ПОВЫШЕНИЕ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ПРИВОДА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОТОРНОЙ УПРАВЛЯЕМОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2017 года по МПК E21B4/04 E21B17/02 

Уровень техники

Настоящее изобретение относится, в целом, к операциям бурения и заканчивания скважин и более конкретно относится к системам и способам применения электрических двигателей для приведения в движение бурового долота.

Для добычи углеводородов (например, нефти, газа и т.д.) из подземного пласта могут быть пробурены скважины, которые проникают в содержащие углеводороды участки подземного пласта. В традиционных буровых системах разрушение горной породы осуществляют с помощью крутящего усилия. Крутящее усилие может быть приложено к буровому долоту посредством вращения бурильной колонны на поверхности с помощью ротора буровой установки или верхнего силового привода. В альтернативном варианте буровое долото может вращаться независимо посредством внутрискважинного гидравлического забойного двигателя, независимо от вращения бурильной колонны. С применением указанных способов обеспечения усилия традиционные долота, такие как: трехшарошечные долота, армированные поликристаллическими синтетическими алмазами (PDC) долота и алмазные долота, эксплуатируют с разными скоростями и крутящими моментами.

При использовании для создания крутящего момента гидравлического забойного двигателя для осуществления буровых работ гидравлические потери вдоль бурильной колонны могут ограничивать желаемую скорость потока бурового раствора. Это, в свою очередь, может приводить к снижению гидравлической силы, которая может быть приложена к гидравлическому забойному двигателю для создания крутящего момента. Это особенно актуально для таких буровых систем, как Reelwell™, в которых скорость потоков снижается до уровня, приближающегося к 30% от обычной скорости потоков. Резкое снижение скорости потока вкупе с большей глубиной бурения, на которую ориентирована указанная технология, могут приводить к более высокому жидкостному трению во время циркуляции и, следовательно, обусловливать необходимость более высокого давления циркуляции. Указанная система может налагать существенные ограничения на гидравлическую силу, достигающую компоновки низа бурильной колонны при бурении скважин с максимально большими отходами от вертикали.

Кроме того, зачастую необходимы специальные модификации гидравлических забойных двигателей (PDM) для обеспечения возможности эксплуатации указанных систем при более низкой скорости потоков. Указанные модификации могут включать уменьшение объема жидкости, необходимого для приведения в движение силовой секции на один поворот гидравлического забойного двигателя посредством уменьшения объема жидкости на одну ступенчатую секцию гидравлического забойного двигателя. При такой более низкой скорости потоков для эффективной работы турбинные двигатели должны иметь более плотные лопастные структуры с большими углами наклона лопастей и более высокими скоростями движения через более мелкие лопасти. Это может приводить к увеличению гидравлического сопротивления и к повышению риска эрозии, обусловленной потоком бурового раствора, для данного рабочего выходного крутящего момента.

Краткое описание чертежей

Некоторые конкретные приведенные в качестве примера варианты реализации настоящего изобретения будут понятны отчасти со ссылкой на следующее описание и сопроводительные чертежи.

На фиг. 1 изображена приведенная в качестве примера схема электрического двигателя компоновки низа бурильной колонны (ВНА) типа "труба в трубе" в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 2 изображен приведенный в качестве примера вид в поперечном сечении ротора и статора электрического двигателя в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 3 изображен вид в разрезе статора и ротора в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 4 изображена приведенная в качестве примера блок-схема

электронного оборудования двигателя в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 5 изображена приведенная в качестве примера блок-схема обмоточных пар в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 6 изображена приведенная в качестве примера схема электронного оборудования в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 7 изображена приведенная в качестве примера схема устройства отклонения потока, расположенная в системе типа "труба в трубе", в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 8 изображена приведенная в качестве примера схема электрического двигателя ВНА типа "труба в трубе" в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 9 изображена приведенная в качестве примера схема вставки электронного оборудования в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 10 изображена приведенная в качестве примера схема электрического двигателя ВНА типа "труба в трубе" в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 11 изображена приведенная в качестве примера схема вкладыша подшипника в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 12 изображена приведенная в качестве примера схема электрического двигателя ВНА типа "труба в трубе", содержащего блокировочный механизм, в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 13 изображен приведенный в качестве примера вид в поперечном сечении блокировочного механизма, расположенного между ведущим валом и корпусом подшипника, в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 14 изображен развернутый вид приведенного в качестве примера блокировочного механизма в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На фиг. 15А-15В изображены развернутые виды приведенного в качестве примера блокировочного механизма на последовательных этапах, если ведущий вал вращается быстрее корпуса подшипника.

На фиг. 16A-16F изображены развернутые виды приведенного в качестве примера блокировочного механизма на последовательных этапах, если ведущий вал вращается медленнее корпуса подшипника.

На фиг. 17 представлен вид в поперечном сечении блокировочного механизма.

На фиг. 18A-18F изображены различные роторные управляемые варианты сборки ВНА в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

Несмотря на то, что варианты реализации настоящего изобретения были изображены, описаны и изложены посредством ссылки на приведенные в качестве примера варианты реализации изобретения, эти ссылки не ограничивают изобретение, и такое ограничение не подразумевается. Раскрываемый объект изобретения допускает значительную модификацию, изменение и эквиваленты по форме и функции, которые станут понятны специалистам в данной области техники, имеющим преимущества данного изобретения. Изображенные и описанные варианты реализации настоящего изобретения являются примерами и не ограничивают объем изобретения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение относится, в целом, к операциям бурения и заканчивания скважин и более конкретно относится к системам и способам применения электрических двигателей для приведения в движение бурового долота. Аспекты настоящего изобретения включают буровую систему, которая может обеспечивать вращательное усилие, созданное устройством, отличным от гидравлического забойного двигателя, лопастного или турбинного двигателя, в которых для создания вращательного усилия для бурения скважины необходимо гидравлическое давление.

В настоящем документе подробно описаны иллюстративные варианты реализации изобретения. Для ясности в настоящем описании могут быть приведены не все признаки фактической реализации. Конечно, следует понимать, что в разработке любого такого фактического варианта реализации, для достижения конкретных целей реализации могут быть сделаны многочисленные решения для конкретных вариантов реализации, которые могут отличаться от одной реализации к другой. Кроме того, следует иметь в виду, что такая разработка может быть сложной и трудоемкой, но, тем не менее, благодаря настоящему описанию быть рутинным делом для среднего специалиста в данной области техники.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения представлен узел электрического двигателя типа "труба в трубе", содержащий бурильную колонну, который содержит внутреннюю трубу и внешнюю трубу, и электрический двигатель,

При этом электрический двигатель обеспечен питанием, подаваемым от внутренней трубы и внешней трубы, действующих по меньшей мере в качестве проводников.

В другом варианте реализации настоящего изобретения представлен способ подачи питания на электрический двигатель, включающий обеспечение узлом электрического двигателя типа "труба в трубе", содержащим бурильную колонну, которая содержит внутреннюю трубу и внешнюю трубу, и электрический двигатель, причем электрический двигатель обеспечен питанием, подаваемым от внутренней трубы и внешней трубы, действующих по меньшей мере в качестве проводников, и подачу питания на электрический двигатель.

В другом варианте реализации настоящего изобретения представлен способ подачи питания на электрический двигатель, включающий обеспечение узлом электрического двигателя типа "труба в трубе", содержащим бурильную колонну, которая содержит внутреннюю трубу и внешнюю трубу, и электрический двигатель, причем электрический двигатель обеспечен питанием, подаваемым от внутренней трубы и внешней трубы, действующих по меньшей мере в качестве проводников, и подачу питания на электрический двигатель.

С целью лучшего понимания настоящего изобретения приведены следующие примеры частных вариантов реализации. Следующие примеры не следует воспринимать в качестве ограничения или определения объема изобретения. Варианты реализации настоящего изобретения могут быть применимы к горизонтальным, вертикальным, отклоненным или другим нелинейным стволам скважины, или к строительным скважинам, таким как при возведении речных переправ, в любом типе подземной формации. Варианты реализации могут быть применимы к нагнетательным скважинам, а также эксплуатационным скважинам, включая углеводородные скважины.

В контексте настоящего описания предполагается, что термины «соединены» или «соединен» обозначают непрямое либо прямое соединение. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, такое соединение может быть осуществлено через прямое соединение или через непрямое электрическое соединение посредством других устройств и соединений. Термин "вверх по стволу скважины" в контексте настоящего документа подразумевают движение вдоль бурильной колонны или скважины от дальнего конца в сторону поверхности, а "вниз

по стволу скважины" в контексте настоящего документе подразумевает движение вдоль бурильной колонны или скважины от поверхности в сторону дальнего конца.

Следует понимать, термин "оборудование для бурения нефтяной скважины" или "система для бурения нефтяной скважины" не предназначено для ограничения применения оборудования и процессов, описанных с указанными терминами, бурением только нефтяной скважины. Указанные термины охватывают также бурение скважин природного газа или, в общем, углеводородных скважин. Кроме того, такие скважины могут быть использованы для эксплуатации, мониторинга или закачивания применительно к добыче углеводородов или других материалов из-под земли.

