающей или понижающей передачи в зависимости от выбора на месте ориентации, в которой он устанавливается в бурильной колонне 108.

Однако в данном варианте реализации изобретения каждый зубчатый механизм 160 выполнен с возможностью осуществления функции понижающей или повышающей передачи в зависимости от конструкции элементов 209 соединения. Например, верхний зубчатый механизм 160a выполнен с возможностью осуществления функции понижающей передачи, поскольку элемент 209 соединения на валу 202 солнечной шестерни имеет внутреннюю резьбу, а ответный элемент 209 соединения на несущем валу 205 планетарной передачи имеет наружную резьбу. Нижний зубчатый механизм 160b (отдельно не проиллюстрирован) по конструкции является идентичным верхнему зубчатому механизму 160a, за исключением того, что его несущий вал 205 планетарной передачи имеет элемент 209 соединения с внутренней резьбой (который, соответственно, предназначен для размещения в бурильную колонну 108 таким образом, что несущий вал 205 планетарной передачи находится на верхнем конце устройства), а вал 202 солнечной шестерни имеет элемент 209 соединения с наружной резьбой.

Каждый зубчатый механизм 160 содержит передаточный механизм, предназначенный для передачи крутящего момента и вращения от входного вала к выходному валу. Передаточный механизм содержит планетарную передачу, содержащую набор планетарных шестерен 211, установленных на несущем валу 205 планетарной передачи. Таким образом, несущий вал 205 планетарной передачи служит в качестве несущего вала планетарной передачи. Планетарные шестерни 211 установлены на верхнем конце несущего вала 205 планетарной передачи, распределены с интервалами по окружности на одинаковые расстояния и расположены вокруг главной продольной оси 248 зубчатого механизма 160 на одинаковом радиусе (см. фиг. 3). Каждая планетарная шестерня 211 выполнена с возможностью вращения относительно несущего вала 205 планетарной передачи на соответствующей оси 213 планетарной шестерни, проходящей в продольном направлении параллельно главной продольной оси 248. Ось кольца, описываемого осями 213 набора планетарных шестерен 211, совпадает с продольной осью 248 зубчатого механизма 160a и, таким образом, также совпадает с осями расположенных соосно приводных валов 202, 205. Оси 213 планетарных шестерен зафиксированы относительно несущего вала 205 планетарной передачи и, таким образом, вращаются с несущим валом 205 планетарной передачи вокруг главной продольной оси 248.

На нижнем конце вала 202 солнечной шестерни предусмотрена наружная солнечная шестерня 215 (см., в частности, фиг. 3). Солнечная шестерня 215 содержит набор зубьев, расположенных по окружности на наружной поверхности цилиндрической конструкции 271 уменьшенного диаметра, образованной на нижнем конце вала 202 солнечной шестерни. Центральный выступ проходит в продольном направлении от цилиндрической конструкции 271 и опирается на роликовый подшипник 219, размещенный соосно в соответствующей выемке на верхнем конце несущего вала 205 планетарной передачи. Планетарные шестерни 211 находятся в зацеплении с солнечной шестерней 215.

Зубчатый механизм 160a дополнительно содержит трубчатый корпус 221, в котором соосно размещена большая часть длины приводных валов 202, 205 (и, в частности, их смежные концы). В данном варианте реализации изобретения корпус 221 выполняет несколько функций, одна из которых заключатся в предоставлении коронной шестерни 223 планетарной передачи, входящей в состав передаточного механизма, который с возможностью передачи приводного усилия соединяет входной вал (202) и выходной вал (205). Таким образом, в данном варианте реализации изобретения корпус 221 содержит корпус коронной шестерни, на котором предусмотрена коронная шестерня 223. Коронная шестерня 223 представляет собой наружную шестерню, предусмотренную на корпусе 221 и содержащую, таким образом, набор зубьев, размещенных по окружности на цилиндрической внутренней поверхности трубчатого корпуса 221 и совмещенных в продольном направлении с планетарными шестернями 211. Планетарные шестерни 211 одновременно находятся в зацеплении с солнечной шестерней 215 и коронной шестерней 223. Являясь составляющими планетарной передачи, зубья планетарных шестерен 211, солнечной шестерни 215 и коронной шестерни 223 выполнены с возможностью зацепления, имеют одинаковый шаг зацепления и подобную глубину захода.

Зубчатый механизм 160a дополнительно содержит переключающий механизм, предназначенный для переключения механизма планетарной передачи между режимом сцепления (фиг. 2B) и режимом расцепления (фиг. 2A). В режиме сцепления вал 202 солнечной шестерни и несущий вал 205 планетарной передачи имеют одинаковую частоту вращения, так что зубчатый механизм 160a передает крутящий момент и вращение с входа на выход механизма с неизменной частотой вращения. В режиме расцепления несущий вал 205 планетарной передачи вращается медленнее вала 202 солнечной шестерни, так что в процессе передачи крутящего момента зубчатый механизм 160a изменяет частоту вращения бурильной колонны.

В данном варианте реализации изобретения зубчатый механизм 160a находится в режиме расцепления, когда корпус 221 (a) свободно вращается относительно геологического пласта, в котором проходит скважина 104, и (b) корпус 221 зафиксирован против вращения относительно несущего вала 205 планетарной передачи. Очевидно, что совместное вращение двух зафиксированных друг относительно друга компонентов из трех основных компонентов находящейся в зацеплении планетарной передачи (в данном случае несущего вала 205 планетарной передачи и коронной шестерни, предусмотренной на корпусе 221) неизбежно приводит к вращению оставшегося основного компонента (в данном случае вала 202 солнечной шестерни) с общей частотой вращения. В других вариантах реализации изобретения вращательное сцепление компонентов планетарной передачи для функционирования в режиме расцепления может предусматривать взаимную блокировку другой пары основных компонентов планетарной передачи. В то же время в режиме сцепления (фиг. 2B) основные компоненты планетарной передачи могут вращаться друг относительно друга, а вращение корпуса 221 относительно пласта, в котором проходит скважина 104, застопорено.

Переключающий механизм содержит анкерный механизм, выполненный с возможностью селективного вращательного сцепления корпуса 221 относительно пласта. В данном варианте реализации изобретения анкерный механизм содержит набор анкерных элементов, представленных в виде анкерных башмаков 227, установленных на корпусе 221 и предназначенных для перемещения радиально относительно корпуса 221 и селективного прижима к стенке 118 скважины (см. фиг. 1) для вращательного сцепления корпуса 221 и, соответственно, коронной шестерни 223. На фиг. 4 проиллюстрировано, что зубчатый механизм 160a имеет четыре анкерных башмака 227, распределенных на одинаковые интервалы по окружности корпуса 221. Каждый анкерный башмак 227 может перемещаться радиально между (a) втянутым положением (фиг. 2A и 3), в котором анкерный башмак 227 радиально втянут и прижат к наружной поверхности корпуса 221 для получения радиального зазора между стенкой 118 скважины и наружной контактной поверхностью анкерного башмака 227; и (b) выдвинутым положением (фиг. 2B), в котором анкерные башмаки 227 радиально выдвинуты на большее расстояние от корпуса 221, чем во втянутом положении, так что наружные контактные поверхности анкерных башмаков 227 в рабочем состоянии прижимаются к стенке 118 скважины, препятствуя вращению анкерного башмака 227 (и, соответственно, корпуса 221, на котором зафиксирован башмак) вследствие возникновения между стенкой 118 скважины и анкерным башмаком 227 поперечных сил противодействия вращению.

