СТАТОР ДЛЯ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ, СПОСОБ ЕГО ПРОИЗВОДСТВА, А ТАКЖЕ СПОСОБ РАЗВЕРТЫВАНИЯ ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ В СКВАЖИНЕ Российский патент 2024 года по МПК E21B4/02 F01C1/10 B32B27/26 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[1] Данная заявка испрашивает преимущество и приоритет по предварительной заявке на патент США № 62/950,469, поданной 19 декабря 2019 г., которая полностью включена в данный документ путем данной ссылки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[2] Скважинные или «забойные» двигатели используют в буровых компоновках, например, в нефтяной и газовой промышленности, для вращения бурового долота на конце бурильной колонны, выработки электроэнергии или иного вращения инструмента внутри ствола скважины. Забойные двигатели могут приводиться в действие потоком бурового раствора («бурового раствора») через бурильную колонну. Буровой раствор также используют для смазки бурильной колонны и для выноса выбуренной породы в кольцевое пространство между бурильной колонной и стенкой ствола скважины. Таким образом, буровой раствор может содержать твердые частицы, потенциально в дополнение к растворителям и другим жидкостям. Таким образом, буровой раствор, хотя он и доступен для приведения в действие забойного двигателя, представляет собой неблагоприятную рабочую среду для его компонентов.

[3] Один из типов забойных двигателей, которые с успехом использовали в этих условиях, представляет собой двигатель с поступательным объемом или двигатель типа Муано. Этот тип забойного двигателя преимущественно включает винтовой ротор, установленный внутри отверстия статора. Отверстие статора преимущественно имеет проходящие внутрь изогнутые зубья, чередующиеся с проходящими наружу изогнутыми полостями или «камерами». Давление флюида приводит винтовой ротор к вращению внутри отверстия статора. Для приспособления к суровым условиям окружающей среды и во избежание повреждения ротора по меньшей мере внутренняя часть статора может быть изготовлена из относительно мягкого материала, такого как резина. Однако резина склонна к износу и растрескиванию, что может изменить геометрическую конфигурацию статора и снизить эффективность забойного двигателя. Соответственно, обычно требуется, чтобы полностью вулканизированная и затвердевшая резина противостояла таким изменениям геометрической конфигурации и сохраняла высокую эффективность на протяжении всего жизненного цикла статора.

Такой забойный двигатель известен, например, из US 2009/0169364.

[4] По достижении конца жизненного цикла статора буровую компоновку, возможно, придется извлечь из скважины и вернуть на поверхность, чтобы новый статор (или по меньшей мере его новый резиновый компонент) мог заменить изношенный. Соответственно, износ статора является источником непроизводительного времени операции бурения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[5] Варианты реализации данного изобретения могут обеспечивать статор для забойного двигателя, причем статор содержит корпус, выполненный по меньшей мере частично из резины. По меньшей мере часть резины вулканизирована не более чем на 90%.

[6] Варианты реализации данного изобретения также могут обеспечивать способ производства статора для забойного двигателя. Способ включает расположение резинового корпуса в кристаллизаторе таким образом, чтобы резиновый корпус определял винтовое внутреннее отверстие. Резиновый корпус практически не вулканизирован. Способ может также включать вулканизацию резинового корпуса при температуре и в течение времени, достаточных для вулканизации по меньшей мере части резинового корпуса не более чем на около 90%, и предоставление резиновому корпусу возможности остыть, чтобы сохранить по меньшей мере часть резинового корпуса на около 90% вулканизированной.

[7] Варианты реализации данного изобретения могут дополнительно обеспечивать способ, включающий получение забойного двигателя, статор которого по меньшей мере частично изготовлен из резины. По меньшей мере часть резины вулканизирована не более чем на около 90%. Способ также включает развертывание забойного двигателя в скважине в составе бурильной колонны. Резину дополнительно не вулканизируют перед развертыванием забойного двигателя в скважине. Способ дополнительно включает генерирование крутящего момента с помощью забойного двигателя путем закачки бурового раствора через статор.

[8] В данном разделе сущности изобретения представлен выбор концепций, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Данный раздел сущности изобретения не предназначен для определения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного объекта изобретения, а также не предназначен для использования с целью ограничения объема заявленного объекта изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

[9] Сопровождающие графические материалы, которые включены в данное описание и являются его частью, иллюстрируют варианты реализации настоящих идей и, вместе с описанием, служат для объяснения принципов настоящих идей. На фигурах представлено следующее:

[10] На фиг. 1 проиллюстрирован пример системы на буровой площадке в соответствии с вариантом реализации.

[11] На фиг. 2 проиллюстрирован вид в поперечном разрезе части забойного двигателя в соответствии с одним вариантом реализации.

[12] На фиг. 3 проиллюстрирован график срока усталостной службы в зависимости от процента вулканизации резины в статоре забойного двигателя в соответствии с одним вариантом реализации.

[13] На фиг. 4 проиллюстрирован вид в продольном разрезе части забойного двигателя в соответствии с одним вариантом реализации.

[14] На фиг. 5 проиллюстрирован схематический вид системы для вулканизации корпуса статора в соответствии с одним вариантом реализации.

[15] На фиг. 6 проиллюстрирован график, сгенерированный с помощью испытания дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC; differential scanning calorimetry) образца резины в соответствии с одним вариантом реализации.

[16] На фиг. 7 проиллюстрирован схематический вид системы моделирования вулканизации, которая может быть использована для определения, например, времени и температуры вулканизации для данного статора в соответствии с одним вариантом реализации.

[17] На фиг. 8A проиллюстрирована блок-схема способа производства статора в соответствии с одним вариантом реализации.

[18] На фиг. 8B проиллюстрирована блок-схема способа развертывания забойного двигателя, содержащего статор, в соответствии с одним вариантом реализации.

