СПОСОБ СОЗДАНИЯ СИЛЫ ТЯГИ В СКВАЖИНЕ И СКВАЖИННЫЙ ТРАКТОР (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК E21B23/00 

Изобретение относится к работам в скважинах и может быть использовано для создания силы тяги и перемещения предметов, в частности приборов на кабеле в горизонтальных скважинах.

Горизонтальными называют скважины, у которых хотя бы часть ствола имеет зенитный угол более 60-70°. Для перемещения, например, приборов на кабеле по горизонтальным скважинам используют устройство, называемое скважинным трактором. Скважинный трактор создает силу тяги, опираясь на стенки скважины опорами различной конструкции.

Известен применяемый в скважинных тракторах способ создания силы тяги в скважинах с помощью колесных опор: колеса прижимают к стенкам скважины и передают на них вращающий момент от осей электродвигателей [1, 2, 3, 4]. Способ не гарантирует создание необходимой силы тяги в скважинах с неровными стенками из-за пробуксовки колес.

Известен применяемый в скважинных тракторах способ создания силы тяги с помощью фиксирующих опор, при котором поочередно с помощью опор фиксируют в скважине одну часть трактора, продвигая в это время вдоль ствола другую с помощью специального привода [5, 6, 7]. Недостатком способа является, в частности, техническая сложность выполнения.

Во всех скважинных тракторах применяют или привод на колеса, или привод на фиксирующие опоры. Из уровня техники не известен способ создания силы тяги в скважинах, в котором вместо привода используют вибрацию.

Задачей изобретения является разработка вибрационного способа создания силы тяги в скважинах.

Задача решается тем, что в заявляемом способе скважинный трактор снабжают вибровозбудителем, создают вибрации корпуса скважинного трактора вдоль скважины, передают вибрации на прижимаемые к стенкам скважины опоры, такие, что они препятствуют смещениям скважинного трактора в направлении, противоположном требуемому направлению движения по скважине.

Скважинный трактор, в котором сила тяги создается благодаря вибрациям, будем далее называть вибротрактором, опуская для краткости определение «скважинный».

Источником колебаний корпуса вибротрактора является вибровозбудитель [8, стр.44-45]. Наиболее распространенными являются дебалансные вибровозбудители, в которых для генерации колебаний используют силу инерции, возникающую при вращении неуравновешенного инерционного элемента. Для вибротрактора полезными являются колебания, направленные вдоль оси скважины. Существуют дебалансные вибровозбудители, в которых благодаря использованию нескольких неуравновешенных инерционных элементов, вращающихся синхронно в разные стороны, генерируются колебания, направленные вдоль прямой, - такие вибровозбудители могут быть применены в вибротракторе. Также могут быть применены электромагнитный или электродинамический вибровозбудители [9, стр.507, 257-258]. В электромагнитных вибровозбудителях силы, возбуждающие колебания, создают в результате воздействия переменного во времени магнитного поля на ферромагнитные тела. Например, электромагнитный вибровозбудитель может содержать уложенный в статоре соленоид, через который пропускают переменный ток, и пружинно закрепленный железный сердечник в качестве инерционного элемента, совершающий под действием переменного магнитного поля соленоида поступательно-возвратные движения - вибрации. Статор жестко закреплен в корпусе вибротрактора и вместе с корпусом также вибрирует.

Для осуществления способа существенно наличие вибровозбудителя, а не его устройство.

Технический результат достигается за счет преобразования продольных колебаний корпуса вибротрактора в поступательное движение, т.е. вибротрактор является вибродвижителем [8, стр.47-48]. Сила тяги создается на концах закрепленных на корпусе вибротрактора опор следующим образом. Смещения корпуса вибротрактора, направленные в сторону требуемого направления движения, назовем прямыми смещениями, а смещения, направленные в противоположную сторону, - обратными смещениями. Прямые смещения происходят беспрепятственно. Обратные смещения затруднены действием сил трения со стороны стенок скважины на опоры. Эти силы передаются на корпус вибротрактора. Таким образом, сила тяги вибротрактора создается как средняя по времени сила трения между опорами и стенками скважины.

Отличительными признаками способа являются использование вибраций и затрудняющих обратные смещения опор, отсутствие механизмов привода на опоры. Способ упрощает конструкцию и повышает эффективность скважинного трактора.

Способ может быть реализован с применением опор различной конструкции, например колесных или рычажных.