Анкерный башмак 227 может быть выполнен с возможностью продольного перемещения вдоль скважины 104 при одновременном противодействии вращению. В таких случаях каждый анкерный башмак 227 может иметь, например, наружную поверхность, представленную рядом продольных ребер или гребней, врезающихся в стенку 118 скважины и обеспечивающих возможность скольжения корпуса 221 в продольном направлении вдоль скважины 104, но препятствующих вращению или предотвращающих вращение корпуса 221 относительно стенки 118 скважины. В других вариантах реализации изобретения анкерные элементы, подобные анкерному башмаку 227, могут содержать ролики, установленные на корпусе 221 и предназначенные для вращения на выступающих в поперечном направлении осях роликов. В таких случаях ролики могут иметь форму диска и могут радиально сужаться с получением наружной режущей кромки, так чтобы в рабочем режиме каждый ролик подобно плугу врезался в стенку 118 скважины. Это может обеспечить принудительное вращательное сцепление в поперечном направлении в области соприкосновения между роликом и стенкой 118 скважины с обеспечением возможности качения корпуса 221 вдоль скважины 104, по существу, без трения.

Исполнительный механизм, предназначенный для приведения в действие и направления радиального перемещения анкерных башмаков 227 (и прижима контактных поверхностей анкерных башмаков 227 к стенке 118 скважины для создания достаточно больших сил торможения трением в поперечном направлении), содержит пару распределенных с интервалами в продольном направлении толкателей 231. Каждый толкатель 231 проходит радиально сквозь стенку трубчатого корпуса 221, имеет плоскую грибовидную головку 235, зафиксированную внутри корпуса 221 и расположенную на внутреннем конце толкателя 231, для осуществления взаимодействия с копиром, составляющим часть переключающего плунжера 239 (дополнительная информация по данному вопросу представлена далее), для перемещения анкерного башмака 227 наружу радиально при помощи толкателей 231 аналогично функционированию тарельчатого клапана. Каждый анкерный башмак 227 может содержать механизм смещения, смещающий анкерный башмак 227 во втянутое положение. Такой механизм смещения может содержать, например, соответствующие винтовые пружины сжатия, действующие между головкой 235 каждого толкателя 231 и корпусом 221.

Переключающий механизм может дополнительно содержать переключающий элемент, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса 221. В данном варианте реализации изобретения переключающий элемент представляет собой переключающий плунжер 239, расположенный радиально между несущим валом 205 планетарной передачи и корпусом 221 и выполненный с возможностью скольжения в продольном направлении относительно корпуса 221 и несущего вала 205 планетарной передачи между положением расцепления (фиг. 2A), в котором зубчатый механизм 160a переключается в режим расцепления, и положением сцепления (фиг. 2B), в котором зубчатый механизм 160a переключается в режим сцепления. Переключающий плунжер 239, в общем, имеет трубчатую форму и прижимается, создавая герметичное уплотнение, к корпусу 221 и несущему валу 205 планетарной передачи, с образованием пары гидравлических напорных камер 240, разделенных кольцевым выступом, являющимся составной частью переключающего плунжера 239. Гидравлический привод переключающего плунжера 239, осуществляющий продольное перемещение плунжера в направлении вверх или вниз, может быть обеспечен посредством подачи в соответствующую напорную камеру 240 жидкости под давлением для реализации гидравлического управления.

Наружная поверхность переключающего плунжера 239 имеет соответствующую конфигурацию, определяющую поверхность копира, предназначенную для преобразования продольного перемещения переключающего плунжера 239 в радиальное перемещение толкателей 231 и, соответственно, анкерного башмака 227. Поверхность копира в данном варианте реализации изобретения содержит пару распределенных с интервалами в продольном направлении выемок 245, которые по форме и пространственному расположению соответствуют головкам 235 толкателей 231. Когда переключающий плунжер 239 находится в положении расцепления и головки 235 толкателей размещаются в выемках 245 (фиг. 2A), обеспечивается возможность радиального втягивания толкателей 231 и перемещения анкерного башмака 227 внутрь в радиально втянутое положение. Однако, когда головки 235 толкателей смещены в продольном направлении относительно выемок 245 (фиг. 2B), головки 235 толкателей упираются в радиально выдающиеся поверхности 243, препятствующие перемещению толкателей 231 радиально внутрь и, таким образом, сохраняют выдвинутое положение анкерного башмака 227. На переходных участках между выемками 245 и выдающимися поверхностями 243 сняты фаски и предусмотрен наклон для обеспечения взаимодействия с сопряженными скошенными кромками соответствующих головок 235 толкателей во время перемещения переключающего плунжера 239 в продольном направлении.

Каждый зубчатый механизм 160 дополнительно содержит устройство 167 управления (схематически проиллюстрировано на фиг. 1), предназначенное для управления переключением передаточного механизма между режимами сцепления и расцепления посредством регулирования (в данном варианте реализации изобретения) продольного положения переключающего плунжера 239. Устройство 167 управления содержит приемник сигналов, предназначенный для приема и декодирования управляющих сигналов, поданных, например, системой 140 управления, расположенной на поверхности, и (или) узлом 120 измерения и управления, входящим в состав КНБК 151. Как указано выше, управляющие сигналы могут представлять собой гидравлические импульсы, электрические сигналы, электромагнитные сигналы, акустические сигналы или любые другие приемлемые сигналы, являющиеся носителями данных.

Устройство 167 управления может быть функционально связано с исполнительным механизмом, чтобы вызвать перемещение в продольном направлении под воздействием привода переключающего плунжера 239 между положением сцепления и положением расцепления. В данном варианте реализации изобретения исполнительный механизм содержит гидравлический исполнительный механизм, регулирующий положение переключающего плунжера 239 в продольном направлении посредством регулирования перепада давления в корпусе 221 на переключающем плунжере 239 (например, посредством селективного повышения давления в одной из пары напорных камер 240, что является очевидным при сравнении фиг. 2A и фиг. 2B). В некоторых вариантах реализации изобретения гидравлическая жидкость, используемая для приведения в действие переключающего плунжера 239, может представлять собой жидкость для гидравлических систем, такую как масло, подаваемое под давлением специализированным насосом, предусмотренным в зубчатом механизме 160. В других вариантах реализации изобретения продольное перемещение переключающего плунжера 239 может осуществляться при помощи гидравлического привода с использованием промывочной жидкости, подаваемой к забою скважины по внутреннему каналу 128 и обратно к устью скважины по затрубному пространству 134. В некоторых вариантах реализации изобретения исполнительный механизм может функционировать с использованием перепада давления между указанным каналом и затрубным пространством, обеспечивающего приведение в действие переключающего плунжера 239. Указанный способ управления с использованием перепада давления может быть реализован при помощи одного или более клапанов, входящих в состав переключающего механизма и выполненных с возможностью селективного отключения или гидравлического соединения соответствующих напорных камер 240 зубчатого механизма 160a с затрубным пространством 134 или внутренним каналом 128. В таких случаях устройство 167 управления может быть выполнено с возможностью управления системой клапанов в ответ на получение устройством 167 управления управляющих сигналов, обеспечивая, таким образом, дистанционное управление индивидуальным переключением каждого зубчатого механизма 160 в режим сцепления или режим расцепления. Для специалиста в данной области техники очевидно, что управление механизмами и приведение в действие компонентов может быть реализовано различными альтернативными способами, которые могут включать электромеханические средства управления и приведения в действие, электрогидравлические средства управления и приведения в действия и чисто механические или только гидромеханические средства управления и приведения в действие.