[19] На фиг. 9 проиллюстрирован схематический вид вычислительной системы в соответствии с одним вариантом реализации.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[20] Далее будут подробно рассмотрены варианты реализации, примеры которых проиллюстрированы на сопровождающих графических материалах и фигурах. В последующем подробном описании изложены многочисленные конкретные детали для обеспечения полного понимания изобретения. Однако специалисту обычной квалификации в данной области техники будет очевидно, что изобретение может быть осуществлено на практике без этих конкретных деталей. В иных случаях известные способы, процедуры, компоненты, схемы и сети подробно не описаны, чтобы без надобности не затруднять понимание аспектов вариантов реализации.

[21] Кроме того, следует понимать, что, хотя термины первый, второй и т. д. могут применяться в данном документе для описания различных элементов, эти элементы не должны ограничиваться этими терминами. Эти термины применяются только для различения одного элемента от другого. Например, первый объект может называться вторым объектом, и, аналогичным образом, второй объект может называться первым объектом, без отступления от объема данного изобретения. Как первый объект, так и второй объект являются объектами соответственно, но они не должны рассматриваться как один и тот же объект.

[22] Терминология, применяемая в описании данного изобретения в данном документе, предназначена только для описания конкретных вариантов реализации и не должна рассматриваться как ограничивающая данное изобретение. Используемые в описании данного изобретения и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа также включают формы множественного числа, если контекст явно не указывает на иное. Кроме того, следует понимать, что термин «и/или», используемый в данном документе, означает и охватывает любые возможные комбинации одного или более связанных перечисляемых элементов. Далее следует понимать, что термины «включает», «включающий», «содержит» и/или «содержащий» при использовании в данном описании указывают на наличие указанных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов и/или компонентов, но не исключают наличие или добавление одного или более иных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или их групп. Далее, используемый в данном документе термин «если» может рассматриваться в значении «когда» или «при», или «в ответ на определение», или «в ответ на обнаружение», в зависимости от контекста.

[23] Следует обратить внимание на процедуры, способы, методы и последовательности действий обработки, которые соответствуют некоторым вариантам реализации. Некоторые операции в описанных в данном документе процедурах, способах, методах и последовательностях действий обработки могут быть объединены, и/или порядок некоторых операций может меняться.

[24] На фиг. 1 проиллюстрирована система буровой площадки, в которой могут быть использованы данные, подлежащие использованию в соответствии с примерами настоящего изобретения. Буровая площадка может быть наземной или морской. В этой приведенной в качестве примера системе ствол скважины образован в подземных пластах вращательным бурением хорошо известным способом. Бурильная колонна 225 подвешена внутри ствола 236 скважины и имеет компоновку низа бурильной колонны (КНБК) 240, которая содержит буровое долото 246 на своем нижнем конце. Наземная система 220 содержит узел платформы и буровой вышки, расположенный над стволом 236 скважины, причем узел содержит роторный стол 224, ведущую трубу (не показана), крюк 221 и поворотный вертлюг 222. Бурильная колонна 225 приводится во вращение роторным столом 224, приводимым в действие не показанным средством, которое входит в зацепление с ведущей трубой (не показана) на верхнем конце бурильной колонны 225. Бурильная колонна 225 подвешена к крюку 221, прикрепленному к талевому блоку (также не показан), через ведущую трубу (не показана) и поворотный вертлюг 222, который обеспечивает вращение бурильной колонны 225 относительно крюка 221. Как хорошо известно, вместо системы роторного стола, показанной на фиг. 1, можно использовать систему верхнего привода.

[25] В проиллюстрированном примере наземная система дополнительно содержит бурильный раствор или буровой раствор 232, хранящийся в емкости 231, образованной на буровой площадке. Насос 233 подает буровой раствор во внутреннюю часть бурильной колонны 225 через отверстие (не показано) в вертлюге 222, приводя к течению бурового раствора вниз через бурильную колонну 225, как показано стрелкой 234 направления. Буровой раствор выходит из бурильной колонны через отверстия (не показаны) в буровом долоте 246, а затем циркулирует вверх через область кольцевого пространства между внешней стороной бурильной колонны 225 и стенкой ствола 236 скважины, как показано стрелками 235 и 235А направления. Таким образом, буровой раствор смазывает буровое долото 246 и выносит выбуренную породу пласта на поверхность, возвращаясь в емкость 231 для рециркуляции.

[26] КНБК 240 по проиллюстрированному варианту реализации может содержать инструмент 241 измерения в процессе бурения (ИПБ), инструмент 244 каротажа в процессе бурения (КПБ), вращательную управляемую систему 245 наклонно-направленного бурения роторным способом и двигатель, а также буровое долото 250. Также будет понятно, что можно задействовать более одного инструмента КПБ и/или инструмента ИПБ, например, как представлено ссылочной позицией 243.

[27] Инструмент 244 КПБ размещен в утяжеленной бурильной трубе особого типа, как известно в данной области техники, и может содержать один или более инструментов каротажа известных типов. Инструмент 244 КПБ может содержать средства для измерения, обработки и хранения информации, а также для обмена данными с наземным оборудованием. В настоящем примере инструмент 244 КПБ может представлять собой любые один или более инструментов каротажа, известные в данной области техники, включая, без ограничения, средства электросопротивления, акустической скорости или медленности, нейтронной пористости, плотностного гамма-гамма каротажа, нейтронно-активационной спектроскопии, ядерно-магнитного резонанса и спектроскопии естественного гамма-излучения.

