ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ Российский патент 2016 года по МПК E21B23/14 E21B4/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к скважинному инструменту, содержащему гидравлический агрегат, рычажное устройство, содержащее колесо, гидравлический двигатель для вращения колеса и приведения скважинного инструмента в движение в прямом направлении, и гидравлический насосный агрегат для одновременного создания первой текучей среды под давлением и второй текучей среды под давлением. Кроме того, данное изобретение относится к способу управления выдвижением рычажного устройства приводного агрегата скважинного инструмента и к скважинной системе.

Уровень техники

Скважинные инструменты применяют для операций, осуществляемых внутри нефтяных и газовых буровых скважин. Скважинные инструменты работают в очень жестких внешних условиях, и они, в частности, должны обладать способностью сопротивления коррозийным текучим средам, высоким температурам и высокому давлению.

Чтобы избежать лишних и дорогостоящих перерывов в добыче нефти и газа, инструменты, применяемые в скважине, должны быть надежными, а в случае поломки они должны без труда извлекаться из скважины. Часто инструменты применяют в скважинах на больших глубинах, составляющих несколько километров, поэтому извлечение застрявших инструментов является дорогостоящей и трудоемкой операцией.

Известно, что гидравлическими двигателями в гидравлических системах могут управлять при помощи клапанов управления и/или клапанов последовательности, подключенных между двигателями и соответствующими насосами. В случае скважинного оборудования возможности управления для пользователя ограничены из-за специфических условий, существующих в скважине на глубине несколько километров. Кроме того, в случае обрыва связи между оборудованием и поверхностью, управление таким оборудованием не должно зависеть от управления с поверхности, так что в случае обрывов должна существовать возможность извлечения из скважины инструментов, контактирующих со стенкой скважины или эксплуатационной обсадной колонной при помощи гидравлических устройств. Следовательно, существует потребность в сверхнадежных системах управления, которые предпочтительным образом можно использовать при конструировании безотказных внутрискважинных систем управления.

Краткое изложение сущности изобретения

Цель данного изобретения заключается в том, чтобы полностью или частично устранить вышеупомянутые недостатки существующего уровня техники. В частности, цель изобретения состоит в том, чтобы предложить усовершенствованный скважинный инструмент, который не застревает при приведении в действии его колес, расположенных на выдвинутых рычагах, осуществляемом с целью продвижения инструмента в скважине.

Вышеуказанные цели, вместе со многими другими целями, преимуществами и отличительными признаками, которые станут очевидными из нижеследующего описания, могут быть осуществлены благодаря скважинному инструменту, выполненному в соответствии с данным изобретением и содержащему:

гидравлический агрегат,

рычажное устройство, содержащее колесо,

гидравлический двигатель для вращения колеса и, таким образом,

продвижения скважинного инструмента вперед, и

гидравлический насосный агрегат для одновременного нагнетания первой текучей среды под давлением и второй текучей среды под давлением, отличающийся тем, что рычажное устройство установлено с возможностью перемещения между убранным положением и выдвинутым положением относительно корпуса инструмента, и скважинный инструмент дополнительно содержит:

устройство для приведения в действие рычагов, предназначенное для перемещения рычажного устройства между убранным положением и выдвинутым положением, причем гидравлический двигатель продвигает скважинный инструмент вперед, когда рычажное устройство находится в выдвинутом положении, устройство для приведения в действие рычагов находится в гидравлическом сообщении с первой текучей средой под давлением, а гидравлический двигатель находится в гидравлическом сообщении со второй текучей средой под давлением,

гидравлический блок управления для регулирования давления первой текучей среды под давлением, находящейся под первым давлением, и регулирования второго давления второй текучей среды под давлением,

причем указанный гидравлический блок управления содержит клапан последовательности для управления последовательностью уборки рычажного устройства, выдвижения рычажного устройства и вращения колеса,

причем клапан последовательности находится в гидравлическом сообщении с одной из текучих сред и выполнен с возможностью переключения между открытым и закрытым положениями на основе давления другой текучей среды.

В одном из вариантов осуществления данного изобретения ниже по потоку относительно устройства для приведения в действие рычагов и гидравлического двигателя первую текучую среду под давлением и вторую текучую среду под давлением могут объединить в текучую среду, находящуюся ниже по потоку, входящую в гидравлическую камеру, соединенную с гидравлическим насосом в замкнутую цепь.

В еще одном варианте осуществления изобретения гидравлический агрегат может содержать корпус гидравлического агрегата, представляющий собой гидравлическую камеру, содержащую гидравлический блок и гидравлический насос.

Более того, указанные гидравлический блок и гидравлический насос могут быть расположены в корпусе гидравлического агрегата, дополнительно содержащем датчики для контроля первого давления и второго давления с целью генерации сигнала обратной связи для системы управления.

Кроме того, клапан последовательности может находиться в гидравлическом сообщении со второй текучей средой и переключаться между открытым и закрытым положениями на основе давления первой текучей среды.

Клапан последовательности также может находиться в гидравлическом сообщении с первой текучей средой и переключаться между открытым и закрытым положением на основе давления второй текучей среды, измеренного перед дросселем.

Через управляющую линию первая текучая среда под давлением может иметь гидравлическое соединение с направляющим распределителем, гидравлический двигатель имеет первые входные отверстия и вторые входные отверстия, а направляющий распределитель регулирует вторую текучую среду, поступающую в первые входные отверстия или вторые входные отверстия гидравлического двигателя, так что при помощи первой текучей среды могут управлять направлением вращения гидравлического двигателя - вперед или назад.

В еще одном варианте осуществления данного изобретения гидравлический блок дополнительно может содержать дополнительный клапан последовательности, имеющий гидравлическое соединение со второй текучей средой, так что вторая текучая среда перед подачей в устройство для приведения в действие рычагов проходит через этот дополнительный клапан.

Кроме того, гидравлический насосный агрегат или гидравлический двигатель могут питаться через каротажный кабель или получать текучую среду по трубопроводу.

Предлагаемый скважинный инструмент может содержать несколько колес. Предлагаемый скважинный инструмент также может содержать несколько рычажных устройств.