Переключающий механизм может дополнительно содержать механизм блокировки, предназначенный для вращательного запирания по меньшей мере одного из приводных валов 202, 205 относительно корпуса 221, когда зубчатый механизм 160a находится в режиме расцепления, и разблокировки приводных валов 202, 205 относительно корпуса 221, когда зубчатый механизм 160 находится в режиме сцепления, что обеспечивает вращение соответствующих приводных валов 202, 205 относительно корпуса 221 с различными частотами вращения. В данном варианте реализации изобретения переключающий плунжер 239 является составной частью не только анкерного механизма (в котором он выполняет функцию копира, обеспечивающего радиальное выдвижение анкерных башмаков 227), но также является частью механизма блокировки. Для реализации данной функции переключающий плунжер 239 содержит набор выступов 247, которые, смещаясь в продольном направлении, входят в ответные направляющие 251, закрепленные на корпусе 221. Как проиллюстрировано на фиг. 4, зубчатый механизм 160a содержит набор из четырех распределенных с интервалами по окружности пар выступов и направляющих (247 и 251), каждая из которых при помощи параллельных элементов обеспечивает фиксирующее соединение переключающего плунжера 239 и корпуса 221. Аналогичный механизм закрепления предусмотрен для вращательного закрепления переключающего плунжера 239 относительно несущего вала 205 планетарной передачи. В данном варианте реализации изобретения механизм фиксации содержит шлицевое соединение, содержащее сопряженные структуры 254 типа «шип-паз», размещенные на переключающем плунжере 239 и несущем валу 205 планетарной передачи, соответственно. Как проиллюстрировано на фиг. 2A и фиг. 5, структуры 254 типа «шип-паз» расположены таким образом, что входят в зацепление, когда переключающий плунжер 239 находится в положении расцепления (соответственно, обеспечивая вращательное закрепление несущего вала 205 планетарной передачи относительно корпуса 221 при помощи переключающего плунжера 239), и канавки структуры 254 в продольном направлении не совпадают с ответными выступами, когда переключающий плунжер 239 находится в положении сцепления (см. фиг. 2B), соответственно, обеспечивая возможность вращения несущего вала 205 планетарной передачи относительно корпуса 221.

В данном варианте реализации изобретения направляющие 251 имеют такие размеры, что соответствующие выступы 247 не выходят в продольном направлении за пределы соответствующих направляющих 251, когда переключающий плунжер 239 находится в положении сцепления, так чтобы переключающий плунжер 239 был постоянно зафиксирован против вращения относительно корпуса 221, но мог перемещаться относительно корпуса в продольном направлении. Таким образом, в режиме сцепления переключающий плунжер 239 вращается совместно с корпусом 221, но не связан с несущим валом 205 планетарной передачи. Как указано ранее, высвобождение от вращательного сцепления между переключающим плунжером 239 и несущим валом 205 планетарной передачи обусловлено несовпадением в продольном направлении соответствующих шлицевых структур 254, когда переключающий плунжер 239 перемещается в продольном направлении вверх в положение сцепления (фиг. 5).

Одно или более устройств переключения передач, таких как зубчатый механизм 160a, описанный со ссылкой на фиг. 2-5, могут быть установлены в КНБК 151 или любой другой части бурильной колонны 108 для обеспечения возможности использования различных частот вращения в различных участках бурильной колонны 108 в соответствии с необходимостью. Когда от конкретного зубчатого механизма 160 не требуется осуществление функции переключения передач, зубчатый механизм 160 находится в режиме расцепления, так что без изменения передает частоту вращения участков бурильной колонны, расположенных над зубчатым механизмом, всем компонентам, расположенным под зубчатым механизмом. Как проиллюстрировано на фиг. 2A и 3-5, очевидно, что в режиме расцепления передача вращения и крутящего момента без изменения осуществляется в результате синхронного вращения входного элемента (например, вала 202 солнечной шестерни), корпуса 221, переключающего плунжера 239 и выходного элемента (например, несущего вала 205 планетарной передачи). Очевидно, что в процессе вращения такого взаимоблокированного механизма оси 213 планетарных шестерен 211 вращаются вокруг продольной оси 248 с такой же частотой вращения, что и вал 202 солнечной шестерни. Это обусловлено тем, что переключающий плунжер 239 зафиксирован против вращения относительно несущего вала 205 планетарной передачи структурами 254 типа «шип-паз», и зафиксирован против вращения относительно корпуса 221 (и, соответственно, коронной шестерни 223) фиксирующими соединениями, представленными находящимися в зацеплении выступами 247 и направляющими 251.

Управление зубчатым механизмом 160a или несколькими зубчатыми механизмами 160 может осуществляться посредством передачи от системы 140 управления, расположенной на поверхности, данных, обеспечивающих селективное переключение в режим сцепления (фиг. 2B). В режиме сцепления анкерные башмаки 227 прижаты к стенке 118 скважины, препятствуя вращению корпуса 221 относительно пласта. Блокировка вращения корпуса 221 приводит к блокировке коронной шестерни 223, и вследствие этого планетарная передача обеспечивает изменение частоты вращения. В то же время шлицевые структуры 254 переключающего плунжера 239 не совмещены с ответными выступами несущего вала 205 планетарной передачи, так что относительное вращение и передача крутящего момента между несущим валом 205 планетарной передачи и корпусом 221, по существу, осуществляется исключительно в результате зацепления планетарных шестерен 211 с коронной шестерней 223, предусмотренной на корпусе 221. Планетарные шестерни 211 вращаются вокруг соответствующих осей 213 планетарных шестерен в направлении, противоположном направлению вращения вала 202 солнечной шестерни и набора осей 213 планетарных шестерен. Поскольку каждая планетарная шестерня 211 находится в зацеплении как с коронной шестерней 223, так и солнечной шестерней 215 и поскольку коронная шестерня 223 является неподвижной, мгновенная касательная скорость соответствующей оси 213 планетарной шестерни, по существу, равна половине мгновенной касательной скорости солнечной шестерни 215. Однако, поскольку оси 213 планетарных шестерен и зубья солнечной шестерни 215 находятся на различных радиальных расстояниях от оси 248 вращения, частота вращения осей 213 планетарных шестерен (и, соответственно, несущего вала 205 планетарной передачи) является пониженной и связанной фиксированным соотношением с частотой вращения вала 202 солнечной шестерни. В данном варианте реализации изобретения отношение частоты вращения вала 202 солнечной шестерни и частоты вращения несущего вала 205 планетарной передачи составляет 2,5:1. Отношение крутящего момента является обратно пропорциональным отношению частоты вращения. Для зубчатого механизма 160, имеющего другую ориентацию (например, с несущим валом 205 планетарной передачи, расположенным на верхнем конце устройства), аналогичные механические компоненты, но расположенные в обратном порядке, обеспечивают увеличение частоты вращения (и пропорциональное уменьшение крутящего момента) в таком же соотношении. Хотя устройства переключения передач, представленные зубчатыми механизмами 160, обеспечивают изменение частоты вращения с фиксированным отношением, другие варианты реализации изобретения могут содержать более сложные зубчатые передачи, в которых может предусматриваться ряд различных отношений частоты вращения, выбор которых осуществляется с использованием дистанционно управляемых функций переключения передач.