Колесные опоры вибротрактора представляют собой колеса, прижимаемые к стенкам скважины с помощью механизмов, аналогичных тем, которые применяют в известных колесных тракторах. Например, механизм, обеспечивающий прижим колес аналогично [1], может содержать рычаги с колесами, шарнирно присоединенные к корпусу и шарниро же соединенные с рычагами, соединенными с ходовыми гайками. При этом ходовые гайки установлены на ходовых винтах, приводимых во вращение электродвигателем. Вращение ходовых винтов в одну сторону приводит к прижатию колес к стенкам скважины, вращение в другую отодвигает колеса от стенки скважины. Для того чтобы обеспечить прижатие колес в условиях неровных стенок скважины, прижатие должно быть пружинным. Для этого, например, выполняют рычаги, соединенные с ходовыми гайками как пружинное звено [8, стр.354], обладающее подвижностью в продольном направлении.

Для осуществления способа с помощью колесных опор существенно наличие механизмов прижатия колес, а не их устройство.

Для того чтобы колесные опоры, прижимаемые к стенкам скважины, препятствовали обратным смещениям вибротрактора, их снабжают механизмом, блокирующим вращение колес в одну сторону. Примером подходящего механизма является храповой механизм [8, стр.504-505], включающий в простейшем варианте выполнения храповое колесо и подпружиненную собачку. Известно множество разновидностей храповых механизмов. В частности, храповой механизм может быть выполнен в виде втулки с внутренними зубьями и расположенной внутри втулки собачкой. Известны храповые механизмы с несколькими собачками и переменным шагом зубчатого колеса - в этом случае уменьшается угол поворота колеса, при котором блокируется обратное вращение, т.к. при малейшем повороте срабатывает одна из собачек. Известны реверсивные храповые механизмы, т.е. такие, в которых направление вращения переключают, например, используя собачку двустороннего действия.

Для осуществления предлагаемого способа с помощью колесных опор существенно наличие механизма, блокирующего вращение колес в одну сторону, а не его устройство.

Рычажные опоры представляют собой шарнирно закрепленные на корпусе рычаги, свободные концы которых пружинно прижимают к стенкам скважины. При обратном смещении между опорой и стенкой скважины возникает сила трения, большая, чем при прямом смещении, т.к. при обратном смещении возникает эффект расклинивания. Эффективность рычажных опор повышают, например, выполняя их концы острыми или зубчатыми. Также для повышения эффективности рычажных опор свободные концы рычагов могут быть изогнутыми так, чтобы обеспечивать контакт со стенкой скважины и расклинивающий эффект при изменении диаметра скважины. Одновременно могут быть применены опоры разной длины и формы. Рычажные опоры могут раскрываться, т.е. прижиматься к стенкам скважины, и складываться, т.е. прижиматься к корпусу вибротрактора. Механизм раскрытия/закрытия рычажных опор может быть выполнен различными способами, например, к опорам могут быть шарнирно присоединены рычаги, соединенные с ходовыми гайками, установленными на ходовых винтах, приводимых во вращение электродвигателем. Пружинность прижатия рычажных опор может быть обеспечена, например, выполнением рычагов, соединенных с опорами и ходовыми гайками, в виде пружинных звеньев [8, стр.354], обладающих подвижностью в продольном направлении. Величина силы прижатия рычажных опор не существенна, так как сопротивление обратным смещениям обеспечивается расклинивающим эффектом.

Известен колесно-опорный скважинный трактор [3] (аналог 1), состоящий из модулей, каждый из которых включает электродвигатели, механизмы для выдвижения и прижатия к стенкам скважин колесных опор, механизмы для передачи на колеса вращающего момента. Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую работу, при этом сила тяги создается благодаря передаче вращающего момента с оси электродвигателя на колеса. Колесно-опорный скважинный трактор применяют главным образом в обсаженных скважинах, так как не гарантируют создание силы тяги, если стенки скважины неровные, а диаметр скважины изменяется с глубиной.

Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности скважинного трактора путем создания колесно-опорного вибротрактора.

Технический результат достигается тем, что устройство, колесно-опорный скважинный трактор, включающий корпус, механизмы для прижатия/отжатия колес к стенкам скважины, колеса, прижимаемые к стенкам скважины, содержит, по меньшей мере, один вибровозбудитель, а колеса снабжены механизмами, блокирующими вращение колес в сторону, не соответствующую направлению движения по скважине, а также по меньшей мере один узел упругого механического и эластичного электрического соединения с транспортируемыми устройствами.

Технический результат обеспечивается тем, что из-за блокировки вращения колес в одну из сторон между колесами и стенками скважины возникает сила трения, которая и является силой тяги, при этом не требуется передачи вращающего момента на колеса. Предполагается большая эффективность в скважинах с неровными стенками по сравнению с аналогом, т.к. прямые смещения колесного скважинного вибротрактора происходят благодаря инерции. Кроме того, упрощается конструкция скважинного трактора.