Кроме того, колеса могут приводиться в движение при помощи гидравлического двигателя, расположенного в корпусе приводного агрегата.

Кроме того, предлагаемый скважинный инструмент может содержать рычажное устройство с внутренними каналами для текучей среды.

В одном из вариантов осуществления данного изобретения гидравлический блок может содержать первое устройство регулирования давления и второе устройство регулирования давления для регулирования первого и второго давления.

Предлагаемый скважинный инструмент может быть соединиен с каротажным кабелем, например, с колонной гибких труб или бурильной трубой.

Кроме того, предлагаемый скважинный инструмент может содержать датчики для контроля первого давления и второго давления с целью генерации сигнала обратной связи для системы управления.

Кроме того, данное изобретение относится к способу управления

выдвижением рычажного устройства приводного агрегата скважинного инструмента, включающему

включение гидравлического насоса,

одновременное нагнетание первой текучей среды под давлением,

находящейся под первым давлением, и второй текучей среды под давлением,

находящейся под вторым давлением,

приведение во вращение гидравлического двигателя при помощи первой текучей среды под давлением для приведения в движение колеса рычажного устройства,

повышение первого давления до тех пор, пока первое давление не достигнет заданного давления для выдвижения,

включение устройства для приведения в действие рычагов посредством первого клапана последовательности и

активацию выдвижения рычажного устройства при помощи второго давления второй текучей среды под давлением.

Кроме того, данное изобретение относится к вышеописанному способу, кроме того, включающему следующие этапы:

нагнетание второй текучей среды через отверстие в первый клапан последовательности, тем самым постепенно закрывая первый клапан последовательности и заменяя этап включения устройства для приведения в действие рычагов при помощи первого клапана последовательности,

увеличение второго давления перед отверстием,

постепенное закрытие второго клапана последовательности посредством повышения второго давления второй текучей среды,

повышение первого давления первой текучей среды, заменяя этап увеличения первого давления до тех пор, пока первое давление не достигнет заданного давления для выдвижения,

дальнейшее повышение второго давления, когда колесо рычажного устройства упирается во внутреннюю стенку скважины или эксплуатационной обсадной колонны,

закрытие второго клапана последовательности при помощи второго давления, дальнейшее повышение первого давления первой текучей среды до достижения максимального первого давление первой текучей среды, и продвижение бурового снаряда вперед.

В одном из вариантов осуществления данного изобретения активация выдвижения рычажного устройства может происходить, когда давление второй текучей среды под давлением преодолевает упругую силу, приложенную к устройству для приведения в действие рычагов посредством пружинной детали.

Кроме того, вышеописанный способ может включать выключение гидравлического насоса,

прекращение выдвижения рычажного устройства посредством уменьшения второго давления второй текучей среды под давлением,

уменьшение второго давления до тех пор, пока рычажное устройство не будет убрано, и

уменьшение частоты вращения гидравлического двигателя посредством уменьшения первого давления первой текучей среды под давлением, приводящей в движение колесо рычажного устройства, в котором установлен этот гидравлический двигатель.

В одном из вариантов осуществления данного изобретения активация убирания рычажного устройства может происходить, если давление второй текучей среды под давлением становится меньше упругой силы, приложенной к устройству для приведения в действие рычагов посредством пружинной детали.

Кроме того, данное изобретение относится к вышеописанному способу, включающему:

включение гидравлического насоса,

одновременное нагнетание первой текучей среды под давлением,

находящейся под первым давлением, и второй текучей среды под давлением,

находящейся под вторым давлением,

приведение во вращение гидравлического двигателя при помощи первой текучей среды под давлением для приведения в движение колеса рычажного устройства,

повышение первого давления до тех пор, пока первое давление не достигнет заданного давления для выдвижения,

включение устройства для приведения в действие рычагов посредством первого клапана последовательности, и

активацию выдвижения рычажного устройства при помощи второго давления второй текучей среды под давлением,

приведение скважинного инструмента в движение в прямом направлении,

выключение гидравлического насоса,

прекращение выдвижения рычажного устройства посредством уменьшения второго давления второй текучей среды под давлением,

уменьшение второго давления до тех пор, пока рычажное устройство не будет убрано, и

уменьшение частоты вращения гидравлического двигателя посредством уменьшения первого давления первой текучей среды под давлением.

Кроме того, данное изобретение относится к способу управления выдвижением рычажного устройства приводного агрегата скважинного инструмента, включающему

включение гидравлического насоса,

одновременное нагнетание первой текучей среды под давлением,

находящейся под первым давлением, и второй текучей среды под давлением,

находящейся под вторым давлением,

нагнетание второй текучей среды через отверстие в первый клапан последовательности, тем самым постепенно закрывая первый клапан последовательности,

увеличение второго давления перед отверстием,

постепенное закрытие второго клапана последовательности посредством повышения второго давления второй текучей среды,

повышение первого давления первой текучей среды,

активацию вращения гидравлического двигателя при помощи первой текучей среды под давлением для приведения в движение колеса рычажного устройства,

активацию выдвижения рычажного устройства при помощи второго давления второй текучей среды под давлением,

дальнейшее повышение второго давления, когда колесо рычажного устройства упирается во внутреннюю стенку скважины или эксплуатационной обсадной колонны,

закрытие второго клапана последовательности при помощи второго давления, дальнейшее повышение первого давления первой текучей среды до тех пор, пока не будет достигнуто максимальное первое давление первой текучей среды, и

продвижение бурового снаряда вперед.