Устройства переключения передач, такие как зубчатый механизм 160a, можно использовать в различных областях для обеспечения различных значений частоты вращения стенки трубчатой бурильной колонны 108 в разных участках бурильной колонны 108. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 1, пара зубчатых механизмов 160 может быть использована для снижения частоты вращения промежуточного участка 163 бурильной колонны 108, когда указанный участок по меньшей мере частично находится на изогнутом участке 105 скважины 104, с обеспечением сравнительно высокой частоты вращения участков бурильной колонны 108, находящихся за пределами изогнутого участка 105.

Сильные изгибы (также называются искривленными участками) скважины 104 или ствола скважины могут вызывать дополнительную усталость или износ элементов бурильной колонны 108, которая подвергается искривлению или изгибу во время вращения. Например, искривленные участки могут вести к возникновению на этих участках существенно повышенной поперечной нагрузки компонентов бурильной колонны, которая, в свою очередь, может вызывать механический износ. Соответственно, компоненты бурильной колонны, вращающиеся во время нахождения на непрямолинейных участках, подвергаются повышенному износу, который может вести к повышению риска размыва или других катастрофических отказов бурильной колонны 108. В пределах обсаженных участков, размещенных на изогнутом участке скважины (таком как, изогнутый участок 105, проиллюстрированный на фиг. 1), обсадная и бурильная трубы подвергаются более интенсивному износу. Это может оказывать отрицательное воздействие на долгосрочную конструктивную целостность и герметичность обсадной трубы, в результате чего может потребоваться проведение восстановительной цементации или размещение обсадных труб для ремонта изношенных секций. Однако общее снижение частоты вращения бурильной колонны не является практически осуществимым, поскольку низкие частоты вращения могут привести к возникновению других проблем в определенных участках бурильной колонны 108. Для некоторых участков бурильной колонны 108 требуется использовать сравнительно высокие частоты вращения, например, для перемешивания и транспортировки шлама, в частности, в скважинах 104, искривленных под большим углом.

Острота этих проблем может быть снижена посредством использования регулируемого зацепления и (или) расцепления пары зубчатых механизмов 160 для приведения во вращение промежуточного участка 163 с пониженной частотой вращения, когда это требуется. Когда весь промежуточный участок 163 расположен над изогнутым участком 105, верхний зубчатый механизм 160a и нижний зубчатый механизм 160b могут быть установлены в режим расцепления, так чтобы крутящий момент и вращение передавались промежуточному участку 163 при такой же частоте вращения, с которой вращаются участки бурильной колонны 108, расположенные непосредственно над промежуточным участком и под указанным участком.

Однако, когда промежуточный участок 163 достигает изогнутого участка 105 скважины 104, оба зубчатых механизма 160 могут быть переключены в режим сцепления, так чтобы верхний зубчатый механизм 160a снижал частоту вращения бурильной колонны, а противоположно ориентированный нижний зубчатый механизм 160b, наоборот, повышает частоту вращения бурильной колонны. В результате этого КНБК 151 (и любые другие компоненты, расположенные под нижним зубчатым механизмом 160b в случаях, когда нижний зубчатый механизм 160b находится на расстоянии от КНБК 151) имеет частоту вращения, которая передается бурильной колонне 108 оборудованием буровой вышки 112, расположенным на поверхности. Когда бурильная колонна 108 перемещается в скважину на достаточное расстояние, так чтобы верхний зубчатый механизм 160a размещался под нижним концом изогнутого участка 105, пара зубчатых механизмов 160 может быть снова переключена в режим расцепления, и промежуточный участок 163 начинает снова вращаться синхронно с остальной частью бурильной колонны 108.

Очевидно, что в бурильную колонну 108 может быть установлено несколько зубчатых механизмов 160, распределенных по соответствующим парам и разнесенных на расстояние, превышающее длину изогнутого участка 105. В таком случае различные зубчатые механизмы 160 могут находиться в режиме сцепления и (или) расцепления по мере прохождения соответствующими промежуточными участками 163 бурильной колонны 108 изогнутого участка 105, так чтобы частота вращения бурильной колонны 108 на изогнутом участке 105 постоянно оставалась более низкой, чем частота вращения остальных участков бурильной колонны 108, находящихся над изогнутым участком 105 и под указанным участком.

Фиг. 6 и 7 иллюстрируют другой вариант реализации способа использования устройств переключения передач в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, а также иллюстрируют другой вариант реализации буровой установки 602 в соответствии с настоящим изобретением. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 6, бурильная колонна 108 содержит нижний зубчатый механизм 160.1, размещенный непосредственно над КНБК 151, и верхний зубчатый механизм 160.2, отделенный от нижнего зубчатого механизма 160.1 несколькими секциями бурильной колонны, составляющими промежуточный участок 663, расположенный между зубчатыми механизмами. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 6, зубчатые механизмы 160.1 и 160.2 имеют одинаковую ориентацию и в данном варианте реализации они ориентированы таким образом, чтобы обеспечивать повышение частоты вращения. Как проиллюстрировано на фиг. 2A, каждый из зубчатых механизмов 160, проиллюстрированных на фиг. 6, может содержать несущий вал 205 планетарной передачи, размещенный на верхнем конце соответствующего устройства.

На начальном этапе оба зубчатых механизма 160 могут находиться в режиме расцепления, при этом все участки бурильной колонны 108 имеют одинаковую частоту вращения. Во время указанного начального этапа вращения бурильной колонны 108 с одинаковой частотой вращения бурильная колонна 108 может приводиться во вращение со сравнительно высокой частотой вращения оборудованием, расположенным на поверхности. Однако в положении бурильной колонны 108, проиллюстрированном на фиг. 6, КНБК 151 уже прошла изогнутый участок 105 и находится на горизонтальном участке скважины 104. На этом этапе целесообразно предусмотреть, чтобы наземное оборудование обеспечило пониженную частоту вращения для защиты бурильной колонны 108 и обсадной колонны от износа на изогнутом участке 105. Однако пониженная частота вращения может быть меньшей частоты вращения, требуемой для очистки ствола на горизонтальном участке скважины 104. Таким образом, на горизонтальном участке целесообразно использовать более высокую частоту вращения, чем частота вращения, обеспечиваемая наземным оборудованием. На данном этапе нижний зубчатый механизм 160.1 можно переключить в режим сцепления. В таком случае пониженная частота вращения бурильной колонны 108, обеспечиваемая наземным оборудованием для защиты обсадной колонны, повышается нижним зубчатым механизмом 160.1. В результате этого вращение КНБК 151 осуществляется с повышенной частотой вращения, так что частота вращения КНБК 151 является достаточно высокой для перемешивания шлама и подачи в затрубное пространство 134 для транспортировки из скважины 104. На этом этапе функционирования верхний зубчатый механизм 160.2 находится в режиме расцепления и не изменяет частоту вращения бурильных труб бурильной колонны 108.

