СКВАЖИННЫЙ ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ СТОПОРНЫЙ МЕХАНИЗМ Российский патент 2016 года по МПК E21B4/20 E21B19/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к системам, узлам и способам для скважинного вращательного стопорного механизма для передачи дополнительного крутящего момента на буровой снаряд, расположенный в стволе скважины, где могут присутствовать неблагоприятные условия, являющиеся проблемой для крутящего момента бурового снаряда в стволе скважины.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В разведке нефтяных и газовых месторождений важно защищать рабочий прогресс бурильной колонны и соединенных с ней скважинных инструментов. Как правило, буровая установка, расположенная на поверхности или над ней, может быть соединена с ближайшим концом бурильной колонны в скважине с возможностью вращения этой бурильной колонны. Бурильная колонна обычно содержит силовую секцию (например, объемный забойный турбинный двигатель), которая содержит статор и ротор, вращающиеся и передающие крутящий момент вниз буровой скважины на буровое долото или другое скважинное оборудование (называемое обычно буровым снарядом), соединенное с дальним концом бурильной колонны. Поверхностное оборудование на буровой установке вращает бурильную колонну и буровое долото по мере его пробуривания в земную кору для формирования ствола скважины. Во время нормальной работы поверхностное оборудование вращает статор, а ротор вращается за счет разности давления перекачиваемой жидкости по силовой секции относительно статора. Скорость вращения скважинных компонентов, таких как бурильная колонна, силовая секция, буровой снаряд и буровое долото, обычно выражают в терминах числа оборотов в минуту (RPM, revolutions per minute). Когда скорость бурового долота равна скорости статора (как может быть выражено в RPM) или меньше ее, силовая секция называется "потерявшей скорость".

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0003] На фиг. 1 показано схематичное изображение буровой установки и скважинного оборудования, содержащего вращательный стопорный механизм, расположенный в стволе скважины.

[0004] На фиг. 2А показан частичный перспективный вид примерного скважинного вращательного стопорного механизма.

[0005] На фиг. 2В показано другой вид в поперечном сечении примерного скважинного вращательного стопорного механизма, изображенного на фиг. 2А.

[0006] На фиг. 3А-6В показаны виды сверху и сбоку в поперечном сечении примерного скважинного вращательного стопорного механизма на различных этапах входа в зацепление.

[0007] На фиг. 7А-9В показаны виды сверху и сбоку в поперечном сечении примерного скважинного вращательного стопорного механизма на различных этапах выхода из зацепления.

[0008] На фиг. 10 изображена блок-схема примерного процесса обеспечения вращательного стопорения для передачи крутящего момента на скважинный буровой снаряд.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Обратимся к фиг. 1, как правило, буровая установка 10, расположенная на поверхности 12 или над ней, вращает бурильную колонну 20, расположенную в стволе 60 скважины под этой поверхностью. Бурильная колонна 20 обычно содержит силовую секцию 22 скважинного объемного забойного двигателя (например, двигатель Муано), которая содержит статор 24 и ротор 26, вращающиеся и передающие крутящий момент вниз буровой скважины на буровое долото 50 или другое скважинное оборудование 40 (называемое обычно буровым снарядом), прикрепленное к продольному выходному валу 45 скважинного объемного забойного двигателя. Поверхностное оборудование 14 на буровой установке вращает бурильную колонну 20 и буровое долото 50 по мере его пробуривания в земную кору для формирования ствола 60 скважины. Ствол 60 скважины укреплен обсадными трубами 34 и цементным кольцом 32 в затрубном пространстве между обсадными трубами 34 и буровой скважиной. Во время нормальной работы поверхностное оборудование 14 вращает статор 24, а ротор 26 вращается за счет разности давления перекачиваемой жидкости по силовой секции 22 относительно статора 24 скважинного объемного забойного двигателя. По мере увеличения веса на буровом долоте 50 или сопротивления пласта бурению и/или когда крутящий момент, созданный силовой секцией, недостаточен для преодоления этого сопротивления, замедляется скорость бурового долота 50. Когда скорость бурового долота 50 равна скорости статора 24 в RPM или меньше ее, силовая секция 22 называется "потерявшей скорость".

[0010] На этом этапе вращение бурового долота 50 и ротора 26 отстает от вращения статора 24, что означает, что ротор 26 поворачивается в обратном направлении по отношению к статору 24. Во время потери двигателем скорости комбинация механической нагрузки и жидкостной эрозии высокого давления может быстро приводить к серьезному повреждению эластомера статора и может снижать срок службы и эффективность силовой секции 22.

[0011] В некоторых ситуациях потерю двигателем скорости можно избежать посредством обеспечения дополнительного крутящего момента на буровое долото 50 для того, чтобы пробуриться через пласт, который вызывает сопротивление вращению. В иллюстрированном примере для передачи дополнительного крутящего момента от статора 24 на буровое долото 50 предоставлен скважинный вращательный стопорный механизм 100.