[28] Инструмент 241 ИПБ также размещен в утяжеленной бурильной трубе особого типа, как известно в данной области техники, и может содержать одно или более устройств для измерения характеристик бурильной колонны и бурового долота. Инструмент 241 ИПБ дополнительно содержит устройство 242 для генерирования электроэнергии для скважинной системы. Обычно оно может включать генератор буровой турбины, приводимый в действие потоком бурового раствора, причем следует понимать, что могут быть задействованы другие системы питания и/или батарей. В настоящем варианте реализации инструмент 241 ИПБ может включать в себя один или более следующих типов измерительных устройств: устройство измерения нагрузки на долото, устройство измерения крутящего момента, устройство измерения вибрации, устройство измерения удара, устройство измерения прихвата-проскальзывания, устройство измерения направления и устройство измерения наклона. Устройство 242 генерирования энергии может также включать в себя модулятор потока бурового раствора для передачи сигналов измерения и/или состояния инструмента на поверхность для обнаружения и интерпретации блоком 226 каротажа и управления.

[29] На фиг. 2 проиллюстрирован вид в поперечном разрезе забойного двигателя 300 (пример устройства 242 на фиг. 1) в соответствии с одним вариантом реализации. Как показано, забойный двигатель 300 может представлять собой двигатель типа Муано с поступательным объемом и, таким образом, может включать винтовой ротор 302 и соответствующий статор 304. Комбинация ротор/статор может быть размещена в трубе 306, которая может окружать внешнюю поверхность 308 статора 304. Таким образом, внешняя поверхность 308 может соприкасаться (например, потенциально контактировать через слой адгезива и/или один или более других слоев) с трубой 306, когда она собрана в ней.

[30] Статор 304 может иметь корпус 310, выполненный по меньшей мере частично из резины. Корпус 310 может определять внутреннее отверстие 311, через которую принимается ротор 302. Внутреннее отверстие 311 может быть выполнено с возможностью приема через него бурового раствора. Корпус 310 может иметь внутреннюю поверхность 313, определяющую внутреннее отверстие 311, проходящее в осевом направлении через статор 304. Внутренняя поверхность 313 может быть профилированной, то есть не полностью цилиндрической. Например, внутренняя поверхность 313 может определять проходящие внутрь зубья 312, чередующиеся с проходящими наружу камерами 314. Комбинация зубьев 312 и камер 314 может быть выполнена с возможностью взаимодействия с ротором 302, чтобы способствовать его вращению относительно статора 304 при наличии перепада давления флюида по осевой длине забойного двигателя 300, в соответствии с принципами работы двигателя с поступательным объемом.

[31] Резина, из которой выполнена по меньшей мере часть корпуса 310, может быть недовулканизированной. Например, по меньшей мере часть резины может быть вулканизирована не более чем на около 90%, или не более чем на около 70%, или от около 50% до около 90%, или от около 70% до около 90%. В этом контексте термин «около» означает в пределах коммерчески разумного допуска, например, +/- 5%. Кроме того, процент вулканизации можно измерить с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC), как будет более подробно объяснено ниже.

[32] Недовулканизация резины может привести к получению более мягкой резины, которая может легче деформироваться (например, упруго). Однако удивительным и неожиданным результатом использования недовулканизированной резины (резины, в которой по меньшей мере часть резины вулканизирована менее чем на около 90%) является то, что резина в статоре 304 имеет повышенную усталостную долговечность. То есть развитие усталостного выкрашивания, которое является одним из основных видов разрушения, сокращающим срок службы эластомера забойного двигателя, может занять больше времени, если резина недовулканизирована. В частности, если резина в непосредственной близости от внутреннего отверстие 311 (например, определяющая внутреннюю поверхность 313 и проходящая на относительно небольшое расстояние в радиальном направлении наружу от нее) вулканизирована менее чем на около 90%, или менее чем на около 70%, или в любом из других диапазонов, рассмотренных выше, усталостная долговечность неожиданно возрастает.

[33] На фиг. 3 проиллюстрирован график усталостной долговечности (вертикальная ось) статора 304 в зависимости от процента вулканизации (горизонтальная ось) резины, составляющей по меньшей мере внутреннюю часть корпуса 310, в соответствии с одним вариантом реализации. Как показано, количество циклов (усталостная долговечность на вертикальной оси) уменьшается при вулканизации выше 70% и снижается до полностью вулканизированной (приближающейся к 100%) резины. Таким образом, неожиданно обнаружено, что статоры 304 из недовулканизированной резины имеют более длительную усталостную долговечность, чем полностью вулканизированные статоры.

[34] На фиг. 4 проиллюстрирован вид в продольном разрезе забойного двигателя 300 в соответствии с одним вариантом реализации. Во время производства статора 304 корпус 310 может быть вулканизирован под действием тепла, подводимого к его внешней стороне, которое со временем распространяется радиально внутрь. Процент локальной вулканизации резины, из которой состоит корпус 310, преимущественно может зависеть от предшествующей температурной истории. Таким образом, при рассмотрении любой данной радиальной линии точка на корпусе 310, которая нагревается до самой низкой температуры (или, иначе говоря, нагревается выше температуры вулканизации в течение наименьшего количества времени), представляет собой самую внутреннюю в радиальном направлении точку. Таким образом, при движении по окружности вокруг окружности, которую определяет статор 304, его внутренняя поверхность 313 определяет наименее вулканизированную точку под любым данным углом.

