УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ШАРНИР ВЫСОКОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ СКВАЖИННОГО РОТОРНОГО УПРАВЛЯЕМОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2014 года по МПК E21B7/06 E21B17/05 

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Роторные управляемые буровые системы, работа которых основана на принципе «направления головки бура», требуют использования гибкого шарнира в управляемой секции для обеспечения динамического присоединения нижней части бурильной колонны (конец шпинделя головки бура) к основной колонне инструмента. Ось шпинделя головки бура повернута на фиксированный или переменный угол относительно главной оси инструмента, тем самым направляя головку бура в желаемом управляемом направлении. Гибкий шарнир позволяет прокачивать буровой раствор через центр шарнира. Между внешним диаметром инструмента и диаметром скважины поддерживается достаточно большой радиальный зазор для обеспечения возможности буровому раствору и буровому шламу вытекать назад на поверхность. Гибкий шарнир передает нагрузки при бурении (скручивающую и осевую нагрузки) от основной колонны инструмента головке бура.

[0003] В некоторых роторных управляемых буровых системах, например в универсальном шарнире, используется множество керамических шариков, расположенных в карманах вокруг окружности шпинделя головки бура и служащих для передачи вращающего момента при бурении крутящемуся кольцу, имеющему соответствующие каналы цилиндрической формы. Нагрузка передается посредством контакта точка/линия между керамическими шариками и каналами в крутящемся кольце. Осевая нагрузка передается с помощью отдельного набора сферических упорных подшипников, расположенных на удалении от центра универсального шарнира. Две пары упорных подшипников требуются для обеспечения возможности передачи сжимающих и растягивающих осевых нагрузок. Существующие конструкции имеют тенденцию усложнения и ограничения допустимой нагрузки, особенно для меньших размеров скважин.

СУЩНОСТЬ ИЗБРЕТЕНИЯ

[0004] В целом, в настоящем изобретении представлена система универсального шарнира, которая может применяться при бурении с использованием скважинных роторных управляемых буровых инструментов. Универсальный шарнир обладает высокой несущей способностью и представлен в компактной и простой конфигурации. Высокая несущая способность достигается с помощью методов, использующих уникальные механизмы передачи нагрузки. Например, более высокая несущая способность может обеспечиваться при использовании принципа распределения нагрузки, согласно которому скручивающие нагрузки передаются совместно через штифты универсального шарнира и боковые грани крестовины универсального шарнира. Более высокая несущая способность также может достигаться путем передачи нагрузок через монолитную крестовину, имеющую составляющие с ней единое целое штифты, и разъемный узел вилка/хомут. В другом варианте воплощения более высокая несущая способность является результатом использования штифтов универсального шарнира, вставленных с внутренней стороны универсального шарнира и завинченных наружу до достижения полного соединения с вилками шарнира. Каждый из вариантов воплощения универсального шарнира также может быть спроектирован таким образом, что он обеспечивает возможность герметизированного протекания бурового раствора через шарнир.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

[0005] Некоторые варианты воплощения согласно данному изобретению будут описаны далее со ссылкой на сопроводительные фигуры, при этом одинаковые позиции обозначают одинаковые элементы. На чертежах показано следующее:

[0006] Фиг.1 представляет вариант воплощения универсального шарнира с распределением нагрузки, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0007] Фиг.2 представляет вариант воплощения монолитной крестовины альтернативного варианта универсального шарнира, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0008] Фиг.3 представляет вариант воплощения внутреннего штифта альтернативного варианта универсального шарнира, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0009] Фиг.4 представляет поперечное сечение узла универсального шарнира, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0010] Фиг.5 представляет поперечное сечение части главного вала узла универсального шарнира, показанного на Фиг.4, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0011] Фиг.6 представляет вид с торца части главного вала узла универсального шарнира, показанного на Фиг.4, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0012] Фиг.7 представляет вид сбоку части главного вала узла универсального шарнира, показанного на Фиг.4, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0013] Фиг.8 представляет ортогональный вид части главного вала узла универсального шарнира, показанного на Фиг.4, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0014] Фиг.9 представляет поперечное сечение части шпинделя головки бура узла универсального шарнира, показанного на Фиг.4, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0015] Фиг.10 представляет вид с торца части шпинделя головки бура узла универсального шарнира, показанного на Фиг.4, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0016] Фиг.11 представляет вид сбоку части шпинделя головки бура узла универсального шарнира, показанного на Фиг.4, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0017] Фиг.12 представляет ортогональный вид части шпинделя головки бура узла универсального шарнира, показанного на Фиг.4, согласно варианту воплощения настоящего изобретения,