Кроме того, данное изобретение относится к способу управления

выдвижением рычажного устройства приводного агрегата скважинного

инструмента, включающему

включение гидравлического насоса,

одновременное нагнетание первой текучей среды под давлением,

находящейся под первым давлением, и второй текучей среды под давлением,

находящейся под вторым давлением,

включение устройства для приведения в действие рычагов посредством второй текучей среды под давлением вместо первого клапана последовательности,

активацию выдвижения рычажного устройства при помощи второго давления второй текучей среды под давлением,

повышение второго давления, если колесо рычажного устройства упирается во внутреннюю стенку скважины или эксплуатационной обсадной колонны, заменяя этап увеличения первого давления до тех пор, пока первое давление не достигнет заданного давления для выдвижения, и

повышение второго давления до тех пор, пока второе давление не достигнет заданного давления для вращения,

причем этап активации вращения гидравлического двигателя при помощи первой текучей среды под давлением для приведения в движение колеса рычажного устройства осуществляют при помощи первого клапана последовательности,

приведение скважинного инструмента в движение в прямом направлении, выключение гидравлического насоса,

уменьшение частоты вращения гидравлического двигателя посредством уменьшения первого давления первой текучей среды под давлением,

прекращение выдвижения рычажного устройства посредством уменьшения второго давления второй текучей среды под давлением, и

уменьшение второго давления до тех пор, пока рычажное устройство не будет убрано.

Кроме того, данное изобретение относится к скважинной системе, содержащей скважинный инструмент, выполненный в соответствии с изобретением, и рабочий инструмент, соединенный со скважинным инструментом для продвижения вперед в буровой скважине или колодце.

Рабочий инструмент может представлять собой толкающее устройство, ключевое устройство, фрезерный инструмент, бурильный инструмент, каротажный прибор и т.д.

Наконец, убирание/втягивание рычажного устройства предлагаемого скважинного инструмента могут выполнять с помощью пружинной детали.

Краткое описание чертежей

Ниже изобретение и многие его преимущества описываются более подробно и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых для примера показаны некоторые неограничивающие варианты осуществления изобретения. На чертежах изображено следующее.

Фиг.1 представляет собой схематичное изображение гидравлического агрегата.

Фиг.2 представляет собой схематичное изображение еще одного гидравлического агрегата.

Фиг.3 представляет собой поперечный разрез части скважинного инструмента.

Фиг.4 иллюстрирует буровой снаряд, содержащий гидравлический агрегат.

Фиг.5a-d представляют собой гидравлические схемы различных вариантов осуществления гидравлических агрегатов.

Все чертежи весьма схематичны и не обязательно выполнены в масштабе. На этих чертежах показаны только те детали, которые необходимы для пояснения изобретения, другие же детали пропущены или бегло обрисованы.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан гидравлический агрегат 200 скважинного инструмента 12 для управления последовательностью функций, выполняемых в скважинном инструменте при помощи гидравлического привода. Гидравлический агрегат 200 соединен с приводным агрегатом 11, предназначенным для продвижения бурового снаряда 10 во время скважинных работ. Гидравлический агрегат 200 выдает несколько текучих сред под давлением для приведения в движение приводного агрегата 11. Приводной агрегат содержит по меньшей мере одно рычажное устройство и по меньшей мере одно устройство для приведения в действие рычагов, которое предназначено для перемещения рычажного устройства между выдвинутым положением и убранным положением. Рычажное устройство содержит колесо 62, устроенное так, что, когда рычажное устройство находится в своем выдвинутом положении, колесо прижимается к внутренней стенке 5 скважины 4 или эксплуатационной буровой колонны 6. Текучие среды под давлением, выдаваемые гидравлическим агрегатом 200, применяют для выдвижения рычажного устройства 60 и вращения колеса 62. Один приводной агрегат часто содержит несколько колес, каждое из которых приводится в действие при помощи устройства 40 для приведения в действие рычагов. Приводной агрегат, показанный на фиг.1, содержит четыре рычажных устройства и четыре устройства для приведения в действие рычагов.

Гидравлический агрегат 200 содержит корпус 201 гидравлического агрегата и гидравлическую камеру 202, уплотненную относительно среды, окружающей корпус гидравлического агрегата. Итак, корпус 201 гидравлического агрегата функционирует, как гидравлическая камера 202. Таким образом, корпус 201 наполняют рабочей жидкостью, следовательно, когда корпус 201 находится под давлением, сжать его по существу невозможно. Внутри корпуса 201 гидравлического агрегата в гидравлической камере и с гидравлическим соединением с гидравлической камерой расположен гидравлический насос 18. Гидравлический насос, показанный на фиг.1, содержит пять гидравлических поршней 206: четыре первых гидравлических поршня 206а, расположенных в параллельных соединениях для текучей среды и предназначенных для нагнетания первой текучей среды под давлением 207, и один второй гидравлический поршень 206b для нагнетания второй текучей среды под давлением 208. Итак, гидравлический насос 18 представляет собой несколько секций насоса, приводимых в движение электродвигателем 17 обычным способом и получающих питание по каротажному кабелю 9, как показано на фиг.4. Гидравлический агрегат 200 находится в гидравлическом сообщении с устройством 40 для приведения в действие рычагов, предназначенным для перемещения рычажного устройства между убранным положением и выдвинутым положением относительно корпуса 54 приводного агрегата при помощи второй текучей среды под давлением 208. В выдвинутом положении колесо рычажного устройства может войти в контакт с внутренней поверхностью скважины или эксплуатационной обсадной колонны. Кроме того, гидравлический агрегат 200 в гидравлическом сообщении с гидравлическим двигателем 23, предназначенным для приведения в движение колеса 62 рычажного устройства 60 и, таким образом, для приведения скважинного инструмента в движение в прямом направлении, когда рычажное устройство находится в выдвинутом положении. Кроме того, гидравлический агрегат 200 содержит гидравлический блок 19, который расположен в гидравлической камере 202, в гидравлическом сообщении с гидравлической камерой 202 и предназначен для управления последовательностью выхода из гидравлического агрегата 200 первой текучей среды под давлением и второй текучей среды под давлением. Кроме того, гидравлический блок 19 регулирует величину давления текучей среды под давлением, когда текучая среда под давлением выходит из гидравлического блока 19 и входит в устройство 60 для приведения в действие рычагов или в гидравлический двигатель 23. Кроме того, так как гидравлический блок 19 и гидравлический насос 18 расположены в корпусе 201, заполненном рабочей жидкостью, как гидравлический блок 19, так и гидравлический насос 18 защищены от окружающей их скважины высокого давления, и в гидравлическом агрегате обеспечиваются постоянные соединения для текучей среды.

