Генератор колебаний с колеблющимся весовым элементом
Группа изобретений относится к созданию колебаний в скважине с помощью генераторов для обеспечения осевого перемещения бурильной колонны. Технический результат – повышение надежности работы генератора с обеспечением эффективности его применения. Генератор колебаний содержит первый аксиально подвижный элемент. Он соединен со вторым подвижным в поперечном направлении элементом, установленным внутри корпуса с помощью механического соединения. Механическое соединение может представлять собой устройство в виде штифта и паза. Паз образует модифицированный или немодифицированный синусоидальный направляющий контур, что обеспечивает возможность колебательного движения первого элемента внутри корпуса. Второй элемент обеспечивает возможность приведения в движение турбинного узла, который может иметь средства для регулирования расхода текучей среды. Это позволяет получить генератор колебаний, содержащий минимум подвижных и, следовательно, изнашиваемых деталей. Форма участков паза обеспечивает возможность ускоренного и/или замедленного перемещения вперед и назад первого элемента, что позволяет применять его для различных конкретных применений в стволе скважины. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к генератору колебаний, вызывающему аксиальное перемещение скважинного инструмента, например, бурильной колонны, в стволе скважины, причем генератор колебаний содержит:
- корпус, выполненный с возможностью размещения в стволе скважины, причем корпус имеет первый открытый конец, соединенный со вторым открытым концом по меньшей мере через внутреннюю поверхность, при этом корпус выполнен с возможностью направления по меньшей мере части текучей среды для бурения через корпус посредством первого и второго открытых концов;
- приводной узел, например, приводной узел, приводимый в действие текучей средой, выполненный с возможностью приведения в движение генератор колебаний, причем приводной узел выполнен с возможностью соединения с первым подвижным элементом, расположенным внутри корпуса; и
- при этом первый элемент выполнен с возможностью такого перемещения в аксиальном направлении относительно корпуса, которое вызывает аксиальное перемещение расположенного с наружной стороны скважинного инструмента, соединенного с генератором колебаний, когда приводной узел приводит в движение первый элемент. Настоящее изобретение относится также к применению такого генератора колебаний.
Предпосылки создания изобретения
В настоящее время скважины (также называемые стволами скважин) включают в себя верхний участок ствола скважины, связанный с подвижной или неподвижной буровой установкой, доходящий до требуемой глубины бурения, и нижний участок ствола скважины, доходящий до необходимых коллекторов, например, коллектора нефти или газа, находящихся под землей. Ствол скважины обычно представляет собой вертикальный ствол скважины, который искривляется или разветвляется на один или несколько горизонтальных стволов скважины, в которых бурильная колонна подвергается воздействию различных нагрузок, таких как сила тяжести, поровое давление окружающего материала, плотность текучей среды и давление/крутящий момент/вес от подвижных частей бура. Текучая среда для бурения, например, буровой раствор, обычно циркулирует, проходя внутри бурильной колонны, затем через буровое долото и в кольцевое пространство. В таком случае буровой раствор поднимает буровой шлам на поверхность и, тем самым, очищает ствол скважины. Хорошо известно, что дебит скважины и, следовательно, прибыль от скважины часто определяется длиной зоны коллектора в стволе скважины. Известно применение генератора колебаний для того, чтобы вызывать перемещение скважинного инструмента в бурильной колонне, которое приводит к уменьшению трения между бурильной колонной и боковыми стенками ствола скважины и позволяет увеличить длину ствола скважины. Примером такого генератора колебаний является генератор колебаний NOV (см. документ US 8167051 В2) от компании NOV, который содержит гидравлический забойный двигатель с ротором и статором, соединенный с клапанным устройством, которое, в свою очередь, соединено с амортизирующим переводником. Гидравлический забойный двигатель приводит в действие клапаны, что вызывает растяжение бурильной колонны при повышенном давлении. Недостатком этой конструкции является то, что она создает большие колебания перепада давления, что является помехой для передачи данных через текучую среду для бурения. Для этой конструкции, к тому же, характерна проблема с температурой в связи с температурным ограничением для эластомера статора.
В документе US 2010/0326733 А1 описан другой генератор колебаний, содержащий турбину с кольцевым обтекателем, которая вращается относительно выпускного отверстия в наружном корпусе. В то время как турбина вращается, давление текучей среды для бурения будет непрерывно повышаться и снижаться по мере того, как внутреннее отверстие в турбине проходит мимо выхода в кольцевое пространство. Это повышенное внутреннее давление вызывает растяжение бурильной колонны, которое будет мешать передаче данных через текучую среду для бурения.
Оба из описанных выше технических решений требуют установки амортизатора сзади генератора колебаний для обеспечения амортизации возвратного перемещения, которое следует за перемещением вперед, как описано в третьем законе Ньютона о равенстве силы действия силе противодействия. Клапаны и отверстия, образованные в этих скважинных устройствах, могут закупориваться из-за присутствия в текучей среде для бурения посторонних частиц, твердой фазы раствора и материала для борьбы с поглощениями, которые могут вызывать выход из строя скважинного устройства вследствие повышения внутреннего давления.
В документе US 2012/0186878 А1 описан генератор колебаний, содержащий гидравлический забойный двигатель, приводящий в движение вращающийся вал, имеющий смещенный конец, который регулирует прохождение текучей среды к поршню возвратно-поступательного хода. Поршень, в свою очередь, соединен с подвижной массой, которая вводится в контакт с буровым долотом, когда поршень перемещается вперед. Клапанные отверстия, образованные в этом генераторе колебаний, тоже могут закупориваться из-за присутствия в текучей среде для бурения посторонних частиц и твердой фазы раствора, которые могут вызывать выход из строя генератора колебаний вследствие повышения внутреннего давления. Эта конструкция имеет сравнительно сложное устройство с большим количеством подверженных износу частей, которые нуждаются в регулярном проведении их чистки или технического обслуживания.