На фиг. 1 изображена общая схема узла (100) электрического двигателя ВНА типа "труба в трубе" в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, узел (100) электрического двигателя ВНА типа "труба в трубе" может содержать внутреннюю трубу (110), внешнюю трубу (120), рабочую колонну (130), электрический двигатель (135), статорные обмотки (140), пустотелую несущую конструкцию (150), корпус (160) двигателя, ведущий вал (170), магниты (180) ведущего вала, контроллер (190) электрического двигателя, устройство (210) отклонения потока, буровое долото (220) и ограничитель (230) потока высокого давления. В некоторых вариантах реализации питание, предпочтительно питание постоянного тока, может быть передано между внутренней трубой (110) и внешней трубой (120) с поверхности по длине рабочей колонны (130). В некоторых вариантах реализации внутренняя труба (110) может рассматриваться как фаза, а внешняя труба (120) может рассматриваться как земля. С точки зрения безопасности может быть важно сохранять внешнюю трубу (120) в качестве земли, поскольку она может быть электрически связана с буровой установкой, а поддержание бурового оборудования в изолированном состоянии может быть затруднительным.

Внутренняя труба (110) и внешняя труба (120) могут быть эксцентрическими или концентрическими. В некоторых вариантах реализации изобретения внешняя поверхность внутренней трубы (110) может быть покрыта изолирующим материалом для предотвращения короткого замыкания внутренней трубы (110) через буровой раствор или иные точки контакта с внешней трубой (120). В других вариантах реализации изобретения внутренняя поверхность внешней трубы (120) может быть покрыта изолирующим материалом. Примеры изолирующих материалов включают диэлектрические материалы. Подходящие примеры диэлектрических материалов включают полиимид, высокопрочный жесткий фторполимер GORE™, нейлон, TEFLON™ и керамические покрытия. В некоторых вариантах реализации изобретения оголенный металл внутренней трубы (110), открытый для электрического контакта вдоль рабочей колонны (130) со следующей секцией внутренней трубы, находится только в зонах, закрытых и защищенных от бурового раствора. Такие зоны могут быть заполнены воздухом или непроводящей электричество жидкостью типа масла, или проводящей жидкостью, такой как буровые растворы на водной основе, при условии, что электрический ток не может течь от внутренней трубы к внешней трубе по типу короткого замыкания.

В некоторых вариантах реализации статорные обмотки (140) могут быть установлены в пустотелую несущую конструкцию (150) в виде клина. В некоторых вариантах реализации изобретения пустотелая несущая конструкция (150) может быть закреплена в корпусе (160) двигателя для предотвращения вращения несущей конструкции относительно рабочей колонны (130).

В некоторых вариантах реализации изобретения магниты (180) ведущего вала могут содержать неподвижные постоянные магниты, установленные на ведущий вал (170) так, чтобы индуцировать реактивный крутящий момент от переменных магнитных полюсов, создаваемых статорными обмотками (140). В некоторых вариантах реализации изобретения электрический двигатель (135) может содержать шестиполюсный двигатель. Существует несколько вариантов, касающихся количества полюсов и соединения магнитов с ведущим валом относительно корпуса, а также другие формы электрических двигателей, такие как двигатели непосредственного привода с механизмом обмотки возбуждения электромеханического коммутатора и асинхронные электродвигатели с беличьей клеткой, в которых не используют постоянные магниты. Возможны однофазные двигатели, в которых для создания псевдовторой фазы используют конденсаторы.

В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер (190) электрического двигателя может быть расположен над статорными обмотками (140) для регулирования различных аспектов электрического двигателя (135). Контроллер (190) электрического двигателя может сообщаться с поверхностью в обоих направлениях через две токопроводящие дорожки, образованные внутренней трубой (110) и внешней трубой (120), и через питающую линию по кабелю или кабелям, которые обеспечивают подачу питания через узел электрического двигателя на по меньшей мере один модуль, расположенный ниже двигателя. По меньшей мере один такой модуль может представлять собой скважинное оборудование, такое как система локации каротажного зонда, система локации измерительного зонда, инструмент для наклонно направленного бурения роторным способом, гидравлический двигатель, разбуриватель, телеметрический элемент или буровое долото.

В некоторых вариантах реализации изобретения контроллер (190) электрического двигателя может быть вставлен в полость с регулируемым давлением для защиты электронного оборудования. Электронное оборудование контроллера (190) электрического двигателя может быть покрыто керамическим покрытием для обеспечения возможности заполнения полости маслом и выравнивания давления с помощью затрубного пространства, что обеспечивает возможность изготовления более тонкостенного корпуса для электронного оборудования. Преимущества заполнения полости маслом и выравнивания давления с помощью затрубного пространства заключаются в том, что толщина стенок полости для электронного оборудования может быть гораздо меньше, поскольку она не должна выдерживать общее давление столба флюида, оставляя больше места для электронного оборудования и обеспечивая улучшенную теплопроводность для тепла, выделяемого электронным оборудованием, чтобы сохранять его в пределах, пригодных к эксплуатации.

В некоторых вариантах реализации изобретения статорные обмотки (140) могут быть залиты керамической, резиновой или эпоксидного типа массой. Это обеспечивает возможность дополнительной защиты залитой части от короткого замыкания, которая обычно представляет собой полиэфирэфиркетоновое покрытие на обмоточном проводе электромагнита, который может впоследствии подвергаться воздействию бурового раствора, часть которого циркулирует в залитой части, обеспечивая охлаждение обмотки и силовой электроники, а также смазку подшипников для бурового раствора и радиальных подшипников на ведущем валу (170).

При эксплуатации узла (100) электрического двигателя ВНА типа "труба в трубе" буровой раствор может стекать вниз по затрубному пространству, образованному внутренней трубой (110) и внешней трубой (120). Буровой раствор и вырубленная порода могут быть возвращены на поверхность через внутреннюю часть внутренней трубы (110). Однако вблизи верхней части электрического двигателя (135) такой режим потока может немного изменяться. Устройства (210) отклонения потока, которые электрически изолированы от внешней буровой трубы и предпочтительно изготовлены из керамики или металла с диэлектрическим изолирующим покрытием на внешней поверхности, обеспечивают возможность попадания бурового раствора и вырубленной породы из затрубного пространства, образованного внутренней трубой (110) и внешней трубой (120), во внутреннюю трубу, пропуская текущий вниз буровой раствор через овально-изогнутые желоба в устройстве (210) отклонения потока. Ниже этой точки текущий вниз буровой раствор может быть отклонен в центральное отверстие, сквозь которое он проходит через электрическое соединение внутренней трубы (110) с электрическим двигателем (135) в корпус (160) двигателя. В этой точке текущий вниз буровой раствор может начать движение по двум отдельным направлениям. Первое направление - вниз по центральному отверстию ведущего вала (170) и вниз к буровому долоту (220) в нижней части рабочей колонны (130), где находится буровое долото (220), и здесь буровой раствор начинает обратное движение вверх по стволу скважины во входные отверстия устройства отклонения потока. Другое направление - через ограничитель (230) потока высокого давления в верхней части ведущего вала (170), затем через пространство между внешней частью ротора и внутренней частью корпуса двигателя и наружу через нижний узел радиального подшипника непосредственно над соединением вала с долотом в нижней части корпуса двигателя. Ограничитель (230) потока высокого давления может быть спроектирован для пропускания некоторого количества бурового раствора и его попадания в корпус (160) двигателя для охлаждения статорных обмоток (140) и смазки радиальных и осевых подшипников электрического двигателя (135). Ограничитель (230) потока высокого давления также может служить в качестве радиального подшипника (240). В других вариантах реализации изобретения может присутствовать отдельный радиальный подшипник (240). Радиальные подшипники (240) могут содержать резиновые судовые подшипники, подшипники из поликристаллического алмазного композита или различные твердые покрытия типа плавленого карбида вольфрама.

Ограничитель (230) потока высокого давления может быть расположен в любом месте на пути потока при условии, что поток ограничен где-либо на пути от верхней части ведущего вала к нижней части корпуса двигателя. В некоторых вариантах реализации изобретения ограничитель (230) потока высокого давления может быть расположен непосредственно под верхними радиальными подшипниками (240), поскольку с таким устройством проще работать, и оно также действует как фильтр, удерживающий более крупные твердые частицы, которые попадают в буровой раствор, выходящий из статорных обмоток (140) и радиальных подшипников (240).

На фиг. 2 изображен вид в поперечном сечении ротора и статора без установочной втулки (250) обмотки или корпуса (160) двигателя. В данном примере изображен узел (280) шестиполюсной статорной обмотки. Статорные обмотки (140) могут быть навиты на одну или более статорных головок (290). В некоторых вариантах реализации изобретения одна или более статорных головок (290) могут содержать длинные прямоугольные клинья. Одна или более статорных головок (290) могут быть изготовлены из мягкого железа с высокой проницаемостью. Одна или более статорных головок (290) могут касаться друг с друга или могут быть сварены.