Гидравлический блок 19, изображенный на фиг.1 и 5а, содержит несколько соединений 203 для текучей среды, первый клапан 204а последовательности и два предохранительных клапана. Соединение 203а для текучей среды соединяет гидравлический насос 18 с гидравлическим двигателем 23. Соединение 203а для текучей среды соединено с гидравлической камерой 202 через первый предохранительный клапан 205а, чтобы давление первой текучей среды 207 под давлением никогда не превышало давления, определенного первым предохранительным клапаном. Кроме того, посредством первого напорного канала 203d соединение 203а для текучей среды соединено с первым клапаном 204а последовательности, чтобы, когда первое давление первой текучей среды под давлением ниже давления для выдвижения, первый клапан 204а последовательности мог быть открытым. Давление для выдвижения контролируется первым клапаном последовательности 204а; если первое давление превышает давление выдвижения, то клапан 204а закрывается. Кроме того, гидравлический блок содержит соединение 203b для текучей среды, соединяющее гидравлический насос 18 с устройством 60 для приведения в действие рычагов. Соединение 203b для текучей среды соединено с гидравлической камерой 202 и вторым предохранительным клапаном 205b, чтобы давление второй текучей среды под давлением 208 никогда не превышало давления, определенного вторым предохранительным клапаном. Кроме того, через первый клапан 204а последовательности соединение 203b для текучей среды соединено с гидравлической камерой 202. Если первый клапан 204а последовательности открыт, так как первое давление первой текучей среды под давлением меньше давления для выдвижения, контролируемого первым клапаном 204а последовательности, то вторая текучая среда под давлением 208 имеет доступ к гидравлической камере 202. Следовательно, в отношении текучей среды вторая текучая среда под давлением замкнута накоротко с гидравлической камерой 202 и не поступает в устройство 40 для приведения в действие рычагов, поэтому она не может создать давление в устройстве 40 для приведения в действие рычагов, чтобы выдвинуть рычажное 60 устройство. Когда первый клапан 204а последовательности закрыт, так как первое давление первой текучей среды под давлением больше давления для выдвижения, то вторая текучая среда под давлением 208 не имеет доступа к гидравлической камере 202, следовательно, в отношении текучей среды вторая текучая среда под давлением не замкнута накоротко с гидравлической камерой 202, поэтому она может поступить в устройство 40 для приведения в действие рычагов, тем самым выдвигая рычажное устройство 60.

В соответствии с одним из предлагаемых способов вначале включают гидравлический насос, чтобы создать первую среду под давлением и вторую среду под давлением. Во время создания давления вращение гидравлического двигателя 23 активируется благодаря первой текучей среде 207 под давлением. В ранней фазе создания давления устройство для приведения в действие рычагов в действие еще не приведено, так как первый клапан последовательности пока еще открыт и, следовательно, он накоротко замыкает вторую текучую среду под давлением, поэтому она не создает давление в устройстве 40 для приведения в действие рычагов, а возвращается в гидравлическую камеру. Следовательно, колеса 62 начнут вращаться прежде, чем выдвинется рычажное устройство. Преимущество запуска такой последовательности состоит в том, что колеса уже вращаются и, следовательно, имеют определенный импульс, когда рычажное устройство выдвигается, а колеса начинают входить в контакт с внутренней стенкой скважины или эксплуатационной буровой колонны. Если первое давление первой текучей среды 207 под давлением продолжает увеличиваться, в определенный момент времени оно закроет первый клапан 204а последовательности. Клапан 204а последовательности закрывается тогда, когда первое давление достигает давления, определенного как давление для выдвижения, следовательно, выдвижение рычажного устройства начинается тогда, когда закрывается первый клапан последовательности. Если первый клапан последовательности закрывается, то канал для второй текучей среды под давлением 208 непосредственно через первый клапан 204а последовательности в гидравлическую камеру 20 больше не существует. В этом случае начинает создаваться второе давление второй текучей среды 208 под давлением, в результате вторая текучая среда 208 под давлением действует на устройство 40 для приведения в действие рычагов с силой выдвижения, тем самым активируя выдвижение рычажного устройства 60.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления данного изобретения активация выдвижения рычажного устройства может происходить, если сила выдвижения, развиваемая давлением второй текучей среды под давлением 208, преодолевает упругую силу втягивания, приложенную к устройству для приведения в действие рычагов посредством пружинной детали 42. Чтобы обеспечить безотказную уборку рычажного устройства, в фазе уборки пружинная деталь 42 может противодействовать второму давлению второй текучей среды под давлением, так что пружинная деталь 42 помогает рычажному устройству 60. Таким образом, потеря давления от гидравлического агрегата 200 немедленно ведет к уборке рычажного устройства 60 и тем самым к предотвращению заедания скважинного инструмента.

В соответствии с одним предлагаемым способом, чтобы активировать уборку рычажного устройства 60, выключают гидравлический насос 18. Это ведет к падению второго давления, приложенного к устройству 40 для приведения в действие рычагов, и тем самым к уборке рычажного устройства 60. Выключение гидравлического насоса 18 также приводит к падению первого давления. Если первое давление падает, скорость вращения гидравлического двигателя 23 также уменьшается, и скважинный инструмент, в конце концов, останавливается.

Первую текучую среду под давлением и вторую текучую среду под давлением, прежде чем возвращать их в гидравлическую камеру 202, могут объединить ниже по потоку после устройства 40 для приведения в действие рычагов и ниже по потоку после гидравлического двигателя 23, расположенного в приводном агрегате 11.

