СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ РАВНЫХ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2016 года по МПК E21B17/02 E21B19/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение относится в общем к применяемому оборудованию и выполняемым работам, связанным со строительством подземной скважины и в одном примере, описанном ниже, конкретно предлагает соединительный узел равных угловых скоростей для бурильной колонны.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Компоновки низа бурильной колонны (КНБК), применяемые для бурения могут включать в себя забойный двигатель, который обеспечивает вращение бурового долота на конце бурильной колонны. Вместе с тем, если бурильная КНБК включает в себя винтовой забойный двигатель объемного вытеснения, ротор забойного двигателя может иметь связанное шарниром планетарное и/или эпициклическое движение, которое предпочтительно трансформируется во вращение бурового долота. Кроме того, если в бурильной КНБК применяется кривой переводник, вращение вокруг одной центральной осевой линии КНБК предпочтительно трансформируется во вращение вокруг другой центральной осевой линии, которая не совпадает с первой центральной осевой линией.

Поэтому понятно, что постоянно требуются улучшения технических решений соединений равных угловых скоростей для передачи вращения и крутящего момента между забойным двигателем и буровым долотом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 показана часть сечения системы бурения скважины для связанного способа, в которой можно реализовать принципы данного изобретения.

На фиг. 2 показан с увеличением частично в разрезе вид в перспективе компоновки забойного двигателя, которая может применяться в системе и способе фиг. 1 и в которой можно реализовать принципы данного изобретения.

На фиг. 3 показан с дополнительным увеличением частично в разрезе вид сбоку соединительного узла равных угловых скоростей, который может применяться в компоновке забойного двигателя фиг. 2 и в котором можно реализовать принципы данного изобретения.

На фиг. 4 показано с дополнительным увеличением сечение шарового шарнира соединительного узла равных угловых скоростей.

На фиг. 5 показан разобранный шаровой шарнир фиг. 4.

На фиг. 6 показан вид сбоку другого примера компоновки забойного двигателя.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показана система 10 бурения скважины и связанный способ; в таких системе и способе можно реализовать принципы данного изобретения.

Вместе с тем понятно, что система 10 и способ являются только одним примером применения на практике принципов данного изобретения и возможны многочисленные другие примеры. Поэтому объем данного изобретения не ограничивается никоим образом деталями системы 10 и способа, описанных в данном документе и/или показанных на чертежах.

На фиг. 1 показан пример применения бурильной колонны 12 для бурения ствола 14 скважины в подземном пласте 16. Ствол 14 скважины может проходить в любом направлении, и бурильная колонна 12 может являться бурильной колонной любого типа (например, колонной из бурильных труб, гибкой насосно-компрессорной трубой, колонной из композитных материалов, кабелированной "умной" трубой и т.д.). Объем данного изобретения не ограничивается конкретным типом операций бурения или бурильной колонны.

Забойный двигатель 18 встроен в бурильную колонну 12. В данном примере забойный двигатель 18 может являться двигателем объемного вытеснения, который дает требуемые скорость вращения и крутящий момент для операций бурения скважины. Винтовой гидравлический забойный двигатель объемного вытеснения, хорошо известный специалистам в данной области техники, может применяться в качестве забойного двигателя 18.

Подшипниковый узел 20 передает вращение на выходе двигателя 18 на буровое долото 26, соединенное с дальним концом бурильной колонны 12. В данном примере подшипниковый узел 20 несет с возможностью вращения выходной вал (не показан на фиг. 1), который передает вращение и крутящий момент на буровое долото 26 для бурения ствола 14 скважины. В других примерах подшипниковый узел 20 может встраиваться в забойный двигатель 18 или подшипниковый узел может иметь иное место установки.

Система 22 измерений во время бурения (MWD) и/или каротажа во время бурения (LWD) может применяться для измерения некоторых параметров на забое скважины и для связи с удаленной площадкой (такой как сухопутная или морская буровая установка, подводное сооружение и т.д.). Такая связь может поддерживаться любым средством, например проводной или беспроводной телеметрией, по оптическим волокнам, акустическими импульсами, импульсами давления, электромагнитными волнами и т.д.

Хотя бурильная колонна 12 описана в данном документе как включающая в себя некоторые компоненты, понятно, что объем данного изобретения не ограничивается какой-либо конкретной комбинацией или расположением компонентов, и больше или меньше компонентов можно применять сообразно конкретным обстоятельствам. Бурильная колонна 12 является только одним примером бурильной колонны, которая может выиграть от реализации принципов, описанных в данном документе.