В документе US 5601152 А описан генератор колебаний, содержащий вращающийся шпиндельный узел, соединенный с вибрационным узлом, который вызывает возвратно-поступательное перемещение нижнего узла в аксиальном направлении. Бурильная колонна вызывает вращение шпиндельного узла, который вызывает вращение основной корпусной части вибрационного узла. Основная корпусная часть приводит в движение первый вал, имеющий радиально проходящий штифт. С радиально проходящим штифтом шарнирно соединен второй вал, который соединен с Т-образным элементом нижнего узла. В то время как первый вал вращается, второй вал поворачивается вокруг радиального штифта при каждом обороте. Это ведет к возвратно-поступательному перемещению нижнего узла в аксиальном направлении. Генератор колебаний имеет относительно сложную конструкцию с большим числом компонентов, в результате чего возрастает опасность выхода из строя одного или нескольких компонентов во время работы, в частности компонентов, качающихся вокруг оси. Поворотный вал обеспечивает ограниченное аксиальное перемещение нижнего узла, в результате чего уменьшается влияние генератора колебаний. Эта конструкция оказывает на систему ударное действие, мешающее передаче данных через текучую среду, и предоставляет очень узкий проход для прохождения текучей среды через генератор колебаний, что увеличивает опасность закупориваний.
В документе WO 2012/120403 А1 описан скважинный инструмент, содержащий подвижную в осевом направлении массу, соединенную с поворотной приводной осью с помощью поворотной плиты и соединительного стержня. Соединительный стержень расположен на торцевой поверхности указанной массы, где свободный конец соединен с периферией поворотной плиты, расположенной на боковой поверхности приводной оси. Защитная пружина расположена в скважинном инструменте или относительно него для защиты поворотной плиты при применении ударного воздействия.
Цель изобретения
Цель изобретения заключается в создании генератора колебаний, который уменьшает трение между бурильной колонной и внутренней стенкой ствола скважины и улучшает передачу веса от бурильной колонны к буровому долоту.
Целью изобретения является обеспечение перемещения вперед колеблющейся массы без такого же перемещения назад за счет конструктивного исполнения с синусоидальными кривыми.
Целью изобретения является создание генератора колебаний, который имеет простую конструкцию и меньше изнашиваемых частей, и который имеет относительно постоянный перепад давления во время работы.
Целью изобретения является создание генератора колебаний, который не мешает передаче данных через текучую среду для бурения.
Целью изобретения является создание генератора колебаний, который может быть применен для различных целей, таких как улавливание предметов, извлечение единиц оборудования или перемещение и спуск лифтовых труб или обсадных труб. Описание изобретения
Цель изобретения достигается с помощью генератора колебаний, отличающегося тем, что
- внутри корпуса установлен второй подвижный элемент, причем второй элемент выполнен с возможностью соединения с приводным узлом и перемещения, например, вращения, в поперечном направлении относительно первого элемента, причем первый и второй элементы установлены относительно общей центральной оси; и
- при этом первый элемент соединен со вторым элементом посредством механических соединительных средств, преобразующих поперечное перемещение второго элемента в аксиальное перемещение первого элемента.
Это дает возможность получить генератор колебаний, пригодный для применения в стволах скважин, в которых текучая среда для бурения, такая как буровой раствор, подается насосом через бурильную колонну в ствол скважины, например, ствол скважины для добычи природного газа, такого как сланцевый газ. Генератор колебаний выполнен с возможностью приведения его в действие текучей средой для бурения, подаваемой насосом через генератор колебаний и выпускаемой в буровое долото. Этот генератор колебаний имеет простую конструкцию и содержит очень мало движущихся и, следовательно, изнашиваемых частей, в отличие от других генераторов колебаний, которые имеют сложную конструкцию и много изнашиваемых частей. Колебательное перемещение между двумя элементами в корпусе вызывает дисбаланс массы, который вызывает аксиальное перемещение скважинных инструментов, соединенных с генератором колебаний. Это обеспечивает уменьшение трения между бурильной колонной и внутренней стенкой ствола скважины и позволяет передавать к буровому долоту массу от бурильной колонны сзади генератора колебаний. Это обеспечивает сокращение времени технического обслуживания и увеличение времени работы, так как он не содержит клапаны или узкие каналы для прохождения потока текучей среды. Длина бурильной колонны может быть увеличена в горизонтальном направлении вплоть до 12 километров или более.
Корпус может содержать опорный элемент в виде одного или нескольких ответвлений или кольцевого выступа, расположенных вблизи первого открытого конца корпуса, предназначенный для поддержания частей, расположенных внутри корпуса. Это дает возможность свободно подвешивать генератор колебаний от опорного элемента, что исключает необходимость в наличии опорных подшипников, расположенных на противоположном конце корпуса. На контактной поверхности опорного элемента может быть установлен опорный блок. Блок может включать в себя один или несколько подшипников, таких как радиальный подшипник и/или упорный подшипник, и, факультативно, демпфирующие средства в виде одного или нескольких пружинных элементов, например, тарельчатых пружин.
Первый открытый конец может содержать соединительные средства в виде винтовой резьбы с витками внутренней или наружной резьбы, предназначенные для соединения с другим корпусом или скважинным инструментом с сопрягающимся соединением. Второй открытый конец может дополнительно или в соответствии с другим вариантом содержать соединительные средства в виде винтовой резьбы с витками внутренней или наружной резьбы, предназначенные для соединения с другим корпусом или скважинным инструментом с сопрягающимся соединением. Генератор колебаний может быть установлен сзади бурильного долота или измерительного устройства или в любом другом местоположении в бурильной колонне.
Соединительные средства включают в себя первый соединительный элемент, расположенный на первой поверхности первого элемента, который выполнен с возможностью зацепления со вторым соединительным элементом, расположенным на второй и противолежащей поверхности второго элемента, и при этом первый соединительный элемент выполнен с возможностью перемещения вдоль второго соединительного элемента, когда приводной узел приводит в движение второй элемент.
Два подвижных элемента соединены вместе посредством механического соединения, которое преобразует вращательное перемещение второго элемента в аксиальное перемещение первого элемента. Благодаря этому исключается необходимость в наличии клапанных устройств и/или поршней для приведения в движение первого элемента, в результате чего уменьшается количество деталей в генераторе колебаний и повышается стойкость конструкции к износу в процессе работы. Благодаря этому также исключается необходимость в наличии клапанного устройства, которое вызывало бы изменения перепада давления во всем генераторе колебаний.