По соединению 203а для текучей среды текучая среда поступает в гидравлический двигатель, чтобы вызвать вращение вращающейся части гидравлического двигателя в одном направлении и, таким образом, вращение колес с целью вращения скважинного инструмента, чтобы переместить его в скважине вперед. Чтобы продвижение было возможно как вперед, так и назад, можно менять направление вращения колеса скважинного инструмента. Чтобы изменить направление вращения колес 62 перед входом в гидравлический двигатель 23 через управляющую линию 305 первая текучая среда может иметь гидравлическое соединение с направляющим распределителем. В этом варианте осуществления изобретения гидравлический двигатель имеет как первые, так и вторые входные отверстия, и то, через какое из этих отверстий поступает текучая среда, определяет положение направляющего распределителя, а положение направляющего распределителя регулируют по управляющей линии. Следовательно, если текучую среду направляют в направляющий распределитель так, что она поступает в первые отверстия, то в результате вращающаяся часть гидравлического двигателя вращается в одном направлении, а если текучую среду направляют так, что она входит через вторые отверстия, это приводит к вращению гидравлического двигателя в противоположном направлении. Имея эту управляющую линию, направление вращения гидравлического двигателя 23 могут менять на противоположное, применяя первую текучую среду, так что при помощи первой текучей среды могут управлять направлением вращения гидравлического двигателя - вперед или назад.

Фиг.2 и 5d иллюстрируют гидравлический агрегат 200, кроме того, содержащий второй клапан 204b последовательности и отверстие 211. В этом гидравлическом агрегате соединение 203b для текучей среды через первый клапан 204а последовательности и отверстие 211 соединено со вторым гидравлическим поршнем 206b. Кроме того, вторая текучая среда 208 через второй напорный канал 203е соединена со вторым клапаном 204b последовательности, в результате, если второе давление второй текучей среды под давлением 208 меньше давления, необходимого для начала вращения, которое контролируется вторым клапаном 204b последовательности, второй клапан последовательности 204b открыт, а если второе давление превышает давление, необходимое для начала вращения, то клапан последовательности 204b закрыт. Благодаря введению второго клапана 204b последовательности и второго напорного канала 203е выдвижение рычажного устройства и вращение колес 62 могут начать постепенно, чтобы постепенно нагрузить электродвигатель 17, приводящий в движение гидравлический насос 18. Кроме того, полная движущая сила, получаемая от первой текучей среды 207, не задействована до тех пор, пока колеса 62 полностью не войдут в контакт с обсадной трубой или стенками эксплуатационной буровой колонны, так что движение всего бурового снаряда также начинается не резким рывком, а постепенно.

В соответствии с одним из предлагаемых способов вначале включают гидравлический насос 18, чтобы создать первую среду под давлением и вторую среду под давлением, как показано на фиг.2 и 5d. Вначале первую текучую среду 207 направляют прямо через отрытый второй клапан 204b последовательности в гидравлическую камеру 202. Вторую текучую среду 208 через отверстие 211 нагнетают в первый клапан 204а последовательности, который благодаря сопротивлению отверстия 211 включается постепенно. Выше по потоку от отверстия 211 второе давление растет постепенно, в результате на второй клапан 204b последовательности подают все большее и большее давление, клапан 204b начинает постепенно закрываться, в результате первую текучую среду 207 нагнетают в направлении гидравлического двигателя 23, активируя вращение колес 62. Если первая текучая среда 207 в достаточной степени наполнила первый клапан 204а последовательности, первый клапан 204а последовательности закрывается, а первое давление 207 начинает падать, тем самым включая устройство 40 для приведения в действие рычагов. Если рычажное устройство 40, в конце концов, входит в контакт с внутренней стенкой скважины или эксплуатационной обсадной колонны, то второе давление быстро падает, тем самым вызывая быстрое полное закрытие второго клапана 204b последовательности. Если второй клапан 204b последовательности полностью закрыт, вся первая текучая среда 207 направляется на вход гидравлического двигателя. Следовательно, сразу же после этого первое давление увеличивается к максимальному первому давлению, приводя в движение гидравлический двигатель с максимально возможной силой.

Одно из преимуществ того, что колеса вращают при помощи гидравлических двигателей еще до входа колес в контакт со стенкой скважины или эксплуатационной буровой колонны, состоит в том, что иначе они могли бы иметь нулевой крутящий момент, что могло бы привести к заеданию в скважине. Если колеса входят в контакт со стенками скважины или эксплуатационной буровой колонны без вращения, то они могут быть неспособны начать вращаться, поскольку колеса должны преодолеть дополнительную силу трения, возникающую из-за нормальной силы, приложенной в направлении стенки скважины или эксплуатационной буровой колонны, когда рычажное устройство находится в выдвинутом положении. Кроме того, при работе в скважине на глубине несколько километров энергия для привода электродвигателя и, следовательно, для привода гидравлического насоса, приводящего в движение гидравлические двигатели, весьма ограничена из-за большого падения напряжения в длинном каротажном кабеле. Следовательно, первоначальное движение всего бурового снаряда является критичным, так как требуется создать инерцию бурового снаряда.

На фиг.3 показан пример гидравлического агрегата 200, соединенного с приводным агрегатом 11, причем одно рычажное устройство находится в выдвинутом положении, а другое рычажное устройство 60 - в убранном положении. Рычажное устройство 60 содержит рычаг 61 и колесо 62 для приведения в движение бурового снаряда во время скважинных работ. Во время скважинных работ в выдвинутом или убранном положении обычно находятся все рычажные устройства скважинных инструментов. Кроме того, с одним и тем же гидравлическим агрегатом 200 могут соединить несколько приводных агрегатов 11. Более чем один приводной агрегат присоединяют к одному и тому же гидравлическому агрегату 200 параллельно по текучей среде, чтобы получить синхронную работу приводных агрегатов. Таким образом, к каждому рычажному устройству всех приводных агрегатов подают по существу одно и то же давление, и каждое колесо всех приводных агрегатов вращается по существу при помощи одного и того же давления. На фиг.3 рычаг 61 (на чертеже изображен слева) рычажного устройства 60 показан в выдвинутом положении, при котором он контактирует с внутренней стенкой эксплуатационной буровой колонны 6, а рычаг 61 (в правой части чертежа) показан в убранном положении. Кроме того, на этом чертеже показано, что продольная ось выдвинутого рычага 61 наклонена относительно продольной оси скважинного инструмента под углом менее девяноста градусов. Таким образом, убирание рычажного устройства не приводит к заеданию при протягивании каротажного кабеля 9 или гибких насосно-компрессорных труб. Следовательно, если угол выдвижения составляет менее девяноста градусов, протягивание каротажного кабеля или гибких насосно-компрессорных труб способствует убиранию рычажного устройства.

