В заявке описаны системы и способы бурения скважины. Одна из систем включает бесступенчатую коробку передач. Ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен с источником энергии. Ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет вращением такого одного или нескольких компонентов системы. Предложен способ бурения скважины, заключающийся в том, что на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию. Согласно способу при помощи бесступенчатой коробки передач в процессе бурения скважины также управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. Такой один или несколько компонентов системы соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач. Также заявлена скважина, пробуренная таким способом.

 

(57) Реферат / Формула:
заявке описаны системы и способы бурения скважины. Одна из систем включает бесступенчатую коробку передач. Ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен с источником энергии. Ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет вращением такого одного или нескольких компонентов системы. Предложен способ бурения скважины, заключающийся в том, что на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию. Согласно способу при помощи бесступенчатой коробки передач в процессе бурения скважины также управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. Такой один или несколько компонентов системы соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач. Также заявлена скважина, пробуренная таким способом.

 

---

СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ОДНИМ ИЛИ НЕСКОЛЬКИМИ КОМПОНЕНТАМИ СИСТЕМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕССТУПЕНЧАТОЙ КОРОБКИ ПЕРЕДАЧ
Предпосылки создания изобретения Область техники
Настоящее изобретение относится к системам и способам бурения и/или заканчивания скважин с использованием бесступенчатой коробки передач для управления одним или несколькими компонентами системы. Некоторые варианты осуществления изобретения относятся к системам бурения скважин, в которых для управления вращением одного или нескольких компонентов системы используется бесступенчатая коробка передач. Дополнительные варианты осуществления изобретения относятся к системам заканчивания скважин, в которых для управления вращением одного или нескольких компонентов системы используется бесступенчатая коробка передач.
Материалы, относящиеся к предмету заявки
Приведенные ниже описания и примеры не являются известным уровнем техники в силу того, что они включены в настоящий раздел.
По мере усложнения нефтепромыслового скважинного оборудования также усложняются системы управления таким оборудованием. В различном скважинном оборудовании пытаются управлять относительным вращением с использованием различных средств, включая электрические, механические и гидравлические средства. Примеры управления относительным вращением в стволе скважины также включают измерения, которые осуществляют в процессе бурения, такие как телеметрия по гидроимпульсному каналу связи, системы направленного роторного бурения, ориенирование устройств на гибких насосно-компрессорных трубах малого диаметра, управление системами при обсаживании в
процессе бурения и заканчивание скважин. Системы, в которых как таковых используются способы прямого или косвенного управления, часто представляют собой сложные системы управления сцеплением или сервосистемы.
В США выдано множество патентов на системы направленного роторного бурения. Одним из примеров системы направленного роторного бурения является система направленного роторного бурения с ориентированием бура.
Известно несколько способов ориентирования оси бура, которые применяются в таких системах. Два наиболее распространенных способа предусматривают отклонение бурильной трубы и применение универсальных соединений.
Один из примеров системы направленного роторного бурения с ориентированием бура, в которой применяются универсальные соединения, проиллюстрирован в патенте США RE29, 526, выданном на имя Jeter, признаки которого путем ссылки полностью включены в настоящее описание. В патенте Jeter описано отклонение оси бура относительно бурильной колонны. Отклонением управляют таким образом, чтобы оно было в достаточной мере стабильным (нерасширяющим) относительно земной системы координат. Также описано применение универсального соединения, за счет которого надбуровой переходник, соединяющий бур с бурильной колонной, может в ограниченных пределах поворачиваться в любом направлении относительно бурильной трубы. В частности, описано универсальное соединение, при помощи которого надбуровой переходник принудительно поворачивается в одном направлении, за счет чего ось вращения бура смещается относительно оси вращения бурильной трубы и принудительно выбирается такое направление бурения, при котором азимутальное направление и наклон бурильной колонны снова соответствует желаемым. В названном патенте также описано, что
нижний элемент, в котором находится бур, смещен относительно оси верхнего элемента, а для управления смещением оси применяются гидравлические двигатели или кулачки.
Другой пример системы направленного роторного бурения с ориентированием бура, в которой применяются универсальные соединения, проиллюстрирован в патенте США 5113953, выданном на имя Noble, признаки которого путем ссылки полностью включены в настоящее описание. В патенте Noble описано смещение оси бурового инструмента при помощи универсального соединения и управление положением универсального соединения относительно земной системы координат для направленного бурения. Кроме того, в названном патенте описано применение электродвигателя в качестве средства управления.
Дополнительный пример системы направленного роторного бурения с ориентированием бура, в которой применяются универсальные соединения, проиллюстрирован в патенте США 6092610, выданном на имя Kosmala и др., признаки которого путем ссылки полностью включены в настоящее описание. В патенте Kosmala описана система универсальных соединений, при помощи которой обеспечивают всенаправленную поворотную опору для бурового инструмента между его верхним и нижним концами. Кроме того, система, описанная в названном патенте, снабжена тормозным механизмом, обеспечивающим ее управляемость. Также описано, что для управления вращением используется электродвигатель, соединенный с тормозным механизмом. Тормозной механизм необходим в случае применении электродвигателя.