На фиг. 2 забойный двигатель 18 и подшипниковый узел 20 дополнительно показаны отдельно от остальных частей бурильной колонны 12. В данном примере забойный двигатель 18 включает в себя силовой блок 28 с ротором, заключенным в статоре, где поток текучей среды, проходящий через силовой блок, обуславливает вращение ротора относительно статора.

Ротор соединяется с выходным валом, который в данном примере включает в себя соединительный узел 30 равных угловых скоростей для передачи вращения ротора через подшипниковый узел 20 на соединительную деталь 32. Забойный двигатель 18 в данном примере может являться аналогичным в большинстве других аспектов забойному двигателю объемного вытеснения SPERRYDRILL(TM), продаваемому Halliburton Energy Services, Inc. of Houston, Texas USA. Вместе с тем забойные двигатели других типов (например, другие двигатели объемного вытеснения, турбодвигатели и т.д.) могут применяться в других примерах.

На фиг. 3 пример соединительного узла 30 равных угловых скоростей показан отдельно от забойного двигателя 18 и подшипникового узла 20. В данном примере соединительный узел 30 равных угловых скоростей включает в себя два шаровых шарнира 34, установленных на противоположных концах вала 36, но другое число данных компонентов может применяться в других примерах.

Каждое из шаровых шарниров 34 включает в себя шар 38 (например, a в общем сферическую конструкцию), размещенный в гнезде 40. Шары 38 соединяются с противоположных концов вала 36, при этом шары выполняются как одно целое на концах вала, шары выполняются отдельно и затем соединяются с валом и т.д. Объем данного изобретения не ограничивается каким-либо конкретным способом конструирования различных компонентов соединительного узла 30.

Вставка 42 размещается в отверстии 44, выполненном проходящим поперечно сквозь каждый шар 38. Вставке 42 и отверстию 44 придается такая форма, что вставка может вращаться вокруг поперечной оси 48, перпендикулярной отверстию. Например, вставка 42 может иметь форму диска или короткого цилиндра.

Отмечаем, что шаровые шарниры 34 повернуты на 90 градусов одно относительно другого. Данное выполнено для исключения вариаций скорости вращения между двумя соединениями 34.

На фиг. 4 показан пример одного из шаровых шарниров 34 отдельно от остальных частей соединительного узла 30 равных угловых скоростей. Здесь можно ясно видеть, что палец или цапфа 46 проходит поперечно через вставку 42 параллельно отверстию 44 и проходит вдоль оси 52, перпендикулярной оси 48.

Как описано более подробно ниже, гнездо 40 вращается со вставкой 42 вокруг оси 48 относительно шара 38 и также вращается с цапфой или вокруг цапфы 46 вокруг оси 52. В данном режиме шарнир 34 может успешно работать, приспосабливаясь к планетарному или эпициклическому движению ротора в забойном двигателе 18.

На фиг. 5 показан разобранный шаровой шарнир 34. Здесь можно лучше понять способ конструирования соединительного узла 30.

Как показано на фиг. 5, вставка 42 вставлена в отверстие 44, которое проходит вдоль оси 52. Вставка 42 свободно вращается вокруг оси 48 в шаре 38 в данной точке.

Шар 38 затем размещается в гнезде 40. Гнездо 40 может собираться из нескольких отдельных компонентов для обеспечения удержания шара 38 в гнезде так, что гнездо может вращаться относительно шара.

После размещения шара 38 в гнезде 40 отверстия 54, 56, выполненные проходящими поперечно сквозь вставку 42 и гнездо 40, соответственно совмещаются. Цапфа 46 затем вставляется в совмещенные отверстия 54, 56 и закрепляется (например, с использованием пружинных запорных колец, фиксаторов, запрессовки, сварки и т.д.) так, что гнездо 40 теперь вращается вокруг оси 52.

Таким образом, когда шарнир 34 собран, гнездо 40 может вращаться вокруг каждой из поперечных осей 48, 52 относительно шара 38. Гнездо 40 может вращаться с цапфой или вокруг цапфы 46.

Отмечаем, что способ, описанный выше, является просто одним примером множества различных методик сборки шарнира 34. Другие этапы, другие последовательности этапов, другие комбинации этапов и т.д. могут применяться в объеме данного изобретения.