Гидравлический двигатель 23, применяемый для приведения в движение колес 62 приводного агрегата 11, могут расположить внутри колеса 62 рычажного устройства 60 или в корпусе приводного агрегата и соединить его с колесом при помощи средств соединения (на чертеже не показаны), например, при помощи ременной передачи, установленной в рычажном устройстве 60.

Буровой снаряд 10, показанный на фиг.4, содержит электродвигатель 17 для приведения в движение гидравлического насоса 18. Электродвигатель 17 может получать питание с поверхности по каротажному кабелю 9 или (альтернативно) от батарей (на чертеже не показаны), расположенных в буровом снаряде. Во время работ с применением гибких насосно-компрессорных труб, которые хорошо известны специалистам, гидравлический насос могут заменить гидравлическим насосом, расположенным на поверхности и выдающим среду под давлением, закачиваемую к буровому снаряду по насосно-компрессорным трубам 9. Обычно из-за веса гибких насосно-компрессорных труб работы с ними в скважине ограничиваются небольшими глубинами. Таким образом, при работах на очень больших глубинах предпочтительнее применять не насосно-компрессорные трубы, а каротажный кабель. Буровой снаряд 10, изображенный на фиг.4, дополнительно содержит верхний соединитель 13, нижний соединитель 14, электронику 15 изменения моды и управляющую электронику 16.

Фиг.5a-d представляют собой пять разных гидравлических схем различных вариантов осуществления предлагаемых гидравлических агрегатов. К особым скважинным работам могут существовать специальные требования, поэтому для удовлетворения этих специфических потребностей скомпонована специфическая система клапанов последовательности.

На фиг.5b показана гидравлическая схема гидравлического агрегата, гидравлический блок 19 которого содержит два клапана 204 последовательности, три фильтра 210, обратный клапан 213, дроссель 212 и два предохранительных клапана 205. В результате включения гидравлического насоса 18 нагнетается первая текучая среда 207 и вторая текучая среда 208. Первая текучая среда сразу же направляется назад в гидравлическую камеру 202, поскольку в своем исходном положении второй клапан последовательности открыт. Вторая текучая среда частично направляется через дроссель 212, частично - через обратный клапан 213.

Когда второе давление повышается, первый клапан 204а последовательности закрывает канал для перемещения второй текучей среды прямо в гидравлическую камеру 202. Когда первый клапан 204а последовательности начинает закрываться, вторая текучая среда направляется к устройству 40 для приведения в действие рычагов, причем, так как второе давление увеличивается, устройство для приведения в действие рычагов начинает выдвигать рычажное устройство. Кроме того, когда второе давление увеличивается, второй клапан последовательности активируется второй текучей средой и закрывается. Когда второй клапан последовательности закрывается, первое давление начинает повышаться, и активируется вращение гидравлического двигателя 23, вращающего колеса. При применении такой компоновки активация выдвижения рычажного устройства происходит ступенчато, чтобы нагрузка электрического двигателя, приводящего в движение гидравлический насос, увеличивалась постепенно.

Принцип, показанный на фиг.5с, очень похож на принцип, изображенный на фиг.5b. На фиг.5с вторая текучая среда через дроссель 212 не направляется, первый клапан последовательности управляется электромагнитом 214, которым могут управлять так, что он активируется при включении электрического двигателя 17, или управляющей электроникой 16, расположенной в буровом снаряде 10. Включение электромагнита может происходить через некоторый фиксированный промежуток времени после включения электродвигателя 17, или включением электродвигателя могут управлять, применяя другие входные сигналы, поступающие в управляющую электронику, например, от датчиков давления (на чертеже не показаны).

Гидравлическая схема, показанная на фиг.5d, также весьма похожа на гидравлическую схему, приведенную на фиг.5b. Различие состоит в расположении дросселя 212, который на фиг.5d установлен выше по потоку, чем первый клапан 204а последовательности. Благодаря установке дросселя в этой точке вся энергия, создаваемая вторым поршнем 206b гидравлического насоса, 18 направляется через устройство 40 для приведения в действие рычагов, таким образом, получают максимально возможное усилие выдвижения. На гидравлической схеме, показанной на фиг.5b, небольшая часть второй текучей среды сразу же направляется обратно в гидравлическую камеру 202, поэтому в выдвижении рычажного устройства 60 она не участвует. Из фиг.5d также видно, каким образом могут синхронно включать различные колеса и устройства 40 для приведения в действие рычагов, если они соединены параллельно. На фиг.5d для синхронной работы параллельно соединены четыре устройства 40 для приведения в действие рычагов и четыре гидравлических двигателя 23.

Как показано на фиг.5d, гидравлические двигатели 23 могут быть реверсивными, и ими могут управлять при помощи направляющего распределителя 306. Направляющим распределителем 306 могут управлять при помощи первой текучей среды, проходящей по управляющей линии 305, так что при помощи первой текучей среды могут управлять направлением вращения гидравлического двигателя - вперед или назад. Чтобы управлять направлением вращения гидравлических двигателей после выдвижения рычажного устройства 60, для управления последовательностью изменения направления после выдвижения рычажного устройства могут применить дополнительные клапаны 204b, 205b, 304а. Как схематично показано на фиг.5d, направляющие распределители 306 могут установить в рычаге 61 привода колеса или в колесе 62, так что через устройство 40 для приведения в действие рычагов должен проходить только один канал для второй текучей среды. Это представляет собой преимущество, так как вторая текучая среда обеспечивает движущую силу и, следовательно, имеет сравнительно широкий канал. Управляющая линия 305 с первой текущей средой может быть очень тонкой, ее ширина должна быть лишь достаточной для того, чтобы первая текучая среда могла привести в действие направляющий распределитель 306. Если в качестве альтернативы направляющий распределитель установлен в гидравлическом блоке 19 управления, через устройство для приведения в действие рычагов к колесу необходимо провести два отдельных канала для второй текучей среды: один канал - для переднего хода и еще один - для обратного хода, что может потребовать больше места в устройстве 40 для приведения в действие рычагов и рычаге 61 привода колеса.