[0012] При нормальной работе статор 24 и ротор 26 по существу вращательно отсоединены друг от друга. При условии потери скорости или близко к таким условиям скважинный вращательный стопорный механизм 100 входит в зацепление с возможностью вращательного соединения статора 24 с выходным приводным валом 102, который приводится ротором 26, для доставки дополнительного крутящего момента на продольный выходной вал 45, который прикреплен с возможностью съема к этому выходному приводному валу. По мере уменьшения сопротивления скважинный антивращательный инструмент выходит из зацепления с возможностью по существу отсоединения статора 24 от ротора 26.

[0013] На фиг. 2А и 2В показан частичный перспективный вид в поперечном сечении примерного скважинного вращательного стопорного механизма 100. Механизм 100 содержит выходной приводной вал 102 и трубчатый корпус 104. Трубчатый корпус содержит продольное проходное отверстие 103 и внутреннюю стенку 105. Выходной приводной вал 102 может приводиться при помощи ротора 26 с фиг. 1, а трубчатый корпус 104 может быть соединен со статором 24 и приводиться при его помощи.

[0014] Ведущее зубчатое колесо 110 расположено в продольном проходном отверстии 103 по окружности между выходным приводным валом 102 и трубчатым корпусом 104. Ведущее зубчатое колесо 110 содержит периферийный край 111, прикрепленный к внутренней стенке 105 продольного проходного отверстия 103. Ведущее зубчатое колесо 110 вращается вместе с трубчатым корпусом 104 и не соединено отдельно с возможностью вращения выходного приводного вала 102. Ведущее зубчатое колесо 110 содержит сконфигурированные пилообразно зубья 112 зубчатого колеса, вырезанные по окружности в форме храповых пилообразных зубьев, расположенных вокруг центрального продольного проходного отверстия 114 сквозь ведущее зубчатое колесо 110.

[0015] Ведомое зубчатое колесо 120 расположено в продольном проходном отверстии 103 по окружности между выходным приводным валом 102 и трубчатым корпусом 104. Нижняя поверхность ведомого зубчатого колеса 120 содержит зубья 122 зубчатого колеса, вырезанные по окружности в форме храповых пилообразных зубьев, которые соответствуют зубьям 112 зубчатого колеса и могут сопрягаться с ними. Ведомое зубчатое колесо 120 содержит по меньшей один продольный паз 123, расположенный в осевом направлении во внутренней стенке 125 продольного проходного отверстия 114 ведомого зубчатого колеса 120 для приема по меньшей мере одной шпонки 124, выполненной с обеспечением возможности продольного скользящего перемещения ведомого зубчатого колеса по выходному валу 102. Шпонки 124 ориентированы продольно вокруг наружной периферийной поверхности 106 выходного приводного вала 102 и приняты в сопрягаемые продольные пазы 123 во внутренней стенке проходного отверстия ведомого зубчатого колеса 120 таким образом, ведомое зубчатое колесо 120 выполнено с возможностью продольного скользящего перемещения по выходному приводному валу 102, а шпонки 124 передают крутящий момент от ведомого зубчатого колеса 120 на выходной вал 102.

[0016] В некоторых вариантах реализации шпонки 124 могут быть сформированы, например изготовлены на станке, или сформованы как часть выходного приводного вала 102. В некоторых вариантах реализации шпонки 124 могут быть соединены с возможностью съема с выходным приводным валом 102. Например, шпонки 124 могут быть сформированы как планки, продольно прикрепленные к приводному валу при помощи крепежа, сварки или любых подходящих соединителей. В некоторых вариантах реализации шпонки 124 могут быть сформированы в виде по меньшей мере одной фиксирующей шпонки, а продольные пазы 123 могут быть по меньшей мере одним шпоночным пазом, сформированным с возможностью приема этой фиксирующей шпонки. Например, выходной приводной вал 102 может содержать один, два, три, четыре или любое другое подходящее количество фиксирующих шпонок, а ведомое зубчатое колесо 120 может содержать соответствующее количество шпоночных пазов. В некоторых вариантах реализации шпонки 124 могут быть сформированы в виде совокупности продольных ребер, которые по существу окружают периферию выходного приводного вала 120, а продольные пазы 123 могут быть сформированы в виде совокупности соответствующих пазов, сформированных по существу во всей внутренней стенке 105 продольного проходного отверстия 103 ведомого зубчатого колеса 120. В некоторых вариантах реализации шпонки 124 и продольные пазы 123 могут иметь по существу прямоугольное поперечное сечение. В некоторых вариантах реализации шпонки 124 и продольные пазы 123 могут иметь по существу треугольное поперечное сечение.