Согласно одному варианту осуществления изобретения первый соединительный элемент представляет собой штифт, выступающий из первой поверхности одного из элементов, и второй соединительный элемент представляет собой паз, например, изогнутый и/или прямой паз, расположенный на второй поверхности другого элемента, причем паз выполнен с возможностью по меньшей мере частичного размещения в нем свободного конца штифта.
Механическое соединение в простом варианте конструктивного исполнения может представлять собой устройство в виде штифта и паза, в котором паз имеет такую конфигурацию, которая обеспечивает возможность перемещения штифта вдоль паза, когда два элемента движутся относительно друг друга. Паз выполнен такой формы, чтобы в нем мог размещаться свободный конец штифта, при этом толщина или диаметр штифта приблизительно соответствует ширине паза. Ширина паза может быть увеличена для более свободной посадки штифта в пазе. Это позволяет сделать ход штифта более свободным и ввести коррекцию, позволяющую компенсировать любые допустимые отклонения от заданной формы наружных поверхностей паза и штифта. Штифт может быть составной частью элемента для обеспечения повышения прочности соединения или может быть соединен с элементом с помощью крепежных средств, таких как винты, болты, гайки, или резьбового соединения для того, чтобы упростить сборку. Штифт может быть вставлен через установочное отверстие в наружной поверхности первого элемента во время сборки.
Соединительные средства могут иметь любое другое конструктивное исполнение, такое, как например, кулачковый механизм с кулачком и ведомым им элементом, в котором кулачок контактирует с ведомым им элементом и вызывает его перемещение. Вращающий второй элемент может содержать кулачок в форме барабана или цилиндра или может быть соединен с кулачковым элементом в форме барабана или цилиндра, при этом кулачок имеет контактную поверхность для контакта с контактной поверхностью перемещающегося в аксиальном направлении первого элемента. Первый элемент может содержать сопрягающийся кулачок в форме барабана или цилиндра или может быть соединен с кулачковым элементом в форме барабана или цилиндра. Первый элемент может вместо этого содержать роликовый ведомый элемент, работающий по кулачку, имеющий по меньшей мере один вращающийся элемент, или может быть соединен с ним. Вторая контактная поверхность расположена на кулачке или на вращающемся элементе роликового ведомого элемента, работающего по кулачку.
Согласно одному варианту осуществления изобретения второй соединительный элемент образует по меньшей мере первый направляющий участок для аксиального перемещения вперед первого соединительного элемента, при этом первый направляющий участок соединен по меньшей мере со вторым направляющим участком для аксиального перемещения назад первого соединительного элемента, и при этом первый и второй участки образуют направляющий контур для аксиального перемещения первого соединительного элемента.
Паз образует замкнутый направляющий контур вдоль поверхности этого элемента, что дает возможность совершать первому элементу колебательное движение перемещения вперед и назад. Паз имеет по меньшей мере один участок паза с заранее заданными амплитудой, наклоном и длиной, который обеспечивает перемещение вперед, и по меньшей мере один другой участок паза с заранее заданными амплитудой, наклоном и длиной, который обеспечивает перемещение назад. Паз может быть выполнен так, что первый элемент совершает один цикл за один оборот второго элемента. Скорость и число циклов за один оборот могут быть увеличены путем расположения на поверхности более двух участков паза.
Согласно конкретному варианту осуществления изобретения первый и второй направляющие участки имеют симметричную форму, например, синусоидальный паз, или по меньшей мере один из направляющих участков имеет модифицированную форму, например, с заранее заданными амплитудой, наклоном и/или периодом, которая отличается от его имметричной формы, для обеспечения ускорения или замедления осевого перемещения первого соединительного элемента.
Два участка паза могут образовывать синусоиду или другую форму с заранее заданными амплитудой, частотой/периодом и наклоном. Форма каждого участка паза может быть симметрично профилированной вокруг пикового участка, соединяющего два участка паза, в результате чего обеспечивается равномерное перемещение первого элемента. По меньшей мере один из участков паза может иметь модифицированную форму, при которой амплитуда, наклон и/или период этого участка паза отличаются от их значений, имеющих место при его симметричной форме. Могут быть соответственно модифицированы один или оба пиковых участка. Это позволяет ускорять и/или замедлять движение первого элемента между пиками и обеспечивает быстрый и/или медленный останов в пиках или позволяет сделать все перемещение нейтральным. Участок паза по всей его длине может иметь изогнутую форму, или на его части он может иметь правильную форму. Амплитуда, частота/период и наклон участков паза могут быть определены исходя из разных требуемых критериев, например, расхода текучей среды, числа циклов за один оборот, типа или веса текучей среды для бурения, вязкости текучей среды, габаритных размеров бурильной колонны и т.п.
Один из участков паза может иметь немодифицированную форму, тогда как другой участок паза имеет модифицированную форму, что обеспечивает динамичное движение. По меньшей мере один из пиковых участков между участками паза может быть профилирован для обеспечения быстрого или медленного останова, то есть могут иметь правильную кривизну или быть уплощенными. Это позволяет устанавливать разную скорость перемещения вперед и назад. Участки паза могут быть спроектированы согласно третьему закону Ньютона таким образом, что генератор колебаний совершает равные друг другу действие и противодействие или увеличенные действие или противодействие, например, замедляет противодействие ходу.
Согласно конкретному варианту осуществления изобретения один из участков имеет направляющий подучасток, который имеет третью форму, отличающуюся от формы остальной части этого участка для третьего аксиального перемещения, например, перемещения хода, первого соединительного элемента.
По меньшей мере один из участков паза может иметь подучасток, который имеет форму, отличающуюся от формы остальной части участка паза. Ширина паза на этом подучастке может быть увеличенной, например, в результате выполнения изогнутых выемки и/или выступа в одной из боковых поверхностей паза. Это позволяет первому элементу совершать положительное (вперед) или отрицательное (назад) движение хода при каждом прохождении штифта по этому подучастку. Это обеспечивает возможность совершения генератором колебания более чем одного перемещения хода за один цикл. Согласно одному варианту осуществления изобретения первый элемент представляет собой цилиндр и второй элемент представляет собой вал, и при этом цилиндр имеет первую поверхность, обращенную к валу, и вал имеет вторую поверхность, обращенную к цилиндру, причем вал предпочтительно заходит по меньшей мере частично в полость цилиндра.