Кроме того, вторую текучую среду могут направить через клапан противобуксовочной системы, уменьшая поток текучей среды к гидравлическому двигателю и предотвращая пробуксовку колеса. Итак, рычажное устройство 60 также может содержать клапан противобуксовочной системы. Клапан противобуксовочной системы регулирует поток через канал для текучей среды, чтобы обеспечить сцепление между колесом и боковой стенкой скважины или обсадной трубы. Если сцепление по существу отсутствует, колесо вращается, не обеспечивая необходимого переднего хода скважинного инструмента или бурового снаряда. Если это происходит, поток через гидравлический двигатель увеличивается, в результате давление падает. Чтобы предотвратить пробуксовывание, клапан противобуксовочной системы ограничивает поток через канал, соответственно частота вращения колеса снижается, и сцепление восстанавливается.

Если из-за пробуксовывания колеса давление в гидравлическом двигателе падает, давление в гидравлическом двигателе и сила, создаваемая пружиной в клапане противобуксовочной системы, уже не могут удержать клапан противобуксовочной системы в открытом положении, и поток через клапан противобуксовочной системы по меньшей мере частично ограничивается.

Клапан 204а, 204b последовательности может представлять собой клапан любого типа, способный управлять последовательностью потоков текучей среды. Открытием и закрытием клапана могут управлять при помощи давления, температуры, электрического переключателя, механического взаимодействия и т.д. Клапаны 204а, 204b последовательности могут представлять собой электромагнитные клапаны. Комбинацию предохранительных клапанов 205b, 209 могут заменить пропорциональным клапаном. Комбинацию, состоящую из первого клапана 204а последовательности и электромагнита 214, могут заменить пропорциональным клапаном.

Кроме того, гидравлический блок может содержать регулируемые средства управления предохранительными клапанами 209, фильтры 210 для фильтрации рабочей жидкости, поступающей в приводной агрегат, отверстия 211, дроссели 212, обратные клапаны 213, электромагниты 214 и/или электрические датчики (на чертеже не показаны) для контроля первого давления и второго давления с целью создания сигнала обратной связи для системы управления.

Хотя здесь данное изобретение было описано в связи с предпочтительными вариантами его осуществления, специалисту понятно, что, не отходя от изобретения, определенного нижеследующей формулой, могут осуществить различные модификации.

Изобретение относится к скважинному инструменту, содержащему: гидравлический агрегат, рычажное устройство, содержащее колесо, гидравлический двигатель для вращения колеса и, таким образом, продвижения скважинного инструмента вперед, и гидравлический насосный агрегат для одновременного нагнетания первой текучей среды под давлением и второй текучей среды под давлением. Рычажное устройство установлено с возможностью перемещения между убранным положением и выдвинутым положением относительно корпуса инструмента. Скважинный инструмент, кроме того, содержит устройство для приведения в действие рычагов, предназначенное для перемещения рычажного устройства между убранным положением и выдвинутым положением. Причем гидравлический двигатель продвигает скважинный инструмент вперед, когда рычажное устройство находится в выдвинутом положении. Устройство для приведения в действие рычагов находится в гидравлическом сообщении с первой текучей средой под давлением, а гидравлический двигатель находится в гидравлическом сообщении со второй текучей средой под давлением, гидравлический блок управления для регулирования давления первой текучей среды под давлением, находящейся под первым давлением, и регулирования второго давления второй текучей среды под давлением. Причем указанный гидравлический блок управления содержит клапан последовательности для управления последовательностью уборки рычажного устройства, выдвижения рычажного устройства и вращения колеса. Причем клапан последовательности находится в гидравлическом сообщении с одной из текучих сред и выполнен с возможностью переключения между открытым и закрытым положениями на основе давления другой текучей среды. Технический результат заключается в повышении надежности доставки скважинного инструмента. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Скважинный инструмент (12), содержащий:
- гидравлический агрегат (200),
- рычажное устройство (60), содержащее колесо (62),
- гидравлический двигатель (23) для вращения колеса и, таким образом, продвижения скважинного инструмента вперед и
- гидравлический насосный агрегат (18) для одновременного нагнетания первой текучей среды под давлением и второй текучей среды под давлением,
отличающийся тем, что рычажное устройство установлено с возможностью перемещения между убранным положением и выдвинутым положением относительно корпуса инструмента, и скважинный инструмент, кроме того, содержит:
- устройство (40) для приведения в действие рычагов, предназначенное для перемещения рычажного устройства между убранным положением и выдвинутым положением, причем гидравлический двигатель продвигает скважинный инструмент вперед, когда рычажное устройство находится в выдвинутом положении, устройство для приведения в действие рычагов находится в гидравлическом сообщении с первой текучей средой под давлением, а гидравлический двигатель находится в гидравлическом сообщении со второй текучей средой под давлением,
- гидравлический блок (19) управления для регулирования давления первой текучей среды под давлением, находящейся под первым давлением, и регулирования второго давления второй текучей среды под давлением,
причем указанный гидравлический блок управления содержит клапан (204b) последовательности для управления последовательностью уборки рычажного устройства, выдвижения рычажного устройства и вращения колеса,
причем клапан последовательности находится в гидравлическом сообщении с одной из текучих сред и выполнен с возможностью переключения между открытым и закрытым положениями на основе давления другой текучей среды.

2. Скважинный инструмент по п.1, в котором ниже по потоку относительно устройства для приведения в действие рычагов и гидравлического двигателя первая текучая среда под давлением и вторая текучая среда под давлением объединяются в текучую среду, находящуюся ниже по потоку и входящую в гидравлическую камеру (202), соединенную с гидравлическим насосом в замкнутую цепь.

3. Скважинный инструмент по п.2, в котором гидравлический агрегат содержит корпус (19) гидравлического агрегата, представляющий собой указанную гидравлическую камеру.