В положении бурильной колонны 108, проиллюстрированном на фиг. 7, значительная часть горизонтального участка скважины 104 пробурена и верхний зубчатый механизм 160.2 находится под изогнутым участком 105 скважины 104. На этом этапе оператор может переключить верхний зубчатый механизм 160.2 в режим сцепления для повышения частоты вращения участка бурильной колонны, расположенного по скважине ниже верхнего зубчатого механизма 160.2. Далее нижний зубчатый механизм 160.1 может быть переключен в режим расцепления, поскольку все компоненты бурильной колонны, находящиеся под верхним зубчатым механизмом 160.2 (в том числе КНБК 151 и нижний зубчатый механизм 160.1), имеют повышенную частоту вращения, которая обеспечивается верхним зубчатым механизмом 160.2. Хотя в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 6 и 7, представлены только два зубчатых механизма 160, указанные принципы функционирования могут применяться при использовании любого количества зубчатых механизмов 160. Таким образом, бурильная колонна 108 может содержать несколько зубчатых механизмов 160, распределенных с интервалами по длине бурильной колонны 108, например, расположенных через одинаковые интервалы. Далее каждый из указанных зубчатых механизмов 160 160 переключается в режим сцепления, когда достигает нижнего конца изогнутого участка 105, и находится в режиме расцепления во время размещения над изогнутым участком 105 и когда другой расположенный выше зубчатый механизм 160, находящийся ближе к изогнутому участку 105, переключен в режим сцепления. В одном из вариантов реализации изобретения интервалы между последовательными зубчатыми механизмами 160 могут быть равными длине изогнутого участка 105, который должен быть пройден, или несколько превышать указанную длину.

Как схематически проиллюстрировано на фиг. 7, зубчатые механизмы 160 могут содержать одно или более телеметрических устройств, например, датчиков вращения, предназначенных для измерения входной и выходной частоты вращения соответствующего зубчатого механизма 160 и обмена данными, касающимися входной и выходной частоты вращения, с устройством 167 управления (например, узлом 120 измерения и управления). В связи с этим каждое устройство переключения передач в варианте реализации, проиллюстрированном на фиг. 6 и 7, содержит входной датчик 606 числа оборотов в минуту (об/мин) и выходной датчик 609 числа оборотов в минуту. Эти датчики 606, 609 могут быть с возможностью обмена данными связаны с устройством 167 управления (не проиллюстрировано на фиг. 7 для упрощения), которое может содержать передатчик сигналов, предназначенный для обмена данными, например, с КНБК 151 или системой 140 управления, расположенной на поверхности. Следует отметить, что телеметрические устройства, указанные выше (а также датчик 808 режима, описанный со ссылкой на фиг. 8, представленную далее), также предусмотрены в зубчатых механизмах 160, описанных со ссылкой на фиг. 1-5.

В других вариантах реализации изобретения устройства переключения передач могут использоваться для снижения частоты вращения бурильной колонны, если частота вращения ограничивается функциональными требованиями другого компонента бурильной колонны. Пример реализации такого способа описан далее со ссылкой на фиг. 8, иллюстрирующую буровую систему 802 в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. В процессе бурения, осуществляемого буровой системой 802, проиллюстрированной на фиг. 8, требуется обеспечить повышенную частоту вращения верхнего участка бурильной колонны 108 (в данном случае «верхний участок» – это часть бурильной колонны 108, расположенная по скважине выше пары устройств переключения передач, представленных зубчатыми механизмами 160A и 160B). Однако компоненты КНБК 151 имеют верхний рабочий предел частоты вращения, до которого они могут эксплуатироваться без нарушения требований безопасности. В данном варианте реализации изобретения частота вращения верхнего участка является сравнительно высокой и превышает пределы частоты вращения некоторых расположенных ниже компонентов, входящих в состав КНБК 151. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 8, пара зубчатых механизмов 160 соединена встык и размещается непосредственно над КНБК 151. По меньшей мере один из зубчатых механизмов 160A, 160B может быть селективно переключен оператором в режим сцепления для снижения частоты вращения, которая обеспечивается верхним участком бурильной колонны 108, до частоты вращения, находящейся в пределах рабочего диапазона компонентов, расположенных ниже.

Как схематически указано числовым обозначением 808, каждый зубчатый механизм 160, проиллюстрированный на фиг. 8, содержит дополнительное телеметрическое устройство (в дополнение или в некоторых вариантах реализации изобретения вместо устройства 167 управления и (или) датчиков 606, 609 частоты вращения), представленное в виде датчика 808 режима, предназначенного для измерения и передачи данных текущего режима сцепления соответствующего зубчатого механизма 160 на внешний приемник, например, входящий в состав КНБК 151.

Как показано в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 8, некоторые варианты реализации изобретения предусматривают соединение между собой ряда устройств переключения передач, например, зубчатых механизмов 160, если требуется изменение частоты вращения с передаточным отношением, превышающим передаточное отношение одного устройства 160 переключения передач. В данном примере пара устройств соединена с ориентацией, предусматривающей снижение частоты вращения. Если требуется снизить частоту вращения с передаточным отношением 2,5:1, то в режим сцепления переключается только одно устройство пары устройств 160, а оба устройства 116 могут быть совместно переключены в режим сцепления для снижения частоты вращения с передаточным отношением 5:1. Очевидно, что любое количество устройств 116 может быть соединено совместно для получения требуемого передаточного отношения. Указанный составной узел переключения передач может быть ориентирован таким образом, чтобы обеспечивать повышение частоты вращения или снижение частоты вращения (аналогично варианту реализации изобретения, проиллюстрированному на фиг. 8). Таким образом, зубчатые механизмы 160 обеспечивают получение модульных блоков переключения передач, которые могут быть установлены в любой точке бурильной колонны 108, и в любой комбинации с другими аналогичными зубчатыми механизмами 160 для изменения рабочей частоты вращения и крутящего момента стенки бурильной трубы, расположенной ниже указанного зубчатого механизма. Поскольку элементы 209 соединения (например, проиллюстрированные на фиг. 2) зубчатых механизмов 16 являются совместимыми с элементами 209 соединения секций 109 бурильных труб, блоков инструментов, блоков управления, КНБК 151 и аналогичных компонентов, а также являются совместимыми с указанными элементами других подобных зубчатых механизмов 160, параметры частоты вращения различных участков бурильной колонны 108 могут оперативно изменяться в динамическом режиме посредством размещении на буровой вышке 112 зубчатых механизмов 160 в требуемых размещениях бурильной колонны 108.

Таким образом, некоторые аспекты предмета изобретения, реализованные на основе описанных выше вариантов осуществления изобретения, касаются способа автономной модификации частоты вращения участка бурильной колонны. Следовательно, участок бурильной колонны с измененной частотой вращения имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения других участков бурильной колонны. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения указанный способ включает: селективную передачу крутящего момента и вращения по всей длине бурильной колонны, пролегающей внутри скважины и содержащей множество секций бурильной колонны, соединенных встык; присоединение к бурильной колонне пары устройств переключения передач, размещенных с интервалом в продольном направлении, так чтобы промежуточный участок, ограниченный парой устройств переключения передач, содержал множество секций бурильной колонны; использование каждого устройства переключения передач для передачи крутящего момента и вращения бурильной колонны между смежными секциями бурильной колонны, расположенными на противоположных концах соответствующего устройства переключения передач; и селективное переключение каждого устройства переключения передач между (a) режимом расцепления, в котором устройство переключения передач передает крутящий момент и вращение бурильной колонны, по существу, без изменения, и (b) режимом сцепления, в котором указанное устройство переключения передач изменяет крутящий момент и частоту вращения бурильной колонны в процессе передачи для обеспечения вращения на выходе с измененной выходной частотой вращения.

Указанный способ может дополнительно включать установку указанной пары устройств переключения передач в соответствующие режимы сцепления, так чтобы изогнутый участок бурильной колонны вращался с более низкой частотой вращения, чем, по существу, прямолинейный участок бурильной колонны. Таким образом, по меньшей мере часть бурильной колонны, расположенная ниже изогнутого участка, может иметь более высокую частоту вращения, чем промежуточный участок. В некоторых вариантах реализации изобретения оба участка бурильной колонны – участок, расположенный над изогнутым участком, и участок, расположенный под изогнутым участком, могут иметь частоту вращения более высокую, чем частота вращения изогнутого участка.