Первый элемент, предпочтительно, выполнен в виде весового элемента, имеющего заранее заданные массу и вес. Весовой элемент в предпочтительном варианте его конструктивного исполнения может быть выполнен в форме цилиндрического элемента. Второй элемент, предпочтительно, выполнен в виде активирующего элемента, который активирует или приводит в движение второй элемент. В предпочтительном варианте осуществления изобретения активирующий элемент имеет форму вала, который выполнен с возможностью соединения с приводным узлом. Вал может проходить сквозь весовой элемент или заходить в полость весового элемента. Штифт может быть выполнен в форме одного удлиненного штифта или L- или Т-образного штифта, выдающегося наружу от поверхности, и паз может быть расположен на обращенной к ней противолежащей поверхности, при этом свободный(ые) конец(цы) штифта размещен(ы) в пазе. Штифт может быть расположен на внутренней поверхности или концевой поверхности первого элемента, обращенной ко второму элементу, и паз может быть расположен на наружной поверхности или концевой поверхности второго элемента, обращенной к первому элементу, или наоборот. Штифт может быть установлен на подшипнике для уменьшения трения в пазе.
Согласно одному варианту осуществления изобретения между наружной поверхностью второго элемента и внутренней поверхностью корпуса установлено направляющее средство для ограничения перемещения первого элемента до аксиального перемещения относительно второго элемента.
Между корпусом и первым элементом может быть расположено направляющее средство в виде шлицевого устройства, в котором первый шлицевой элемент соединен с внутренней поверхностью корпуса и второй шлицевой элемент соединен с наружной поверхностью первого элемента. Два шлицевых элемента могут быть выполнены в форме удлиненных направляющих выступов, при этом две группы выступов смещены относительно друг друга. Зазор между двумя соседними выступами может приблизительно соответствовать ширине расположенного напротив сопрягающегося выступа. Зазор между двумя соседними выступами может быть увеличен для обеспечения возможности свободного перемещения в нем выступа, расположенного напротив. Шлицевое устройство может быть выполнено с возможностью направления первого элемента вдоль первого пути и направления его назад вдоль второго пути. Это препятствует вращению первого элемента вместе со вторым элементом.
Согласно одному варианту осуществления изобретения на первом открытом конце расположено по меньшей мере первое уплотнительное устройство, причем по меньшей мере один из элементов, например, второй элемент, проходит через уплотнительное устройство и содержит по меньшей мере одно впускное отверстие, соединенное с каналом для прохождения текучей среды, который, в свою очередь, соединен по меньшей мере с одним выпускным отверстием.
Корпус может быть герметизирован на обоих открытых концах с помощью уплотнительного устройства в виде кругового или кольцеобразного уплотнения, соединенного с возможностью контакта с внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью приводного узла или второго элемента. Вал, образующий второй элемент, может проходить через уплотнение на первом открытом конце и заключать в себе одно или более впускных отверстий для ввода текучей среды для бурения в канал для прохождения текучей среды, расположенный внутри вала. Канал для прохождения потока текучей среды проходит сквозь вал и соединен с одним или несколькими выпускными отверстиями на втором открытом конце для вывода текучей среды для бурения к буровому долоту. Это позволяет направить через полый вал и, следовательно, через генератор колебаний, однопроводную линию передачи.
Герметизация второго открытого конца может быть осуществлена с помощью уплотнения, выполненного в виде устройства для уравновешивания давления, в результате чего образуется закрытая камера, в которой расположены первый и второй элементы. Первый и второй элементы могут быть погружены в другую подходящую текучую среду, например, масло или воду, для уменьшения трения подвижных элементов. Вместо этого может быть применен буровой раствор.
Корпус может иметь цилиндрическую форму и такой внутренний диаметр, который превышает наружный диаметр первого цилиндрического элемента. Зазор на том и другом конце между уплотнениями и первым элементом и зазор между первым элементом и корпусом дает возможность первому элементу свободно перемещаться и смещать вторую текучую среду в камере.
Согласно конкретному варианту осуществления изобретения на втором открытом конце установлено устройство уравновешивания давления для уравновешивания перепада давления между текучей средой, находящейся внутри корпуса, и текучей средой, находящейся снаружи корпуса.
Устройство уравновешивания давления может представлять собой подвижный уравновешивающий поршень, имеющий уплотнительный элемент, контактирующий с внутренней поверхностью корпуса, и второй уплотнительный элемент, контактирующий с наружной поверхностью первого или второго элементов. Устройство для уравновешивания давления герметизирует второй открытый конец в то время как оно регулирует давление внутри камеры исходя из давления снаружи открытого конца. Элемент для уравновешивания давления позиционирован относительно первого уплотнительного устройства таким образом, что первый элемент имеет возможность свободного перемещения в пределах амплитуды паза или кулачка второго элемента даже при максимальном допустимом перепаде давления, вызываемом гидростатическим напором, давлением насоса или весом текучей среды для бурения.
Согласно одному варианту осуществления изобретения на внутренней поверхности корпуса расположен по меньшей мере один выступ, который содержит первую контактную поверхность, предназначенную для контакта со второй поверхностью на первом элементе, когда первый элемент перемещается в аксиальном направлении.
На открытом конце или вблизи него может быть расположен выступ в виде в виде одного или нескольких ответвлений или кольцевой выступ. Выступ может содержать контактную поверхность, обращенную к первому элементу, предназначенную для контакта с сопрягающейся контактной поверхностью на первом элементе. Выступ расположен относительно опорного элемента таким образом, что первый элемент оказывает толчковое воздействие на выступ во время движения вперед, действуя, таким образом, как молоток или наковальня. В тот момент или вблизи того момента, когда первый элемент контактирует с выступом, паз может иметь большую ширину, чем остальная часть паза, что обеспечивает возможность свободного перемещения штифта относительно паза во время оказания толчкового воздействия. Подучасток может быть применен для обеспечения толчкового взаимодействия с выступом.