На фиг. 1 показан общий вид системы направленного роторного бурения, для управления которой применяется электродвигатель, описанный в патенте Kosmala и др. Система 26 включает пустотелую муфту 32, соединенную с резьбовым участком 34, служащим для соединения с бурильной колонной. Внутри пустотелой муфты расположен участок 40 опоры датчика. На участке опоры датчика
может помещаться электронная система 41, такая как система каротажа сопротивлений. Кроме того, участок 40 опоры датчика может иметь гнездо 42 для магнитометров, измерителей ускорений и других электронных приборов. Система может также включать гидротурбину 48 со статором 50. Ротор 52 турбины посредством ведомого вала 54 ротора турбины соединен с ротором генератора 56 переменного тока. Как показано на фиг.1, система также включает трансмиссию 58, электродвигатель 60, коробку передач или трансмиссию 61, приводимую в действие двигателем, оправку 62 со смещенным центром, привод-вращатель 64 с эксцентриковым установочным гнездом 66, в которое входит ведомый конец 68 вала 70 бурового инструмента, и поворотное универсальное соединение 72. При вращении турбины генератор переменного тока преобразует энергию вращения в электрическую энергию, которую использует электродвигатель 60. Электродвигатель обеспечивает работу системы сервоуправления для управления смещением, создаваемым универсальным соединением 72, которое расположено между пустотелой муфтой и валом бурового инструмента.
Следует отметить, что согласно патенту Kosmala и др. скорость вращения ротора турбины не регулируется системой направленного роторного бурения с ориентированием бура, а определяется потоком флюида в буровой системе. Такое неуправляемое вращение используют для создания энергии вращения электродвигателя. Вращением двигателя управляют при помощи системы сервоуправления.
Еще один пример инструмента и системы направленного бурения, проиллюстрирован в патенте США 5617926, выданном на имя Eddison и др., признаки которого путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Концептуальное изображение системы приведено на фиг.2. Система, описанная в данном патенте, включает универсальное соединение 74, аналогичное универсальному соединению, описанному в патенте Jeter. Универсальное соединение по патенту Eddison и др.
соединено с внутренним дебалансом 76, механизмом 78 управления ориентацией с байонетными пазами и оправкой 80 со смещенным центром. Дополнительное описание системы, проиллюстрированной на фиг. 2 приведено в патенте США 5617926, выданном на имя Eddison и др.
Применительно к данной конструкции основные ограничения связаны с реализацией механизма управления и приложением вращающего момента, создаваемого дебалансом. Такой дебаланс создает максимальный вращающий момент, когда его центр тяжести находится под углом 90 градусов к вектору силы тяжести, проецированному на радиальную ось в системе координат инструмента. При работе системы в соответствии с максимальными требованиями к вращающему моменту управление вектором ориентации вала бурового инструмента системы может осуществляться лишь в заданном квадранте. Ориентация как таковая зависит от равнодействующих сил, воздействующих на вал бурового инструмента, и не может регулироваться. Таким образом, механизм управления обеспечивает лишь ограниченный контроль положения вала бурового инструмента. Когда вращающий момент, необходимый для ориентирования вала бурового инструмента, превышает вращающий момент, который способен обеспечить дебаланс, система становится неустойчивой. Данные проблемы могут быть решены за счет реализации нового ориентационного механизма, описанного в настоящем изобретении.
На рынок буровых инструментов поступила альтернативная система направленного роторного бурения с ориентированием бура, в котором положение бура меняют за счет отклонения вала. Управление отклонением вала осуществляют различными средствами. В патентной заявке Великобритании GB 2177738 (заявитель - Douglas и др.) описано, как концепция отклонения вала может применяться в системе направленного роторного бурения. Один из примеров такой системы проиллюстрирован на фиг.З. Как показано на фиг.З, буровая система
включает утяжелённую бурильную трубу 82 в стволе скважины скважину 84, которую бурят, два разнесенных стабилизатора 86 и 88, и стабилизатор 90 управления. Стабилизатор 90 управления не вращается внутри утяжелённой бурильной трубы и имеет механизм включения для воздействия на утяжелённую бурильную трубу регулируемым боковым усилием или смещающим усилием. Такое усилие приводит к изгибу утяжелённой бурильной трубы и угловому отклонению 92 бура 94. Иными словами, стабилизатор 90 управления воздействует на утяжелённую бурильную трубу 82 регулируемым боковым усилием или смещающим усилием (указанным стрелкой 96) с целью отклонить ее в положении между разнесенными опорами 98, которые образованы стабилизаторами 86 и 88. На фиг.З проиллюстрирована утяжелённая бурильная труба в неотклоненном положении 100 и отклоненном положении 102, при этом изменению направления 10 бурения соответствует угол 92. За счет избирательного управления усилием механизма включения и его направлением относительно земной системы координат система обеспечивает управление направлением наклона в процессе бурения скважины.
Для изгиба или отклонения бурильной колонны в поперечном или радиальном направлении разработаны различные узлы управления. Различные устройства для приведения в действие описанного механизма направленного смещения описаны в патентной заявке Великобритании GB 2177738 (заявитель - Douglas и др.) и патентах 5875859 (выдан на имя Ikeda и др.) и 6244361 (выдан на имя Comeau и др.), признаки которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание.
Механизм управления, описанный в заявке Douglas и др., включает множество исполнительных механизмов, соединенных с нерасширяющим стабилизатором управления. Как показано на фиг.4, блок исполнительных механизмов состоит из четырех отдельных исполнительных механизмов 104. Такие исполнительные механизмы 104
расположены в кольцевом пространстве 106 между корпусом 108 и мостиковым элементом 110 блока исполнительных механизмов, при этом все исполнительные механизмы находятся на одинаковом расстоянии друг от друга по окружности. Исполнительные механизмы 104 создают усилие между корпусом 108 и мостиковым элементом ПО блока исполнительных механизмов. Мостиковый элемент служит для решения проблемы относительного вращения исполнительных механизмов и отклоняемой колонны. В заявке Douglas и др. предусмотрено, что исполнительные механизмы представляют собой гибкие гидравлические патрубки с независимым управлением, которые создают вектор удельной мощности (по величине и направлению) на конечной точке колонны.