[0018] Фиг.13 представляет другой пример универсального шарнира, согласно альтернативному варианту воплощения настоящего изобретения; и

[0019] Фиг.14 представляет вариант воплощения универсального шарнира, примененного в роторной управляемой системе, смонтированной в бурильной колонне для бурения скважины, согласно варианту воплощения настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0020] В нижеследующем описании изложены множественные подробности для обеспечения понимания настоящего изобретения. Однако специалисты в данной области поймут, что настоящее изобретение может быть воплощено на практике без этих подробностей и что множественные вариации или модификации, отличные от описанных вариантов воплощения, могут быть возможны.

[0021] В общем случае настоящее изобретение относится к системе универсального шарнира, которая имеет высокую несущую способность и представлена в компактной и простой конфигурации. Система универсального шарнира предназначена для включения в буровую систему бурения скважин. Например, система универсального шарнира может использоваться совместно со скважинными роторными управляемыми буровыми системами с направлением бура для облегчения направленного бурения.

[0022] Один вариант воплощения универсального шарнира включает систему типа шарнира Гука и сконструирован в конфигурации с распределением нагрузки, в которой скручивающая нагрузка передается совместно через штифты универсального шарнира и боковые грани крестовины, имеющей форму квадрата. Распределение нагрузки позволяет передавать крутящие моменты, значения которых значительно превышают предельные значения крутящих моментов традиционных универсальных шарниров.

[0023] В другой конфигурации крестовина универсального шарнира является монолитным сферическим компонентом со штифтами, составляющими с ней единое целое. Вилки универсального шарнира имеют часть отделяемая деталь/хомут для облегчения сборки универсального шарнира. Высокая прочность и способность передачи нагрузки достигается путем размещения и регулировки хомутной части на основном корпусе с помощью двух расположенных под углом граней. Ряд длинных, прочных болтов используется для прочного соединения хомутной части с основным корпусом универсального шарнира. Установочный клин с малым трением используется для устранения какого-либо зазора между основным корпусом и хомутом. Воспроизводимость сборки может достигаться с помощью контактных граней, расположенных под углом, и сборочного клина. Профиль вилки имеет такую форму, чтобы максимально увеличить передачу скручивающей и осевой нагрузки.

[0024] В третьей конфигурации штифты универсального шарнира вставляются с внутренней стороны детали крестовины. Штифты имеют резьбовую часть, которая позволяет завинчивать их наружу до тех пор, пока они не войдут в соединение с соответствующими отверстиями в вилках универсального шарнира. В конечном положении они размещаются напротив конусовидной грани в крестовине для обеспечения возможности приложения высокой предварительной нагрузки. Этот тип универсального шарнира также дает возможность протекания жидкости внутри через шарнир, подобно другим вариантам воплощения, описанным здесь. Верхняя и нижняя части универсального шарнира соединены между собой с помощью герметизированной гибкой трубки. В противоположность существующим универсальным шарнирам, применяемым в буровых инструментах, варианты воплощения, описанные здесь, сочетают несущую способность по отношению к крутящему моменту нагрузки и передачу осевой нагрузки в одном компоненте, центрированном вокруг центральной точки универсального шарнира. Никаких дополнительных упорных подшипников не требуется.

[0025] На Фиг.1 показан вариант воплощения системы универсального шарнира 20 в конфигурации с распределением нагрузки, в которой скручивающая нагрузка передается совместно через штифты универсального шарнира и боковые грани крестовины, имеющей квадратную форму. Распределение нагрузки позволяет передавать крутящие моменты, значения которых значительно превышают предельные значения крутящих моментов традиционных универсальных шарниров. Система 20 универсального шарнира присоединена к бурильной колонне 22. Как показано, система 20 универсального шарнира включает в себя универсальный шарнир 24, показанный в разобранном виде, который имеет верхнюю часть или часть 26 корпуса основного вала и нижнюю часть или часть шпинделя 28 головки бура. Часть 26 корпуса основного вала и часть 28 шпинделя головки бура могут быть изготовлены из высокопрочного материала, такого как высокопрочная нержавеющая сталь. Кроме того, часть 26 корпуса основного вала и часть 28 шпинделя головки бура включают вилки 30 и 32 соответственно, предназначенные для присоединения к крестовине 34, такой как показанная крестовина, имеющая квадратную форму.