Согласно одному варианту осуществления изобретения со вторым элементом с помощью другой группы соединительных средств может соединен по меньшей мере другой первый подвижный элемент, при этом группа соединительных средств включает в себя третий соединительный элемент, выполненный с возможностью перемещения вдоль четвертого соединительного элемента, когда приводной узел приводит в движение второй элемент.
С одним и тем же вторым элементом может быть соединено два или больше первых элементов, при этом оба первых элемента соединены со вторым элементом посредством двух механических соединений, выполненных в виде устройства из штифта и паза и/или кулачкового механизма с кулачком и ведомым им элементом, работающим по кулачку. Вес первых элементов может быть адаптирован к требуемым применению, размерам генератора колебаний, или силе перемещения вперед, или ударному действию. Все первые элементы могут отличаться друг от друга по весу, а также по амплитуде, частоте и наклону каждого механического соединения. Это позволяет адаптировать частоту и действие перемещения к требуемым применению и условиям эксплуатации.
Согласно одному варианту осуществления изобретения приводной узел выполнен в виде турбины или героторного насоса, при этом приводной узел содержит по меньшей мере одну лопатку, установленную на валу, для продвижения через приводной узел по меньшей мере части текучей среды для бурения, и при этом, предпочтительно, впереди приводного узла установлены средства для регулирования расхода текучей среды.
Применение любого типа турбин для приведения в действие генератора колебаний обеспечивает более стабильный перепад давления, который не мешает передаче через текучую среду для бурения таких данных, как данные измерения забойных параметров в процессе бурения или другая передаваемая через давление информация. Благодаря этому также исключается проблема с температурой, так как она не содержит статор с эластомером. Турбина может содержать ряд турбинных лопаток, установленных на валу, которые выполнены с возможностью соединения со вторым элементом посредством соединительных средств в виде винтовой резьбы. Вал турбины может иметь витки внутренней резьбы для соединения с витками наружной резьбы второго элемента, или наоборот. Турбинная лопатка может быть выполнена с возможностью приведения во вращение второго элемента в направлении по часовой стрелке или против часовой стрелки. Это дает возможность выполнить приводной узел в виде отдельного узла, который можно легко соединить со вторым элементом. Приводной узел, в соответствии с другим вариантом, может представлять собой известный героторный насос. Героторный насос может быть выполнен с конфигурацией статор/ротор любого типа, от систем с полулопастями до многолопастных и многоступенчатых систем. Приводной узел может быть установлен во втором корпусе, который соединен с первым открытым концом первого корпуса. Этот второй корпус может содержать соединительные средства, выполненные в виде винтовой резьбы с витками внутренней резьбы и витками наружной резьбы, для соединения с другим скважинным инструментом с сопрягающимся соединением.
С противоположной стороны от соединительных средств турбина может быть соединена с дросселем, предназначенным для регулирования количества текучей среды, проходящего через турбинные лопатки, и канала в валу для прохождения потока текучей среды. Дроссель может иметь статическую конструкцию, при которой в процессе сборки установлена заранее заданная величина расхода текучей среды, или может иметь динамическую конструкцию, которая дает возможность регулировать расход текучей среды во время работы, например, с помощью внешнего устройства управления.
Со вторым открытым концом первого корпуса может быть соединен третий корпус, предназначенный для защиты выпускных отверстий второго элемента. Третий корпус может содержать соединительные средства, выполненные в виде винтовой резьбы с витками внутренней резьбы и витками наружной резьбы, предназначенные для соединения с другим скважинным инструментом с сопрягающимся соединением. Варианты конструктивного исполнения генератора колебаний согласно изобретению дают возможность применять его для любой из следующих областей применения: бурение стволов скважин, например, горизонтальных стволов скважин; перемещение единиц оборудования, например, обсадных труб или лифтовых труб, в стволе скважины; улавливание предметов в стволе скважины и/или монтаж и извлечение однополюсных оснований.
Генератор колебаний может применяться при бурении ствола скважины для сообщения движения вперед буровому долоту. Колеблющиеся внутренние весовые элементы дают возможность применять генератор колебаний также для приложения толкающих или тянущих усилий к другой единице оборудования, находящейся в стволе скважины, такой как обсадная труба, лифтовые трубы, пакеры, насосы, сетчатые фильтры и т.п. Усилие перемещения вперед и ударное действие могут применяться также для улавливания утерянной или застрявшей в стволе скважины единицы оборудования, при этом генератор колебаний может применяться для сообщения единице оборудования вибраций и извлечения единицы оборудования. В конкретном варианте осуществления изобретения габаритные размеры генератора колебаний могут быть увеличены и/или второй корпус может быть выполнен с возможностью соединения с верхним концом однополюсного основания или установки на нем, например, для ветряных турбин или других морских оснований. Колеблющиеся внутренние весовые элементы в таком случае применяются для монтажа и затем открепления однополюсного основания от грунта морского дна.
Описание чертежей
Изобретение описано на примере его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых:
на фиг. 1 представлен первый иллюстративный вариант конструктивного исполнения генератора колебаний согласно изобретению;
на фиг. 2 представлен второй иллюстративный вариант конструктивного исполнения генератора колебаний;
на фиг. 3 представлен первый вариант конструктивного исполнения немодифицированного паза согласно изобретению;
на фиг. 4 представлен второй вариант конструктивного исполнения модифицированного паза;
на фиг. 5 представлен третий вариант конструктивного исполнения модифицированного паза; и
на фиг. 6 представлен четвертый вариант конструктивного исполнения модифицированного паза.
В тексте, приведенном ниже, чертежи описаны по порядку, и разные детали, и местоположения, которые видны на чертежах, пронумерованы на разных чертежах одинаковыми позициями. Вместе с конкретным чертежом не обязательно рассматриваются все детали и местоположения, указанные на этом чертеже.