В некоторых вариантах реализации изобретения узел статорной головки может быть изготовлен из одного круглого бруска с помощью различных методов обработки, таких как электрохимическая обработка, электроэрозионное вырезание или обработка на электродном электростатическом дегоржирующем станке, или экструзия такой формы, чтобы внешний диаметр узла головки статора представлял собой постоянный диаметр в отличие от шести отдельных деталей. В некоторых вариантах реализации изобретения узел (280) статорной обмотки может быть изготовлен из шести деталей для снижения производственных затрат. Если статорные головки изготовлены из одного бруска, то статорные обмотки могут быть пропущены через различные отверстия. В некоторых вариантах реализации изобретения герметичное покрытие может быть получено литьем под давлением во внутреннюю часть и по краям. На статор может быть нанесено покрытие для снижения коррозии и увеличения срока службы, но в этом случае заливочный материал может быть достаточным для выполнения указанной функции. В некоторых вариантах реализации изобретения заливочный материал может быть изготовлен из различных соединений, таких как эпоксидные, керамические материалы, нейлон или политетрафторэтилен типа полиэфирэфиркетона, такой как Arlon 100 производства компании Greentweed.

В клиновидной концепции, изображенной на фиг. 2, статорные головки могут корродировать под воздействием многих типов систем буровых растворов, если область контакта указанного клина вблизи внешнего диаметра не покрыта защитным материалом. Однако на статорные головки у точек соприкосновения внешнего диаметра может быть нанесено очень тонкое антикоррозионное покрытие для ограничения потерь потокосцепления магнитного потока, а на части статорной головки, на которые воздействует поток бурового раствора, может быть нанесено покрытие большей толщины.

Статорные обмотки (140) могут представлять собой магнитную проволоку, покрытую лаком, полиэфирэфиркетоном или другим диэлектрическим покрытием, и в идеале указанная проволока изготовлена из серебра, меди, алюминия или любого проводящего элемента, включая высокотемпературные сверхпроводящие материалы. Статорные обмотки (140) могут образовывать несколько витков вокруг статорных головок (290). Необязательно, заливочный материал может быть нанесен на верхнюю часть и залит внутрь статорных обмоток (140). В некоторых вариантах реализации изобретения заливочный материал может быть керамическим или более эластичным высокотемпературным эпоксидным материалом. Такой материал может быть использован для защиты статорных обмоток (140) от коррозии под действием бурового раствора и от эрозии, включая эрозию под действием мелкого песка, который может попадать в эту область.

Одна или более статорных головок (290) могут иметь канавки по внешнему диаметру и могут заклиниваться пустотелой несущей конструкцией (150) для удержания одной или более статорных головок (290) от действия генерированного крутящего момента. Затем крутящий момент может быть передан на корпус (160) двигателя через дополнительные пазы шлицевого соединения в корпусе (260) несущей конструкции и шлицы в корпусе (160) двигателя. Другие способы выполнения этой задачи станут очевидными для специалистов в данной области техники при прочтении настоящего описания.

Необязательно, внешний диаметр корпуса (260) несущей конструкции и внутренний диаметр корпуса (160) двигателя могут иметь немного коническую форму, сужающуюся в сторону верха, для обеспечения плотного прилегания и предотвращения накапливания мелких частиц бурового раствора между корпусом (160) двигателя и корпусом (260) несущей конструкции. Таким образом, установочная втулка (250) обмотки может быть втянута или вытолкнута. Верхняя часть установочной втулки (250) обмотки может иметь дополнительные запорные насечки, которые зацепляют электронный вкладыш и/или дополнительные пазы шлицевого соединения, которые зацепляют шлицы, расположенные в корпусе (160) двигателя.

В некоторых вариантах реализации изобретения одна или более статорных головок (290) могут быть изготовлены из тонких пластин поперечного сечения. Как показано на фиг. 3, форма одной или более статорных головок (290) может быть изготовлена штампованием из тонких листов железа, покрытых тонким изолирующим слоем и уложенных друг на друга в несущей конструкции, с последующей навивкой обмотки. Это обусловлено тем, что длинные твердотельные бруски одной или более статорных головок (290) по длине электрического двигателя (135) могут создавать большие вихревые токи, которые ухудшают эффективность двигателя и выделяют тепло. Провода тянутся по всей длине сплошной обмотки пластин статорной головки вокруг группы пластин статорной головки.

Посредством использования тонких штампованных листов указанные выше проблемы, связанные с производственными затратами и трудностью сборки, могут быть решены при сохранении конструкции мощного статора. В некоторых вариантах реализации изобретения каждая пластина статора может иметь толщину около 1/16" - 1/4". В альтернативном варианте каждая отдельная головка статора может быть изготовлена штампованием, поэтому для изготовления одного слоя необходимо шесть штампованных частей, расположенных так, как показано на фиг. 2.

Возвращаясь к фиг. 1, нижняя часть электрического двигателя (135) может сообщать вращение ведущему валу (170), вворачивая его либо в буровое долото (220), либо в другие компоненты компоновки низа бурильной колонны. Хотя на фиг. 1 на ведущем валу (170) изображено соединение в шип (300), в некоторых вариантах реализации вместо соединения в шип (300) может быть использовано муфтовое соединение. На ведущий вал (170) может быть установлен один или более магнитов (180) ведущего вала. На фиг. 1 изображены четыре магнита (180) ведущего вала, установленные на ведущем вале (170). Хотя существуют другие способы изготовления ротора для электрического двигателя, такого как, например, асинхронный электродвигатель с беличьей клеткой, указанный способ с применением постоянных магнитов обеспечивает улучшенную доставку крутящего момента и механическую стабильность. Магниты (180) ведущего вала могут быть оптимально расположены для трехфазного двигателя. При прочтении настоящего описания специалистам в данной области станет понятно, что указанный двигатель работает посредством выталкивания и втягивания магнитов вала под действием электродвижущей силы статора при изменении фазы тока, проходящего через шесть обмоток. При повышенных температурах эксплуатации вместо магнитов на ведущем валу могут быть использованы обмотки для облегчения передачи крутящего момента сродни двигателю с беличьей клеткой. Основное ограничение магнитов может представлять собой температура Кюри, при которой может происходить потеря намагничивания магнита или по меньшей мере существенное снижение силы поля магнита.

Управление двигателем может быть осуществлено с помощью твердотельных переключателей, а не коммутатора. Хотя коммутатор также может выполнять свою функцию, он не является идеальным, поскольку его щетки должны работать в электрически изолированном пространстве, что означает, что необходима заполненная маслом полость с вращающимся уплотнением в качестве барьера для бурового раствора, что может быть проблематично с точки зрения надежности и технического обслуживания, если вращающееся уплотнение должно работать при высоких скоростях вращения в течение многих часов, как в данном случае.

Возвращаясь к фиг. 1, узел (100) электрического двигателя ВНА типа "труба в трубе" может дополнительно содержать узел (310) электронного оборудования. Узел (310) электронного оборудования может иметь процессор с памятью для мониторинга и управления электрическим двигателем (135). Процессор может обеспечивать несколько функций, включая, но не ограничиваясь ими, управление пуском двигателя; добавление конденсаторов для пуска и эксплуатации; мониторинг расхода энергии; регулирование скорости двигателя (которую можно изменять посредством частоты, приложенной к обмоткам, и тока, подаваемого в обмотки); регулирование крутящего момента на выходе из двигателя (обеспечение постоянного или переменного крутящего момента); регулирование мощности; регулирование температуры двигателя (на обмотках статора могут быть установлены датчики температуры); передача данных двигателя и датчика ВНА на поверхность через проводники типа "труба в трубе"; прием команд параметров двигателя, таких как скорость, крутящий момент и пределы мощности на выходе; запрос данных и другие формы запросов с поверхности через проводники типа "труба в трубе"; обнаружение останова и восстановление; обнаружение скачкообразного движения; и ответ замкнутой системы на регулирование скачкообразного движения для поддержания условий бурения, в которых работает двигатель, в более благоприятном диапазоне. Система автоматически обнаруживает и не приближается к неудовлетворительным параметрам бурения, а также распознает, какие параметры бурения являются неблагоприятными при бурении. Система может обнаруживать условия останова и ограничивать подачу питания на обмотки, по существу останавливая двигатель, если приложенное усилие на двигателе превышает допустимый предел, а вращательная скорость вала падает ниже допустимого предела, что может потенциально приводить к повреждению обмоток двигателя из-за увеличения тока, циркулирующего в обмотках двигателя.

Процессор может принимать данные по весу и крутящему моменту с поверхности или от скважинного датчика, расположенного в двигателе или вмонтированного в любом другом месте бурильной колонны. Процессор может использовать эти данные для определения момента остановки питания двигателя до того как двигатель начнет работать со скоростями вращения при повреждающем заклинивании. Затем процессор может перезапускать двигатель с короткими экспериментальными промежутками для определения того, была ли сброшена приложенная нагрузка и/или указывает ли информация датчиков по весу и крутящему моменту на безопасность эксплуатации двигателя. Кроме того, электронное оборудование может содержать токоограничивающую схему для ограничения количества тока, который может быть подан на витки обмотки двигателя. Процессор может записывать и контролировать скорость вращения, подаваемое питание, а также вес и крутящий момент на долоте для определения возможного наличия разрушения в двигателе или ухудшения характеристик долота. Процессор также может передавать информацию об изменении условий на компьютер на поверхности. Например, если подаваемое на двигатель питание остается постоянным, но крутящий момент, приложенный в отношении пласта, уменьшается, то это может указывать на повреждение долота или ухудшение характеристик двигателя. В некоторых вариантах реализации данные могут быть переданы на поверхность в реальном времени с помощью телеметрической системы. Такие данные могут быть использованы, например, для расчета механической эффективности бурового долота и мониторинга бурового долота на наличие признаков износа. Кроме того, данные о механической эффективности и/или крутящему моменту и весу могут быть сравнены с моделью недр из периферийных скважин в отдельном районе для определения оптимального веса, примененного в отношении долота, и необходимого крутящего момента от электрического двигателя для достижения улучшенных характеристик бурения пробуренного пласта.