В патентах Ikeda и др. и Comeau и др. описаны узлы для отклонения колонн, включающие эксцентриковые валики. В обоих патентах отклонение колонны используется для реализации систем ориентации бура. Отличие систем по патентам Ikeda и др. и Comeau и др. друг от друга заключается в особенности узла бурильной колонны. В патенте Comeau и др. применена отклоненная колонна, а в системе по патенту Ikeda и др. предусмотрено использование универсального соединения в точке наибольшей нагрузки на колонну. Это позволяет системе изгибаться без возникновения циклической усталости колонны. Названные различия показаны на фиг. 5 и фиг. 6, которые заимствованы из патентов Ikeda и др. и Comeau и др., соответственно. На фиг. 5 проиллюстрирован механизм отклонения и управления, описанный в патенте Ikeda и др. На фиг. 6 проиллюстрирован механизм отклонения и управления, описанный в патенте Comeau и др.
Как показано на фиг.5, механизм, описанный в патенте Ikeda и др., включает верхний вращающийся вал 112 роторного бурового инструмента и нижний вращающийся вал 114, соединенный с верхним вращающимся валом, и гибкое соединение 116. Механизм также
включает утяжелённую бурильную трубу 118, соосно соединенную с дистальным концевым участком нижнего вращающегося вала 114 и буровой головкой 120, закрепленной на дистальном конце утяжелённой бурильной трубы 118. Кроме того, верхний вращающийся вал 112 соединен с вращающимся приводным механизмом (не показанным).
Механизм также включает корпус 122 цилиндрической формы, закрывающий наружную периферическую поверхность верхнего и нижнего вращающихся валов 112 и 114 над утяжелённой бурильной трубой 118 и нижним уплотнительным средством 124, расположенным между дистальным концевым участком цилиндрического корпуса 122 и нижним вращающимся валом 114. Показанная на фиг. 5 система также включает призматическую опору 126, расположенную между цилиндрическим корпусом 122, нижним уплотнительным средством 124 и нижним вращающимся валом 114 и принимающую нагрузку, создаваемую буровой головкой 120, двойной эксцентриковый механизм 128, установленный между цилиндрическим корпусом 122 над призматической опорой 126 и нижним вращающимся валом 114, цилиндрический элемент 130, закрепленный на внутренней периферической поверхности цилиндрического корпуса 122, первый вращающийся кольцевидный элемент 132, расположенный внутри цилиндрического элемента 130, и второй кольцевидный элемент 134, с возможностью вращения установленный внутри первого цилиндрического элемента.
Система, показанная на фиг. 5, дополнительно включает первую гармонизированную понижающую передачу 136, которая сообщает вращение первому кольцевидному элементу 132, расположенному непосредственно над двойным эксцентриковым механизмом 128, вторую гармонизированную понижающую передачу 138, которая сообщает вращение второму кольцевидному элементу 134, расположенному непосредственно под двойным эксцентриковым механизмом 128,
опорную поверхность 140, на которую опирается нижний участок верхнего вращающегося вала 112, и верхний уплотнитель, расположенный между верхним участком цилиндрического корпуса 122 и верхним вращающимся валом 112. Показанный на фиг.5 механизм может быть дополнительно реализован согласно патенту США 5,875,859, выданному на имя Ikeda и др.
Как показано на фиг. 6, механизм по патенту Comeau и др. включает устройство 144 управления направлением бурения, которое позволяет в процессе роторного бурения управлять направлением перемещения буровой головки 146, путем управления ее ориентированием. Устройство 144 управления направлением бурения включает бурильную колонну 148, в процессе бурения соединяемую с роторным буровым снарядом 150. На корпус 152 с возможностью вращения опирается участок бурильной колонны 148, который вращается в корпусе при вращении прикрепленного бурового снаряда 150. Устройство 144 также включает, по меньшей мере, одну дистальную радиальную опорную поверхность 154 и, по меньшей мере, одну проксимальную радиальную опорную поверхность 156. На каждую из опорных поверхностей 154 и 156, которая находится внутри корпуса 152, с возможностью вращения, в радиальном направлении опирается бурильная колонна 148 в месте расположения именно такой опорной поверхности. Дистальная опорная поверхность 154 предпочтительно включает призматическую опору 158.
Предпочтительно, устройство 144 дополнительно включает наддолотный стабилизатор 160 бурильной колонны, который в предпочтительном варианте осуществления изобретения расположен вблизи дистального конца корпуса 152 и совпадает с местом расположения дистальной радиальной опорной поверхности. Кроме того, устройство 144 включает узел 162 отклонения бурильной колонны, который может располагаться в любом положении по оси между
дистальным и проксимальным концами корпуса. Узел 162 отклонения служит для отклонения бурильной колонны 148 между положением дистальной радиальной опорной поверхности и проксимальной радиальной опорной поверхности. Устройство также включает по меньшей мере одну дистальную осевую опору 164 и по меньшей мере одну проксиальную осевую опору 166. На каждую из осевых опор, которая находится внутри корпуса 152, с возможностью вращения, в осевом направлении опирается бурильная колонна 148 в месте расположения именно такой опорной поверхности. За счет осевых опор большая часть массы буровой головки по сравнению с массой, переносимой через бурильную колонну устройства, переносится и через корпус 152.
Устройство 144 также включает стопор 168, соединенный с корпусом 152 и ограничивающий вращение корпуса 152 внутри ствола скважины в процессе роторного бурения. Предпочтительно устройство дополнительно включает дистальный уплотнитель или уплотнительное устройство 170 и проксимальный уплотнитель или уплотнительное устройство 172. Дистальный уплотнитель 170 проходит в радиальном направлении и обеспечивает вращающееся уплотнение между корпусом 152 и бурильной колонной 148 у, вблизи или в области дистального конца корпуса 152. Проксимальное уплотнение 172 проходит в радиальном направлении и обеспечивает вращающееся уплотнение между корпусом 152 и бурильной колонной 148 у, вблизи или в области проксимального конца корпуса 152. Дополнительные подробности описания механизма, показанного на фиг. 6, приведены в патенте США 6244361, выданном на имя Comeau и др.