Подробное описание изобретения
На фиг. 1 представлен первый иллюстративный вариант конструктивного исполнения генератора 1 колебаний, предназначенного для того, чтобы вызывать аксиальное перемещение скважинного инструмента бурильной колонны в стволе скважины (не показаны). Генератор 1 колебаний может содержать первый корпус 2, выполненный с возможностью размещения в стволе скважины, который может иметь цилиндрическую форму. Корпус 2 имеет наружную поверхность 3, обращенную к внутренней поверхности ствола скважины, и внутреннюю поверхность 4, обращенную по меньшей мере к одному подвижному элементу 5, расположенному внутри корпуса 2. Корпус 2 может содержать первый открытый конец 6, соединенный со вторым открытым концом 7 через боковые стороны корпуса 2. Корпус 2 может быть изготовлен из металла, такого как сталь, чугун или другой подходящий материал. Длина и наружный диаметр корпуса 2 адаптированы к требуемому применению генератора 1 колебаний.
Подвижный элемент 5, представляющий собой весовой элемент, может быть выполнен с возможностью перемещения в аксиальном направлении (указанном стрелкой 8) относительно корпуса 2. Внутри корпуса 2 может быть установлен второй подвижный элемент 9, соединенный с первым элементом 5. Второй элемент 9, представляющий собой активирующий элемент, может быть выполнен с возможностью приведения его в движение с помощью приводного узла 10, приводимого в действие текучей средой. Второй элемент 9 может быть выполнен с возможностью вращения в поперечном направлении (указанном стрелкой 11) относительно корпуса 2. Первый и второй элементы 5, 9 могут быть соединены вместе посредством механического соединения 12, выполненного с возможностью преобразования поперечного перемещения второго элемента 9 в аксиальное перемещение первого элемента 5. Элементы 5, 9 могут быть изготовлены из металла, такого как сталь, чугун, свинец или другой подходящий материал. Механическое соединение 12 может содержать штифт 12а и паз 12b, выполненный с возможностью по меньшей мере частичного размещения в нем штифта 12а и направления его вдоль паза 12b, когда второй элемент 9 вращается.
На внутренней поверхности 4 корпуса 2 может быть установлен опорный элемент 13, выполненный в виде одного или нескольких ответвлений, который может быть соединен с корпусом с помощью средств крепления, таких как болты или сварка, или может образовывать часть корпуса 2. На контактной поверхности опорного элемента 13 может быть установлен блок 14, и этот блок может быть соединен с элементом 5 с возможностью вращения. Блок 14 может включать в себя упорный подшипник 14a, радиальный подшипник 14b и один или несколько пружинных элементов 14с для демпфирования аксиальных перемещений второго элемента 9 и подвешивания элементов 5, 9.
Первый элемент 5 может представлять собой цилиндр, имеющий наружную поверхность 15, обращенную к внутренней поверхности 4 корпуса 2, и внутреннюю поверхность 16, обращенную ко второму элементу 9. К первому открытому концу 6 корпуса 2 обращен первый открытый конец 17, который соединен со вторым открытым концом 18, обращенным ко второму открытому концу 7 корпуса 2, через боковые стороны цилиндра 5. Второй элемент 9 может представлять собой вал, имеющий наружную поверхность 19, обращенную к внутренней поверхности 16 полости в первом элементе 5. Второй элемент 9 может проходить через первый элемент 5, как показано на фиг. 1, по направлению к открытым концам 6, 7. Во втором элементе 9 может быть расположено сквозное отверстие 20 для продвижения по меньшей мере части текучей среды для бурения (указанной стрелкой 21) через генератор 1 колебаний. Сквозное отверстие 20 может быть соединено с одним или несколькими впускными отверстиями 22, расположенными на открытом конце 6, например, впереди приводного узла 10, и одним или несколькими выпускными отверстиями 23, расположенными на открытом конце 7. Этим обеспечивается возможность выполнения сквозным отверстием 20 функции канала для прохождения потока текучей среды 21 для бурения.
Между блоком 14 и опорным элементом 13 или с противоположной стороны от блока 14 может быть установлено уплотнительное устройство 24, выполненное в виде деформируемого элемента. На открытом конце 7 или вблизи него может быть установлено еще одно уплотнительное устройство 25, выполненное в виде подвижного устройства уравновешивания давления. Устройства 24, 25 образуют вместе с внутренней поверхностью 4 закрытую камеру 26, заполненную второй текучей средой, такой как масло. Устройство 25 уравновешивания давления может быть выполнено с возможностью свободного перемещения между первым концевым местоположением и вторым концевым местоположением для регулирования давления текучей среды, находящейся внутри камеры 26. Между первым элементом 5 и внутренними поверхностями камеры 26 установлен зазор 27 для обеспечения возможности свободного перемещения элемента 5 внутри камеры 26 даже тогда, когда устройство 25 установлено в одном из концевых положений. С камерой 26 соединены вторые впускное отверстие и выпускное отверстие (не показаны) для ввода в камеру 26 и вывода из нее второй текучей среды. На конце второго элемента 9 может быть установлено стопорное устройство 28, задающее одно из концевых положений.
Между корпусом 2 и первым элементом 5 может быть установлено направляющее средство 29, выполненное в виде шлицевого устройства. Шлицевое устройство 29 может содержать первый шлицевой элемент 29а, соединенный с внутренней поверхностью 4 и выполненный с возможностью его направления вдоль второго шлицевого элемента 29b, соединенного с наружной поверхностью 15. Направляющее средство 29 выполнено с возможностью ограничения аксиального перемещения первого элемента 5 относительно второго элемента 9. Между наружной поверхностью 15 и внутренней поверхностью 4 может быть установлено подшипниковое устройство 30 для обеспечения центрирования элемента 5.
На поверхности 4 на противоположном конце опорного элемента 13 могут быть расположены один или несколько выступов 31, выполненных в виде ответвлений. Выступ 31 содержит контактную поверхность 31а, предназначенную для контакта с контактной поверхностью 31b на первом элементе 5. Выступ 31 может быть расположен относительно первого элемента 5 таким образом, что контактные поверхности 31а, 31b входят в контакт друг с другом, когда первый элемент 5 движется вперед.