Для приведения двигателя в движение может быть использована любая форма электрической энергии. В некоторых вариантах реализации изобретения питание постоянного тока может обеспечивать улучшенное управление питанием внутрискважинного электронного оборудования. В некоторых вариантах реализации изобретения на двигатель, расположенный в скважине, может быть подано трехфазное питание с поверхности.

Обобщенная блок-схема изображена на фиг. 4, на которой подробно отображены коммуникации, датчики и элементы управления двигателем системы. Хотя это не показано на фиг. 4, коммуникации также могут быть включены через нижнюю часть двигателя или могут быть направлены вверх и вниз по колонне. Такие способы могут быть реализованы с помощью скользящих колец или индукционных муфт, которые хорошо известны специалистам в данной области. Скользящее кольцо или индукционная муфта может обеспечивать изменение положения точки коммуникации и/или подачи питания в любом направлении между корпусом двигателя и вращающимся ведущим валом. Концевые разъемы с электрическими проводниками могут обеспечивать путь передачи сигнала в двигатель, причем коммуникации могут продолжаться до следующего модуля. Разъем в верхней части двигателя может быть осуществлено через коммуникационный интерфейс, который инициирует подачу питания на две проводящие трубы.

В некоторых вариантах реализации изобретения коммуникационный канал может напрямую сообщаться с сетью коммуникаций типа "труба в трубе" или сообщаться с локальной сетью, такой как сеть для системы телеметрии/каротажа во время бурения, наддолотным или долотным узлом коммуникации, или множеством сетей и узлов коммуникации. Процессор может исполнять команды, которые хранятся в зоне запоминающего устройства, которое может быть встроено в сам процессор или быть в отдельном запоминающем элементе. Память также может быть использована для записи рабочей информации о двигателе, такой как температура обмотки, температура прибора, температура бурового раствора, скорость вращения вала, мощность на выходе, крутящий момент на выходе, системный ток, напряжение и мощность, ток, напряжение и мощность на входе в обмотку, а также давление с любой стороны ограничителя потока высокого давления для ожидания стирания показаний и обеспечения устойчивого потока бурового раствора через обмотки. Источник электропитания может подавать питание от проводников типа "труба в трубе". Поскольку проводники типа "труба в трубе" могут быть использованы для питания каждого элемента буровой системы, то на фиг. 4 не показаны соединенные линии. Датчики давления также могут быть использованы для обнаружения отсутствия потока жидкости для защиты двигателя от перегрева.

Кроме того, в случае прекращения подачи питания на двигатель может быть использована одна или более батарей, аккумуляторов или конденсаторов для подачи питания на коммуникации, датчики, процессор, модули памяти и/или любые другие электронные устройства оборудования. Маломощные коммуникации с двигателем могут сохраняться даже если питание, подаваемое в систему, является недостаточным для питания электрических обмоток двигателя для бурения скважины. Следовательно, при повторном подключении питания система остается работоспособной в отношении коммуникаций и других электронных функций, таких как запись данных с датчиков.

Использование батарей также может обеспечивать возможность сохранения коммуникаций и датчиков в рабочем состоянии для обмена данными и передачи команд во время выполнения подключения на поверхности или другой работы на буровой установке. Кроме того, могут поддерживаться коммуникации между различными узлами сети в рабочей колонне для мониторинга внутрискважинных датчиков при неактивных коммуникациях с поверхностью.

Питание постоянного тока может быть преобразовано контроллером двигателя в трехфазный ток. В некоторых вариантах реализации изобретения в контроллере двигателя могут быть использованы твердотельные электронные элементы для подачи тока на обмотки и изменения полярности обмоток, чтобы дублировать трехфазное питание с поверхности. Ток, подаваемый на шесть обмоток, можно регулировать в трех парах, причем ток в любой паре может быть почти одинаковым в любой данный момент времени для минимизации эффекта запаздывания. Обмоточные пары могут быть противоположны друг другу в двигателе, как показано на фиг. 2, причем разность фаз каждой обмоточной пары, изображенной на фиг. 5, может составлять 120° относительно любой соседней обмоточной пары.

Разность фаз между тремя фазами может регулироваться ведущим контроллером, чтобы все три фазы оставались с постоянным сдвигом фаз 120°. Для максимизации передачи питания на ротор может быть создана синусоидальная или другая волнистая кривая для трехфазного контроллера для питания трех пар обмоток. В некоторых вариантах реализации изобретения обмотки могут быть соединены параллельно для снижения последовательного сопротивления обмоточных пар. Обмотки и движение тока могут быть рассчитаны по времени, чтобы каждый полюс статора соответствовал ориентации другой обмотки в паре. Это означает, что внутренний конец каждой полюсной пары статора может иметь такую же полярность магнитного поля, что и север, юг, или быть нейтральным. В тех вариантах реализации изобретения, в которых каждый виток одинаково навит для каждой обмотки, каждая пара фаз может быть соединена параллельно, как показано на фиг. 5.

Функции контроллера двигателя могут включать: переключение направлений полярности в соответствии с требуемой ориентацией вращения; сохранение фазового разделения в каждой паре обмоток; сохранение приложенной частоты и изменение частоты вверх и/или вниз с приемлемой для двигателя скоростью на основании изменений требуемой скорости двигателя; и сохранение уровня питания, подаваемого на обмотки, для оптимизации доставки крутящего момента для требуемой скорости. Каждая из функций контроллера двигателя может быть осуществлена посредством изменения тока, напряжения или тока и напряжения, подаваемых на обмоточные пары, и/или посредством изменения длительности каждого изменения. Кроме того, могут быть использованы пусковые конденсаторы для облегчения разгона двигателя. Конденсаторы могут быть отключены контроллером двигателя по достижении двигателем скорости, составляющей около 75% от его номинальной скорости.

Следует отметить, что в некоторых вариантах реализации изобретения контроллер может изменять фазу любых двух каналов (А и В, В и С или С и А) для изменения направления вращения двигателя, сохраняя при этом способность обеспечивать такой же крутящий момент и приводить в движение долото. Это может обеспечивать улучшение в сравнении с традиционными гидравлическими забойными двигателями, которые вращаются только в одном направлении. Возможность изменения направления вращения может способствовать высвобождению прихваченной бурового долота, отключению вращающегося контакта, чтобы оставить прихваченный инструмент в скважине и освободить ВНА, бурению в противоположном направлении с использованием шарошек долота, ориентированных в противоположном направлении, увеличению срока эксплуатации шарошечного конического долота посредством нагружения его в противоположном направлении и/или активации другого механического механизма.

Контроллер двигателя может менять питание, подаваемое на каждую обмоточную пару, в режиме прямоугольной волны, синусоидальной волны, другой циклической волны. В некоторых вариантах реализации изобретения электронное оборудование может быть выполнено с возможностью использования твердотельных переключателей, таких как вариаки или реле, для изменения направления движения тока по обмоткам от источника постоянного тока.

В одном из вариантов реализации изобретения изменяющийся во времени сигнал может быть эмулирован для включения обмоток с прямоугольными электрическими импульсами в противоположных полярностях. Средняя энергия, потребляемая двигателем на одно вращение, может варьироваться посредством подбора фаз и рабочего цикла каждого прямоугольного импульса. Такой способ может быть осуществлен с помощью полупроводниковых переключателей, таких как кремниевые управляемые выпрямители (SCR), тиристоры или другие формы переключающих устройств. Другие способы могут включать использование трансформаторов для изменения питания, подаваемого на обмотки двигателя. Такие трансформаторы могут включать вариаки, усиливающие, понижающие и/или многовыводные трансформаторы. На фиг. 6 изображена приведенная в качестве примера схема переключателей, включенных и выключенных с помощью контроллера для изменения полярности и рабочего цикла питания, подаваемого на каждую обмоточную пару. Таймер в микропроцессоре контроллера двигателя может поддерживать ширину импульса и фазу всех трех каналов, а также при необходимости увеличивать или уменьшать общую частоту. Схема, изображенная на фиг. 6, может быть повторена для каждой из обмоточных пар. Контроллер двигателя может принимать команды с поверхности или от локального процессора, контролирующего другие функции двигателя. Инструкции и/или параметры управления в памяти также могут быть запрограммированы по каналу коммуникаций земли-скважины, при этом двигатель находится в скважине.