[35] Однако, как можно легко понять из фиг. 4, внутренняя поверхность 313 не является полностью круглой, а определяет чередующиеся зубья 312 и полости 314, как упомянуто выше. Следует также понимать, что в различных конструкциях можно использовать любое количество зубьев 312 и полостей 314. Вследствие наличия зубьев 312 и полостей 314 количество резины между внешней поверхностью 308 и внутренней поверхностью 313 может изменяться по мере прохождения вокруг корпуса 310 статора. Таким образом, во время процесса вулканизации, который, опять же, происходит путем нагревания корпуса 310 снаружи внутрь, резина в непосредственной близости от внутренней поверхности 313 на зубьях 312 может быть менее вулканизирована, чем резина в непосредственной близости от внутренней поверхности 313 на полостях 314. Таким образом, степень вулканизации изменяется при прохождении по окружности вдоль внутренней поверхности 313, но преимущественно не изменяется при прохождении по окружности вдоль внешней поверхности 308, которая является цилиндрической. Другими словами, процент вулканизации резины может грубо представлять собой функцию радиального местоположения резины, причем резина, которая находится снаружи, более вулканизирована, чем резина, которая находится внутри. Это также может назваться градиентом вулканизации, причем процент вулканизации увеличивается по мере продвижения в радиальном направлении наружу. Градиент вулканизации может не увеличиваться линейно (при продвижении наружу), но может указывать на общую тенденцию вулканизации в большей степени снаружи и в меньшей степени при движении внутрь.

[36] На фиг. 5 проиллюстрирован упрощенный схематический вид системы 500 для частичной вулканизации резины корпуса 310 статора 304 в соответствии с одним вариантом реализации. Статор 304 изначально изготовлен путем размещения невулканизированной резины вокруг сердцевины 502 и внутри трубы 503. Например, невулканизированную резину можно вводить под давлением. Сердцевина 502 может обеспечивать спиральную форму зубьев и полостей, необходимую для готового корпуса 310 статора. Таким образом, сердцевина 502 и труба 503 могут обеспечивать форму для невулканизированной резины корпуса 310.

[37] Корпус 310 вместе с сердцевиной 502 и трубой 503 можно поместить внутрь устройства 504 для вулканизации, которое может представлять собой автоклав или ванну для вулканизации, и это только два примера. В случаях, когда резина должна быть полностью вулканизирована, можно выполнить простой расчет времени и температуры, и резину разместить в устройстве 504 для вулканизации по меньшей мере до полной вулканизации, например, процент вулканизации очень близок к 100%. Соответственно, в таких случаях корпусы статоров разного размера могут быть вулканизированы вместе без существенного воздействия на процесс вулканизации.

[38] Однако в вариантах реализации по данному изобретению по меньшей мере часть корпуса 310 должна быть недовулканизированной, и, таким образом, система 500 может содержать дополнительные устройства для более точного регулирования процесса. Например, система 500 может содержать датчик 506 теплового потока и присоединенное к нему устройство сбора и обработки данных (например, компьютер 508). Датчик 506 теплового потока может предоставлять данные, отражающие полноту процесса вулканизации. Вкратце, и без привязки к теории, процесс вулканизации начинается эндотермически и, таким образом, может потребовать нагретой среды (например, погружение в жидкую ванну для вулканизации, как показано на фиг. 5). Однако после начала реакции процесс вулканизации может стать экзотермическим. По окончании вулканизации экзотермическая реакция прекращается. Соответственно, датчик 506 теплового потока можно использовать для отслеживания подвода тепла к устройству 504 и/или отвода тепла от него, чтобы определить степень вулканизации, произошедшей в корпусе 310.

[39] На фиг. 6 проиллюстрирован график 600, сгенерированный с помощью испытания DSC образца резины, в соответствии с одним вариантом реализации. Например, испытание DSC может обеспечить данные, представляющие степень завершенной экзотермической реакции вулканизации, которая может быть пропорциональна проценту вулканизации. Во время этого испытания образец резины нагревают с постоянной скоростью и измеряют тепловой поток к образцу. Как показано на фиг. 6, тепловой поток (измеряемый в ваттах на грамм) нанесен на график по вертикальной оси как функция температуры по горизонтальной оси. Тепловой поток является отрицательным, потому что тепло передается образцу резины для повышения его температуры.

[40] Удельная энтальпия экзотермической реакции может быть рассчитана путем интегрирования соответствующего пика теплового потока (например, выделенные штриховкой области на фиг. 6). Преимущественно, процент вулканизации образца обратно пропорционален энтальпии, которую демонстрирует реакция вулканизации, на графике 600, полученном с помощью DSC. Другими словами, более низкий процент вулканизации соответствует большей энтальпии реакции вулканизации. Например, пик 606 соответствует более низкому проценту вулканизации, чем пик 608, тогда как кривая 602, показывающая отсутствие пика, соответствует полностью вулканизированному образцу. Для измерения процента вулканизации образец резины с определяемым процентом вулканизации сравнивают с эталонным образцом с 0% вулканизации, т. е. с полностью невулканизированной резиной. В этом случае процент вулканизации испытываемого образца рассчитывают следующим образом: , где и представляют собой удельную энтальпию экзотермической реакции вулканизации испытываемого и эталонного образцов соответственно.

[41] В некоторых вариантах реализации время и температура могут быть рассчитаны с использованием цифровой модели корпуса 310 конкретного размера, например путем компьютерного моделирования, происходящего перед процессом вулканизации. На фиг. 7 проиллюстрирован схематический вид системы 700 моделирования, которая может выполнять такие расчеты, в соответствии с одним вариантом реализации. Система 700 моделирования может получать геометрические входные данные 702. Например, геометрические входные данные 702 могут включать в себя физические измерения размера и формы трубы 503 и сердцевины 502, а также профиль сердцевины (например, количество и геометрия зубьев), которые могут определять размеры поперечного сечения резины корпуса 310. Система 700 моделирования также может получать входные данные 704 свойств материалов, которые могут включать в себя свойства вулканизируемой резины, сердцевины 502 и трубы 503, в которой может быть расположен невулканизированный корпус 310. Например, входные данные 704 могут включать в себя входные данные от вискозиметра с пуансоном (MDR; moving die rheometer), которые могут предоставить время до 90% вулканизации (t90) или любое другое количество вулканизации для различных начальных температур для трубы 503, резины корпуса 310 и сердцевины 502. Система 700 моделирования может дополнительно получать входные данные 706 о начальном распределении температуры для начальной температуры трубы 503, резины корпуса 310 и сердцевины 502. Входные данные 708 и 710 могут включать в себя температуру вулканизации и требуемый процент вулканизации. В некоторых вариантах реализации температура 708 вулканизации может не предоставляться в качестве входных данных, но может представлять собой выходные данные процесса моделирования, как описано ниже, а в других вариантах реализации может предоставляться в качестве входных данных.