[0026] Вилки 30, 32 имеют прямоугольную, например, квадратную форму внутренней средней области 35, в которую вдвигается крестовина 34. Тонкие износостойкие накладки 36 могут быть прикреплены к внутренним поверхностям вилок с помощью подходящих крепежей, таких как маленькие нагели. Тонкие износостойкие накладки 36 могут быть изготовлены из высокопрочного материала, такого как высокопрочный подшипниковый сплав на основе меди. В одном варианте воплощения износостойкие накладки 36 имеют крестообразный рисунок на обращенной внутрь поверхности, образованный небольшими каналами для смазки 37. Обращенная внутрь поверхность с крестообразным рисунком 37 образует опорную грань для плоских внешних поверхностей прямоугольной центральной части 38 крестовины 34. Крестовина 34 также изготавливается из высокопрочного материала, такого как высокопрочный материал на основе нержавеющей стали. Следует отметить, что во многих вариантах воплощения крестовина 34 может быть также изготовлена из высокопрочного стального сплава. Это касается тех вариантов воплощения, в которых универсальный шарнир 24 заполнен маслом или другой подходящей жидкостью для способствования извлечению бурового раствора и бурового шлама из универсального шарнира. Боковые грани прямоугольной центральной части 38 могут быть покрыты износостойким материалом, таким как покрытие на основе карбида вольфрама.

[0027] В проиллюстрированном варианте воплощения крестовина 34 имеет четыре удерживающих отверстия 40, в которые через отверстия 44 каждой из вилок 30, 32 вставляются соответствующие штифты 42 универсального шарнира. Штифты универсального шарнира 42 могут быть сформированы в виде сборных конструкций из различных сочетаний крепежей, например болтов 46, вкладышей 48, прокладок 50 и/или шайб 52 в зависимости от конкретной конструкции всей системы универсального шарнира 20. Штифты 42 обеспечивают эффективное гибкое соединение части корпуса основного вала 26 с частью шпинделя головки бура 28. Согласно одному варианту воплощения, штифты универсального шарнира 42 включают компоненты, изготовленные из высокопрочных материалов, таких как высокопрочные материалы на основе нержавеющей стали, покрытых износостойкими покрытиями, такими как покрытия из карбида вольфрама. Покрытия защищают штифты 42 и способствуют изгибанию универсального шарнира по мере поворота штифтов 42 в соответствующих отверстиях 44 вилок 30, 32. В некоторых конструкциях отверстия 44 вилок 30, 32 запрессованы вместе со сменными втулками подшипников, изготовленных из подходящего материала, такого как сплав на основе меди.

[0028] Гибкая трубка 54 также может проходить через универсальный шарнир 24 и может быть изолирована от основного вала 26 и шпинделя 28 головки бура с помощью подходящих уплотнительных колец. Гибкая трубка 54 позволяет буровому раствору проходить через нее в направлении от основного корпуса 26 к шпинделю 28 головки бура под дифференциальным давлением относительно внешней части инструмента. С внешней стороны универсальный шарнир 24 может быть защищен гибким резиновым чехлом или металлической гофрированной трубой, как описано более подробно ниже со ссылкой на альтернативные варианты воплощения. Универсальный шарнир 24 может быть вакуумным способом заполнен смазочным маслом для минимизации технологического износа. Кроме того, внешняя муфта-стабилизатор, изготовленная из высокопрочного материала, такого как высокопрочная нержавеющая сталь, может быть жестко присоединена к шпинделю 28 головки бура для накрытия универсального шарнира/крестовины 34 и части корпуса основного вала 26. Гидравлические приводы могут монтироваться снаружи части основного корпуса 26 поверх универсального шарнира/крестовины 34, однако на части, накрытой внешней муфтой (см. описание муфты-стабилизатора 84 ниже). В данном типе варианта воплощения гидравлические приводы селективно приводятся в действие для приложения силы к внутренней части внешней муфты, тем самым отклоняя ось шпинделя головки бура относительно оси основного корпуса и, следовательно, направляя шпиндель головки бура.

[0029] На Фиг.2 и 3 показаны альтернативные варианты воплощения системы универсального шарнира 20, в которых применяется конфигурация с монолитной крестовиной (Фиг.2) или конфигурация с внутренними штифтами (Фиг.3). Примеры компонентов, конструкции и сборки для каждого из данных вариантов воплощения представлены в описаниях, изложенных ниже.