В некоторых вариантах реализации драйвер двигателя может быть небольшим усиливающим переключателем, используемым для подачи достаточного питания для включения и выключения полупроводникового переключателя, и может обеспечивать включение и выключение на основании логических выходных данных процессора. В некоторых вариантах реализации изобретения, в которых процессор имеет мощность для включения и выключения переключателей, цифровые выходные устройства или аналоговые выходные устройства процессора могут быть подключены непосредственно к линиям управления переключениями. Указанный процесс может обеспечивать чередование между парами переключателей для изменения направления тока в обмоточной паре или для выключения при необходимости обеих пар переключателей посредством регулирования фаз и рабочего цикла.

Возвращаясь к фиг. 1, магниты (180) ведущего вала могут иметь большую напряженность магнитного поля. Подходящие типы магнитов (180) ведущего вала могут включать самарий-кобальтовые магниты. В некоторых вариантах реализации изобретения магниты (180) ведущего вала могут быть изготовлены в клиновидной форме для соответствия карману на ведущем валу (170). В некоторых вариантах реализации изобретения магниты (180) ведущего вала могут быть изготовлены посредством выливания в форму сыпучего мелкодисперсного порошка, который может быть затем спрессован и спечен в форме. Во время этого процесса может быть использовано слабое магнитное поле для выравнивания магнитных полюсов по толщине длинного бруска для оптимальной ориентации магнитного поля при применении. Магнит может иметь форму полуклина, прямоугольника, треугольника или любую требуемую геометрическую форму. После установки магнитов (180) ведущего вала их можно закрепить в ведущем валу (170), если не спечь на месте, различными способами, такими как упорные кожухи/гильзы, винты, прорези или другие крепежные элементы.

Полярность магнитов (180) ведущего вала может быть изменена с положения, в котором северный полюс (N) направлен наружу, в следующее положение, в котором магнит поляризован или ориентирован южным полюсом (S) наружу, затем снова север и, наконец, юг для примера четырехполюсного ротора. Количество обмоток и магнитов может быть изменено в несколько раз, например можно использовать двенадцать полюсов статора и восемь магнитов ротора или три полюса статора и два магнита ротора.

Обратимся к фиг. 7а и 7b, на которых изображен вид верхней части фиг. 1. В некоторых вариантах реализации устройство (210) отклонения потока может быть изготовлено из электроизоляционного материала, такого как керамический материал. Керамические материалы обеспечивают высокую стойкость к эрозии под действием потока песка, вырубленной породы, обломков и других твердых частиц, движущихся из затрубного пространства во внутреннее отверстие внутренней трубы на пути возвращения на поверхность. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство (210) отклонения потока может представлять собой отклоняющее кольцо. В некоторых вариантах реализации изобретения отклоняющее кольцо может быть некерамическим, при условии, что внутренняя труба изолирована от любых проводящих материалов, используемых в отклоняющем устройстве. Прокладки (320) могут быть расположены в верхней и нижней части устройства (210) отклонения потока для предотвращения попадания потока из затрубного пространства между внутренней трубой (110) и внешней трубой (120) в центральную часть внутренней трубы (110). Как указано выше, кольцевой поток может стекать вниз от поверхности, проходить через желоба в устройстве (210) отклонения потока и двигаться вниз через область двигателя и в конечном итоге к концу бурильной колонны. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство (210) отклонения потока может заклиниваться с внутренней трубой (110) и внешней трубой (120) для сохранения его ориентации относительно отверстий во внутренней трубе (110) и внешней трубе (120).

На фиг. 8 изображен один из вариантов отклонения потока, движущегося между внутренней трубой (110) и внешней трубой (120), во внутреннюю часть внутренней трубы (110) к центральной части трубы (115), которая не сообщается по текучей среде с другой частью внутренней трубы (110). Это обеспечивает возможность отклонения потока вниз через центральную часть трубы (115) к ВНА и к буровому долоту (220). В некоторых вариантах реализации изобретения внутренняя труба (110) может иметь электроизоляционное покрытие везде, кроме проводящей области (116). В проводящей области (116) может быть расположен короткий участок оголенного металла внутренней трубы (110), состыкованный с электронным вкладышем (340) для облегчения передачи электропитания на контроллер (190) электрического двигателя. Электронный вкладыш (340) может иметь оголенный участок, не имеющий электроизоляции. Может быть использована витая пружина (350) монтажного провода для сохранения соединения в герметичной области (330) мокрого соединения. Электронный вкладыш (340) может иметь две линии (360) заземления, по которым электрический путь возвращается на внешнюю трубу (120), когда ток проходит через различные компоненты электроники и двигателя. Хотя это не показано, фланцевый конец электронного вкладыша (340) может иметь направляющие штыри и дополнительные штыри для противостояния скручивающим силам, которые он может испытывать, или другие механические средства удержания для противодействия вращению. Заземлители линий (360) заземления могут быть изолированы от бурового раствора, чтобы соединители не были повреждены коррозийной средой бурового раствора. Буровой раствор может двигаться вниз к центру электронного вкладыша (340) и вверх из корпуса двигателя.

На фиг. 9 изображен электронный вкладыш (340) в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Как указано выше, электронный вкладыш (340) может содержать один или более процессоров и электронных устройств (370) управления питанием для регулирования электрического двигателя. Провода (375) могут выходить на обмотки статора и датчики (385) через герметичные перегородочные поверхности (380).

На фиг. 10 изображена первичная обмотка двигателя и область ведущего вала. Ограничитель (230) потока высокого давления может быть расположен в верхней части обмотки двигателя и области ведущего вала. Ограничитель (230) потока высокого давления также может функционировать в качестве радиального подшипника и с небольшим зазором потока для обеспечения возможности течения бурового раствора. Ограничитель (230) потока высокого давления может быть изготовлен из высокостойкого к эрозии материала, такого как карбид вольфрама или кобальтовый сплав, такой как стеллит. Ограничитель (230) потока высокого давления может обеспечивать протекание некоторой части бурового раствора в область, расположенную снаружи ведущего вала (170), для выравнивания давления обмоточной зоны (175) и потока бурового раствора через обмотки для их охлаждения. Как показано на фиг. 10, может быть две секции статорных обмоток (140), но для оптимизации требуемого крутящего момента может быть использована одна секция обмотки или множество секций обмотки.

В некоторых вариантах реализации изобретения в корпусе обмотки могут быть установлены переключатели (990) на основе эффекта Холла для контроля положения вала и скорости вращения посредством наблюдения за небольшими магнитами (191) или относительным положением магнита ротора на валу. Сигнал, выходящий из переключателя (990) на основе эффекта Холла или другого датчика скорости вращения, может быть направлен обратно в электронное оборудование управления двигателя, ограничитель (230) потока высокого давления, причем процессор может автоматически измерять и регулировать скорость двигателя на основании обратной связи по сигналам датчика. В корпус обмотки также могут быть включены другие типы датчиков положения, такие как датчики приближения. Контролируя положение вала при его движении, можно оптимизировать доставку крутящего момента на двигатель и ожидать скольжения полюса, которое может возникать, если крутящий момент, обусловленный противодействием долота бурению, превышает точку останова двигателя или вызывает вибрацию, что может означать, что одна из обмоток прилагает крутящий момент неравномерно и, следовательно, это обеспечивает возможность регулирования крутящего момента на выходе из обмоток для достижения максимально возможного равномерного крутящего момента на выходе. В некоторых вариантах реализации изобретения в корпусе обмоток или вблизи них могут быть установлены датчики температуры. В некоторых вариантах реализации изобретения для каждой обмотки может быть использован по меньшей мере один датчик температуры для мониторинга температуры двигателя. Кроме того, в некоторых вариантах реализации изобретения в несущую конструкцию выше (192А) и ниже (192В) ограничителя (230) потока высокого давления может быть установлен датчик давления для мониторинга характеристик ограничителя потока и слежения за отсутствием вымывания или засорения и подтверждения, что циркуляционные буровые насосы функционируют, охлаждая двигатель.

В некоторых вариантах реализации изобретения радиально-упорный подшипник (380) может быть расположен между двумя секциями обмотки и обмотки ведущего вала, смазывание которых может быть обеспечено буровым раствором. В некоторых вариантах реализации изобретения могут быть использованы эластомерные судовые подшипники, роликовые, шариковые, подшипники скольжения и другие типы подшипников. Несущая конструкция обмотки статора имеет пазы (194) шлицевого соединения для состыковки с пазами корпуса двигателя для противодействия вращению несущей конструкции обмотки.

На фиг. 11 изображен вариант положения подшипника осевой нагрузки, который может обеспечивать возможность начала и прекращения нижнего вращения ведущего вала (170) и может иметь радиально-упорный подшипник (380), расположенный в нижней части. Ведущий вал (170) может иметь соединение в шип (300) или муфтовое соединение. Возможны другие варианты описанного электрического забойного двигателя. Например, ведущий вал (170) может быть разделен на две части, при этом две части ведущего вала могут быть соединены работающим на кручение стержнем или универсальным шарниром через регулируемый или фиксированный кривой переводник. Узел подшипника может быть расположен выше или ниже изгиба или над секцией двигателя. Регулируемый кривой переводник может быть регулируемым с поверхности или внутри скважины, что означает, что переводник может регулировать угол наклона нижнего конца ведущего вала относительно оси устройства до по меньшей мере одного наклонного положения. В некоторых вариантах реализации изобретения упорные подшипники (390) могут быть расположены над любым узлом кривого переводника.