[0017] Ведомое зубчатое колесо 120 содержит совокупность спиральных криволинейных пазов 126 и периферических пазов 128. Пазы 126-128 сформированы с возможностью приема совокупности винтов 130 со сферическим концом. Винты 130 со сферическим концом навинчены с помощью резьбы 132, сформированной в трубчатом корпусе 104, и частично проходят в пазы 126-128.

[0018] Периферический паз 128 сформирован в радиально наружной поверхности ведомого зубчатого колеса 120 и по окружности вокруг нее. Периферический паз 128 сформирован таким образом, что винты 130 со сферическим концом проходят в периферическом пазу 128 с обеспечением возможности свободного вращения ведомого зубчатого колеса 120, в то же время по существу удерживая ведомое зубчатое колесо 120 в положении по оси выходного приводного вала 102 таким образом, что зубья 122 зубчатого колеса выходят из зацепления с зубьями 112 ведущего зубчатого колеса 110.

[0019] Спиральные криволинейные пазы 126 сформированы в радиально наружной поверхности ведомого зубчатого колеса 120, пересекаясь с периферическим пазом 128 в пересечении 134 и отходя спирально от периферического паза 128 и зубьев 122 зубчатого колеса. Спиральные криволинейные пазы 126 сформированы таким образом, что винты 130 со сферическим концом проходят в спиральных криволинейных пазах 126 с возможностью побуждения ведомого колеса 120 перемещаться продольно по шпонкам 124 по мере вращения трубчатого корпуса 104 относительно выходного приводного вала 102. Продольное перемещение ведомого зубчатого колеса 120 побуждает зубья 122 зубчатого колеса входить в зацепление с зубьями 112 зубчатого колеса, когда трубчатый корпус 104 вращается относительно быстрее, чем выходной приводной вал 102, в первом направлении, как показано на фиг. 3А-6В, и побуждает зубья 122 зубчатого колеса выходить из зацепления с зубьями 112 зубчатого колеса, когда трубчатый корпус 104 вращается более медленно, чем выходной приводной вал 102, как показано на фиг. 3А-6В.

[0020] На фиг. 3А-6В показаны виды сверху и сбоку в поперечном сечении примерного скважинного вращательного стопорного механизма 100 на различных этапах входа в зацепление. Обратимся к фиг. 3А и 3В, на которых показано механизм 100 в выведенной из зацепления конфигурации. В некоторых реализациях выходной вал 102 может быть выполнен с возможностью передачи крутящего момента на буровое долото 50, расположенное в стволе 60 скважины под скважинным вращательным стопорным механизмом 100.

[0021] Зубья 122 зубчатого колеса ведомого зубчатого колеса 120 не находятся во вращательном контакте с зубьями 112 ведущего зубчатого колеса 110. При нормальной работе выходной приводной вал 102 и трубчатый корпус 104 вращаются в одном и том же направлении, при этом скорость вращения выходного приводного вала 102 относительно быстрее, чем скорость вращения трубчатого корпуса 104. В иллюстрированных примерах вращение обоих элементов показано по часовой стрелке, как видно из перспективного изображения, показанного на фиг. 3А, но в некоторых вариантах осуществления механизм 100 может быть выполнен с возможностью по существу тех же функций, как будут описаны при вращении против часовой стрелки.

[0022] При нормальной работе выходной приводной вал 102 вращается относительно быстрее, чем трубчатый корпус 104. Винты 130 со сферическим концом перемещаются по пазу 128 в направлении, в целом противоположном, чем спиральные криволинейные пазы 126 в пересечениях 134, как указано стрелкой 302. На виде, представленном на фиг. 3В, эта операция побудит винты 130 со сферическим концом перемещаться по периферическому пазу 128 слева направо. В силу этого винты 130 со сферическим концом пройдут пересечения 134 и, по существу, не будут входить в зацепление со спиральными криволинейными пазами 126.

[0023] Обратимся теперь к фиг. 4А и 4В, относительное вращение трубчатого корпуса 104 начало вращаться относительно более быстро, чем выходной приводной вал 102. Например, буровое долото 50 с фиг. 1 может столкнуться с непредвиденным сопротивлением, которое может замедлять вращение бурового долота 50, а также вращение выходного приводного вала 102. Трубчатый корпус 104 может продолжать вращаться по существу со своей исходной скоростью, которая в этом примере теперь относительно более быстрая, чем скорость выходного приводного вала 102. Таким образом, винт 130 со сферическим концом переместится по периферическому пазу 128 в направлении, в целом указанном стрелкой 402.