Приводной узел 10 может представлять собой турбину, имеющую ряд турбинных лопаток 32, установленных на валу 33 турбины. Турбинные лопатки 32 могут быть ориентированы в направлении по часовой стрелке или направлении против часовой стрелки. Вал 33 может содержать соединительный элемент 33а, выполненный в виде винтовой резьбы, предназначенный для соединения с сопрягающимся с ним соединительным элементом 33b, расположенным на элементе 9. Между турбинными лопатками 32 и соединительным элементом 33а могут быть расположены одно или несколько вторых впускных отверстий 34, и эти отверстия могут быть соединены со сквозным отверстием 20. Впереди приводного узла 10 может быть установлено устройство 35 для регулирования расхода текучей среды, предназначенное для регулирования потока текучей среды, поступающего к турбинной лопатке 32 и в сквозное отверстие 20. Устройство 35 для регулирования расхода текучей среды может иметь статическую конструкцию, например, конусообразный или воронкообразный элемент, с впускным отверстием 35а для ввода части текучей среды 21 в устройство 35 для регулирования расхода текучей среды и выпускным отверстием 35b для ввода текучей среды 21 в сквозное отверстие 20.
На фиг. 2 представлен второй иллюстративный вариант конструктивного исполнения генератора 1' колебаний, в котором первый элемент 5' отличается от первого элемента 5, изображенного на фиг. 1, тем, что он проходит мимо устройства 25 уравновешивания давления. Уплотнительное устройство 25' выполнено с возможностью перемещения относительно наружной поверхности 15а элемента 5'. Между наружной поверхностью 19 второго элемента 9 и внутренней поверхностью 16а первого элемента 5' может быть установлено уплотнительное устройство 36.
С первым корпусом 2 на открытом конце 6 может быть соединен второй корпус 37. Корпус 37 на одном конце может содержать первый соединительный элемент 38а, выполненный в виде винтовой резьбы для соединения с сопрягающимся соединительным элементом 38b на открытом конце 6 для обеспечения защиты приводного узла 10. Для обеспечения защиты концов элементов 5, 9 с первым корпусом 2 на открытом конце 7 может быть соединен третий корпус 39. Корпус 39 на одном конце может содержать первый соединительный элемент 40а в виде винтовой резьбы, предназначенный для соединения с сопрягающимся соединительным элементом 40b на открытом конце 7. Корпуса 37, 39 могут содержать соединительные элементы 41а, 41b для соединения с сопрягающимися соединительными элементами другого корпуса или расположенного с наружной стороны скважинного инструмента (не показан).
На фиг. 3 представлен первый иллюстративный вариант конструктивного исполнения механического соединения 12 в генераторе 1 колебаний, причем штифт 12а не показан. Паз 12b может образовывать замкнутый контур 42, определяющий собой первый участок 43а паза для перемещения первого элемента вперед, то есть по направлению к открытому концу 7, и второй участок 43b паза для перемещения первого элемента назад, то есть по направлению к открытому концу 6. Участки 43 паза соединены через первый и второй немодифицированные пиковые участки 44а, 44b. Участки 43, 44 могут образовывать немодифицированный синусоидальный паз. Участки 43 паза образуют по меньшей мере один цикл с заранее заданными амплитудой, частотой/периодом и наклоном, задающий нейтральное колебательное перемещение генератора 1 колебаний. На фиг. 4 представлен второй иллюстративный вариант конструктивного исполнения замкнутого контура 42', в котором участки 43, 44 образуют модифицированный синусоидальный паз. В этом варианте конструктивного исполнения второй участок 43с паза может быть модифицирован (увеличен наклон), что обеспечивает ускоренное перемещение первого элемента 5 назад. Пиковый участок 44c, соединенный с участками 43а, 43с паза, может быть модифицирован так, что перемещение первого элемента 5 прекращается медленно (наклон уменьшен). Пиковый участок 44d, соединенный с участками 43а, 43с паза, может быть модифицирован так, что перемещение первого элемента 5 прекращается быстро (наклон увеличен). Амплитуда и/или частота цикла могут быть такими, как показано на фиг. 3.
На фиг. 5 представлен третий иллюстративный вариант конструктивного исполнения замкнутого контура 42'', в котором участки 43, 44 образуют модифицированный синусоидальный паз. Этот вариант конструктивного исполнения отличается от варианта конструктивного исполнения по фиг. 4 тем, что пиковый участок 44е может быть модифицирован (увеличен наклон), в результате чего перемещение первого элемента 5 прекращается быстро (увеличен наклон). Второй участок 43d паза может быть модифицирован (увеличен наклон), в результате чего ускоряется перемещение первого элемента 5 назад. Пиковый участок 44а не модифицирован и это значит, что частота цикла увеличена. Амплитуда цикла может отличаться от амплитуды, показанной на фиг. 3.
На фиг. 6 представлен четвертый вариант конструктивного исполнения замкнутого контура 42''', в котором участки 43, 44 образуют модифицированный синусоидальный паз. Второй участок 43е паза может содержать подучасток 45, расположенный около пикового участка 44а или пикового участка 44b. Подучасток 45 паза может быть выполнен такой формы, что первый элемент 5 совершает второй и меньший цикл, то есть перемещение хода, во время перемещения назад. Подучасток 45 паза, в соответствии с другим вариантом, может быть расположен на первом участке 43а паза. Амплитуда, частота и/или наклон остальной части цикла могут быть такими, как показано на фиг. 3. Паз 12b может иметь в месте, где первый элемент 5 контактирует с выступом 31, большую ширину, чем ширина остальной части паза 12b, как показано на фиг. 6.
Конфигурация паза 12b не ограничивается вариантами конструктивного исполнения, показанными на фиг. 3-6, и может принимать любую требуемую форму. Паз 12b может быть выполнен таким образом, что первый элемент 5 совершает любое число циклов за один оборот второго элемента 9, предпочтительно один, два, три, четыре или больше. Габаритные размеры, длина и конструкция генератора 1 колебаний не ограничиваются вариантами его конструктивного исполнения, показанными на фиг. 1-2, и элементы 5, 9 могут быть адаптированы к требуемому применению. Вдоль длины второго элемента 9 может быть установлено любое количество первых элементов 5, предпочтительно один, два или больше, и механическое соединение 12 между вторым элементом 9 и каждым из первых элементов 5 может иметь разное исполнение.