Колесно-опорный скважинный вибротрактор может включать механизмы, переключающие направление возможного вращения колес и, соответственно, направление движения трактора по скважине, например реверсивные храповые механизмы.

Известен скважинный трактор без колес [7] (аналог 2), в котором тяга обеспечивается с использованием двух способных перемещаться вдоль корпуса секций осесимметрично расположенных фиксирующих опор - по три опоры в каждой секции, при этом поочередно во время движения скважинного трактора опоры одной из секций опираются на стенки скважины и перемещают трактор вдоль скважины, в это время другая секция опор, перемещаясь вдоль трактора, занимает исходное положение. Устройство имеет два электродвигателя, гидравлическую и механическую системы. Электродвигатели преобразуют электрическую энергию в механическую работу, при этом сила тяги создается благодаря механическому приводу, перемещающему секции опор вдоль скважинного трактора. Главным недостатком устройства является его техническая сложность.

Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции и повышение эффективности скважинного трактора путем создания рычажно-опорного вибротрактора.

Технический результат достигается тем, что устройство, рычажно-опорный скважинный трактор, включающий корпус, механизмы для раскрытия/закрытия рычажных опор и рычажные опоры, содержит по меньшей мере один вибровозбудитель, а рычажные опоры выполнены так, что одним концом шарнирно прикреплены к корпусу, а другим при раскрытии пружинно упираются в стенки скважины, при этом все опоры образуют с осью корпуса острые углы - углы раскрытия опор, направленные вершинами в одну сторону, а также по меньшей мере один узел упругого механического и эластичного электрического соединения с транспортируемыми устройствами.

Технический результат обеспечивается тем, что сила трения между концами опор и стенками скважины зависит от направления смещения: если смещение таково, что сила трения стремится увеличить углы раскрытия опор, то из-за эффекта расклинивания возникает сила трения, большая, чем при смещениях в противоположную сторону. Если концы опор имеют маленькую площадь, то, прижимаясь к стенкам скважины, они позиционируются в неровности, упираются в них. Кроме того, опоры могут быть острыми, зубчатыми, выполненными из твердых материалов и втыкаться в стенки скважины при обратных смещениях. Также опоры могут быть выполнены изогнутыми так, чтобы обеспечивать контакт со стенкой скважины и расклинивающий эффект при изменении диаметра скважины. Таким образом, опоры являются фиксирующими при обратных и скользящими при прямых смещениях. Предполагается большая по сравнению с аналогом эффективность рычажно-опорного вибротрактора в скважинах с неровными стенками и переменного диаметра. Кроме того, упрощается конструкция скважинного трактора.

Для того, чтобы рычажно-опорный вибротрактор создавал силу тяги как в сужениях, так и в расширениях скважины, он может содержать опоры разной длины: в сужениях к стенке скважины под оптимальным углом прижимаются и обеспечивают тягу короткие, а в расширениях - длинные опоры.

Рычажно-опорный вибротрактор может иметь два набора опор, отличающихся направлением углов раскрытия. В этом случае можно переключать направление силы тяги вибротрактора и направление движения по скважине, раскрывая опоры только одного из наборов.

Как колесно-опорный, так и рычажно-опорный вибротракторы должны передавать силу тяги на транспортируемое устройство, но не передавать вибрации. Для этого в состав вибротрактора включают упругое механическое соединение, например пружинный виброизолятор, который обеспечивает передачу силы тяги и одновременно изоляцию транспортируемого устройства от вибраций, в то же время давая возможность корпусу вибротрактора совершать вибрации. Эластичное электрическое соединение обеспечивает передачу электрической энергии и сигналов управления и может быть осуществлено, например, с помощью кабеля, имеющего достаточную "слабину".

Между вибротрактором и транспортируемым прибором может дополнительно располагаться демпфер колебаний в виде массивного тела с упругим механическим и эластичным электрическим соединением.

Вибротрактор может содержать в своем составе не один, а несколько не обязательно одинаковых блоков, описанных выше, в том числе колесно-опорные блоки и рычажно-опорные блоки, упругомеханически и электрически соединенные между собой непосредственно или через транспортируемые приборы.

Изобретение поясняется ниже с помощью схематично изображенных на прилагаемых чертежах примеров выполнения.

На чертежах представлено:

фиг.1: принципиальная схема - пример реализации колесно-опорного вибротрактора;

фиг.2: принципиальная схема - пример реализации рычажно-опорного вибротрактора;

фиг.3: принципиальная схема - пример реализации механизма для складывания рычажных опор.