Указанный способ может включать переключение первого из пары устройств переключения передач в режим сцепления, когда первое устройство переключения передач располагается в или вблизи определенной точки внутри скважины, причем второе устройство из указанной пары устройств переключения передач находится в режиме расцепления, тем самым вызывая вращение участка бурильной колонны, расположенного по скважине ниже первого устройства переключения передач, с частотой вращения, измененной относительно частоты вращения участка бурильной колонны, размещенного по скважине выше первого устройства переключения передач; и после последующего перемещения первого устройства переключения передач в направлении низа скважины, переключение второго устройства переключения передач в режим сцепления, когда второе устройство переключения передач располагается в или вблизи определенной точки внутри скважины, тем самым вызывая вращение участка бурильной колонны, расположенного по скважине ниже второго устройства переключения передач, с частотой вращения, измененной относительно частоты вращения участка бурильной колонны, размещенного по скважине выше второго устройства переключения передач. В таких случаях измененная частота вращения может превышать частоту вращения на поверхности, с которой бурильная колонна вращается под воздействием привода, расположенного на поверхности.

В некоторых вариантах реализации изобретения бурильная колонна может содержать несколько устройств переключения передач, распределенных по длине бурильной колонны, и в таком случае указанный способ может включать переключение каждого устройства переключения передач в режим сцепления, когда указанное устройство достигает определенной точки бурильной колонны, и переключение каждого устройства переключения передач обратно в режим расцепления, когда последующее устройство переключения передач переключается в режим сцепления. Таким образом, участок бурильной колонны, расположенный ниже определенной точки, постоянно имеет частоту вращения, измененную относительно частоты вращения участка бурильной колонны, расположенного выше определенной точки. В некоторых вариантах реализации изобретения определенная точка, в которой последовательно переключается в режим сцепления ряд устройств переключения передач, может находиться на или вблизи нижнего конца изогнутого участка скважины, и в этом случае, по существу, прямолинейный участок бурильной колонны, расположенный под изогнутым участком, может постоянно иметь частоту вращения, превышающую частоту вращения участка бурильной колонны, находящегося на изогнутом участке скважины. Следует отметить, что в таких случаях конкретные секции бурильной колонны, составляющие соответствующие участки бурильной колонны, изменяются по мере перемещения бурильной колонны по направлению к низу (или в зависимости от конкретной ситуации, к устью скважины), но положение относительно скважины различных участков бурильной колонны, имеющих различную частоту вращения, остается, по существу, постоянным вследствие повторяющегося переключения в режим сцепления соответствующих устройств переключения передач, когда они перемещаются по направлению к низу скважины на достаточное расстояние, чтобы стать частью участка бурильной колонны, расположенного ниже изогнутого участка.

Указанный способ может дополнительно включать вращение бурильной колонны под воздействием привода с заданной на поверхности частотой вращения, когда ни одно из пары устройств переключения передач не находится в режиме сцепления; и вращение бурильной колонны под воздействием привода с измененной частотой вращения, определяемой на поверхности, отличающейся от заданной на поверхности частоты вращения, когда любое устройство из пары устройств переключения передач находится в режиме сцепления.

Указанный способ может дополнительно включать установку обоих из пары устройств переключения передач в режим сцепления. В некоторых вариантах реализации изобретения одно из устройств переключения передач, установленное в режим сцепления, снижает частоту вращения бурильной колонны, проходящей через него, при этом второе из пары устройство переключения передач, установленное в режим сцепления, увеличивает частоту вращения бурильной колонны, проходящей через него. В таких случаях промежуточный участок, расположенный между парой устройств переключения передач, селективно вращается с частотой вращения бурильной колонны, отличающейся от частоты вращения остальной части бурильной колонны, и, таким образом, обеспечивается независимое регулирование частоты вращения промежуточного участка. В других вариантах реализации изобретения пара устройств переключения передач может иметь ориентацию или конфигурацию, обеспечивающую увеличение частоты вращения бурильной колонны, или, наоборот, может иметь ориентацию или конфигурацию, обеспечивающую снижение частоты вращения бурильной колонны, проходящей через нее.

Указанный способ может дополнительно включать прием от пары устройств переключения передач соответствующих сигналов режима, причем каждый сигнал режима указывает текущий режим сцепления соответствующего устройства переключения передач. Указанный способ может дополнительно включать прием от каждого устройства пары устройств переключения передач по меньшей мере одного сигнала частоты вращения, причем каждый сигнал частоты вращения указывает измеренную частоту вращения по меньшей мере одного из следующих: входного элемента соответствующего устройства переключения передач или выходного элемента соответствующего устройства переключения передач.

В некоторых вариантах реализации изобретения передаточный механизм содержит планетарную передачу, взаимосвязывающую по приводному усилию входной элемент и выходной элемент соответствующего устройства переключения передач. В таких случаях указанный способ может дополнительно включать (a) установку передаточного механизма в режим сцепления посредством вращательного сцепления коронной шестерни планетарной передачи с пластом, в котором проходит скважина, и (b) установку указанного передаточного механизма в режим расцепления посредством высвобождения от вращательного сцепления указанной коронной шестерни с пластом, в то время как вращательно закрепляются по меньшей мере солнечная шестерня или несущая планетарной передачи к коронной шестерне.

Другой аспект настоящего изобретения, реализованный на основе описанных выше вариантов осуществления изобретения, касается устройства, предназначенное для размещения в бурильную колонну, содержащую множество трубчатых секций бурильной колонны, соосно соединенных встык, для передачи бурильной колонне крутящего момента и вращения по всей бурильной колонне, содержащего по меньшей мере: (a) трубчатый входной элемент, выполненный с возможностью соединения с первой секцией бурильной колонны для получения крутящего момента и вращения бурильной колонны с входной частотой вращения от трубчатой стенки бурильной трубы первого участка бурильной колонны; (b) трубчатый выходной элемент, выполненный с возможностью соединения со второй секцией бурильной колонны для передачи крутящего момента и вращения бурильной колонны трубчатой стенке бурильной трубы второго участка бурильной колонны, причем входной и выходной элементы устанавливаются соосно; и (c) пассивный передаточный механизм, соединенный с входным элементом и выходным элементом для передачи крутящего момента и вращения от входного элемента выходному элементу, причем передаточный механизм выполнен с возможностью переключения между режимом расцепления, в котором передаточный механизм осуществляет передачу крутящего момента и вращения выходному элементу с выходной частотой вращения, по существу, равной входной частоте вращения, и режимом сцепления, в котором передаточный механизм осуществляет передачу крутящего момента и вращения выходному элементу с выходной частотой вращения, измененной относительно входной частоты вращения.

Входной элемент и выходной элемент могут содержать соответствующие проточные каналы, расположенные соосно и гидравлически соединенные для образования непрерывного составного проточного канала, проходящего сквозь указанное устройство. Указанный составной проточный канал может быть соосным с продольной осью устройства и иметь в поперечном сечении, по существу, постоянный профиль по всей длине устройства. В таких случаях передаточный механизм может быть, по существу, размещен за пределами составного проточного канала. В некоторых вариантах реализации изобретения входной элемент и выходной элемент могут иметь, по существу, аналогичный внутренний диаметр и могут иметь, по существу, аналогичный наружный диаметр, причем входной элемент и выходной элемент могут быть соединены встык.