[0030] На Фиг.4-12 показан вариант воплощения системы универсального шарнира 20, включающей монолитную крестовину со штифтами, составляющими с ней единое целое, и узлом из разъемной вилки/хомута. На Фиг.4 представлено поперечное сечение универсального шарнира 24 целиком, в котором часть 26 основного вала или корпуса шарнирно связана со шпинделем 28 головки бура посредством элемента монолитной крестовины 56, имеющей штифты 58, составляющие с ней единое целое, т.е. штифты образованы в виде несъемных расширений элемента монолитной крестовины 56. Штифты 58, составляющие с крестовиной единое целое, вставляются посредством вращения в отверстия 44 каждой вилки/хомута 30 и 32 через втулки 60. Элемент монолитной крестовины 56 имеет внутреннее отверстие 62 для пропускания через него гибкой трубки 64. Гибкая трубка 64 изгибается для обеспечения возможности поворота части корпуса основного вала 26 относительно шпинделя 28 головки бура, сохраняя ненарушенной изоляцию универсального шарнира 24 для обеспечения возможности протекания жидкости через универсальный шарнир вдоль изолированного канала 66.

[0031] Гибкая трубка может быть закреплена в универсальном шарнире 24 с помощью держателя 68 гибкой трубки, закрепленного во внутренней части шпинделя 28 головки бура с помощью подходящего механизма крепления, такого как резьбовая область 70. Держатель 68 гибкой трубки изолирован как относительно гибкой трубки 64, так и относительно внутренней части шпинделя головки бура 28 с помощью подходящих уплотнений 72, таких как кольцевые уплотнения. Подобным образом гибкая трубка 64 изолирована относительно внутренней части, части 26 корпуса основного вала с помощью подходящих уплотнений 74, таких как кольцевые уплотнения. Уплотнения 72 и 74 препятствуют утечке жидкости, протекающей через универсальный шарнир 24 вдоль канала 66, и дают возможность, например, изолировать поток бурового раствора через универсальный шарнир 24.

[0032] В показанном варианте воплощения универсальный шарнир 24 включает также узел 76 гофрированной трубы, окружающий элемент 56 монолитной крестовины. Узел 76 гофрированной трубы может содержать гофрированную трубу 78, прикрепленную к части 26 корпуса основного вала и/или шпинделю 28 головки бура с помощью подходящих крепежей 80, таких как показанные штифты. Кроме того, гофрированная труба 78 может быть изолирована относительно части 26 корпуса основного вала и шпинделя 28 головки бура с помощью подходящих уплотнений 82, таких как кольцевые уплотнения.

[0033] Универсальный шарнир 24 может также включать в себя муфту 84, такую как стабилизирующая муфта, которая проходит поверх элемента 56 монолитной крестовины. В показанном варианте воплощения стабилизирующая муфта 84 расположена в радиальном направлении снаружи гофрированной трубы 78 и прикреплена к шпинделю 28 головки бура с помощью крепежа 86, например зажимной гайки стабилизатора. Как пример, крепеж 86 может быть связан с внешней поверхностью шпинделя 28 головки бура посредством резьбовой области 88 соединения. При завинчивании крепежа 86 вдоль резьбовой области 88 соединения расширенный конец 90 муфты-стабилизатора 84 закреплен между крепежом 86 и уступом 92, образованным на шпинделе 28 головки бура.

[0034] На Фиг.5-8 показан вариант воплощения части 26 корпуса основного вала. В данном примере вилка 30 включает регулируемую часть/хомут 94, которая обеспечивает разъемность вилки и дает возможность устранения зазора между регулируемой частью/хомутом 94 и элементом 56 монолитной крестовины. В некоторых вариантах воплощения необязательный шплинт 96 может быть расположен между регулируемым хомутом 94 и остальной частью части 26 корпуса основного вала. Для устранения зазора применяется клиновидный элемент 98 (Фиг.5). Как пример, клиновидный элемент 98 может включать клин с малым трением, закрепленный между регулируемым хомутом 94 и уступом 100 части основного корпуса 26. Подходящий крепеж 102, например винт с головкой и шайба, может быть использован для приведения в действие клина 98 и регулировки хомута 94.

[0035] Регулируемая часть/хомут 94 присоединяется с возможностью снятия и облегчает сборку универсального шарнира 24, также обеспечивая высокую прочность и способность передавать высокую нагрузку. Как пример, регулируемая часть/хомут 94 может быть размещена на остальной части 26 основного корпуса с помощью двух граней 95, расположенных под соответствующими углами. Как лучше всего показано на Фиг.7, регулируемая часть 94 может быть прикреплена к остальной части основного корпуса 26 с помощью подходящего крепежа 104, такого как ряд длинных высокопрочных болтов.