[0024] Когда винт 130 со сферическим концом достигает пересечения 134, этот винт 130 со сферическим концом выйдет из периферического паза 128 и переместится вверх по спиральному криволинейному пазу 126, как в целом указано стрелкой 404. Поскольку винт 130 со сферическим концом зафиксирован относительно трубчатого корпуса 104, перемещение этого винта 130 со сферическим концом по спиральному криволинейному пазу 126 в указанном направлении подожмет ведомое зубчатое колесо 120 в направлении, в целом указанном стрелкой 406.

[0025] В некоторых вариантах осуществления ведомое зубчатое колесо 120 может быть поджато в направлении к ведущему зубчатому колесу 110 под действием силы тяжести. Например, при вертикальной бурильной работе ведомое зубчатое колесо 120 может быть расположено над ведущим зубчатым колесом 110 и вес ведомого зубчатого колеса 120 может быть достаточным для того, чтобы побудить винт 130 со сферическим концом изначально входить в спиральный криволинейный паз 126, в то же время перемещаясь в направлении 402.

[0026] В некоторых вариантах осуществления ведомое зубчатое колесо 120 может быть поджато в направлении к ведущему зубчатому колесу 110 посредством смещающего элемента (не показан), например пружины, конического диска или любого другого подходящего источника смещения. Например, при горизонтальной бурильной работе смещающий элемент может обеспечивать силу, достаточную для того, чтобы побудить винт 130 со сферическим концом изначально входить в спиральный криволинейный паз 126, в то же время перемещаясь в направлении 402. Такой смещающий элемент всегда может вызывать проталкивание ведомого зубчатого колеса 120 по направлению к ведущему зубчатому колесу 110 и вход винта 130 со сферическим концом в спиральный криволинейный паз 126, когда относительная скорость ведомого зубчатого колеса 120 отрицательна по отношению к ведущему зубчатому колесу 110.

[0027] Обратимся теперь к фиг. 5А и 5В, по мере перемещения винта 130 со сферическим концом вверх по спиральному криволинейному пазу 126, как в целом указано стрелкой 404, ведомое зубчатое колесо 120 продолжает поджиматься дальше в направлении, в целом указанном стрелкой 406. По мере перемещения ведомого зубчатого колеса 120 в направлении 404 зубья 122 зубчатого колеса входят в зацепление с зубьями 112 ведущего зубчатого колеса 110.

[0028] Обратимся теперь к фиг. 6А и 6В, ведомое зубчатое колесо 120 показано полностью вошедшим в зацепление с ведущим зубчатым колесом 110. В такой конфигурации вращение трубчатого корпуса 104 и ведущего зубчатого колеса 110 заставит вращаться ведомое зубчатое колесо 120 с помощью зацепления зубьев 112, 122 зубчатого колеса. Вращение ведомого зубчатого колеса 120 заставит вращаться выходной приводной вал 102, в то время как зубья 112, 122 зубчатого колеса остаются по меньшей мере частично вошедшими в зацепление.

[0029] На фиг. 7А-9В показаны виды сверху и сбоку в поперечном сечении примерного скважинного вращательного стопорного механизма 100 на различных этапах выхода из зацепления от введенной в зацепление конфигурации. Например, механизм 100 может быть помещен во введенную в зацепление конфигурацию, показанную на фиг. 6А-6В, когда сопротивление буровому долоту 50 с фиг. 1 увеличивается до точки, в которой скорость вращения трубчатого корпуса 104 превышает скорость вращения выходного приводного вала 102. На фиг. 7А-9В иллюстрирован пример по существу обратного процесса, который происходит, когда скорость вращения выходного приводного вала 102 превышает скорость вращения трубчатого корпуса 104, как, например, после того, как было преодолено увеличенное сопротивления на буровом долоте 50.

[0030] На фиг. 7А и 7В показан механизм 100 по существу во введенной в зацепление конфигурации, аналогичной показанной на фиг. 6А и 6В. Однако в примерах, показанных на фиг. 7А и 7В, выходной приводной вал 102 только что начал вращаться быстрее, чем трубчатый корпус 104. Таким образом, винты 130 со сферическим концом будут поджаты по спиральным криволинейным пазам 126 в направлении, в целом указанном стрелкой 702. По мере поджимания винтов 130 со сферическим концом по спиральным криволинейным пазам 126 ведомое зубчатое колесо 120 поджимается продольно от ведущего колеса 110 в направлении, в целом указанном стрелкой 704.

[0031] Обратимся теперь к фиг. 8А и 8В, по мере того как винты 130 со сферическим концом продолжают поджиматься по спиральным криволинейным пазам 126 в направлении 702, а ведомое зубчатое колесо 120 продолжает поджиматься от ведущего колеса 110 в направлении 704, зубья 122 зубчатого колеса станут все в большей степени выходить из зацепления с зубьями 112 зубчатого колеса. Когда винты 130 со сферическим концом достигнут пересечений 134, эти винты 130 со сферическим концом выйдут из спиральных криволинейных пазов 126 и войдут в периферический паз 128.