Механизмы управления, описанные в патентах Ikeda и др. и Comeau и др., включают узлы отклонения бурильной колонны с эксцентриковыми кольцами, показанными на фиг.7а и 7Ь. Узлы такого типа известны из уровня техники. Они включают два эксцентриковых
кольца, внутреннее кольцо 174 и наружное кольцо 176, способные вращаться относительно друг друга. За счет относительного вращения двух эксцентриковых колец происходит относительное смещение центра наружного кольца и центра внутреннего кольца. Система может быть сконструирована таким образом, чтобы при повороте на 0 градусов центры обоих эксцентриковых колец совпадали, как это показано на фиг.7. Максимальное смещение центров колец происходит при относительном повороте на 180 градусов, как это показано на фиг.7Ь. Такая система обеспечивает возможность осуществлять управляемое отклонение бурильной колонны в месте расположения узла.
Для управления ориентированием системами эксцентриковых колец в обоих случаях применены волновые передачи с гибким звеном. Волновая передача с гибким звеном требуется для каждого кольца. Система передач использует энергию относительного вращения не вращающейся муфты и бурильной колонны.
В системах направленного роторного бурения с проталкиванием бура для создания механизма отклонения используются боковое усилие, действующее на наддолотные устройства. Варианты реализации данного принципа делятся на две категории: синхронные системы и нерасширяющие системы.
Синхронные роторные системы бурения проиллюстрированы в патенте США 5265682, выданном на имя Russell и др., признаки которого путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Одна из систем, описанная в названном патенте, включает модулированное устройство смещения, служащее для управления направлением перемещения бурового снаряда, и устройство управления, служащее для модулирования названного устройства смещения. На фиг.8 представлена общая концепция синхронной системы проталкивания бура. Устройство смещения включает силовые гидравлические приводы 178, разнесенные по окружности устройства вблизи соединителя 180 бура и
переключателя (не показанного). Переключатель посредством гидравлических отверстий соединен с силовыми гидравлическими приводами 178. Каждый привод способен создавать усилие на пласт и обеспечивать смещение в наружном направлении относительно пласта. При вращении бура переключатель синхронно его вращению модулирует давление флюида, воздействующее на каждый привод, таким образом, что каждый подвижный нажимной элемент смещается в одинаковое выбранное угловое положение. Такое смещение подвижных нажимных элементов создает постоянное относительное, упорное давление в радиальной точке в скважине. Регулировочный клапан включает два диска. Один диск имеет отверстие для каждого из силовых приводов. Вторым диском с возможностью вращения управляет переходная муфта, избирательно приводя в действие каждый силовой привод в заданном положении.
Для управления синхронной системой применяется комплект забойных датчиков, стабилизированных по крену относительно бурового снаряда. Под действием потока флюида лопасти 184 вращаются относительно утяжелённой бурильной трубы. Лопасти установлены таким образом, что вращаются в противоположных направлениях. На корпусе посредством подшипников с возможностью вращения также установлена переходная муфта 186. Лопасти посредством механизма сцепления, такого как электромагнитная муфта, создают управляемый вращающий момент относительно корпуса переходной муфты. За счет управления вращающим моментом, создаваемым каждой лопастью, обеспечивается управление вращением переходной муфты и отсутствие ее вращения относительно земной системы координат.
Существует вторая группа систем с проталкиванием бура, в которых применяются нерасширяющие стабилизаторы. Посредством нерасширяющего устройства на пласт воздействуют боковым усилием. Примеры таких систем проиллюстрированы в патенте США 5979570,
выданном на имя McLoughlin и др., и Европейской патентной заявке 0744526 (заявитель - Oppelt и др.), признаки, которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание. На фиг.9а и 9Ь схематически проиллюстрирована система с проталкиванием бура, в которой применяется не вращающаяся муфта и эксцентриковые кольца. На фиг. 10а и 10Ь схематически проиллюстрирована система с проталкиванием бура, в которой применяется не вращающаяся муфта и гидравлический привод.
Как показано на фиг.9а, система с проталкиванием бура прикреплена к переводнику 188, который в свою очередь прикреплен к буровому снаряду (не показанному). Переводник прикреплен к внутренней вращающейся оправке 190 и может не использоваться, если резьба колонны бурильных труб соответствует резьбе устройства. Такая оправка свободно вращается внутри внутренней эксцентриковой муфты 192. Внутренняя эксцентриковая муфта 192 может свободно поворачиваться по дуге под действием приводного средства (не показанного) внутри наружного эксцентрикового корпуса или оправки 194, как это показано на фиг.9а и 9Ь.
На фиг.9а также показано, что внутренняя вращающаяся оправка 190 прикреплена непосредственно к буровой головке 196. В наружном корпусе 194 предусмотрен канал, продольном направлении проходящий через наружную муфту, в которую входит внутренняя муфта.
Наружный корпус является эксцентричным снаружи, что четко обозначено утолщением 198. Утолщение или нагруженная сторона 198 наружного корпуса образует утяжеленную сторону наружного корпуса и выполнена в виде части наружной муфты. В корпусе с утолщением находится приводное средство, служащее для управляемого поворота внутренней эксцентриковой муфты внутри наружного корпуса. В утолщенном корпусе могут дополнительно находиться логические схемы, источники энергии, гидравлические устройства и т.п., которые
имеют (или могут иметь) отношение к повороту "по требованию" внутренней муфты. Система, показанная на фиг. 9а и 9Ь, более подробно описана в патенте США 5979570.