[42] Эти входные данные 702-710 могут подаваться в модуль 712 моделирования вулканизации, который может включать в себя аппаратное обеспечение и/или программное обеспечение, выполненное с возможностью моделирования процесса вулканизации частично на основе входных данных. Затем модуль 712 моделирования вулканизации может моделировать процесс вулканизации с использованием предоставленных параметров и может предоставлять выходные данные, которые могут обеспечивать возможность планирования процесса вулканизации. Например, модуль 712 моделирования вулканизации может предоставлять выходные данные теплового профиля, которые могут указывать начальную и конечную температуры при различной продолжительности (например, времени вулканизации) для трубы 503 и/или сердцевины 502. В одном варианте реализации выходные данные могут включать в себя график зависимости температуры от времени.

[43] Выходные данные модуля 714 моделирования вулканизации могут быть предоставлены модулю 714 визуализации, который может генерировать визуальное отображение выходных данных, например, на мониторе компьютера или другом типе дисплея. Например, график можно визуализировать с помощью модуля 714 визуализации, который может включать в себя компьютерный дисплей. Модуль 714 визуализации может также отображать время 716 вулканизации и/или температуру 718 вулканизации для вулканизации смоделированного корпуса 310, как определено модулем 712 моделирования вулканизации. Однако в некоторых вариантах реализации температура вулканизации может не представлять собой выходные данные модуля 712 моделирования, а, как отмечено выше, может представлять собой входные данные в блоке 708.

[44] Далее со ссылкой на фиг. 8А показана блок-схема способа 800 производства статора в соответствии с одним вариантом реализации. Способ 800 можно лучше всего понять с учетом вариантов реализации статора, показанных на фиг. 2-7, и поэтому он описан со ссылкой на них. Однако следует понимать, что в различных вариантах реализации способа 800 могут быть задействованы другие структуры.

[45] Способ 800 может включать в себя выбор процента вулканизации резины, образующей по меньшей мере часть корпуса 310 статора 304, как обозначено в блоке 802. Как отмечалось выше, процент вулканизации может быть выбран для одной или более конкретных частей корпуса 310, например, ближе к внутренней поверхности 313 на зубьях 312. В различных вариантах реализации выбранный процент вулканизации может представлять собой любое значение или диапазон значений менее около 90%, менее около 70% или от около 50% до около 90%. Процент вулканизации может быть выбран как соотношение между износом или усталостной долговечностью и другими свойствами материалов, такими как предел прочности на растяжение корпуса 310, модуль Юнга корпуса 310, механическая прочность (например, предел прочности на растяжение) корпуса 310, сопротивление истиранию корпуса 310 и т. д., при различных температурах и периодах времени для бурового раствора в конкретном варианте применения. Кроме того, процент вулканизации может быть выбран по меньшей мере частично на основе моделирования посредством анализа методом конечных элементов (FEA; finite element analysis) корпуса 210 в различных условиях.

[46] Способ 800 может также включать в себя получение физических характеристик статора 304, как обозначено в блоке 804. Физические характеристики могут включать в себя размер статора 304 (например, внутренний диаметр, наружный диаметр и т. д.) и/или свойства его материала, такие как, например, теплоемкость. Физические характеристики могут также включать в себя геометрическую конфигурацию статора 304, например количество и расположение зубьев 312 в нем.

[47] Способ 800 может дополнительно включать в себя получение физических характеристик сердцевины 502 и трубы 503, между которыми корпус 310 должен быть по меньшей мере частично вулканизирован, как обозначено в блоке 806. Физические характеристики могут включать в себя размер, геометрическую конфигурацию и/или свойства материала.

[48] Способ 800 может включать в себя моделирование процесса вулканизации корпуса 310 по меньшей мере частично на основе физических характеристик, собранных в блоках 804 и 806, как обозначено в блоке 808. На основе этого моделирования можно определить одно или более значений времени и/или температуры вулканизации. Например, для различных температур может быть определено несколько значений времени вулканизации. После завершения моделирования способ 800 может включать в себя выбор прошедшего времени и температуры для вулканизации корпуса 310, как обозначено в блоке 810.

[49] Во время или после такого моделирования способ 800 может включать в себя расположение невулканизированной резины между сердцевиной 502 и трубой 503 таким образом, чтобы невулканизированная резина образовала требуемую форму корпуса 310, как обозначено в блоке 812. Затем выполнение способа 800 может перейти к помещению сердцевины 502, трубы 503 и невулканизированной резины корпуса 310 в устройство 504 вулканизации, которое выполнено с возможностью применения температуры, выбранной в блоке 810, к сердцевине 502, трубе 503 и корпусу 310, как обозначено в блоке 814.

[50] Затем способ 800 может включать в себя извлечение корпуса 310 из устройства 504 вулканизации или иное обеспечение охлаждения корпуса 310 по истечении времени и/или при достижении температуры, как обозначено в блоке 816. Прошедшее время или температура могут представлять собой то же время и/или температуру, выбранные в блоке 810. Соответственно, после того как корпус 310 находился в устройстве 504 вулканизации в течение прошедшего времени и/или нагревался до требуемой температуры, по меньшей мере часть корпуса 310 может быть вулканизирована приблизительно (в пределах коммерчески приемлемого допуска) на выбранный процент вулканизации. Например, процент вулканизации может быть указан для объема, расположенного в непосредственной близости от внутренней поверхности 313 корпуса 310.