[0032] Обратимся теперь к фиг. 9А и 9В, на которых показан механизм 100 в выведенной из зацепления конфигурации. Ведомое зубчатое колесо 120 показано по существу продольно отстоящим от ведущего зубчатого колеса 110 таким образом, что зубья 122 зубчатого колеса вышли из зацепления с зубьями 112 зубчатого колеса. Винт 130 со сферическим концом перемещается по периферическому пазу 128 в направлении, в целом указанном стрелкой 706. Хотя винт 130 со сферическим концом находится в периферическом пазе 128, ведомое зубчатое колесо 120 удерживается в выведенном из зацепления продольном положении, показанном на фиг. 9В.

[0033] На фиг. 10 изображена блок-схема примерного процесса 1000 обеспечения антивращательного стопорения. В некоторых вариантах реализации процесс 1000 может описывать работу скважинного вращательного стопорного механизма 100, показанного на фиг. 1-9В.

[0034] На этапе 1010 предоставлен скважинный вращательный стопорный механизм, такой как механизм 100. Механизм содержит трубчатый корпус 104, имеющий продольное проходное отверстие 103 с внутренней стенкой 105. Механизм 100 также содержит ведущее зубчатое колесо 110, расположенное в продольном проходном отверстии 103 трубчатого корпуса 104, при этом ведущее зубчатое колесо 110 содержит периферийный край, прикрепленный к внутренней стенке 105 продольного проходного отверстия 103 трубчатого корпуса 104, и имеет верхнюю часть, содержащую первое множество зубьев 112 зубчатого колеса, расположенных вокруг центрального продольного проходного отверстия сквозь это ведущее зубчатое колесо. Механизм 100 также содержит ведомое зубчатое колесо 120, подвижно размещенное в продольном проходном отверстии 103 трубчатого корпуса 104, при этом ведомое зубчатое колесо 120 имеет центральное продольное проходное отверстие и нижнюю часть, содержащую второе множество зубьев 122 зубчатого колеса. Выходной приводной вал 102 расположен продольно в продольном проходном отверстии 103 трубчатого корпуса 104 и в продольном проходном отверстии ведомого зубчатого колеса 120.

[0035] На этапе 1020 трубчатый корпус и ведущее зубчатое колесо вращаются с первой скоростью вращения в первом направлении вращения. Например, как показано на фиг. 3А, трубчатый корпус 104 вращается в направлении по часовой стрелке.

[0036] На этапе 1030 выходной вал и ведомое зубчатое колесо вращаются со второй скоростью вращения, меньшей, чем первая скорость вращения, и в первом направлении вращения. Например, как показано на фиг. 3А, выходной вал 102 также вращается против часовой стрелки со скоростью, более медленной, чем трубчатый корпус 104.

[0037] На этапе 1040 ведомое зубчатое колесо входит в зацепление с ведущим зубчатым колесом. Например, зубья 112 зубчатого колеса могут зацепляться с зубьями 122 зубчатого колеса, как показано на фиг. 5В.

[0038] В некоторых вариантах реализации скважинный вращательный стопорный механизм дополнительно содержит винт со сферическим концом, зафиксированный на трубчатом корпусе вращательного стопорного механизма, при этом винт со сферическим концом расположен в круговом периферическом пазу, соединенным со спиральным криволинейным пазом, расположенным на наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса. Например, винт 130 со сферическим концом может перемещаться по существу в периферическом пазу 128, который соединен со спиральными криволинейными пазами 126.

[0039] В некоторых вариантах реализации вход в зацепление ведомого зубчатого колеса с ведущим зубчатым колесом может включать прохождение винта со сферическим концом из кругового периферического паза в спиральный криволинейный паз и вращение выходного вала и ведомого зубчатого колеса со второй скоростью вращения, меньшей, чем первая скорость вращения, и в первом направлении вращения для поджимания винта со сферическим концом по спиральном криволинейному пазу для поджимания ведомого зубчатого колеса продольно по направлению к ведущему зубчатому колесу таким образом, что второе множество зубьев зубчатого колеса станут вращательно входить в зацепление с первым множеством зубьев зубчатого колеса. Например, как обсуждалось в описаниях фиг. 3А-6В, винт 130 со сферическим концом проходит из периферического паза 128 в спиральный криволинейный паз 126. Вращение трубчатого корпуса 104 поджимает винты 130 со сферическим концом по спиральным криволинейным пазам 126, что в свою очередь поджимает ведомое зубчатое колесо 120 по направлению к контакту с ведущим зубчатым колесом 110.