[0036] В зависимости от окружения и конструкции компонентов, с которыми используется универсальный шарнир 24, часть 26 корпуса основного вала может включать различные другие характеристики. Как показано лучше всего на Фиг.6 и 8, часть 26 может включать, например, механизм 106 для связывания универсального шарнира 24 со смежными компонентами бурильной колонны. При обычных применениях в скважине механизмы 106 могут включать стандартные в нефтяном промысле соединения труб. Однако в других вариантах воплощения механизм 106 может включать фланец или другой соединительный элемент, имеющий ряд отверстий 108 для введения в них болтов или других крепежей.

[0037] Обращаясь дополнительно к Фиг.9-12, показан вариант воплощения шпинделя 28 головки бура. В данном примере вилка 32 является разъемной вилкой и включает регулируемую часть/хомут 94, которая подобным образом дает возможность устранения зазора между регулируемой частью/хомутом 94 и элементом 56 монолитной крестовины. В некоторых вариантах воплощения другой необязательный шплинт 96 может быть расположен между регулируемой частью 94 и остальной частью шпинделя 28 головки бура. Для устранения зазора применяется другой клиновидный элемент 98 (Фиг.9). Как пример, клиновидный элемент 98 может включать клин с малым трением, закрепленный между регулируемым хомутом 94 и уступом 110 шпинделя 28 головки бура. Опять же, подходящий крепеж 102, например винт с головкой и шайба, может быть использован для приведения в действие клина 98 и регулировки хомута 94.

[0038] Регулируемая часть/хомут 94 части 26 основного корпуса и шпинделя 28 головки бура взаимодействуют для облегчения сборки универсального шарнира 24, также способствуя увеличению высокой прочности и способности передавать нагрузку. Как пример, регулируемая часть/хомут 94 шпинделя 28 головки бура может быть размещена на остальной части шпинделя 28 головки бура с помощью двух граней 95, расположенных под соответствующими углами. Как лучше всего показано на Фиг.10-12, регулируемая часть 94 может быть прикреплена к остальной части шпинделя 28 головки бура с помощью крепежа 104, например ряда длинных высокопрочных болтов.

[0039] Разумеется, количество, тип, размер и расположение компонентов могут быть адаптированы согласно специфике данного применения. Кроме того, различные компоненты могут быть собраны вместе для получения универсального шарнира (показан в поперечном сечении на Фиг.4) с различными расположениями и согласно различным процедурам сборки. Однако ниже обсуждается один пример процедуры сборки с целью облегчения понимания данного типа универсального шарнира. В то же время процедура сборки не должна истолковываться как ограничивающая, и могут применяться и другие процедуры и компоненты.

[0040] Вначале уплотнения 82 помещаются на части 26 корпуса основного вала и на шпинделе 28 головки бура. Уплотнения 72 и 74 помещаются затем на гибкую трубку 64 и на держатель 68 гибкой трубки. Втулки 60 вдавливаются в отверстия 44 части 26 корпуса и шпинделя 28 головки бура. Шплинты 96 могут затем вдавливаться на место на части 26 корпуса и на шпинделе 28 бура. После этого узел гофрированной трубы 76 может быть надвинут поверх части 26 шпинделя/корпуса, и элемент монолитной крестовины 56 вставляется в соответствующую втулку 60, расположенную в части корпуса 26. Регулируемая часть 94 части 26 корпуса собирается затем на элементе 56 монолитной крестовины и закрепляется с помощью крепежей 104, например винтов с головками и шайб. Клиновидная часть 98 может затем помещаться на место и закрепляться с помощью крепежа 102, например винта с головкой и шайбы, для устранения какого-либо нежелательного зазора. Крепежи 104 могут затем полностью затягиваться.

[0041] После этого может осуществляться сборка шпинделя 28 головки бура с элементом 56 монолитной крестовины путем вставки соответствующего штифта 58, составляющего единое целое с крестовиной, в соответствующую втулку 60 шпинделя 28 головки бура. Регулируемая часть/хомут 94 прикрепляется затем к шпинделю 28 головки бура с помощью крепежей 104, и клиновидная часть 98 помещается на место с помощью крепежей 102 для устранения какого-либо нежелательного зазора. Затем крепежи 104 полностью затягиваются относительно шпинделя 28 головки бура. После этого гофрированная труба 78 надвигается назад поверх области элемента монолитной крестовины универсального шарнира и закрепляется с помощью крепежных штифтов 80.