Указанное устройство может содержать телеметрическое устройство для коммуникации данных о текущем режиме сцепления указанного передаточного механизма на приемник, расположенный на поверхности. Вместо этого или в дополнение к этому указанное устройство может содержать один или более датчиков частоты вращения, предназначенных для измерения соответствующих значений частоты вращения входного элемента и выходного элемента и передачи данных измеренных значений частоты вращения на телеметрическое устройство и (или) приемник, расположенный на поверхности (например, компьютерную систему, расположенную на поверхности).

Указанный передаточный механизм может содержать зубчатый механизм, при этом указанный входной элемент и указанный выходной элемент образуют его часть. В некоторых вариантах реализации изобретения зубчатый механизм представляет собой планетарную передачу. Указанная планетарная передача может содержать по меньшей мере: (a) несущий вал планетарной передачи, предоставляемый одним из: входного элемента и выходного элемента; (b) набор планетарных шестерен, установленных на несущем валу планетарной передачи для вращения вокруг соответствующих осей планетарных шестерен, распределенных с интервалами по окружности вокруг оси вращения указанного несущего вала планетарной передачи; (c) вал солнечной шестерни, предоставленный другим из: входным элементом и выходным элементом, причем на указанном валу солнечной шестерни предусмотрена наружная солнечная шестерня; и (d) обычно, трубчатый корпус коронной шестерни, установленный соосно с указанным несущим валом планетарной передачи и указанным валом солнечной шестерни, причем указанный корпус коронной шестерни содержит внутреннюю коронную шестерню, при этом указанный набор планетарных шестерен находится в зацеплении как с солнечной шестерней, так и коронной шестерней, для обеспечения, таким образом, передачи крутящего момента и вращения от несущего вала планетарной передачи к валу солнечной шестерни или в обратном направлении при помощи набора планетарных шестерен.

Указанное устройство может дополнительно содержать переключающий механизм, для переключения указанного передаточного механизма между режимом сцепления и режимом расцепления, причем указанный переключающий механизм содержит механизм блокировки, выполненный с возможностью вращательного запирания корпуса коронной шестерни относительно конкретного несущего вала планетарного механизма и вала солнечной шестерни, для обеспечения, таким образом, совместного вращения несущего вала планетарной передачи, вала солнечной шестерни и корпуса коронной шестерни. Указанное устройство может дополнительно содержать вращательный анкерный механизм, присоединенный к корпусу коронной шестерни и выполненный с возможностью зацепления с пластом, в котором проходит скважина, когда передаточный механизм находится в режиме сцепления, для противодействия вращению корпуса коронной шестерни относительно указанного пласта, причем указанный переключающий механизм выполнен с возможностью одновременной разблокировки механизма блокировки для обеспечения вращения вала солнечной шестерни и несущего вала планетарной передачи, находящихся в зацеплении, относительно корпуса коронной шестерни.

Вращательный анкерный механизм может содержать анкерный элемент, вращательно прикрепленный к корпусу коронной шестерни и выполненный с возможностью перемещения между выдвинутым положением, в котором анкерный элемент радиально выдается за пределы корпуса коронной шестерни и располагается для сцепления с указанным пластом, и втянутым положением, в котором анкерный элемент радиально отведен относительно выдвинутого положения, чтобы обеспечить возможность вращения корпуса коронной шестерни относительно пласта. В таких случаях переключающий механизм может содержать переключающий элемент, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса коронной шестерни между положением сцепления и положением расцепления, чтобы вызвать перемещение анкерного элемента между выдвинутым положением и втянутым положением, причем переключающий элемент дополнительно предназначен для блокировки и разблокировки механизма блокировки при перемещении переключающего элемента между положением сцепления и положением расцепления.

Указанное устройство может дополнительно содержать переключающий механизм для переключения указанного передаточного механизма между режимом сцепления и режимом расцепления. В таких случаях указанное устройство может дополнительно содержать устройство управления, связанное с указанным переключающим механизмом и выполненное с возможностью приема управляющих сигналов, когда указанное устройство подключается к бурильной колонне и находится в скважине.

Дополнительный аспект настоящего изобретения, реализованный на основе описанных выше вариантов осуществления изобретения, касается бурильной колонны, содержащей два или более устройств переключения передач. Еще один дополнительный аспект настоящего изобретения касается буровой системы, содержащей бурильную колонну и систему управления, связанную с возможностью обмена данными с соответствующими устройствами переключения передач для селективного переключения устройств переключения передач между режимом сцепления и режимом расцепления.

Из представленного выше подробного описания очевидно, что для целей упрощения описания различные признаки изобретения совместно представлены в одном варианте реализации. Данный способ раскрытия изобретения не следует интерпретировать, как указывающий, что варианты реализации изобретения, представленные пунктами формулы изобретения, обязательно содержат больше признаков, чем явно указано в каждом пункте формулы. Напротив, как указано в представленной далее формуле изобретения, предмет изобретения характеризуется меньшим числом признаков, чем содержится в отдельном описанном варианте реализации. Таким образом, приложенная формула изобретения включена в настоящее подробное описание изобретения, причем каждый пункт формулы изобретения является независимым и представляет отдельный вариант реализации изобретения.

1. Способ эксплуатации бурильной колонны, включающий:

селективную передачу крутящего момента и вращения по всей длине бурильной колонны, пролегающей внутри скважины и содержащей множество секций бурильной колонны, соединенных встык;

присоединение к бурильной колонне пары устройств переключения передач, размещенных с интервалом в продольном направлении, так чтобы промежуточный участок, ограниченный парой устройств переключения передач, содержал множество секций бурильной колонны;

использование каждого устройства переключения передач для передачи крутящего момента и вращения бурильной колонны между смежными секциями бурильной колонны, расположенными на противоположных концах соответствующего устройства переключения передач; и

селективное переключение каждого устройства переключения передач между режимом расцепления, в котором указанное устройство переключения передач передает крутящий момент и вращение бурильной колонны, по существу, без изменения, и

режимом сцепления, в котором указанное устройство переключения передач изменяет крутящий момент и частоту вращения бурильной колонны в процессе передачи для обеспечения вращения на выходе с измененной выходной частотой вращения.

2. Способ по п. 1, дополнительно включающий установку указанной пары устройств переключения передач в соответствующие режимы сцепления, так чтобы изогнутый участок бурильной колонны имел более низкую частоту вращения, чем, по существу, прямолинейный участок бурильной колонны.

3. Способ по п. 1, дополнительно включающий:

переключение первого из указанной пары устройств переключения передач в режим сцепления, когда указанное первое устройство переключения передач располагается в или вблизи определенной точки внутри скважины, причем второе устройство из указанной пары устройств переключения передач находится в режиме расцепления, тем самым вызывая вращение участка бурильной колонны, расположенного по скважине ниже первого устройства переключения передач, с частотой вращения, измененной относительно частоты вращения участка бурильной колонны, размещенного по скважине выше первого устройства переключения передач; и

после последующего перемещения указанного первого устройства переключения передач в направлении низа скважины, переключение указанного второго устройства переключения передач в режим сцепления, когда второе устройство переключения передач располагается в или вблизи определенной точки внутри скважины, тем самым вызывая вращение участка бурильной колонны, расположенного по скважине ниже второго устройства переключения передач, с частотой вращения, измененной относительно частоты вращения участка бурильной колонны, размещенного по скважине выше второго устройства переключения передач.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанная измененная частота вращения выше частоты вращения на поверхности, с которой бурильная колонна вращается под воздействием привода, расположенного на поверхности.