На фиг. 6 показан другой пример бурильной колонны 12. В данном примере забойный двигатель 18 представляет собой двигатель турбинного типа. Другое отличие от бурильной колонны 12, показанной на фиг. 1, состоит в том, что бурильная колонна 12 на фиг. 6 имеет подшипниковый узел 20, соединенный между забойным двигателем 18 и соединительным узлом 30 равных угловых скоростей.

Еще одним отличием в конфигурации на фиг. 6 является то, что соединительный узел 30 равных угловых скоростей установлен в кривом переводнике 58. Таким образом, соединительный узел 30 равных угловых скоростей применяется в данном примере для передачи вращения и крутящего момента вокруг центральной осевой линии забойного двигателя 18 на буровое долото 26, центральная осевая линия которого не совпадает с центральной осевой линией забойного двигателя. Соединительный узел 30 равных угловых скоростей может также устанавливаться в кривом переводнике 58, показанном в примере фиг. 2.

Теперь совершенно понятно, что описанное выше изобретение обеспечивает значительное усовершенствование техники конструирования соединительных узлов равных угловых скоростей для применения в бурильных колоннах. В примерах, описанных выше, шаровые шарниры 34 являются прочными, недорогими в изготовлении и сборке и достигают требуемого результата по передаче крутящего момента и вращения с поворачивающегося в шарнире ротора забойного двигателя 18 фиг. 2 и/или через кривой переводник 58 фиг. 2 и 6.

Соединительный узел 30 равных угловых скоростей описан выше для применения в бурильной колонне 12. В одном примере соединительный узел 30 равных угловых скоростей может включать в себя по меньшей мере один шаровой шарнир 34 и вставку 42, с возможностью вращения размещенную в отверстии 44, выполненном проходящим поперечно сквозь шар 38 шарнира 34.

Вставка 42 может вращаться вокруг первой оси 48 относительно шара 38. Гнездо 40 шарнира 34 может вращаться вокруг первой оси 48 относительно шара 38.

Первая ось 48 является предпочтительно перпендикулярной отверстию 44.

Соединительный узел 30 равных угловых скоростей может также включать в себя вторую ось 52, перпендикулярную первой оси 48. Гнездо 40 может также вращаться вокруг второй оси 52 относительно шара 38.

Вставка 42 может в общем иметь форму диска.

Соединительный узел 30 равных угловых скоростей может также включать в себя цапфу 46, которая проходит через вставку 42. Гнездо 40 может вращаться вокруг цапфы 46. Гнездо 40 может также вращаться вокруг оси 48, перпендикулярной цапфе 46.

Соединительный узел 30 равных угловых скоростей может включать в себя два шаровых шарнира 34 (хотя другое число шарниров может применяться в других примерах). Шаровые шарниры 34 могут устанавливаться на противоположных соответствующих концах вала 36.

Вал 36 может передавать крутящий момент между забойным двигателем 18 и буровым долотом 26. Вал 36 может передавать крутящий момент через кривой переводник 58.

Выше также описан способ конструирования соединительного узла равных угловых скоростей 30. В одном примере способ может содержать установку вставки 42 в отверстии 44, выполненном в шаре 38 по меньшей мере одного шарового шарнира 34 соединительного узла 30 равных угловых скоростей, и обеспечение вращения вставки 42 в отверстии 44 вокруг первой поперечной оси 48.

Отверстие 44 может проходить поперечно через шар 38. Отверстие 44 может являться перпендикулярным первой оси 48.

Способ может включать в себя установку гнезда 40 шарового шарнира 34 на шар 38. Этап установки может выполняться после этапа установки вставки 42.

Способ может включать в себя установку цапфы 46, проходящей через вставку 42 и по меньшей мере частично в гнездо 40. Гнездо 40 может вращаться вокруг второй оси 52, которая проходит через цапфу 46.

Способ может включать в себя установку шаровых шарниров 34 на противоположных соответствующих концах вала 36.

Способ может включать в себя соединение вала 36 между забойным двигателем 18 и буровым долотом 26. Вал 36 может передавать крутящий момент через кривой переводник 58.

Выше также описана бурильная колонна 12. В одном примере бурильная колонна 12 может включать в себя забойный двигатель 18, буровое долото 26 и соединительный узел 30 равных угловых скоростей, соединенный между забойным двигателем 18 и буровым долотом 26, причем соединительный узел 30 равных угловых скоростей включает в себя по меньшей мере один шаровой шарнир 34 и вставку 42, размещенную с возможностью вращения в отверстии 44, выполненном проходящим поперечно сквозь шар 38 шарнира 34.