[51] В одном варианте реализации способ 800 может дополнительно, или потенциально вместо описанных выше рабочих этапов моделирования, отслеживать (например, путем проведения одного или более измерений) тепловой поток в резине корпуса 310 во время ее вулканизации (например, во время нахождения в устройстве 504 вулканизации), как обозначено в блоке 815. Соответственно, вместо или в дополнение к предварительно определенному времени и/или температуре вулканизации способ 800 может включать в себя извлечение корпуса 310 из устройства 504 вулканизации при достижении заданного теплового потока, который может отражать конкретную степень вулканизации, происходящей в зависимости, например, от количества тепла, выделяемого экзотермической реакцией вулканизации, как обозначено в блоке 716. Кроме того, кусок резины может быть извлечен из корпуса 310 после вулканизации и может быть испытан на процент вулканизации для подтверждения полученных результатов.

[52] После извлечения корпуса 310 из устройства 504 вулканизации и без дальнейшей вулканизации корпуса 310 корпус 310 может быть собран с образованием забойного двигателя 300, как обозначено в блоке 818. Например, сердцевина 502 может быть удалена из корпуса 310, и в корпус 310 может быть помещен лопастной ротор 302. Таким образом, недовулканизированная резина корпуса 310 может быть выполнена с возможностью функционирования в качестве по меньшей мере части статора 304 в забойном двигателе 300. Соответственно, забойный двигатель 300 может быть собран с образованием буровой компоновки и спущен в скважину.

[53] Корпус 310 может оставаться недовулканизированным по меньшей мере до тех пор, пока буровая компоновка не будет спущена в скважину. В некоторых случаях тепло скважинной среды может служить для дальнейшей вулканизации корпуса 310 дольше, чем во время производства корпуса 310. Таким образом, в течение жизненного цикла статора 304 его корпус 310 может быть вулканизирован до процента, который превышает процент вулканизации, указанный в блоке 802, без отклонения от объема настоящего изобретения.

[54] На фиг. 8B проиллюстрирована блок-схема другого способа 850 в соответствии с одним вариантом реализации. Способ 850 может задействовать статор 304, например, произведенный, как описано выше. Таким образом, способ 850 может включать в себя получение забойного двигателя со статором, изготовленным по меньшей мере частично из недовулканизированной (например, вулканизированной не более чем на около 90%) резины, как обозначено в блоке 852. Затем способ 850 может включать в себя сборку забойного двигателя как части бурильной колонны, как обозначено в блоке 854. Недовулканизированная резина статора может оставаться недовулканизированной до и во время сборки в блоке 854. Кроме того, и снова без дополнительной вулканизации недовулканизированной резины статора 304, забойный двигатель 300 может быть развернут в скважине как часть бурильной колонны, как обозначено в блоке 856. Во время такого развертывания забойный двигатель 300 можно использовать для генерирования крутящего момента, как обозначено в блоке 858, например, путем закачки бурового раствора через статор 304, чтобы привести ротор 302 во вращение. В некоторых обстоятельствах резина статора 304 может быть дополнительно вулканизирована в скважинной среде.

[55] В некоторых вариантах реализации любые из способов по настоящему изобретению могут исполняться вычислительной системой. Например, вычислительную систему можно использовать для обеспечения графического пользовательского интерфейса 700, моделирования процесса вулканизации и/или выполнения по меньшей мере части способа(-ов) 800, 850. В другом примере ту же вычислительную систему или другую вычислительную систему можно использовать для контроля процесса вулканизации и сигнализации или иным образом приведения к извлечению корпуса 310 в ответ на достижение расчетного процента вулканизации.

[56] На фиг. 9 проиллюстрирован пример такой вычислительной системы 900 в соответствии с некоторыми вариантами реализации. Вычислительная система 900 может содержать компьютер или компьютерную систему 901A, которая может представлять собой отдельную компьютерную систему 901A или компоновку распределенных компьютерных систем. Компьютерная система 901A содержит один или более модулей 902 анализа, выполненных с возможностью исполнения различных задач в соответствии с некоторыми вариантами реализации, такими как один или более способов, раскрытых в данном документе. Выполнение этих различных задач модуль 902 анализа осуществляет независимо или во взаимодействии с одним или более процессорами 904, которые соединены с одним или более носителями 906 информации. Процессор(-ы) 904 также подсоединен(-ы) к сетевому интерфейсу 907 для обеспечения компьютерной системе 901A возможности связи по сети 909 передачи данных с одной или более дополнительными компьютерными системами и/или вычислительными системами, такими как 901B, 901C и/или 901D (следует отметить, что компьютерные системы 901B, 901C и/или 901D могут иметь или могут не иметь ту же архитектуру, что и компьютерная система 901A, и могут находиться в других физических местоположениях, например компьютерные системы 901A и 901B могут находиться в пункте обработки, находясь при этом на связи с одной или более компьютерными системами, такими как 901C и/или 901D, которые расположены в одном или более центрах обработки данных и/или расположены в различных странах на разных континентах).

[57] Процессор может включать в себя микропроцессор, микроконтроллер, процессорный модуль или подсистему, программируемую интегральную схему, программируемую матрицу логических элементов или другое устройство управления или вычислительное устройство.