На фиг.1 изображено: корпус вибротрактора 1, вибровозбудитель V, электродвигатель D, ходовой винт 2, ходовая гайка 3, шарнирные соединения А, В, С, рычаг 4 с пружинным звеном 5, рычаг 6, колесо 7 с храповым механизмом 8, электромеханический разъем 9 с пружиной 10. Не показан кабель, идущий от электромеханического разъема 9 к корпусу вибротрактора. Не обозначены элементы, симметрично расположенные относительно оси вибротрактора к обозначенным, но при описании одного элемента будем иметь в виду и симметричный ему. При спуске/подъеме в скважину ось колеса 7 находится в положении В' (ось второго колеса находится в положении В"), ходовой винт 2 занимает крайнее левое положение (не показано). Плоскости колес смещены относительно друг друга, поэтому колеса не мешают друг другу в сложенном состоянии. Для создания силы тяги двигатель D вращает ходовой винт 2, при этом перемещается ходовая гайка 3, и благодаря рычагам 4 и 6 колесо 7 прижимается к стенке скважины. Вибровозбудитель V создает продольные вибрации корпуса 1 и закрепленных на нем элементов. При смещениях, вызванных вибрацией, на колесо 7, прижатое к стенке скважины, действует сила, стремящаяся его повернуть вокруг оси В. В соответствии с чертежом колесо 7 свободно вращается против часовой стрелки, но не может повернуться по часовой стрелке из-за действия храпового механизма 8. Таким образом, при вибрациях со стороны стенок скважины возникает сила трения F, направленная вправо. На фиг.1 для упрощения чертежа показана только одна пара колесных опор. Как правило, используют не менее двух пар колесных опор. Сумма сил трения, действующих на все имеющиеся в составе вибротрактора опоры, и является силой тяги вибротрактора. Сила тяги передается через пружину 10 и электромеханический разъем 9 на транспортируемое устройство.

На фиг.2 изображено: корпус вибротрактора 1, вибровозбудитель V, электродвигатель D, ходовой винт 2, ходовая гайка 3, шарнирные соединения А, Е, С, рычаг 4 с пружинным звеном 5, рычаг 6, башмак рычажной опоры 11, электромеханический разъем 9 с пружиной 10. Не показан кабель, идущий от электромеханического разъема 9 к корпусу вибротрактора. Не обозначены элементы, симметрично расположенные относительно оси вибротрактора к обозначенным, но при описании одного элемента будем иметь в виду и симметричный ему. При спуске/подъеме в скважину рычажные опоры находятся в сложенном положении: шарнирное соединение Е занимает положение Е', ходовой винт 2 занимает крайнее левое положение (не показано). Плоскости рычажных опор смещены относительно друг друга, поэтому не мешают друг другу в сложенном состоянии. Для создания силы тяги двигатель D вращает ходовой винт 2, при этом перемещается ходовая гайка 3, и благодаря рычагам 4 и 6 башмак рычажной опоры 11 прижимается к стенке скважины. Вибровозбудитель V создает продольные вибрации корпуса 1 и закрепленных на нем элементов. При смещениях вправо, вызванных вибрацией, башмак 11 проскальзывает по стенке скважины, так как пружинное звено 5 не создает значительного прижима. При смещениях влево возникает расклинивающий эффект и большая, чем при смещениях вправо, сила трения между башмаком и стенкой скважины. Таким образом, при вибрациях со стороны стенок скважины возникает сила трения F, направленная вправо. На фиг.2 для упрощения чертежа показана только одна пара опор. Целесообразно использовать большее число опор для гарантированного создания силы F. Сумма сил трения, действующих на все имеющиеся в составе вибротрактора опоры, и является силой тяги вибротрактора. Сила тяги передается через пружину 10 и электромеханический разъем 9 на транспортируемое устройство.

На фиг.3 изображено: рычажные опоры 12, оси крепления опор О, Р, Q и Н, фигурная рейка R, линия, обозначающая край корпуса вибротрактора MN. Ввиду симметрии чертежа на нижней его части обозначения не проставлены. Рычажные опоры 12 подпружинены (не показано) и под действием пружин стремятся раскрыться, т.е. занять положение, показанное на чертеже. Фигурная рейка R может перемещаться только вдоль оси вибротрактора, например, с помощью соединенной с рейкой ходовой муфты (не показано), приводимой в движение ходовым винтом (не показано). При спуске/подъеме вибротрактора в скважину рейку R сдвигают вправо на половину расстояния между соседними осями опор по отношению к положению, показанному на чертеже. При этом опоры 12 поворачиваются так, что их длинные концы уходят за край корпуса вибротрактора MN. Для приведения опор 12 в рабочее положение рейку смещают влево, в положение, показанное на чертеже. В этом положении концы опор взаимодействуют со стенками скважины и при вибрации создают силу тяги F.