1. Генератор (1) колебаний, вызывающий аксиальное перемещение скважинного инструмента, например бурильной колонны, в стволе скважины, причем генератор колебаний содержит:
- корпус (2), выполненный с возможностью размещения в стволе скважины, причем корпус имеет первый открытый конец (6), соединенный со вторым открытым концом (7) по меньшей мере через внутреннюю поверхность (4), при этом корпус выполнен с возможностью направления по меньшей мере части текучей среды (21) для бурения через корпус посредством первого и второго открытых концов;
- приводной узел (10), например приводной узел, приводимый в действие текучей средой, выполненный с возможностью приведения в движение генератора (1) колебаний, причем приводной узел выполнен с возможностью соединения с первым подвижным элементом (5), расположенным внутри корпуса;
- при этом первый элемент (5) выполнен с возможностью такого перемещения в аксиальном направлении (8) относительно корпуса, которое вызывает аксиальное перемещение расположенного с наружной стороны скважинного инструмента, соединенного с генератором (1) колебаний, когда приводной узел приводит в движение первый элемент,
- второй подвижный элемент (9), установленный внутри корпуса, причем второй элемент (9) выполнен с возможностью соединения с приводным узлом и перемещения, например вращения, в поперечном направлении (11) относительно первого элемента, причем первый и второй элементы (5, 9) установлены относительно общей центральной оси;
- при этом первый элемент соединен со вторым элементом посредством механических соединительных средств (12), преобразующих поперечное перемещение второго элемента в аксиальное перемещение первого элемента, отличающийся тем, что соединительные средства (12) содержат первый соединительный элемент (12а), расположенный на первой поверхности первого элемента, который выполнен с возможностью зацепления со вторым соединительным элементом (12b), расположенным на второй и противолежащей поверхности второго элемента, и при этом первый соединительный элемент выполнен с возможностью перемещения вдоль второго соединительного элемента, когда приводной узел приводит в движение второй элемент.
2. Генератор колебаний по п. 1, отличающийся тем, что один соединительный элемент (12а) представляет собой штифт, выступающий наружу из первой или второй поверхности (16) одного из элементов, и другой соединительный элемент (12b) представляет собой паз, например изогнутый и/или прямой паз, расположенный на первой или второй поверхности (19) другого элемента, причем паз выполнен с возможностью по меньшей мере частичного размещения в нем свободного конца штифта.
3. Генератор колебаний по п. 1, отличающийся тем, что второй соединительный элемент (12b) образует по меньшей мере первый направляющий участок (43а) для аксиального перемещения вперед первого соединительного элемента (5), причем первый направляющий участок соединен по меньшей мере со вторым направляющим участком (43b) для аксиального перемещения назад первого соединительного элемента (5), и при этом первый и второй участки образуют направляющий контур (42) для аксиального перемещения первого соединительного элемента.
4. Генератор колебаний по п. 3, отличающийся тем, что первый и второй направляющие участки имеют симметричную форму (43а, 43b), например синусоидальный паз, или по меньшей мере один из направляющих участков имеет модифицированную форму (43с, 43d), например имеет заранее заданные амплитуду, наклон и/или длину, которая отличается от его симметричной формы, для ускорения или замедления аксиального перемещения первого соединительного элемента (5).
5. Генератор колебаний по п. 3 или 4, отличающийся тем, что один из участков имеет направляющий подучасток (45), который имеет третью форму, отличающуюся от формы остальной части этого участка, предназначенный для третьего аксиального перемещения, например перемещения хода, первого соединительного элемента (5).
6. Генератор колебаний по п. 1, отличающийся тем, что первый элемент (5) представляет собой цилиндр, и второй элемент (9) представляет собой вал, и при этом цилиндр имеет первую поверхность (16), обращенную к валу, и вал имеет вторую поверхность (19), обращенную к цилиндру, где вал, предпочтительно по меньшей мере частично заходит в полость цилиндра.
7. Генератор колебаний по п. 1, отличающийся тем, что между наружной поверхностью (15) второго элемента и внутренней поверхностью (4) корпуса установлено направляющее средство (29) для ограничения перемещения первого элемента (5) осевым перемещением относительно второго элемента (9).
8. Генератор колебаний по п. 1, отличающийся тем, что на первом открытом конце (6) установлено по меньшей мере первое уплотнительное устройство (24), при этом по меньшей мере один из элементов, например второй элемент, проходит через уплотнительное устройство и содержит по меньшей мере одно впускное отверстие (22), соединенное с каналом (20) для прохождения текучей среды, который, в свою очередь, соединен по меньшей мере с одним выпускным отверстием (23).
9. Генератор колебаний по п. 8, отличающийся тем, что на втором открытом конце (7) установлено устройство (25) для уравновешивания давления, предназначенное для уравновешивания перепада давлений между текучей средой (21) внутри корпуса и второй текучей средой снаружи корпуса.
10. Генератор колебаний по п. 1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности (4) корпуса расположен по меньшей мере один выступ (31), который содержит первую контактную поверхность (31а), предназначенную для контакта со второй поверхностью (31b) на первом элементе (5), когда первый элемент перемещается в аксиальном направлении.
11. Генератор колебаний по п. 1, отличающийся тем, что со вторым элементом (9) с помощью другой группы соединительных средств (12) соединен по меньшей мере другой первый подвижный элемент (5), при этом группа соединительных средств содержит третий соединительный элемент, выполненный с возможностью перемещения вдоль четвертого соединительного элемента, когда приводной узел приводит в движение второй элемент.
12. Генератор колебаний по п. 1, отличающийся тем, что приводной узел (10) выполнен в виде турбины или героторного насоса, причем приводной узел содержит по меньшей мере одну лопатку (32), установленную на валу (33), предназначенную для продвижения через приводной узел по меньшей мере части текучей среды (21) для бурения, и при этом предпочтительно впереди приводного узла установлены средства (35) для регулирования расхода текучей среды.
13. Применение генератора (1) колебаний по любому из пп. 1-12 для любого из следующих применений: бурение стволов скважин, например горизонтальных стволов скважин; перемещение единиц оборудования, например обсадных труб или лифтовых труб, в стволе скважины; улавливание предметов в стволе скважины и/или извлечение однополюсных оснований.