[0042] Кроме того, гибкая трубка 64 может прикрепляться к держателю 68 гибкой трубки, например, с помощью резьбового соединения. Гибкая трубка 64 и держатель 68 гибкой трубки вставляются в универсальный шарнир 24, и держатель 68 гибкой трубки прикрепляется к шпинделю 28 головки бура, например, с помощью резьбового соединения. Затем универсальный шарнир 24 может вакуумным способом заполняться маслом через соответствующие одно или более наливных отверстий. После завершения наливное отверстие или отверстия могут быть забиты. После этого муфта 84 надвигается поверх шпинделя 28 головки бура и закрепляется с радиально внешней стороны относительно элемента 56 монолитной крестовины с помощью крепежа 86, например зажимной гайки стабилизатора.

[0043] На Фиг.13 показан другой вариант воплощения системы универсального шарнира 20, включающий узел внутренних штифтов. На Фиг.13 представлено поперечное сечение данного варианта воплощения универсального шарнира 24 целиком. Следует понимать, что компоненты, общие с компонентами других вариантов воплощения, описанных выше, обозначены теми же самыми цифрами.

[0044] В данном варианте воплощения универсальный шарнир 24 изгибается вокруг узла крестовины зажимного конуса 110, имеющего элемент крестовины зажимного конуса 112 и ряд регулируемых штифтов 114. Регулируемые штифты 114 проходят в наружном направлении от элемента крестовины зажимного конуса 112 и в отверстия хомута 44 для поворота во втулке 60, когда часть 26 корпуса основного вала поворачивается относительно шпинделя 28 головки бура. В данном примере регулируемые штифты 114 включают резьбовую часть 116, которая позволяет регулировать штифты 114 с внешней стороны, например, путем завинчивания наружу, пока они не придут в соединение с соответствующими отверстиями 44 вилок 30, 32. Регулируемые штифты 114 могут регулироваться с целью расположения их напротив соответствующих конусовидных граней 115 элемента крестовины зажимного конуса 112, что дает возможность приложения высокой предварительной нагрузки.

[0045] Как и в случае предыдущих вариантов воплощения, количество, тип, размер и расположение компонентов могут быть адаптированы согласно специфике данного применения. Кроме того, различные компоненты могут быть собраны вместе для получения универсального шарнира (показан в поперечном сечении на Фиг.13) с различными расположениями и согласно различным процедурам сборки. Однако один пример процедуры сборки обсуждается ниже с целью облегчения понимания этого типа универсального шарнира. В то же время процедура сборки не должна истолковываться как ограничивающая, и могут применяться и другие процедуры и компоненты.

[0046] Вначале уплотнения 82 помещаются на части 26 корпуса основного вала и на шпинделе 28 головки бура. Уплотнения 72 и 74 помещаются затем на гибкую трубку 64 и на держатель 68 гибкой трубки, и втулки 60 вдавливаются в отверстия 44 части 26 корпуса и шпинделя 28 головки бура. После этого узел гофрированной трубы 76 может быть надвинут поверх части 26 корпуса. После помещения узла гофрированной трубы 76 регулируемые штифты 114, например регулируемые штифты зажимного конуса, вставляются в элемент крестовины зажимного конуса 112, и узел связывается с частью 26 корпуса путем проталкивания регулируемых штифтов 114 через втулки 60 и ввинчивания их в элемент 112 крестовины зажимного конуса.

[0047] Два других регулируемых штифта 114 могут затем вставляться в элемент 112 крестовины зажимного конуса. Узел может связываться со шпинделем 28 головки бура путем проталкивания штифтов 114 через соответствующие втулки 60, находящиеся в отверстиях 44 шпинделя головки бура, и ввинчивания их в элемент 112 крестовины зажимного конуса. Гофрированная труба 78 может быть затем надвинута назад поверх области узла элемента крестовины зажимного конуса универсального шарнира 24 и закреплена с помощью крепежных штифтов 80.