В некоторых вариантах реализации изобретения электрический двигатель (135) может иметь интерфейсный модуль, облегчающий непрерывность соединения, связи и/или передачи энергии на поверхность по буровой трубе. Управление электрическим двигателем (135) может быть осуществлено с помощью коммуникационных сигналов с поверхности. Электрический двигатель (135) также может отправлять на поверхность контрольные сигналы. Электрический двигатель (135) может иметь переменную скорость и/или крутящий момент. Для облегчения достижения требуемой скорости и крутящего момента может быть использована понижающая передача или планетарная передача вместе с электрическим двигателем с переменной скоростью.

Электрический двигатель может представлять собой модульный компонент компоновки низа бурильной колонны или может быть использован отдельно. Электрический двигатель может быть использован для увеличения или проработки ствола скважины с вращением бурильной колонны или без вращения в зависимости от его обеспечения наземным оборудованием. Электрический двигатель может иметь множество конфигураций для облегчения возможности его приспособления к разрушению требуемой породы и/или механизмам разрушения горной породы. Указанные конфигурации могут включать бурение с помощью лазера и/или лазерной бурового долота, вооружение долота поликристаллическими синтетическими алмазами (PDC), запрессованными в буровое долото, шарошечное коническое долото, импульсное электрический аппарат для бурения породы и/или другие устройства для разрушения горной породы.

Вращение режущего узла может быть обеспечено и/или дополнено вращением бурильной колонны, обеспечиваемым наземным оборудованием. Вооружение долота на режущем узле может иметь глубину вруба (итоговый диаметр), обеспечиваемую независимым электрическим двигателем, который управляет диапазонами поворота вала или поршнями. Если режущее вращение является нежелательным, то вооружение долота режущего долота может быть снято, может быть отправлена команда остановки модульного узла двигателя и при необходимости может быть заблокировано вращение режущего узла. В некоторых вариантах реализации изобретения разбуривание скважины может быть оптимизировано посредством обеспечения возможности вращения отдельных цилиндрических режущих разбуривающих узлов на их валах.

Ссылаясь на фиг. 12, изображен узел (100) электрического двигателя ВНА типа "труба в трубе" в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения, включая блокировочный механизм 500.

Ссылаясь на фиг. 13, изображен крупный план вида в поперечном сечении иллюстративного блокировочного механизма 500, расположенного между ведущим валом 170 и корпусом 550 подшипника двигателя, в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Блокировочный механизм 500 может представлять собой любой механизм, обеспечивающий возможность выборочного вращения ведущего вала 170 в одном направлении относительно корпуса 550 подшипника. Блокировочный механизм 500 показан установленным возле вкладыша подшипника в бурильной колонне; однако блокировочный механизм 500 может быть расположен в любом месте приводного механизма. Кроме того, хотя блокировочный механизм описан в контексте узла электрического двигателя, он может быть интегрирован в узлы забойных двигателей других типов, таких как гидравлический забойный двигатель, как понятно специалистам в данной области техники при помощи данного описания. В некоторых вариантах реализации изобретения блокировочный механизм может содержать предохранительную защелку 510, по меньшей мере один фиксирующий ключ 512, шлицевую оправку 514 и замковую пружину 516. Предохранительная защелка 510 может зацеплять внутреннюю окружность корпуса 550 подшипника. В некоторых вариантах реализации изобретения предохранительная защелка 510 может быть присоединена к корпусу 550 подшипника с помощью по меньшей мере одной стопорной шпильки 520 замка. В некоторых вариантах реализации изобретения предохранительная защелка 510 может вращаться по существу с такой же скоростью, что скорость вращения корпуса. По меньшей мере одна стопорная шпилька замка может быть закреплена крышкой 521 стопорной шпильки и герметизирована по меньшей мере одной прокладкой 522 стопорной шпильки. Шлицевая оправка 514 может быть расположена в затрубном пространстве между ведущим валом 170 и предохранительной защелкой 510, при этом шлицевая оправка 514 может зацеплять предохранительную защелку 510. В некоторых вариантах реализации изобретения шлицевая оправка 514 может содержать путь 526 потока среды через шлицевую оправку 514 для обеспечения возможности протекания флюида через шлицевую оправку 514 в затрубном пространстве между ведущим валом 170 и корпусом 550 подшипника.

Предохранительная защелка 510 может содержать криволинейную канавку 518 кулачка, расположенную в предохранительной защелке 510. По меньшей мере один фиксирующий ключ может быть присоединен к шлицевой оправке 514 и может быть расположен в криволинейной канавке 518 кулачка. В некоторых вариантах реализации изобретения в криволинейную канавку 518 кулачка может быть внесена смазка для снижения трения между криволинейной канавкой 518 кулачка и по меньшей мере одним фиксирующим ключом 512. По меньшей мере одна прокладка 524 криволинейной канавки кулачка может отделять криволинейную канавку 518 кулачка от бурового раствора и/или скважинной продукции. Замковая пружина 516 может зацеплять предохранительную защелку 510 для поджимания предохранительной защелки 510 к по меньшей мере одному фиксирующему ключу 512 для сохранения контакта между предохранительной защелкой 510 и по меньшей мере одним фиксирующим ключом 512.

По меньшей мере один шлиц 540 шлицевой оправки, расположенный на шлицевой оправке 514, может зацеплять по меньшей мере один шлиц 542 ведущего вала, расположенный на ведущем валу 170. Следовательно, вращение ведущего вала 170 может обеспечивать вращение шлицевой оправки 514 посредством зацепления по меньшей мере одного шлица 540 шлицевой оправки с по меньшей мере одним шлицем 542 ведущего вала. Кроме того, вращение шлицевой оправки 514 может обусловливать вращение ведущего вала 170 посредством зацепления по меньшей мере одного шлица 542 ведущего вала с по меньшей мере одной шлицевой оправкой 514. Так, в некоторых вариантах реализации изобретения шлицевая оправка 514 и ведущий вал 170 могут иметь по существу одинаковую скорость вращения.

Ссылаясь на фиг. 14А и 14В, изображены виды в поперечном сечении блокировочного механизма, представленного на фиг. 12, в поперечном сечении А и В, соответственно. Предохранительная защелка 510 и шлицевая оправка 514 могут быть расположены в затрубном пространстве между корпусом 550 подшипника и ведущим валом 170, как показано на фиг. 14А. По меньшей мере один фиксирующий ключ 512 может выходить из шлицевой оправки 514 в криволинейную канавку 518 кулачка, образованную в предохранительной защелке 510. В некоторых вариантах реализации изобретения путь 526 движения флюидов может представлять собой множество отверстий в шлицевой оправке 514, обеспечивающих возможность прохождения флюида через шлицевую оправку 514. Ссылаясь на фиг. 14 В, по меньшей мере один шлиц 540 шлицевой оправки, расположенный на шлицевой оправке 514, может зацеплять по меньшей мере один шлиц 542 ведущего вала, расположенный на внешней окружности ведущего вала 170. По меньшей мере один шлиц 540 шлицевой оправки может передавать механическую энергию на ведущий вал 170 через по меньшей мере один шлиц 542 ведущего вала. Кроме того, по меньшей мере один шлиц 542 ведущего вала может передавать механическую энергию на шлицевую оправку 514 через по меньшей мере один шлиц 540 шлицевой оправки.

Ссылаясь на фиг. 15, представлен развернутый вид блокировочного механизма 500, изображенного на фиг. 13, в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Указатель А соответствует виду блокировочного механизма с правой стороны поперечного сечения, изображенного на фиг. 13, а указатель В соответствует виду блокировочного механизма с левой стороны поперечного сечения, изображенного на фиг. 13. Так, на фиг. 14 изображена окружность блокировочного механизма, расположенная на плоскости. Шлицевая оправка 514 может содержать по меньшей мере один шлицевой ключ 530, расположенный на противоположной поверхности шлицевой оправки 514 от предохранительной защелки 510. Блокировочный механизм может иметь открытое положение, в котором по меньшей мере один шлицевой ключ 530 не зацепляет по меньшей мере один ключ 532 корпуса (как показано и описано со ссылкой на фиг. 15А-15С), и закрытое положение, в котором по меньшей один шлицевой ключ 530 может зацеплять по меньшей мере один ключ 532 корпуса (как показано и описано со ссылкой на фиг. 15F). В закрытом положении по меньшей мере один шлицевой ключ 530 может быть выполнен с возможностью зацепления по меньшей мере одного ключа 532 корпуса, расположенного на корпусе 550 подшипника двигателя.

Ссылаясь на фиг. 16А-16С, изображена последовательность развернутых видов блокировочного механизма 500, если ведущий вал 170 имеет более высокую скорость вращения, чем корпус 550 подшипника, в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Как описано ранее, корпус 550 подшипника и предохранительная защелка 510 вращаются по существу с одинаковой скоростью, при этом шлицевая оправка 514 и по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 вращаются по существу с такой же скоростью, что и ведущий вал. Таким образом, если ведущий вал вращается быстрее, чем корпус, то по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 может двигаться направо через криволинейную канавку 518 кулачка в открытом положении, как показано на фиг. 16A-16F. Замковая пружина 516 может поджимать шлицевую оправку 514 в закрытое положение и удерживать по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 зацепленным с поверхностью 545, зацепляющей криволинейную канавку кулачка.