[0040] На этапе 1050 крутящий момент передают от ведущего зубчатого колеса к ведомому зубчатому колесу. Например, как показано на фиг. 6А-6В, зубья 112 зубчатого колеса могут передавать вращательную энергию на зубья 122 зубчатого колеса.

[0041] На этапе 1060 выходной вал и ведомое зубчатое колесо вращаются с третьей скоростью вращения, большей, чем первая скорость вращения, и в первом направлении вращения. Например, как показано на фиг. 7А, 8А и 9А, выходной вал 102 вращается в направлении по часовой стрелке со скоростью, большей, чем скорость вращения по часовой стрелке трубчатого корпуса 104. В некоторых вариантах реализации эта ситуация может возникать только после того, как буровое долото 50 преодолеет непредвиденно сопротивляемый геологический пласт.

[0042] На этапе 1070 ведомое зубчатое колесо выходит из зацепления с ведущим колесом. Например, как обсуждалось в описаниях фиг. 7А-9В, ведомое зубчатое колесо 120 вращательно выходит из зацепления с ведущим зубчатым колесом 110 по мере того, как ведомое зубчатое колесо 120 перемещается продольно от ведущего зубчатого колеса 110.

[0043] В некоторых вариантах реализации выход из зацепления ведомого зубчатого колеса с ведущим зубчатым колесом может включать вращение выходного вала и ведомого зубчатого колеса с третьей скоростью вращения, меньшей, чем первая скорость вращения, и в первом направлении вращения для поджимания винта со сферическим концом по спиральном криволинейному пазу для поджимания ведомого зубчатого колеса продольно от ведущего зубчатого колеса таким образом, что второе множество зубьев зубчатого колеса станут вращательно выходить из зацепления с первым множеством зубьев зубчатого колеса, и прохождение винта со сферическим концом из спирального криволинейного паза в круговой периферический паз. Например, на фиг. 7А-9В показан выходной вал 102, вращающийся по часовой стрелке быстрее, чем вращающийся по часовой стрелке трубчатый корпус 104. Относительная разность между скоростями ведомого зубчатого колеса 120 и трубчатого корпуса 104 поджимает винт 130 со сферическим концом по спиральному криволинейному пазу 126 по направлению к периферическому пазу 128, что в свою очередь поджимает ведомое зубчатое колесо 120 продольно от ведущего зубчатого колеса 110. По мере того как удаляется ведомое зубчатое колесо 120, зубья 122 зубчатого колеса вращательно выходят из зацепления с зубьями 112 зубчатого колеса, что по существу останавливает передачу вращательной энергии от ведущего зубчатого колеса 110 на ведомое зубчатое колесо 120. В итоге винт 130 со сферическим концом выходит из спирального криволинейного паза 126 и входит в периферический паз 128, как показано на фиг. 9А-9В.

Хотя выше было подробно описано небольшое количество вариантов реализации, другие модификации являются возможными. Например, логические блок-схемы, показанные на чертежах, для достижения требуемых результатов не требуют конкретного изображенного порядка или последовательного порядка. Кроме того, в описанные блок-схемы могут быть предоставлены другие этапы или этапы могут быть исключены из блок-схем, а также в описанные системы могут быть добавлены другие компоненты или исключены из них. Соответственно, другие варианты реализации находятся в пределах объема нижеследующей формулы изобретения.

Группа изобретений относится к скважинным вращательным стопорным механизмам и способам передачи крутящего момента на скважинный инструмент. Технический результат заключается в передаче дополнительного крутящего момента на буровое долото при бурении через пласт, который вызывает сопротивление вращению. Скважинный вращательный стопорный механизм содержит трубчатый корпус, имеющий продольное проходное отверстие с внутренней стенкой; ведущее зубчатое колесо, расположенное в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса, при этом указанное ведущее зубчатое колесо содержит периферийный край, прикрепленный к внутренней стенке продольного проходного отверстия трубчатого корпуса, и имеет верхнюю часть, содержащую множество зубьев зубчатого колеса, расположенных вокруг центрального продольного проходного отверстия через указанное ведущее зубчатое колесо; ведомое зубчатое колесо, подвижно размещенное в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса, при этом указанное ведомое зубчатое колесо имеет центральное продольное проходное отверстие и нижнюю часть, содержащую множество зубьев зубчатого колеса; выходной приводной вал, расположенный продольно в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса и в продольном проходном отверстии ведомого зубчатого колеса; и винт со сферическим концом, прикрепленный к трубчатому корпусу вращательного стопорного механизма. Указанный винт со сферическим концом расположен в круговом периферическом пазу, расположенном на наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса и соединенном со спиральным криволинейным пазом, расположенным на этой наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Скважинный вращательный стопорный механизм, содержащий:
трубчатый корпус, имеющий продольное проходное отверстие с внутренней стенкой;
ведущее зубчатое колесо, расположенное в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса, при этом указанное ведущее зубчатое колесо содержит периферийный край, прикрепленный к внутренней стенке продольного проходного отверстия трубчатого корпуса, и имеет верхнюю часть, содержащую множество зубьев зубчатого колеса, расположенных вокруг центрального продольного проходного отверстия через указанное ведущее зубчатое колесо;
ведомое зубчатое колесо, подвижно размещенное в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса, при этом указанное ведомое зубчатое колесо имеет центральное продольное проходное отверстие и нижнюю часть, содержащую множество зубьев зубчатого колеса;
выходной приводной вал, расположенный продольно в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса и в продольном проходном отверстии ведомого зубчатого колеса; и
винт со сферическим концом, прикрепленный к трубчатому корпусу вращательного стопорного механизма, при этом указанный винт со сферическим концом расположен в круговом периферическом пазу, расположенном на наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса и соединенном со спиральным криволинейным пазом, расположенным на этой наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса.