[58] Носители 906 информации могут быть реализованы в виде одного или более компьютерно-читаемых или машиночитаемых носителей информации. Следует отметить, что хотя в иллюстративном варианте реализации на фиг. 9 носитель 906 информации изображен как расположенный в компьютерной системе 901A, в некоторых вариантах реализации носитель 906 информации может быть распределен внутри и/или по множеству внутренних и/или внешних корпусов вычислительной системы 901A и/или дополнительных вычислительных систем. Носители 906 информации могут включать в себя одну или более разных форм памяти, включающих в себя полупроводниковые запоминающие устройства, такие как динамические или статические запоминающие устройства с произвольной выборкой (ДЗУПВ или СЗУПВ), стираемые и программируемые постоянные запоминающие устройства (СППЗУ), электрически стираемые и программируемые постоянные запоминающие устройства (ЭСППЗУ) и флэш-память, магнитные диски, такие как несъемные, гибкие и съемные диски, другие магнитные носители, включающие в себя ленточные, оптические носители, такие как компакт-диски (CD) или цифровые видеодиски (DVD), диски BLURAY^® или иные типы оптических носителей информации или иных типов устройств хранения информации. Следует отметить, что рассмотренные выше команды могут предоставляться на одном компьютерно-читаемом или машиночитаемом носителе информации или, альтернативно, могут предоставляться на множестве компьютерно-читаемых или машиночитаемых носителей информации, распределенных в большой системе, имеющей, возможно, множество узлов. Считается, что такой компьютерно-читаемый или машиночитаемый носитель или носители информации должен (должны) быть частью изделия (или изделия промышленного производства). Изделие или изделие промышленного производства может означать любой произведенный один компонент или множество компонентов. Носитель или носители информации могут находиться либо в машине, выполняющей машиночитаемые команды, либо находиться на удаленном объекте, с которого машиночитаемые команды могут загружаться по сети для исполнения.

[59] В некоторых вариантах реализации вычислительная система 900 содержит один или более модулей 908 вулканизации. В примере вычислительной системы 900 компьютерная система 901A содержит модуль 908 вулканизации. В некоторых вариантах реализации один модуль вулканизации можно использовать для выполнения некоторых или всех аспектов одного или более вариантов реализации способов. В альтернативных вариантах реализации совокупность модулей вулканизации можно использовать для выполнения некоторых или всех аспектов способов.

[60] Следует понимать, что вычислительная система 900 представляет собой лишь один пример вычислительной системы и что вычислительная система 900 может иметь больше или меньше компонентов, чем показано, может объединять дополнительные компоненты, не изображенные в иллюстративном варианте реализации на фиг. 9, и/или вычислительная система 900 может иметь другую конфигурацию или компоновку компонентов, изображенных на фиг. 9. Различные компоненты, показанные на фиг. 9, могут быть реализованы в аппаратном обеспечении, программном обеспечении или комбинации аппаратного обеспечения и программного обеспечения, включая одну или более интегральных схем обработки сигналов и/или прикладных интегральных схем.

[61] Кроме того, этапы в способах обработки, описанных в данном документе, могут быть реализованы путем выполнения одного или более функциональных модулей в устройстве обработки информации, таком как процессоры общего назначения или специализированные чипы, такие как ASIC, FPGA, PLD или иные соответствующие устройства. Все эти модули, комбинации этих модулей и/или их комбинации с аппаратным обеспечением общего назначения включены в объем защиты данного изобретения.

[62] Средства контроля, модели и/или другие средства интерпретации могут быть итеративно оптимизированы; причем эта концепция применима к описанным в данном документе вариантам реализации настоящих способов. Это может включать в себя применение контуров обратной связи, которые выполняются на алгоритмической основе, например на вычислительном устройстве (например, вычислительной системе 900, показанной на фиг. 9), и/или посредством ручного управления со стороны пользователя, который может определять, является ли данный этап, действие, шаблон, модель или набор кривых достаточно точным.

[63] Вышеприведенное описание, в целях пояснения, было описано со ссылкой на конкретные варианты реализации. Однако приведенные выше иллюстративные обсуждения не предназначены для того, чтобы быть исчерпывающими или ограничивать данное изобретение конкретными раскрытыми формами. Возможны многие модификации и вариации, принимая во внимание вышеизложенные идеи. Более того, порядок, в котором проиллюстрированы и описаны элементы указанных способов, может быть изменен, и/или два или более элементов могут появляться одновременно. Варианты реализации были выбраны и описаны в порядке, который наилучшим образом поясняет принципы данного изобретения и его практические варианты применения для обеспечения таким образом специалистов в данной области техники возможностью наилучшего применения изобретения и различных вариантов реализации с различными модификациями, подходящими для конкретного предусмотренного варианта применения.

Группа изобретений относится к нефтяной и газовой промышленности. Статор для забойного двигателя содержит корпус, изготовленный по меньшей мере частично из резины, при этом резина имеет степень вулканизации, которая изменяется в окружном направлении вдоль внутренней поверхности. Причем степень вулканизации вдоль внутренней поверхности составляет от 50% до не более 90% так, что усталостная долговечность резины, вулканизированной на 50%, больше усталостной долговечности резины, вулканизированной не более чем на 90%. Внутренняя поверхность дополнительно определяет отверстие в корпусе и выполнена с возможностью взаимодействия с ротором и приема через нее бурового раствора. Забойный двигатель содержит статор и ротор, проходящий через статор. Способ производства статора для забойного двигателя включает расположение резинового корпуса в форме, содержащей трубу и сердцевину таким образом, чтобы резиновый корпус определял винтовое внутреннее отверстие вокруг сердцевины. В зависимости по меньшей мере частично от усталостной долговечности резинового корпуса выбирают процент вулканизации по меньшей мере для части резинового корпуса до нагрева резинового корпуса. Далее вулканизируют резиновый корпус при температуре и в течение времени, достаточных для вулканизации по меньшей мере части резинового корпуса на указанный процент вулканизации, причем процент вулканизации составляет от 50% до не более чем 90%. После чего обеспечивают остывание резинового корпуса для сохранения вулканизации по меньшей мере части резинового корпуса в диапазоне от 50% до 90%, причем резиновый корпус вулканизирован меньше на его внутреннем отверстии, чем на его внешней поверхности. Далее удаляют сердцевину формы из резинового корпуса. Способ развертывания забойного двигателя в скважине включает получение забойного двигателя, имеющего статор, изготовленный по меньшей мере частично из резины, осуществление развертывания забойного двигателя в скважине в составе бурильной колонны и генерирование крутящего момента с помощью забойного двигателя путем закачки бурового раствора через статор. Обеспечивается повышение надежности статора и забойного двигателя, повышение эффективности бурения. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Статор для забойного двигателя, содержащий корпус, изготовленный по меньшей мере частично из резины, при этом резина имеет степень вулканизации, которая изменяется в окружном направлении вдоль внутренней поверхности, причем степень вулканизации вдоль внутренней поверхности составляет от 50% до не более 90% так, что усталостная долговечность резины, вулканизированной на 50%, больше усталостной долговечности резины, вулканизированной не более чем на 90%, причем внутренняя поверхность дополнительно определяет отверстие в корпусе, при этом внутренняя поверхность выполнена с возможностью взаимодействия с ротором и приема через нее бурового раствора.