5. Способ по п. 3, дополнительно включающий:

вращение бурильной колонны под воздействием привода с заданной на поверхности частотой вращения, когда ни одно из пары устройств переключения передач не находится в режиме сцепления; и

вращение бурильной колонны под воздействием привода с измененной частотой вращения, определяемой на поверхности, отличающейся от заданной на поверхности частоты вращения, когда любое устройство из пары устройств переключения передач находится в режиме сцепления.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что указанная определенная точка скважины располагается в или вблизи нижнего конца изогнутого участка скважины.

7. Способ по п. 1, дополнительно включающий установку обоих из указанной пары устройств переключения передач в режим сцепления.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что одно из указанных устройств переключения передач, установленное в режим сцепления, снижает частоту вращения бурильной колонны, проходящей через него, при этом второе устройство переключения передач, установленное в режим сцепления, увеличивает частоту вращения бурильной колонны, проходящей через него.

9. Способ по п. 1, дополнительно включающий прием от указанной пары устройств переключения передач соответствующих сигналов режима, причем каждый сигнал режима указывает текущий режим сцепления соответствующего устройства переключения передач.

10. Способ по п. 1, дополнительно включающий прием от каждого устройства указанной пары устройств переключения передач по меньшей мере одного сигнала частоты вращения, причем каждый сигнал частоты вращения указывает измеренную частоту вращения по меньшей мере одного из элементов: входного элемента соответствующего устройства переключения передач или выходного элемента соответствующего устройства переключения передач.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что каждое устройство переключения передач содержит передаточный механизм, содержащий планетарную передачу, взаимосвязывающую по приводному усилию входной элемент и выходной элемент соответствующего устройства переключения передач, причем указанный способ дополнительно включает:

установку указанного передаточного механизма в режим сцепления посредством вращательного сцепления вращения коронной шестерни указанной планетарной передачи с пластом, в котором проходит скважина, и

установку указанного передаточного механизма в режим расцепления посредством высвобождения от вращательного сцепления указанной коронной шестерни с пластом, в то время как вращательно закрепляется по меньшей мере солнечная шестерня или несущая планетарной передачи к коронной шестерне.

12. Устройство, предназначенное для размещения в бурильную колонну, содержащую множество трубчатых секций бурильной колонны, соосно соединенных встык, для передачи бурильной колонне крутящего момента и вращения по всей бурильной колонне, содержащее:

трубчатый входной элемент, выполненный с возможностью соединения с первой секцией бурильной колонны для получения крутящего момента и вращения бурильной колонны с входной частотой вращения от трубчатой стенки бурильной трубы первого участка бурильной колонны;

трубчатый выходной элемент, выполненный с возможностью соединения со второй секцией бурильной колонны для передачи крутящего момента и вращения бурильной колонны трубчатой стенке бурильной трубы второго участка бурильной колонны, причем входной и выходной элементы устанавливаются соосно; и

пассивный передаточный механизм, соединенный с указанным входным элементом и указанным выходным элементом для передачи крутящего момента и вращения от входного элемента выходному элементу, причем указанный передаточный механизм выполнен с возможностью переключения между режимом расцепления, в котором передаточный механизм предназначен для передачи крутящего момента и вращения к выходному элементу с выходной частотой вращения, по существу, равной входной частоте вращения, и режимом сцепления, в котором передаточный механизм предназначен для передачи крутящего момента и вращения выходному элементу с выходной частотой вращения, измененной относительно входной частоты вращения.

13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что указанный входной элемент и указанный выходной элемент образуют соответствующие проточные каналы, расположенные соосно и гидравлически соединенные для образования составного проточного канала, проходящего сквозь указанное устройство.

14. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что указанный передаточный механизм содержит зубчатый механизм, при этом указанный входной элемент и указанный выходной элемент образуют его часть.

15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что указанный зубчатый механизм содержит планетарную передачу.

16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что указанная планетарная передача содержит:

несущий вал планетарной передачи, предоставляемый одним из: входного элемента и выходного элемента;

набор планетарных шестерен, установленных на несущем валу планетарной передачи для вращения вокруг соответствующих осей планетарных шестерен, распределенных с интервалами по окружности вокруг оси вращения указанного несущего вала планетарной передачи;

вал солнечной шестерни, предоставленный другим из: входного элемента и выходного элемента, причем на указанном валу солнечной шестерни предусмотрена наружная солнечная шестерня; и

обычно, трубчатый корпус коронной шестерни, установленный соосно с указанным несущим валом планетарной передачи и указанным валом солнечной шестерни, причем указанный корпус коронной шестерни содержит внутреннюю коронную шестерню, при этом указанный набор планетарных шестерен находится в зацеплении как с солнечной шестерней, так и коронной шестерней, для обеспечения, таким образом, передачи крутящего момента и вращения от несущего вала планетарной передачи к валу солнечной шестерни или в обратном направлении при помощи набора планетарных шестерен.

17. Устройство по п. 16, дополнительно содержащее переключающий механизм для переключения указанного передаточного механизма между режимом сцепления и режимом расцепления, причем указанный переключающий механизм содержит механизм блокировки, выполненный с возможностью вращательного запирания корпуса коронной шестерни относительно конкретного несущего вала планетарного механизма и вала солнечной шестерни, для обеспечения, таким образом, совместного вращения несущего вала планетарной передачи, вала солнечной шестерни и корпуса коронной шестерни.

18. Устройство по п. 17, дополнительно содержащее вращательный анкерный механизм, присоединенный к корпусу коронной шестерни и выполненный с возможностью зацепления с пластом, в котором проходит скважина, когда указанный передаточный механизм находится в режиме сцепления, для противодействия вращению корпуса коронной шестерни относительно указанного пласта, причем указанный переключающий механизм выполнен с возможностью одновременной разблокировки указанного механизма блокировки для обеспечения вращения вала солнечной шестерни и несущего вала планетарной передачи, находящихся в зацеплении, относительно корпуса коронной шестерни.

19. Устройство по п. 18, отличающееся тем, что указанный вращательный анкерный механизм содержит анкерный элемент, вращательно прикрепленный к корпусу коронной шестерни и выполненный с возможностью перемещения между

выдвинутым положением, в котором указанный анкерный элемент радиально выдается за пределы корпуса коронной шестерни и располагается для сцепления с указанным пластом, и

втянутым положением, в котором указанный анкерный элемент радиально втянут относительно выдвинутого положения, чтобы обеспечить возможность вращения корпуса коронной шестерни относительно указанного пласта.

20. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что указанный переключающий механизм содержит переключающий элемент, выполненный с возможностью перемещения относительно корпуса коронной шестерни между положением сцепления и положением расцепления, для осуществления перемещения анкерного элемента между выдвинутым положением и втянутым положением, причем указанный переключающий элемент дополнительно выполнен с возможностью блокировки и разблокировки указанного механизма блокировки при перемещении переключающего элемента между положением сцепления и положением расцепления.

21. Устройство по п. 12, дополнительно содержащее:

переключающий механизм для переключения указанного передаточного механизма между режимом сцепления и режимом расцепления; и

устройство управления, связанное с указанным переключающим механизмом и выполненное с возможностью приема управляющих сигналов, когда указанное устройство подключается к бурильной колонне и находится в скважине.

22. Устройство по п. 12, дополнительно содержащее телеметрическое устройство для коммуникации данных о текущем режиме сцепления указанного передаточного механизма на приемник, расположенный на поверхности.