[0049] Кроме того, гибкая трубка 64 может прикрепляться к держателю 68 гибкой трубки, например, с помощью резьбового соединения. Гибкая трубка 64 и держатель гибкой трубки 68 вставляются затем в универсальный шарнир 24, и держатель гибкой трубки 68 прикрепляется к шпинделю 28 головки бура, например, с помощью резьбового соединения. Затем универсальный шарнир 24 может вакуумным способом заполняться маслом через соответствующие одно или более наливные отверстия. После завершения наливное отверстие или отверстия могут быть забиты. После этого муфта-стабилизатор 84 надвигается поверх шпинделя 28 бура и закрепляется с радиально внешней стороны относительно узла 56 крестовины зажимного конуса с помощью крепежа 86, например зажимной гайки стабилизатора.

[0050] Универсальный шарнир 24 может использоваться в различных окружениях и применениях. Например, различные варианты воплощения универсального шарнира 24 могут использоваться при высокой нагрузке, такой как при бурении скважин. Уникальные конструкции вариантов воплощения универсального шарнира, описанные здесь, сочетают высокую несущую способность по отношению к крутящему моменту нагрузки и способность передавать высокую осевую нагрузку в одном компоненте универсального шарнира. Хотя универсальный шарнир 24 может использоваться в различных применениях, на Фиг.14 показано его применение при бурении.

[0051] На Фиг.14 показана буровая система 118, включающая в себя бурильную колонну 120, погруженную в скважину 122. Буровая система 118 используется для бурения горизонтальных или множественных горизонтальных скважин. В данном примере бурильная колонна включает оборудование низа бурильной колонны 124, имеющее роторную управляемую систему 126, сконструированную для направления головки 128 бура, способствуя таким образом бурению одной или более горизонтальных скважин 130. Как пример, роторная управляемая система 126 является роторной управляемой системой с направлением головки бура. Роторная управляемая система 126 включает универсальный шарнир 24, который обеспечивает всей буровой системе высокую несущую способность по отношению к крутящему моменту нагрузки и способность передавать высокую осевую нагрузку. В некоторых применениях приводы 132, например гидравлические приводы, могут использоваться для управления величиной поворота шпинделя 28 головки бура относительно части 26 вала. В некоторых вариантах воплощения универсального шарнира 24 приводы 132 размещаются между частью 26 корпуса основного вала 26 и стабилизирующей муфтой 84 для обеспечения поворота универсального шарнира путем перемещения муфты 84 относительно части 26. Приводы 132 управляются с помощью подходящей системы управления 134, такой как показанная система управления, расположенная на поверхности.

[0052] В некоторых вариантах воплощения система управления 134 может также использоваться в качестве системы обратной связи для оценки отклика датчиков, присоединенных к универсальному шарниру 24. На Фиг.13 в дополнение к Фиг.14 показаны один или более датчиков 136, например тензодатчиков, которые могут быть смонтированы на гибкой трубке 64 или в другом подходящем месте универсального шарнира 24. Подобным образом, один или более датчиков 138, например, датчиков положения, могут быть смонтированы на универсальном шарнире 24 для определения угла/ориентации универсального шарнира. Датчики 136, 138 могут использоваться совместно с системой 134 управления для создания скважинной петли обратной связи. Данные об угле/ориентации универсального шарнира 24, а также данные относительно нагрузки могут обрабатываться системой 134 управления. Основываясь на данной обработке, соответствующие управляющие сигналы могут посылаться затем роторной управляемой системе 126 и приводам 132. Датчики 136, 138 могут использоваться в любом варианте воплощения, описанном здесь.

[0053] Варианты воплощения системы универсального шарнира 20, описанные выше, представляют относительно простые конструкции, которые позволяют достичь высокой несущей способности. Многие из специфических соединительных элементов, уплотнений, штифтов, форм и материалов компонентов, описанных выше, могут быть изменены согласно окружению, конфигурации шарнира и применению при бурении. Кроме того, компоненты могут быть удалены, добавлены или заменены, и конфигурация и расположение компонентов могут быть адаптированы для соответствия конкретному применению.

[0054] Хотя только несколько вариантов воплощения настоящего изобретения описаны подробно выше, специалисты в данной области отметят, что возможны многие модификации в объеме настоящего изобретения, определенного в формуле изобретения.