2. Механизм по п. 1, в котором выходной приводной вал содержит по меньшей мере одну шпонку, расположенную на наружной периферийной поверхности выходного приводного вала, при этом указанная шпонка принята в сопрягаемый продольный паз во внутренней поверхности центрального проходного отверстия ведомого зубчатого колеса, а ведомое зубчатое колесо выполнено с возможностью плавного перемещения продольно на выходном приводном валу.

3. Механизм по п. 1, в котором трубчатый корпус прикреплен с возможностью снятия к силовому выходному валу скважинного бурового двигателя, расположенного в стволе скважины над скважинным вращательным стопорным механизмом.

4. Механизм по п. 1, в котором выходной приводной вал вращательного стопорного механизма соединен с буровым долотом, расположенным в стволе скважины под скважинным вращательным стопорным механизмом.

5. Механизм по п. 1, в котором зубья ведомого зубчатого колеса сопрягаются с зубьями ведущего зубчатого колеса.

6. Механизм по п. 1, дополнительно содержащий смещающий элемент, обеспеченный с возможностью поджимания ведомого зубчатого колеса по направлению к ведущему зубчатому колесу.

7. Способ передачи крутящего момента на скважинный инструмент, включающий:
обеспечение скважинного вращательного стопорного механизма, содержащего трубчатый корпус, имеющий продольное проходное отверстие с внутренней стенкой; ведущее зубчатое колесо, расположенное в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса, при этом указанное ведущее зубчатое колесо содержит периферийный край, прикрепленный к внутренней стенке продольного проходного отверстия трубчатого корпуса, и имеет верхнюю часть, содержащую первое множество зубьев зубчатого колеса, расположенных вокруг центрального продольного проходного отверстия через указанное ведущее зубчатое колесо; ведомое зубчатое колесо, подвижно размещенное в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса, при этом указанное ведомое зубчатое колесо имеет центральное продольное проходное отверстие и нижнюю часть, содержащую второе множество зубьев зубчатого колеса; выходной приводной вал, расположенный продольно в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса и в продольном проходном отверстии ведомого зубчатого колеса; и винт со сферическим концом, прикрепленный к трубчатому корпусу вращательного стопорного механизма, при этом указанный винт со сферическим концом расположен в круговом периферическом пазу, расположенном на наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса и соединенном со спиральным криволинейным пазом, расположенным на этой наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса;
вращение трубчатого корпуса и ведущего зубчатого колеса с первой скоростью вращения в первом направлении вращения;
вращение выходного вала и ведомого зубчатого колеса со второй скоростью вращения, меньшей, чем первая скорость вращения, и в первом направлении вращения;
введение в зацепление ведомого зубчатого колеса с ведущим зубчатым колесом, включающее:
прохождение винта со сферическим концом из кругового периферического паза в спиральный криволинейный паз;
вращение выходного вала и ведомого зубчатого колеса со второй скоростью вращения, меньшей, чем первая скорость вращения, и в первом направлении вращения, поджимающее винт со сферическим концом по спиральному криволинейному пазу и, тем самым, поджимающее ведомое зубчатое колесо продольно по направлению к ведущему зубчатому колесу таким образом, что второе множество зубьев зубчатого колеса станет вращательно входить в зацепление с первым множеством зубьев зубчатого колеса; и передачу крутящего момента от ведущего зубчатого колеса на ведомое зубчатое колесо.

8. Способ по п. 7, в котором ведомое зубчатое колесо плавно перемещается продольно на выходном приводном валу и выводит из зацепления ведомое зубчатое колесо от ведущего зубчатого колеса.

9. Способ по п. 7, в котором выходной приводной вал содержит одну или более шпонок, расположенных на наружной периферийной поверхности выходного вала.