Криволинейная канавка 518 кулачка может содержать запирающий паз 548. Когда по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 находится в запирающем пазу 548, по меньшей мере один шлицевой ключ 530 может зацеплять по меньшей мере один ключ 532 корпуса. Если в запирающем пазу 548 отсутствует по меньшей мере один фиксирующий ключ 512, то по меньшей мере один шлицевой ключ 530 не может зацеплять по меньшей мере один ключ 532 корпуса. Другими словами, по меньшей мере один шлицевой ключ 530 может зацеплять по меньшей мере один ключ 532 корпуса, только если по меньшей мере один фиксирующий ключ находится в запирающем пазу 548. По мере движения по меньшей мере одного фиксирующего ключа 512 по криволинейной канавке 518 кулачка в открытое положение элемент 549 криволинейной канавки кулачка может препятствовать движению по меньшей мере одного фиксирующего ключа 512 в запирающий паз 548. Следовательно, по мере движения по меньшей мере одного фиксирующего ключа 512 через криволинейную канавку 518 кулачка в открытое положение (когда ведущий вал вращается быстрее, чем корпус 550 подшипника) блокировочный механизм остается в открытом положении. В открытом положении блокировочный механизм по существу не может передавать механическую энергию на ведущий вал.

Ссылаясь на фиг. 16D-16F, изображена последовательно развернутых видов блокировочного механизма 500, если корпус 550 подшипника имеет более высокую скорость вращения, чем ведущий вал 170, в соответствии с аспектами настоящего изобретения. Поскольку запирающий кулачок 510 вращается быстрее, чем по меньшей мере один фиксирующий ключ 512, то по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 будет двигаться по криволинейной канавке 518 кулачка в направлении закрывания. На фиг. 16D изображен по меньшей мере один фиксирующий ключ возле запирающего паза 548. По мере движения по меньшей мере одного фиксирующего ключа 512 в закрывающее положение, оправка 549 канавки кулачка не препятствует вхождению по меньшей мере одного фиксирующего ключа 512 в запирающий паз 548, как показано на фиг. 15Е. Когда по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 в конечном итоге попадает в запирающий паз 548, как показано на фиг. 15F, блокировочный механизм может входить в закрытое положение, и по меньшей мере один шлицевой ключ 530 может зацеплять по меньшей мере один ключ 532 корпуса. Следовательно, по меньшей мере один ключ 532 корпуса может передавать механическую энергию от корпуса 550 подшипника на ведущий вал через шлицевую оправку 514 (поскольку шлицевая оправка 514 может передавать механическую энергию на ведущий вал через по меньшей мере один шлиц шлицевой оправки).

В некоторых вариантах реализации изобретения после вхождения блокировочного механизма в закрытое положение ведущий вал может начинать вращаться быстрее, чем корпус 550 подшипника, при этом по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 может начинать движение через криволинейную канавку 518 кулачка в открытое положение. По меньшей мере один фиксирующий ключ 512 может двигаться в открытое положение и выходить из запирающего паза 548. Как только по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 выходит из запирающего паза 548, предохранительная защелка 510 может оказывать усилие в отношении по меньшей мере одного фиксирующего ключа 512, вызывая движение шлицевой оправки 514 из закрытого положения в открытое положение, что также показано со ссылкой на фиг. 16А.

В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере один фиксирующий ключ 512 может представлять собой множество фиксирующих ключей. Множество фиксирующих ключей могут быть расположены по существу равномерно по окружности шлицевой оправки 514.

В некоторых вариантах реализации изобретения блокировочный механизм может быть не ограничен точной конфигурацией, описанной со ссылкой на фиг. 13. Например, ссылаясь на фиг. 17, представлен вид в поперечном сечении блокировочного механизма 500, расположенного между ведущим валом 170 и корпусом 550 подшипника двигателя, в соответствии с аспектами настоящего изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения блокировочный механизм 500 может содержать шлицевую оправку 514, замковую пружину 516 и по меньшей мере одну стопорную шпильку 520 замка. По меньшей мере одна стопорная шпилька 520 замка может быть закреплена крышкой 521 стопорной шпильки и герметизирована по меньшей мере одной прокладкой 522 стопорной шпильки. Шлицевая оправка 514 может зацеплять внутреннюю окружность корпуса 550 подшипника. В некоторых вариантах реализации изобретения шлицевая оправка 514 может содержать путь 526 потока среды через шлицевую оправку 514 для обеспечения возможности протекания флюида через шлицевую оправку 514 в затрубном пространстве между ведущим валом 170 и корпусом 550 подшипника.

Шлицевая оправка 514 может содержать криволинейную канавку 518 кулачка, расположенную в шлицевой оправке 514. По меньшей мере одна стопорная шпилька 520 замка может выходить из корпуса 550 подшипника в криволинейную канавку 518 кулачка. В некоторых вариантах реализации изобретения в криволинейную канавку 518 кулачка может быть внесена смазка для снижения трения между криволинейной канавкой 518 кулачка и по меньшей мере одной стопорной шпилькой 520 кулачка. По меньшей мере одна прокладка 524 криволинейной канавки кулачка может отделять криволинейную канавку 518 кулачка от бурового раствора и/или скважинной продукции. Замковая пружина 516 может зацеплять шлицевую оправку 514 для поджимания шлицевой оправки 514 к по меньшей мере одной стопорной шпильке 520 замка для сохранения контакта между шлицевой оправкой 514 и по меньшей мере одной стопорной шпилькой 520 замка. Криволинейная канавка 518 кулачка может иметь конфигурацию, описанную со ссылкой на фиг. 15 и 16A-16F.

В ряде ситуаций ведущий вал может вращаться медленнее, чем корпус. Например, электрический двигатель может проскальзывать или давать иной сбой. В случае отказа электрического двигателя блокировочный механизм может препятствовать проскальзыванию электрического двигателя при вращении корпуса. Вместо этого блокировочный механизм может обеспечивать доставку крутящего момента, подаваемого на корпус с поверхности, к ведущему валу. Таким образом, в случае отказа электрического двигателя крутящий момент, подаваемый на корпус с поверхности, может быть использован для отрыва бурового долота и/или продолжения буровых работ при бездействующем электрическом двигателе.

Ссылаясь на фиг. 18A-18F, изображены различные управляемые варианты сборки ВНА в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения. В некоторых вариантах реализации изобретения, как показано на фиг. 18А, вращение ВНА может быть обеспечено электрическим двигателем, который приводит в движение вал инструмента для наклонно-направленного бурения роторным способом. В других вариантах реализации изобретения электрический двигатель может быть оснащен сквозной телеметрической системой двигателя, которая передает команды от невращающегося статора на ведущий вал через скользящее кольцо или индуктивный соединитель. Существуют другие технологии телеметрии на короткие расстояния, известные специалистам в данной области техники при прочтении настоящего описания.

В некоторых вариантах реализации изобретения роторная управляемая сборка ВНА может иметь конфигурацию в соответствии с фиг. 18В. В указанном варианте реализации узел буровой телеметрии/каротажа может быть переставлен в положение над электрическим двигателем. Датчики могут быть установлены не в прокладках, а в выступах, присоединенных сбоку устройства, а не вставленных в конец инструмента, и могут входить в определенное положение, и при необходимости могут быть закрыты защитными заслонками или муфтами. В центральном отверстии колонны может быть расположена центральная труба для регулирования обратного потока. Таким образом, система телеметрии во время бурения поддерживает оба потока (вверх и вниз) внутри нее. Датчики телеметрии/каротажа во время бурения могут быть расположены так, чтобы обеспечивать возможность прохождения потока различными способами, такими как поддержание двух внутренних путей движения флюидов в виде двух концентрических труб и установка компонентов телеметрии/каротажа во внешних радиальных положениях относительно указанных путей движения флюидов, как показано на фиг. 18F. В альтернативном варианте отклоняющий переводник может быть расположен над телеметрическим устройством, обеспечивая возможность использования обычного телеметрического устройства. Однако могут потребоваться средства подключения электропитания к нижнему двигателю, для чего может быть необходим кабель или другой изолированный проводник, проходящий от верхнего отклоняющего узла, через секцию телеметрии/каротажа и в секцию подачи питания в верхней части электрического двигателя.

В некоторых вариантах реализации изобретения роторная управляемая сборка ВНА может иметь конфигурацию в соответствии с фиг. 18С. В таком варианте реализации электрический двигатель может иметь узел кривого переводника, присоединенный с помощью внутреннего соединения или работающего на кручение стержня для облегчения передачи крутящего момента от верхнего вала на нижний вал. Как описано ранее, осевой подшипник может быть расположен выше или ниже кривого переводника. Кривой переводник может быть фиксированным, регулируемым или регулируемым в скважине. В некоторых вариантах реализации изобретения управляемая сборка ВНА может иметь конфигурацию в соответствии с фиг. 18D. В указанном варианте реализации изобретения электрический двигатель может подавать энергию на разбуриватель или расширитель ствола скважины может приводить в движение роторную управляемую компоновку. В таком случае электрический двигатель может обеспечивать вращение обоих вооружений долота.