Хотя различные примеры описаны выше, где каждый пример имеет конкретные признаки, понятно, что не обязательно конкретный признак одного примера применяется исключительно в данном примере. Напротив, любой из признаков, описанных выше и/или показанных на чертежах можно комбинировать с любым из примеров, в дополнение или взамен любого из других признаков данных примеров. Признаки одного примера не исключают признаки других примеров. Напротив, объем данного изобретения охватывает любые комбинации любых признаков.

Хотя каждый описанный выше пример включает в себя конкретную комбинацию признаков, понятно, что все признаки примера не обязательно должны применяться. Напротив, любой из признаков, описанных выше, можно использовать без любого другого конкретного признака или признаков, также применяемых.

Понятно, что различные варианты осуществления, описанные в данном документе, можно использовать с различной ориентацией, например наклонной, перевернутой, горизонтальной, вертикальной и т.д. и в различных конфигурациях без отхода от принципов данного изобретения. Варианты осуществления описаны только как примеры реализации принципов изобретения, которое не ограничено конкретными деталями данных вариантов осуществления.

В приведенном выше описании термины, указывающие направление (например, "над", "под", "верхний", "нижний" и т.д.), применяются для удобства описания прилагаемых чертежей. Вместе с тем понятно, что объем данного изобретения не ограничен конкретными направлениями, описанными в данном документе.

Термины "включающий в себя", "включает в себя", "содержащий", "содержит" и аналогичные применяются в неограничивающем смысле в данном описании. Например, если система, способ, устройство, средство и т.д. описывается как "включающее в себя" конкретный признак или элемент, то система, способ, устройство, средство и т.д., может включать в себя данный признак или элемент и может также включать в себя другие признаки или элементы. Аналогично термин "содержит" означает "содержит без ограничения этим".

Естественно, специалисту в данной области техники, изучившему приведенное выше описание вариантов осуществления изобретения, понятно, что многие модификации, дополнения, замены, исключения и другие изменения можно выполнять в конкретных вариантах осуществления и что такие изменения соответствуют принципам данного изобретения. Например, конструкции, раскрытые как отдельные, в других примерах могут являться интегральными и наоборот. Соответственно приведенное выше подробное описание следует понимать, только как иллюстрирующий пример, сущность и объем изобретения ограничиваются только прилагаемой формулой изобретения и его эквивалентами.

Группа изобретений относится к применяемому оборудованию и выполняемым работам, связанным со строительством подземной скважины, и предусматривает применение соединительного узла равных угловых скоростей для бурильной колонны. Технический результат - повышение надежности передачи вращения и крутящего момента между забойным двигателем и буровым долотом с помощью узла равных угловых скоростей. Соединительный узел равных угловых скоростей для бурильной колонны при передаче крутящего момента между забойным двигателем и буровым долотом содержит по меньшей мере один шаровой шарнир. При этом шаровой шарнир дополнительно содержит вторую ось, перпендикулярную первой оси, и вставку. Вставка имеет форму, обеспечивающую возможность ее вращения вокруг поперечной оси, перпендикулярной отверстию, проходящему поперечно сквозь шар шарнира. Гнездо шарового шарнира выполнено с возможностью вращения также и вокруг второй оси шарового шарнира с приспосабливанием к планетарному или эпициклическому движению ротора в забойном двигателе. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Соединительный узел равных угловых скоростей для применения в бурильной колонне при передаче крутящего момента между забойным двигателем и буровым долотом, содержащий:
по меньшей мере один шаровой шарнир, причем шаровой шарнир дополнительно содержит вторую ось, перпендикулярную первой оси; и
вставку, имеющую форму, обеспечивающую возможность ее вращения вокруг поперечной оси, перпендикулярной отверстию, проходящему поперечно сквозь шар шарнира; и
гнездо шарового шарнира, выполненное с возможностью вращения также и вокруг второй оси шарового шарнира с приспосабливанием к планетарному или эпициклическому движению ротора в забойном двигателе.

2. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 1, в котором вставка выполнена с возможностью вращения вокруг первой оси относительно шара и при этом гнездо шарнира вращается вокруг первой оси относительно шара.

3. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 2, в котором первая ось расположена перпендикулярно отверстию.

4. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 2, дополнительно содержащий вторую ось, перпендикулярную первой оси, при этом гнездо также вращается вокруг второй оси относительно шара.

5. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 1, в котором вставка, в общем, имеет форму диска.

6. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 1, дополнительно содержащий цапфу, которая проходит через вставку, при этом гнездо шарнира вращается вокруг цапфы.

7. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 6, в котором гнездо также вращается вокруг оси, перпендикулярной цапфе.

8. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 1, в котором по меньшей мере один шаровой шарнир содержит первый и второй шаровые шарниры, причем шаровые шарниры установлены на противоположных соответствующих концах вала.

9. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 8, в котором вал передает крутящий момент между забойным двигателем и буровым долотом.

10. Соединительный узел равных угловых скоростей по п. 8, в котором вал передает крутящий момент через кривой переводник.

11. Способ конструирования соединительного узла равных угловых скоростей для применения в бурильной колонне при передаче крутящего момента между забойным двигателем и буровым долотом, в котором:
обеспечивают по меньшей мере один шаровой шарнир, причем шаровой шарнир дополнительно содержит вторую ось, перпендикулярную первой оси;
устанавливают вставку в отверстии, выполненном в шаре по меньшей мере одного шарового шарнира в составе соединительного узла равных угловых скоростей, причем вставка имеет форму, обеспечивающую возможность ее вращения вокруг поперечной оси, перпендикулярной отверстию, проходящему поперечно сквозь шар шарнира;
обеспечивают вращение вставки в отверстии вокруг первой поперечной оси и
обеспечивают гнездо шарового шарнира, выполненное с возможностью вращения также и вокруг второй оси шарового шарнира с приспосабливанием к планетарному или эпициклическому движению ротора в забойном двигателе.

12. Способ по п. 11, в котором отверстие проходит поперечно через шар.

13. Способ по п. 11, в котором отверстие является перпендикулярным первой оси.

14. Способ по п. 11, в котором дополнительно устанавливают гнездо шарового шарнира на шар.

15. Способ по п. 14, в котором установку выполняют после установки вставки.

16. Способ по п. 14, в котором дополнительно осуществляют установку цапфы, проходящей через вставку и по меньшей мере частично в гнездо.

17. Способ по п. 16, в котором гнездо вращается вокруг второй оси, которая проходит через цапфу.

18. Способ по п. 11, в котором по меньшей мере один шаровой шарнир содержит первый и второй шаровые шарниры, при этом дополнительно осуществляют установку шаровых шарниров на противоположных соответствующих концах вала.

19. Способ по п. 18, в котором дополнительно соединяют вал между забойным двигателем и буровым долотом.

20. Способ по п. 18, дополнительно содержащий вал, передающий крутящий момент через кривой переводник.

21. Бурильная колонна, содержащая:
забойный двигатель;
буровое долото и
соединительный узел равных угловых скоростей, соединенный между забойным двигателем и буровым долотом, причем соединительный узел равных угловых скоростей включает в себя по меньшей мере один шаровой шарнир, причем шаровой шарнир дополнительно содержит вторую ось, перпендикулярную первой оси, и вставку, имеющую форму, обеспечивающую возможность ее вращения вокруг поперечной оси, перпендикулярной отверстию, проходящему поперечно сквозь шар шарнира; и
гнездо шарового шарнира, выполненное с возможностью вращения также и вокруг второй оси шарового шарнира с приспосабливанием к планетарному или эпициклическому движению ротора в забойном двигателе.

22. Бурильная колонна по п. 21, в которой вставка выполнена с возможностью вращения вокруг первой оси относительно шара, при этом гнездо шарнира вращается вокруг первой оси относительно шара.

23. Бурильная колонна по п. 22, в которой первая ось является перпендикулярной отверстию.

24. Бурильная колонна по п. 22, дополнительно содержащая вторую ось, перпендикулярную первой оси, причем гнездо также вращается вокруг второй оси относительно шара.

25. Бурильная колонна по п. 21, в которой вставка, по существу, имеет форму диска.

26. Бурильная колонна по п. 21, дополнительно содержащая цапфу, которая проходит через вставку, причем гнездо шарнира вращается вокруг цапфы.

27. Бурильная колонна по п. 26, в которой гнездо также вращается вокруг оси, перпендикулярной цапфе.

28. Бурильная колонна по п. 21, в которой по меньшей мере один шаровой шарнир содержит первый и второй шаровые шарниры, причем шаровые шарниры установлены на противоположных соответствующих концах вала.

29. Бурильная колонна по п. 28, в которой вал передает крутящий момент между забойным двигателем и буровым долотом.

30. Бурильная колонна по п. 28, в которой вал передает крутящий момент через кривой переводник.