4. Скважинный инструмент по любому из пп.1-3, в котором гидравлический блок и гидравлический насос находятся в корпусе гидравлического агрегата.

5. Скважинный инструмент по п.4, в котором клапан последовательности имеет гидравлическое соединение со второй текучей средой и выполнен с возможностью переключения между открытым и закрытым положениями на основе давления первой текучей среды.

6. Скважинный инструмент по п.5, в котором клапан последовательности имеет гидравлическое соединение с первой текучей средой и выполнен с возможностью переключения между открытым и закрытым положениями на основе давления второй текучей среды, измеренного выше по потоку относительно дросселя (212).

7. Скважинный инструмент по любому из пп.1-3, 5 или 6, в котором первая текучая среда под давлением имеет гидравлическое соединение с направляющим распределителем (306) через управляющую линию (305), гидравлический двигатель имеет первые входные отверстия и вторые входные отверстия, причем направляющий распределитель регулирует вторую текучую среду, поступающую в первые входные отверстия или вторые входные отверстия гидравлического двигателя так, что при помощи первой текучей среды могут управлять направлением вращения гидравлического двигателя - вперед или назад.

8. Способ управления выдвижением рычажного устройства приводного агрегата скважинного инструмента, включающий:
- включение гидравлического насоса (18),
- одновременное нагнетание первой текучей среды под давлением, находящейся под первым давлением, и второй текучей среды под давлением, находящейся под вторым давлением,
- приведение во вращение гидравлического двигателя (23) при помощи первой текучей среды под давлением для приведения в движение колеса (62) рычажного устройства,
- повышение первого давления до тех пор, пока первое давление не достигнет заданного давления для выдвижения,
- включение устройства для приведения в действие рычагов посредством первого клапана (204а) последовательности и
- активацию выдвижения рычажного устройства при помощи второго давления второй текучей среды под давлением.

9. Способ управления выдвижением рычажного устройства приводного агрегата скважинного инструмента, включающий:
- включение гидравлического насоса (18),
- одновременное нагнетание первой текучей среды под давлением, находящейся под первым давлением, и второй текучей среды под давлением, находящейся под вторым давлением,
- приведение во вращение гидравлического двигателя (23) при помощи первой текучей среды под давлением для приведения в движение колеса (62) рычажного устройства,
- активацию выдвижения рычажного устройства при помощи второго давления второй текучей среды под давлением,
- нагнетание второй текучей среды через отверстие в первый клапан (204а) последовательности, тем самым постепенно закрывая первый клапан последовательности,
- увеличение второго давления перед отверстием,
- постепенное закрытие второго клапана (204b) последовательности посредством повышения второго давления второй текучей среды,
- повышение первого давления первой текучей среды,
- дальнейшее повышение второго давления, когда колесо рычажного устройства упирается во внутреннюю стенку скважины или эксплуатационной обсадной колонны,
- закрытие второго клапана последовательности при помощи второго давления,
- дальнейшее повышение первого давления первой текучей среды до достижения максимального первого давления первой текучей среды и
- продвижение бурового снаряда (10) вперед.

10. Способ по п.8, в котором активация выдвижения рычажного устройства происходит, когда давление второй текучей среды под давлением преодолевает упругую силу, приложенную к устройству для приведения в действие рычагов посредством пружинной детали (42).

11. Способ по любому из пп.8-10, включающий:
- выключение гидравлического насоса (18),
- прекращение выдвижения рычажного устройства посредством уменьшения второго давления второй текучей среды под давлением,
- уменьшение второго давления до тех пор, пока рычажное устройство не будет убрано, и
- уменьшение частоты вращения гидравлического двигателя (23) посредством уменьшения первого давления первой текучей среды под давлением, приводящей в движение колесо (62) рычажного устройства, в котором установлен этот гидравлический двигатель.

12. Способ по п.11, в котором активация уборки рычажного устройства происходит, если давление второй текучей среды под давлением становится меньше упругой силы, приложенной к устройству для приведения в действие рычагов посредством пружинной детали (42).

13. Способ по п.8, дополнительно включающий следующие этапы:
- продвижение скважинного инструмента вперед,
- выключение гидравлического насоса,
- прекращение выдвижения рычажного устройства посредством уменьшения второго давления второй текучей среды под давлением,
- уменьшение второго давления до тех пор, пока рычажное устройство не будет убрано, и
- уменьшение частоты вращения гидравлического двигателя посредством уменьшения первого давления первой текучей среды под давлением.

14. Способ управления выдвижением рычажного устройства приводного агрегата скважинного инструмента, включающий:
- включение гидравлического насоса (18),
- одновременное нагнетание первой текучей среды под давлением, находящейся под первым давлением, и второй текучей среды под давлением, находящейся под вторым давлением,
- приведение во вращение гидравлического двигателя (23) при помощи первой текучей среды под давлением для приведения в движение колеса (62) рычажного устройства,
- включение устройства для приведения в действие рычагов посредством второй текучей среды под давлением,
- активацию выдвижения рычажного устройства при помощи второго давления второй текучей среды под давлением,
- повышение второго давления, когда колесо (62) рычажного устройства упирается во внутреннюю стенку скважины или эксплуатационной обсадной колонны, и
- повышение второго давления до тех пор, пока второе давление не достигнет заданного давления для вращения,
причем этап активации вращения гидравлического двигателя (18) при помощи первой текучей среды под давлением для приведения в движение колеса рычажного устройства осуществляют при помощи первого клапана (204а) последовательности,
- продвижение скважинного инструмента вперед,
- выключение гидравлического насоса,
- уменьшение частоты вращения гидравлического двигателя посредством уменьшения первого давления первой текучей среды под давлением,
- прекращение выдвижения рычажного устройства посредством уменьшения второго давления второй текучей среды под давлением и
- уменьшение второго давления до тех пор, пока рычажное устройство не будет убрано.

15. Скважинная система, содержащая скважинный инструмент по любому из пп.1-7 и рабочий инструмент (12), соединенный со скважинным инструментом для продвижения вперед в буровом колодце или скважине.