Как показано на фиг. 10а и 10Ь, рассматриваемая система с проталкиванием бура включает буровую головку 198, соединенную с узлом 200 гидравлических силовых приводов. Узел гидравлических силовых приводов соединен с узлом 202 не вращающейся муфты. Узел гидравлических силовых приводов может быть сконструирован таким образом, что на пласт (не показанный) посредством узла 202 не вращающейся муфты избирательно воздействуют боковым усилием. Сила и направление бокового усилия меняется в зависимости от желаемого направления бурения. Силу и направление бокового усилия, которым воздействуют на пласт, регулируют при помощи узла 204 гидравлического управления, который соединен с узлом 202 не вращающейся муфты. Система, показанная на фиг. 10а и 10Ь, более подробно описана в Европейской патентной заявке 0744526.
Во всех системах направленного роторного бурения осуществляется управление вращением определенных компонентов системы относительно земной системы координат (силы тяжести, магнитного вектора и т.д.). Такое управление относительным вращением аналогично управлению, которое применяется в других системах с использованием передачи определенного типа, известной как бесступенчатая коробка передач.
Бесступенчатые коробки передач известны более 100 лет. Однако только в наше время их стали широко применять в автомобилестроительной промышленности в качестве
топливосберегающих устройств. Так, технология была впервые внедрена в 1886 году, но только в 1996 году ее достоинства были полностью реализованы на практике в области автомобилестроения, когда компания Хонда установила бесступенчатую коробку передач на модель Civic НХ.
Бесступенчатые коробки передач уже применяются в некоторых автомобилях облегчённой конструкции, в которых мощность передается при помощи ремня, контактирующего с одни или несколькими шкивами. Тем не менее, применение бесступенчатых коробок передач с использованием ремня (или иногда цепей) ограничено достаточно легкими автомобилями, обычно весящими не свыше 2000 фунтов. Например, в моделях Ford Festiva и Subaru Justy применена бесступенчатая коробка передач. Применяемые в легких пассажирских автомобилях бесступенчатые коробки передач обеспечивают высокий кпд и, тем самым, увеличивают пробег в милях на галлон израсходованного топлива и снижают выбросы.
Краткое изложение сущности изобретения
Настоящее изобретение относится к конструкции новой системы бурения, управляемой механическими бесступенчатыми коробками передач. Бесступенчатые коробки передач также часто называют "передачами непрерывного действия". Известно множество вариантов реализации бесступенчатых коробок передач, включая прогрессивные коробки передач, передачи с желобчатым ведущим шкивом и т.д. Используемый в настоящем описании термин бесступенчатая коробка передач в целом относится к любой передаче, которая преобразует относительное вращение, включая бесступенчатые коробки передач, прогрессивные коробки передач и передачи с желобчатым ведущим шкивом.
Согласно одному из вариантов осуществления изобретения предложена система бурения скважины. Система включает бесступенчатую коробку передач. Ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен с источником энергии. Ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет вращением одного или нескольких компонентов системы. В одном из
вариантов осуществления передаточное отношение бесступенчатой коробки передач меняется в зависимости от одной или нескольких характеристик, выбранных для скважины. В другом варианте осуществления передаточное отношение бесступенчатой коробки передач меняется в зависимости от одной или нескольких характеристик пласта, в котором будет буриться скважина. В дополнительном варианте осуществления бесступенчатая коробка передач может представлять собой прогрессивную коробку передач.
В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач может включать механические элементы, служащие для управления вращением одного или нескольких компонентов системы. В одном из частных вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач может включать конические элементы. При помощи относительного вращения конических элементов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. В другом варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает сферические элементы. Согласно данному варианту осуществления при помощи относительного вращения сферических элементов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. В отличающемся варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает дисковые элементы, а за счет вращения дисковых элементов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. В дополнительном варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает тороидальные элементы. Согласно данному варианту осуществления за счет вращения тороидальных элементов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач включает один или несколько ремней, соединенных со шкивами. За счет эффективного диаметра шкивов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. В других вариантах осуществления
бесступенчатая коробка передач включает зубчатую шестерню, соединяющую рычаги управления с механическими элементами бесступенчатой коробки передач. Перемещение рычагов управления преобразуется во вращение механических элементов, а за счет относительного вращения механических элементов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы.
В одном из вариантов осуществления ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы при помощи оправки. В другом варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает центральный цилиндр, перемещающийся поперечно ее продольной оси. Центральный цилиндр сконструирован таким образом, чтобы буровой раствор мог протекать через него.
В некоторых вариантах осуществления система также включает подсистему управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач. Согласно одному из таких вариантов осуществления подсистема управления представляет собой электрическую подсистему, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В другом варианте осуществления подсистема управления представляет собой электромагнитную систему, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В отличающемся варианте осуществления подсистема управления представляет собой механическую систему, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В еще одном варианте осуществления подсистема управления представляет собой гидравлическую систему, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. Согласно другим вариантам осуществления подсистема управления представляет собой сочетание электрической подсистемы, электромагнитной подсистемы, механической подсистемы и гидравлической подсистемы,
способное изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В некоторых вариантах осуществления подсистема управления способна активно изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В отличающемся варианте осуществления управления подсистема управления способна пассивно изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач.
В одном из вариантов осуществления ведущий вал бесступенчатой коробки передач непосредственно соединен с источником энергии. В других вариантах осуществления ведущий вал бесступенчатой коробки передач опосредованно соединен с источником энергии. В некоторых вариантах осуществления источник энергии генерирует энергию за счет вращения элементов системы относительно друг друга или одного или нескольких элементов системы относительно пласта, в котором бурят скважину. В других вариантах осуществления источник энергии может представлять собой турбину в сборе, электродвигатель, объёмный двигатель или турбину в сборе в сочетании с объёмным двигателем.
Согласно некоторым вариантам осуществления система также включает устройство с фиксированным передаточным отношением, соединенное с бесступенчатой коробкой передач. Устройство с фиксированным передаточным отношением обеспечивает дополнительное управление передаточным отношением бесступенчатой коробки передач. В других вариантах осуществления система включает волновую передачу с гибким звеном, соединенную с бесступенчатой коробкой передач. Как и устройство с фиксированным передаточным отношением, волновая передача с гибким звеном обеспечивает дополнительное управление передаточным отношением бесступенчатой коробки передач.