Источники информации

1. Патент РФ RU 2236549 С2.

2. Доставщик скважинный ДС-2 (ДС-3). Система доставки геофизических приборов в горизонтальные участки скважин. НПО «Тарис», www.taris.rn.

3. Downhole Tractor (MDT). Sondex. www.sondex.com.

4. Патент США US 6,273,189 B1.

5. Патент РФ RU 2175374 C1.

6. Патент США US 5,794,703.

7. Alden M., Arif F., Billingham M., Gronnerod, N., Harvey, S., Richards, M. and West, C., "Advancing Downhole Conveyance", Schlumberger Oilfield Rewiew, Vol.16, No. 3, p.30-43.

8. Крайнев А.Ф. Словарь-справочник по механизмам. M.: Машиностроение, 1987.

9. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти т. - M.: Машиностроение, 1981. - т.4. Вибрационные процессы и машины. / Под ред. Э.Э.Лавендела. 1981. 509 с.

Изобретение относится к работам в скважинах, а именно к способу и вариантам устройства для перемещения предметов, в частности приборов на кабеле в горизонтальных скважинах. Способ создания силы тяги в скважине, при котором используют скважинный трактор с опорами, взаимодействующими со стенками скважины, и вибровозбудителем, создают вибрации корпуса скважинного трактора вдоль скважины, передают вибрации на прижимаемые к стенкам скважины колесные и/или рычажные опоры. Опоры выполняют такими, что они препятствуют смещениям скважинного трактора в направлении, противоположном требуемому направлению движения по скважине. Колесно-опорный скважинный трактор включает корпус, механизмы для прижатия/отжатия колес к стенкам скважины, колеса, прижимаемые к стенкам скважины, по меньшей мере, один вибровозбудитель, по меньшей мере, один узел упругого механического и эластичного электрического соединения с транспортируемыми устройствами. Колеса снабжены механизмами, блокирующими вращение колес в сторону, не соответствующую направлению движения по скважине. Рычажно-опорный скважинный трактор включает корпус, механизмы для раскрытия/закрытия рычажных опор и рычажные опоры, по меньшей мере, один вибровозбудитель. Рычажные опоры выполнены так, что одним концом шарнирно прикреплены к корпусу, а другим при раскрытии пружинно упираются в стенки скважины. Все опоры образуют с осью корпуса острые углы - углы раскрытия опор, направленные вершинами в одну сторону, или трактор имеет два набора опор с углами раскрытия, направленными вершинами в противоположные стороны. Трактор также содержит, по меньшей мере, один узел упругого механического и эластичного электрического соединения с транспортируемыми устройствами. Обеспечивает расширение арсенала технических средств доставки приборов в скважины, повышение эффективности и снижение технической сложности скважинных тракторов. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ создания силы тяги в скважине, при котором используют скважинный трактор с опорами, взаимодействующими со стенками скважины, отличающийся тем, что скважинный трактор снабжают вибровозбудителем, создают выбрации корпуса скважинного трактора вдоль скважины, передают вибрации на прижимаемые к стенкам скважины колесные и/или рычажные опоры, при этом опоры выполняют такими, что они препятствуют смещениям скважинного трактора в направлении, противоположном требуемому направлению движения по скважине.

2. Колесно-опорный скважинный трактор, включающий корпус, механизмы для прижатия/отжатия колес к стенкам скважины, колеса, прижимаемые к стенкам скважины, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один вибровозбудитель, а колеса снабжены механизмами, блокирующими вращение колес в сторону, не соответствующую направлению движения по скважине, а также, по меньшей мере, один узел упругого механического и эластичного электрического соединения с транспортируемыми устройствами.

3. Колесно-опорный скважинный трактор по п.2, отличающийся тем, что имеет механизмы переключения направления вращения колес.

4. Рычажно-опорный скважинный трактор, включающий корпус, механизмы для раскрытия/закрытия рычажных опор и рычажные опоры, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один вибровозбудитель, а рычажные опоры выполнены так, что одним концом шарнирно прикреплены к корпусу, а другим при раскрытии пружинно упираются в стенки скважины, при этом все опоры образуют с осью корпуса острые углы - углы раскрытия опор, направленные вершинами в одну сторону, или трактор имеет два набора опор с углами раскрытия, направленными вершинами в противоположные стороны, а также, по меньшей мере, один узел упругого механического и эластичного электрического соединения с транспортируемыми устройствами.