2. Статор по п. 1, отличающийся тем, что резина определяет градиент вулканизации таким образом, что резина больше вулканизирована на своей внешней поверхности и меньше вулканизирована на своей внутренней поверхности, при этом по меньшей мере часть резины, вулканизированная не более чем на 90%, включает указанную внутреннюю поверхность.

3. Статор по п. 2, отличающийся тем, что внешняя поверхность выполнена с возможностью сопряжения с трубой забойного двигателя.

4. Статор по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть резины вулканизирована не более чем на 70%.

5. Статор по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть резины вулканизирована в диапазоне от 70% до 90%.

6. Статор по п. 1, отличающийся тем, что отверстие определяет винтовое внутреннее отверстие, содержащее чередующиеся зубья и камеры, при этом радиальная толщина корпуса больше на зубьях, чем на камерах, и при этом резина, образующая внутреннюю поверхность на зубьях, менее вулканизирована, чем резина, образующая внутреннюю поверхность на камерах.

7. Статор по п. 6, отличающийся тем, что по меньшей мере часть резины, вулканизированная не более чем на 90%, находится на внутренней поверхности на зубьях.

8. Забойный двигатель, содержащий статор по п. 1 и ротор, проходящий через статор.

9. Способ производства статора для забойного двигателя, включающий этапы, на которых:

располагают резиновый корпус в форме, содержащей трубу и сердцевину, таким образом, что резиновый корпус определяет винтовое внутреннее отверстие вокруг сердцевины, при этом резиновый корпус не вулканизирован; и

в зависимости по меньшей мере частично от усталостной долговечности резинового корпуса выбирают процент вулканизации по меньшей мере для части резинового корпуса до нагрева резинового корпуса;

вулканизируют резиновый корпус при температуре и в течение времени, достаточных для вулканизации по меньшей мере части резинового корпуса на указанный процент вулканизации, причем процент вулканизации составляет от 50% до не более чем 90%; и

обеспечивают остывание резинового корпуса для сохранения вулканизации по меньшей мере части резинового корпуса в диапазоне от 50% до 90%, причем резиновый корпус вулканизирован меньше на его внутреннем отверстии, чем на его внешней поверхности, при этом внутреннее отверстие выполнено с возможностью взаимодействия с ротором забойного двигателя; и

удаляют сердцевину формы из резинового корпуса.

10. Способ по п. 9, отличающийся тем, что часть резинового корпуса, вулканизированная не более чем на 90%, расположена ближе к внутреннему отверстию.

11. Способ по п. 9, дополнительно включающий:

удаление сердцевины из резинового корпуса без дополнительной вулканизации резинового корпуса; и

сборку забойного двигателя, содержащего резиновый корпус в виде по меньшей мере части статора.

12. Способ по п. 9, отличающийся тем, что вулканизация резинового корпуса включает погружение резинового корпуса и формы в ванну для вулканизации или расположение резинового корпуса и формы в автоклаве.

13. Способ по п. 9, отличающийся тем, что резиновый корпус вулканизирован в диапазоне от 70% вулканизации до 90% вулканизации.

14. Способ по п. 9, дополнительно включающий:

получение физических характеристик корпуса и формы; и

определение времени и температуры для нагрева резинового корпуса путем моделирования процесса вулканизации в зависимости по меньшей мере частично от физических характеристик до нагрева резинового корпуса.

15. Способ по п. 14, дополнительно включающий выбор процента вулканизации в зависимости по меньшей мере частично от модуля Юнга корпуса, механической прочности корпуса, сопротивления истиранию корпуса, моделирования посредством анализа методом конечных элементов (FEA) корпуса или любой их комбинации.

16. Способ развертывания забойного двигателя в скважине, включающий этапы, на которых:

получают забойный двигатель, имеющий статор, изготовленный по меньшей мере частично из резины, при этом по меньшей мере часть резины на внутренней поверхности статора вулканизирована в диапазоне от 50% до не более чем 90%, причем процент вулканизированной резины выбирают в зависимости по меньшей мере частично от усталостной долговечности резинового корпуса, при этом внутренняя поверхность определяет отверстие в статоре;

осуществляют развертывание забойного двигателя в скважине в составе бурильной колонны; и

генерируют крутящий момент с помощью забойного двигателя путем закачки бурового раствора через статор.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что резину дополнительно вулканизируют в скважинной среде при развертывании в скважине.

18. Способ по п. 16, отличающийся тем, что внутренняя поверхность содержит чередующиеся зубья и камеры, причем резина определяет градиент вулканизации таким образом, что резина на внутренней поверхности зубьев статора вулканизирована в диапазоне от 50% до не более чем 90%, а резина на внутренней поверхности камер статора вулканизирована больше, чем внутренняя поверхность зубьев.

19. Способ по п. 16, отличающийся тем, что по меньшей мере часть резины вулканизирована в диапазоне от 70% до 90%.