В одном из вариантов осуществления система включает средство транспортировки для перемещения бесступенчатой коробки передач,
источника энергии и одного или нескольких компонентов системы. Средство транспортировки может представлять собой вспомогательный канат, гибкие НКТ, бурильную колонну, средства обсаживания в процессе бурения, самодвижущиеся средства или любые другие известные из техники средства транспортировки.
В некоторых вариантах осуществления система выполнена в виде системы направленного роторного бурения. В дополнительном варианте осуществления система выполнена в виде системы скважинных измерений в процессе бурения. В других вариантах осуществления система включает регулируемый стабилизатор. В некоторых вариантах осуществления система включает смещающую подсистему. В другом варианте осуществления смещающая подсистема служит для углового позиционирования одного или нескольких компонентов системы. В отличающемся варианте осуществления смещающая подсистема служит для осевого позиционирования одного или нескольких компонентов системы. В одном из таких вариантов осуществления один или несколько компонентов системы соединены с шариковым винтом. В некоторых вариантах осуществления система также рассчитана на бурение под определенным углом к скважине с использованием отклоняющего инструмента (например, скважинного отклонителя). Каждый из описанных выше вариантов осуществления системы может быть дополнительно изменен согласно настоящему описанию.
В другом варианте осуществления предложен способ бурения скважин. Способ заключается в том, что на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию. В процессе бурения скважины также осуществляют управление вращением одного или нескольких компонентов системы с использованием бесступенчатой коробки передач. Один или несколько компонентов системы соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач. В некоторых вариантах осуществления способа изменяют передаточное отношение бесступенчатой коробки
передач в зависимости от одной или нескольких характеристик, выбранных для скважины. В другом варианте осуществления способа изменяют передаточное отношение бесступенчатой коробки передач в зависимости от одной или нескольких характеристик пласта, в котом бурят скважину.
В одном из вариантов осуществления способа в процессе бурения также изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач при помощи электрических, электромагнитных, механических, гидравлических средств или определенного их сочетания. В другом варианте осуществления способа в процессе бурения активно изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В качестве альтернативы в процессе бурения пассивно изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач может представлять собой прогрессивную коробку передач. Каждый описанный выше вариант осуществления может включать любую другую описанную операцию (-и). Дополнительный вариант осуществления относится к скважине, пробуренной согласно любому из вариантов осуществления описанного способа.
В другом варианте осуществления предложена система заканчивания скважин. Такая система также включает бесступенчатую коробку передач. Ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен с источником энергии. Ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами оборудования для заканчивания скважин таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет вращением одного или нескольких компонентов оборудования для заканчивания скважин. В одном из вариантов осуществления система также рассчитана на ориентирование внутрискважинного оборудования в стволе скважины таким образом, чтобы приводить в действие стопор, применяемый при бурении многоствольных скважин. В другом варианте осуществления,
система рассчитана на ориентирование внутрискважинного оборудования в стволе скважины для позиционирования датчиков в стволе скважины либо включения или отключения какого-либо компонента (например, клапана) управления системой.
В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач рассчитана на управление относительным вращением забойного насоса с целью обеспечения максимальной эффективности его работы и оптимальной скорости вращения закачиваемых флюидов. В дополнительном варианте осуществления, система рассчитана на преобразование вращения в осевое перемещение вдоль участка трубы с использованием шарикового винта. В одном из таких вариантов осуществления за счет осевого перемещения один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин позиционируют по оси в стволе скважины. Один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин включают элементы управления, датчики, клапаны или определенное их сочетание. Каждый из описанных выше вариантов осуществления системы может быть дополнительно реализован согласно настоящему описанию.
Согласно дополнительному варианту осуществления предложен способ заканчивания скважин. Способ заключается в том, что на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию. В процессе заканчивания скважины также осуществляют управление вращением одного или нескольких компонентов оборудования для заканчивания скважин с использованием бесступенчатой коробки передач. Один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач. В одном из вариантов осуществления способа также ориентируют внутрискважинное оборудование в стволе скважины для включения стопора, применяемого при бурении многоствольных скважин. В другом варианте осуществления способа ориентируют внутрискважинное оборудование в стволе скважины
для позиционирования датчиков в стволе скважины либо включения или отключения какого-либо компонента (например, клапана) системы управления.
В некоторых вариантах осуществления способа с помощью бесступенчатой коробки передач управляют относительным вращением забойного насоса с целью обеспечения максимальной эффективности его работы и оптимальной скорости вращения закачиваемых флюидов. В дополнительном варианте осуществления способа преобразуют вращение в осевое перемещение вдоль участка трубы с использованием шарикового винта. За счет осевого перемещения один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин позиционируют по оси в стволе скважины. Один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин включают элементы управления, датчики, клапаны или определенное их сочетание. Каждый описанный выше вариант осуществления может включать любую другую описанную операцию(-и). Другой вариант осуществления относится к скважине, законченной согласно любому из вариантов осуществления описанного способа.
Согласно дополнительному варианту осуществления предложена система направленного бурения скважин. Система включает смещающую подсистему управления отклонением нижней части бурильной колонны в процессе бурения скважины. Система также включает бесступенчатую коробку передач. Ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен со смещающей подсистемой таким образом, что в процессе бурения бесступенчатая коробка передач способна управлять относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы. В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач может представлять собой прогрессивную коробку передач. В одном из вариантов осуществления система может представлять собой систему проведения измерений в процессе бурения.