Изобретение относится к устройствам для направленного бурения. Техническим результатом является создание компактной системы бурения скважины, содержащей универсальный шарнир с высокой несущей способностью. Высокая несущая способность достигается методами, применяющими уникальные механизмы передачи нагрузки. Например, более высокая несущая способность может обеспечиваться с использованием принципа распределения нагрузки, согласно которому скручивающие напряжения передаются совместно через штифты универсального шарнира и боковые грани крестовины универсального шарнира. Более высокая несущая способность может также достигаться путем передачи нагрузки через монолитную крестовину, имеющую штифты, составляющие с ней единое целое, и блок разъемная вилка/хомут. В другом варианте воплощения более высокая несущая способность является результатом использования штифтов универсального шарнира, вставленных с внутренней стороны универсального шарнира и завинченных наружу до достижения полного соединения с вилками шарнира. Каждый из вариантов воплощения универсального шарнира может быть также спроектирован с возможностью герметизированного прохождения бурового раствора через шарнир. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Система бурения скважин, содержащая универсальный шарнир, связанный с бурильной колонной и содержащий часть основного корпуса, имеющую вилку основного корпуса с внутренними поверхностями, часть шпинделя головки бура, имеющую вилку шпинделя головки бура с внутренними поверхностями, и крестовину, связывающую часть основного корпуса с частью шпинделя головки бура и имеющую боковые грани, которые соответствуют внутренним поверхностям части основного корпуса и части шпинделя головки бура и имеют форму, обеспечивающую совместную передачу скручивающей нагрузки через множество боковых поверхностей, множество регулируемых штифтов универсального шарнира, взаимодействующих с крестовиной, вилкой основного корпуса и вилкой шпинделя головки бура, при этом штифты универсального шарнира соединены посредством резьбового соединения с вилкой основного корпуса и вилкой шпинделя головки бура.

2. Система по п.1, в которой боковые грани содержат четыре в общем плоские боковые грани.

3. Система по п.1, в которой универсальный шарнир содержит внутренний канал для прохождения бурового раствора.

4. Система по п.1, в которой универсальный шарнир содержит четыре закаленных штифта, которые прикрепляют вилки к крестовине.

5. Система по п.1, в которой износостойкая накладка размещена вдоль внутренней поверхности каждой вилки.

6. Система по п.5, в которой каждая износостойкая пластина содержит на поверхности каналы для смазки, ориентированные для сцепления с соответствующей боковой гранью крестовины.

7. Система по п.4, в которой четыре закаленных штифта покрыты износостойким покрытием.

8. Система по п.7, в которой износостойкие покрытия содержат карбид вольфрама.

9. Система по п.1, которая дополнительно содержит гофрированную трубу, окружающую крестовину.

10. Система по п.9, которая дополнительно содержит стабилизирующую муфту, размещенную вокруг гофрированной трубы.

11. Система бурения скважин, содержащая универсальный шарнир, связанный с бурильной колонной и содержащий часть основного корпуса, имеющую вилку основного корпуса с внутренними поверхностями, часть шпинделя головки бура, имеющую вилку шпинделя головки бура с внутренними поверхностями, и крестовину, связывающую часть основного корпуса с частью шпинделя головки бура и содержащую элемент монолитной крестовины, имеющий штифты, составляющие с ней единое целое, для обеспечения возможности поворота части шпинделя головки бура относительно части основного корпуса, и гибкую трубку, проходящую через крестовину и универсальный шарнир для обеспечения протекания бурового раствора через элемент монолитной крестовины, при этом вилка основного корпуса и вилка шпинделя головки бура изготовлены в виде разъемных вилок, имеющих регулируемый элемент вилки.

12. Система по п.11, в которой универсальный шарнир содержит внутренний канал для прохождения бурового раствора.

13. Система по п.11, которая дополнительно содержит гофрированную трубу, окружающую крестовину.

14. Система по п.13, которая дополнительно содержит стабилизатор, размещенный вокруг гофрированной трубы.

15. Система бурения скважин, содержащая универсальный шарнир, связанный с бурильной колонной и содержащий часть основного корпуса, имеющую вилку основного корпуса с внутренними поверхностями, часть шпинделя головки бура, имеющую вилку шпинделя головки бура с внутренними поверхностями, и крестовину, связывающую часть основного корпуса с частью шпинделя головки бура и взаимодействующую с регулируемыми штифтами универсального шарнира, вставленными с внутренней стороны универсального шарнира и завинченными наружу до полного соединения с вилкой основного корпуса и вилкой шпинделя головки бура.

16. Система по п.15, в которой универсальный шарнир содержит внутренний канал для прохождения бурового раствора.

17. Система по п.15, в которой вилка основного корпуса и вилка шпинделя головки бура изготовлены в виде разъемных вилок, имеющих регулируемый элемент вилки.

18. Система по п.15, которая дополнительно содержит гофрированную трубу, окружающую крестовину.

19. Система по п.18, которая дополнительно содержит стабилизатор, размещенный вокруг гофрированной трубы.