В некоторых вариантах реализации изобретения роторная управляемая сборка ВНА может иметь конфигурацию в соответствии с фиг. 18Е. Указанная конфигурация может обеспечивать возможность использования обычных устройств для телеметрии/каротажа во время бурения. В некоторых вариантах реализации изобретения под устройством телеметрии/каротажа может быть вставлен гидравлический двигатель для обеспечения дополнительной энергии для движения бура. Такое двойное использование электрической и гидравлической энергии с поверхности для создания крутящего момента может быть использовано в указанной конфигурации для максимизации крутящего момента бура при данной доступной энергии. На фиг. 18F изображена дополнительная конфигурация некоторых вариантов реализации в соответствии с настоящим изобретением. На фиг. 18Е может быть модифицирована посредством расположения отклоняющего устройства под узлом телеметрии/каротажа в качестве другого иллюстративного варианта реализации изобретения.

В свете настоящего описания могут быть понятны дополнительные конфигурации, обеспечиваемые перекомпоновкой и изменением взаимных подключений описанных модулей в соответствии с потребностями гидравлики, электропитания и коммуникаций.

Таким образом, настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения целей и преимуществ, указанных выше, а также свойственных ему. Конкретные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, являются лишь иллюстрацией, поскольку настоящее раскрытие может быть модифицировано и осуществлено различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, у которых есть возможность ознакомиться с настоящим описанием. Кроме того, не налагаются ограничения в отношении подробностей разработки или конструкции, приведенных в данном документе, за исключением описанных в приведенной ниже формуле изобретения. Таким образом, очевидно, что конкретные иллюстративные варианты реализации изобретения, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, при этом все такие изменения находятся в пределах объема и сущности настоящего изобретения. Также термины в формуле изобретения использованы в их простом, обычном значении, если обратное явным образом не указано заявителем. Применяемая в формуле изобретения форма единственного числа предполагает наличие одного или большего количества рассматриваемых элементов.

Узел электрического двигателя содержит бурильную колонну, содержащую внутреннюю трубу и внешнюю трубу, где внутренняя труба и внешняя труба содержат первый и второй проводники соответственно, электрический двигатель, электронным образом подключенный к внутренней трубе и внешней трубе для приема электрического тока, проходящего через первый и второй проводники, блокировочный механизм, соединяющий бурильную колонну и ведущий вал, где ведущий вал приводится в движение посредством электрического двигателя, причем блокировочный механизм выполнен с обеспечением возможности выборочного вращения ведущего вала в одном направлении относительно направления вращения корпуса электрического двигателя, при этом блокировочный механизм выполнен с возможностью выборочно контактировать с бурильной колонной для предотвращения вращения ведущего вала медленнее, чем бурильная колонна, и устройство отклонения потока, связанное посредством текучей среды с внутренней трубой и электрически изолированное от внешней трубы. Устройство отклонения потока выполнено с обеспечением возможности течения флюида к концу бурильной колонны и соединения посредством текучей среды внутренней области внутренней трубы и наружной области внешней трубы. Обеспечивается эффективное отведение потока бурового раствора и выбуренной породы из затрубного пространства к концу бурильной колонны, поддерживая при этом буровое оборудование в изолированном состоянии, исключая короткое замыкание через буровой раствор или иные точки контакта с внешней трубой. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 31 ил.

1. Узел электрического двигателя, содержащий:

бурильную колонну, содержащую внутреннюю трубу и внешнюю трубу, где внутренняя труба и внешняя труба содержат первый и второй проводники соответственно;

электрический двигатель, электронным образом подключенный к внутренней трубе и внешней трубе для приема электрического тока, проходящего через первый и второй проводники;

блокировочный механизм, соединяющий бурильную колонну и ведущий вал, где ведущий вал приводится в движение посредством электрического двигателя, причем блокировочный механизм выполнен с обеспечением возможности выборочного вращения ведущего вала в одном направлении относительно направления вращения корпуса электрического двигателя, при этом блокировочный механизм выполнен с возможностью выборочно контактировать с бурильной колонной для предотвращения вращения ведущего вала медленнее, чем бурильная колонна; и

устройство отклонения потока, связанное посредством текучей среды с внутренней трубой и электрически изолированное от внешней трубы, причем устройство отклонения потока выполнено с обеспечением возможности течения флюида к концу бурильной колонны и соединения посредством текучей среды внутренней области внутренней трубы и наружной области внешней трубы.

2. Узел электрического двигателя по п. 1, отличающийся тем, что блокировочный механизм содержит предохранительную защелку и по меньшей мере один ключ, зацепляющий предохранительную защелку, при этом предохранительная защелка зацепляет бурильную колонну, а ведущий вал вращает по меньшей мере один ключ, и по меньшей мере один ключ входит в запирающий паз, если ведущий вал вращается медленнее, чем бурильная колонна.

3. Узел электрического двигателя по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере одна из внутренней трубы или внешней трубы покрыта изолирующим материалом.

4. Узел электрического двигателя по п. 1, отличающийся тем, что ведущий вал содержит магнит ведущего вала.

5. Узел электрического двигателя по п. 1, отличающийся тем, что электрический двигатель подключен к буровому долоту.

6. Способ подачи питания на электрический двигатель, включающий: обеспечение бурильной колонной, содержащей внутреннюю трубу и внешнюю трубу, причем внутренняя труба и внешняя труба содержат первый и второй проводники соответственно,

электрическое подключение электрического двигателя к внутренней трубе и внешней трубе;

соединение бурильной колонны и ведущего вала с блокировочным механизмом, причем ведущий вал приводится в движение посредством электрического двигателя, а блокировочный механизм выполнен с обеспечением возможности выборочного вращения ведущего вала в одном направлении относительно направления вращения корпуса электрического двигателя, и при этом блокировочный механизм предотвращает вращение ведущего вала медленнее, чем бурильная колонна;

генерирование тока через внутреннюю трубу, электрический двигатель и внешнюю трубу; и

обеспечение устройством отклонения потока, которое связано посредством текучей среды с внутренней трубой и электрически изолировано от внешней трубы, причем устройство отклонения потока выполнено с обеспечением возможности течения флюида к концу бурильной колонны и соединения посредством текучей среды внутренней области внутренней трубы и наружной области внешней трубы.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что обеспечение бурильной колонной, содержащей внутреннюю трубу и внешнюю трубу, включает нанесение покрытия из изолирующего материала на по меньшей мере одну из внутренней трубы или внешней трубы.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что изолирующий материал содержит диэлектрический материал.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что диэлектрический материал содержит по меньшей мере один материал, выбранный из группы, состоящей из полиимида, высокопрочного жесткого фторполимера, нейлона, тефлона и керамического покрытия.

10. Способ по п. 6, отличающийся тем, что соединение бурильной колонны и ведущего вала с блокировочным механизмом совмещает подключение ведущего вала к электрическому двигателю, причем электрический двигатель выполнен с возможностью прилагать крутящий момент к ведущему валу.

11. Способ по п. 6, отличающийся тем, что ведущий вал содержит магнит ведущего вала.

12. Способ по п. 6, отличающийся тем, что электрический двигатель подключен к буровому долоту.

13. Способ бурения ствола скважины в подземном пласте, включающий:

обеспечение бурильной колонной, содержащей внутреннюю трубу и внешнюю трубу,

электрическое подключение электрического двигателя к внутренней трубе и внешней трубе;

соединение бурильной колонны и ведущего вала с блокировочным механизмом, причем ведущий вал приводится в движение посредством электрического двигателя, а блокировочный механизм выполнен с обеспечением возможности выборочного вращения ведущего вала в одном направлении относительно направления вращения корпуса электрического двигателя, при этом блокировочный механизм предотвращает вращение ведущего вала медленнее, чем бурильная колонна;

генерирование тока через внутреннюю трубу, электрический двигатель и внешнюю трубу;

сообщение крутящего момента буровому долоту, соединенному с ведущим валом; и

обеспечение течения флюида через устройство отклонения потока, которое связано посредством текучей среды с внутренней трубой и электрически изолировано от внешней трубы, причем устройство отклонения потока выполнено с обеспечением возможности течения флюида к концу бурильной колонны и соединения посредством текучей среды внутренней области внутренней трубы и наружной области внешней трубы.

14. Способ по п. 13, отличающийся тем, что обеспечение бурильной колонной, содержащей внутреннюю трубу и внешнюю трубу, включает нанесение покрытия из изолирующего материала на по меньшей мере одну из внутренней трубы или внешней трубы.

15. Способ по п. 14, отличающийся тем, что изолирующий материал содержит диэлектрический материал.

16. Способ по п. 13, отличающийся тем, что сообщение крутящего момента буровому долоту, соединенному с ведущим валом, включает вращение бурильной колонны.

17. Способ по п. 13, отличающийся тем, что ведущий вал содержит магнит ведущего вала.