В другом варианте осуществления система может представлять собой систему направленного роторного бурения. В некоторых вариантах осуществления смещающая подсистема рассчитана на управление отклонением нижней части бурильной колонны в двух измерениях. В других вариантах осуществления смещающая подсистема рассчитана на управление отклонением нижней части бурильной колонны в трех измерениях. В одном из вариантов осуществления смещающая подсистема включает регулируемый стабилизатор. В других вариантах осуществления смещающая подсистема включает ориентирующее устройство, перемещающееся по гибким НКТ. В некоторых вариантах осуществления смещающая подсистема рассчитана на угловое позиционирование нижней части бурильной колонны. В других вариантах осуществления смещающая подсистема рассчитана на осевое позиционирование нижней части бурильной колонны. В одном из таких вариантов осуществления один или несколько компонентов системы соединены с шариковым винтом. В одном из вариантов осуществления смещающая подсистема выполнена в виде системы с проталкиванием бура. В других вариантах осуществления смещающая подсистема может быть выполнена в виде системы с ориентированием бура.
В одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач представляет собой механическую бесступенчатую коробку передач. В отличающемся варианте осуществления бесступенчатая коробка передач представляет собой электрическую бесступенчатую коробку передач. В другом варианте осуществления бесступенчатая коробка передач представляет собой бесступенчатую коробку передач прямого действия. В других вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач представляет собой каскадную бесступенчатую коробку передач. Передаточное отношение бесступенчатой коробки передач меняется в зависимости от одной или нескольких характеристик, выбранных для скважины. В качестве альтернативы передаточное
отношение бесступенчатой коробки передач меняется в зависимости от одной или нескольких характеристик пласта, в котором бурят скважину.
В одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач может включать механические элементы для управления относительного вращения одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы. В одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач включает конические элементы. За счет относительного вращения конических элементов управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов. В другом варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает сферические элементы. В данном варианте осуществления за счет относительного вращения сферических элементов управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов. В отличающемся варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает дисковые элементы, за счет относительного вращения которых управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов. В еще одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач включает тороидные элементы, за счет относительного вращения которых управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов.
В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач включает один или несколько ремней, соединенных со шкивами. За счет эффективного диаметра шкивов управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов системы. В отличающемся варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает зубчатую шестерню, соединяющую рычаги управления с механическими элементами бесступенчатой коробки передач. Перемещение рычагов управления преобразуется во вращение механических элементов. За счет относительного вращения механических элементов управляют вращением одного или нескольких
компонентов системы. В некоторых вариантах осуществления ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами посредством оправки. В другом варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает центральный цилиндр, перемещающийся поперечно ее продольной оси. Центральный цилиндр сконструирован таким образом, чтобы буровая жидкость могла протекать через него.
В одном из вариантов осуществления система также включает подсистему управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач. Согласно одному из таких вариантов осуществления подсистема управления представляет собой электрическую подсистему, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В другом варианте осуществления подсистема управления представляет собой электромагнитную систему, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В отличающемся варианте осуществления подсистема управления представляет собой механическую систему, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В других вариантах осуществления подсистема управления представляет собой гидравлическую систему, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В некоторых вариантах осуществления подсистема управления представляет собой сочетание электрической подсистемы, электромагнитной подсистемы, механической подсистемы и гидравлической подсистемы, способное изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В одном из вариантов осуществления подсистема управления способна активно изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В другом варианте осуществления управления подсистема управления способна пассивно изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач.
В дополнительном варианте осуществления подсистема включает источник энергии, соединенный с бесступенчатой коробкой передач. В одном из таких вариантов осуществления ведущий вал бесступенчатой коробки передач непосредственно соединен с источником энергии. В другом варианте осуществления ведущий вал бесступенчатой коробки передач опосредованно соединен с источником энергии. В одном из вариантов осуществления источник энергии генерирует энергию за счет вращения элементов системы относительно друг друга или одного или нескольких элементов системы относительно пласта, в котором бурят скважину. В другом варианте осуществления источник энергии генерирует энергию за счет вращения не вращающейся муфты относительно ведущего вала. В некоторых вариантах осуществления источник энергии может представлять собой турбину в сборе. В других вариантах осуществления источник энергии может представлять собой электродвигатель. В другом варианте осуществления источник энергии может представлять собой объёмный двигатель. В альтернативном варианте осуществления источник энергии может представлять собой турбину в сборе в сочетании с объёмным двигателем.
В некоторых вариантах осуществления система также включает устройство с фиксированным передаточным отношением, соединенное с бесступенчатой коробкой передач. Устройство с фиксированным передаточным отношением обеспечивает дополнительное управление передаточным отношением бесступенчатой коробки передач. В других вариантах осуществления система включает волновую передачу с гибким звеном, соединенную с бесступенчатой коробкой передач. Волновая передача с гибким звеном обеспечивает дополнительное управление передаточным отношением бесступенчатой коробки передач.
В некоторых вариантах осуществления за счет соединения устройства с фиксированным передаточным отношением с бесступенчатой коробкой передач создают прогрессивную коробку
передач. Конструкция прогрессивной коробки передач обеспечивает бесконечное передаточное отношение. Прогрессивная коробка передач не сообщает вращение ведомому валу при вращении ведущего вала.
В одном из вариантов осуществления система включает средство транспортировки для перемещения смещающей подсистемы и бесступенчатой коробки передач. Средство транспортировки может представлять собой вспомогательный канат, гибкие НКТ, бурильную колонну, средства обсаживания в процессе бурения, самодвижущиеся средства или любые другие известные из техники средства транспортировки. Каждый из описанных выше вариантов осуществления системы может быть дополнительно изменен согласно настоящему описанию.
Один из дополнительных вариантов осуществления относится к способу направленного бурения скважин. Способ заключается в том, что отклонением нижней части бурильной колонны в процессе бурения скважины управляют с использованием смещающей подсистемы. Управление отклонением включает управление отклонением нижней части бурильной колонны в двух или трех измерениях. Дополнительно управление отклонением включает осевое или угловое позиционирование нижней части бурильной колонны.