10. Способ по п. 9, дополнительно включающий передачу крутящего момента от ведомого зубчатого колеса на выходной приводной вал через зацепление шпонок выходного приводного вала с продольными пазами ведущего зубчатого колеса.

11. Способ по п. 7, дополнительно включающий прием трубчатым корпусом скважинного вращательного стопорного механизма крутящего момента от выхода скважинного бурового двигателя, расположенного в стволе скважины над скважинным вращательным стопорным механизмом.

12. Способ по п. 7, дополнительно включающий передачу крутящего момента от выходного приводного вала на буровое долото, расположенное в стволе скважины под скважинным вращательным стопорным механизмом.

13. Способ по п. 7, в котором указанный механизм дополнительно содержит смещающий элемент, а способ дополнительно включает обеспечение смещающей силы для поджимания ведомого зубчатого колеса по направлению к ведущему зубчатому колесу.

14. Способ передачи крутящего момента на скважинный инструмент, включающий:
обеспечение скважинного вращательного стопорного механизма, содержащего трубчатый корпус, имеющий продольное проходное отверстие с внутренней стенкой; ведущее зубчатое колесо, расположенное в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса, при этом указанное ведущее зубчатое колесо содержит периферийный край, прикрепленный к внутренней стенке продольного проходного отверстия трубчатого корпуса, и имеет верхнюю часть, содержащую первое множество зубьев зубчатого колеса, расположенных вокруг центрального продольного проходного отверстия через указанное ведущее зубчатое колесо; ведомое зубчатое колесо, подвижно размещенное в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса, при этом указанное ведомое зубчатое колесо имеет центральное продольное проходное отверстие и нижнюю часть, содержащую второе множество зубьев зубчатого колеса; выходной приводной вал, расположенный продольно в продольном проходном отверстии трубчатого корпуса и в продольном проходном отверстии ведомого зубчатого колеса; и винт со сферическим концом, прикрепленный к трубчатому корпусу вращательного стопорного механизма, при этом указанный винт со сферическим концом расположен в круговом периферическом пазу, расположенном на наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса и соединенном со спиральным криволинейным пазом, расположенным на этой наружной цилиндрической поверхности ведомого зубчатого колеса; введение в зацепление ведомого зубчатого колеса с ведущим зубчатым колесом, включающее:
вращение трубчатого корпуса и ведущего зубчатого колеса с первой скоростью вращения в первом направлении вращения;
вращение выходного вала и ведомого зубчатого колеса со второй скоростью вращения, меньшей, чем первая скорость вращения, и в первом направлении вращения, поджимающее винт со сферическим концом по спиральному криволинейному пазу и, тем самым, поджимающее ведомое зубчатое колесо продольно по направлению к ведущему зубчатому колесу таким образом, что второе множество зубьев зубчатого колеса станет вращательно введенным в зацепление с первым множеством зубьев зубчатого колеса;
выведение из зацепления ведомого зубчатого колеса с ведущим зубчатым колесом, включающее: вращение выходного вала и ведомого зубчатого колеса с третьей скоростью вращения, большей, чем первая скорость вращения, и в первом направлении вращения, поджимающее винт со сферическим концом по спиральному криволинейному пазу и, тем самым, поджимающее ведомое зубчатое колесо продольно от ведущего зубчатого колеса таким образом, что второе множество зубьев зубчатого колеса станет вращательно выведенным из зацепления с первым множеством зубьев зубчатого колеса; прохождение винта со сферическим концом из спирального криволинейного паза в круговой периферический паз; и прерывание передачи крутящего момента от ведущего зубчатого колеса на ведомое зубчатое колесо.

15. Способ по п. 14, в котором ведомое зубчатое колесо плавно перемещается продольно на выходном приводном валу и выводит из зацепления ведомое зубчатое колесо от ведущего зубчатого колеса.

16. Способ по п. 14, в котором выходной приводной вал содержит одну или более шпонок, расположенных на наружной периферийной поверхности выходного вала.

17. Способ по п. 16, дополнительно включающий передачу крутящего момента от ведомого зубчатого колеса на выходной вал через зацепление шпонок выходного приводного вала с продольными пазами ведущего зубчатого колеса.

18. Способ по п. 14, дополнительно включающий прием трубчатым корпусом скважинного вращательного стопорного механизма крутящего момента от выхода скважинного бурового двигателя, расположенного в стволе скважины над скважинным вращательным стопорным механизмом.

19. Способ по п. 14, дополнительно включающий передачу крутящего момента от выходного приводного вала на буровое долото, расположенное в стволе скважины под скважинным вращательным стопорным механизмом.

20. Способ по п. 14, в котором указанный механизм дополнительно содержит смещающий элемент и который дополнительно включает обеспечение смещающей силы для поджимания ведомого зубчатого колеса по направлению к ведущему зубчатому колесу.