В одном из вариантов осуществления смещающая подсистема выполнена в виде системы направленного роторного бурения. В другом варианте осуществления система включает регулируемый стабилизатор. Еще в одном варианте осуществления смещающая подсистема включает ориентирующее устройство, перемещающееся по гибким НКТ. В одном из вариантов осуществления смещающая подсистема выполнена в виде системы с проталкиванием бура. В другом варианте осуществления смещающая подсистема может быть выполнена в виде системы с ориентированием бура.
Способ также предусматривает управление в процессе бурения относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы с использованием бесступенчатой коробки передач. Один или несколько компонентов соединено с ведомым валом бесступенчатой коробки передач. В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач может представлять собой прогрессивную коробку передач. В одном из вариантов осуществления способа также изменяют передаточное отношение бесступенчатой коробки передач в зависимости от одной или нескольких характеристик, выбранных для скважины. В другом варианте осуществления способа изменяют передаточное отношение бесступенчатой коробки передач в зависимости от одной или нескольких характеристик пласта, в котором бурят скважину. В некоторых вариантах осуществления способа в процессе бурения скважины изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач при помощи электрических, электромагнитных, механических, гидравлических средств или определенного их сочетания. В одном из вариантов осуществления способа в процессе бурения активно изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В другом варианте осуществления способа в процессе бурения пассивно изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. Каждый описанный выше вариант осуществления может включать любую другую описанную операцию (-и). Дополнительный вариант осуществления относится к скважине, пробуренной согласно любому из вариантов осуществления описанного способа.
Описанные системы обеспечивают недорогое и надежное средство управления, применимое в системах направленного роторного бурения с ориентированием бура или проталкиванием бура. Бесступенчатые коробки передач относятся к передачам, в которых нерегулируемым вращением управляют и преобразуют его в регулируемое вращение.
Предложенная система является значительно менее сложной, дорогостоящей и более надежной, чем существующие на рынке системы. Одна и та же механическая бесступенчатая коробка передач может применяться для телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, обеспечивая аналогичные преимущества низкой стоимости и повышенной надежности.
В одном из вариантов осуществления предложена система, рассчитанная на осуществление телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Система включает модулятор и механическую бесступенчатую коробку передач, соединенную с модулятором. Бесступенчатая коробка передач управляет модулятором. В одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач также изменяет рабочую частоту модулятора, чтобы модулировать акустическую или упругую волну телеметрического сигнала. В другом варианте осуществления бесступенчатая коробка передач управляет модулятором таким образом, что модулятор вращается преимущественно с постоянной относительной скоростью. В дополнительном варианте осуществления бесступенчатая коробка передач управляет относительным положением модулятора. Относительное положение модулятора может являться угловым положением или может быть преобразовано в осевое положение. В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач может представлять собой прогрессивную коробку передач.
В одном из вариантов осуществления модулятор выполнен в виде сиренного модулятора. В другом варианте осуществления модулятор выполнен в виде модулятора относительного вращения. В отличающемся варианте осуществления модулятор выполнен в виде модулятора положительных импульсов. В других вариантах осуществления модулятор выполнен в виде модулятора отрицательных импульсов. В некоторых вариантах осуществления модулятор представляет собой поворотный клапан, соединенный с бесступенчатой
коробкой передач. В одном из вариантов осуществления модулятор выполнен в виде поворотного клапана, который служит для сброса части бурового раствора в межтрубное пространство. В отличающемся варианте осуществления модулятор выполнен в виде поворотного клапана, который служит для блокирования части потока внутри бурильной колонны системы. В другом варианте осуществления модулятор выполнен в виде вибратора с шариковым винтом, с которым соединена бесступенчатая коробка передач. В некоторых вариантах осуществления модулятор выполнен в виде клапана, действующий в осевом направлении. В другом варианте осуществления модулятор создает сужение в отверстии.
В некоторых вариантах осуществления система включает аккумулятор энергии вращения, посредством бесступенчатой коробки передач соединенный с модулятором. Вращающий момент, создаваемый модулятором, преобразуется в кинетическую энергию, которую накапливает аккумулятор энергии вращения. Аккумулятор энергии вращения сконструирован таким образом, что накопленная энергия может использоваться в качестве источника энергии для бесступенчатой коробки передач. В одном из таких вариантов осуществления система также включает подсистему управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач и аккумулятором энергии вращения. Подсистема управления служит для управления бесступенчатой коробкой передач и скоростью вращения аккумулятора энергии вращения таким образом, что скорость вращения аккумулятора энергии вращения не выходит за пределы его эксплуатационных ограничений.
В одном из вариантов осуществления система также включает смещающую подсистему, соединенную с бесступенчатой коробкой передач. Согласно такому варианту осуществления бесступенчатая коробка передач управляет относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы. В других вариантах
осуществления система включает дополнительную бесступенчатую коробку передач, соединенную со смещающей подсистемой. Дополнительная бесступенчатая коробка передач управляет относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы. В одном из вариантов осуществления система выполнена в виде системы направленного роторного бурения. В другом варианте осуществления система включает аккумулятор энергии вращения, посредством бесступенчатой коробки передач соединенный с модулятором. Как описано выше, вращающий момент, создаваемый модулятором, преобразуется в кинетическую энергию, которую накапливает аккумулятор энергии вращения. Тем не менее, в данном варианте осуществления аккумулятор энергии вращения сконструирован таким образом, что накопленная энергия может использоваться в качестве источника энергии для бесступенчатой коробки передач и дополнительной бесступенчатой коробки передач.
В одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач включает механические элементы для управления модулятором. В другом варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает конические элементы. За счет относительного вращения конических элементов управляют модулятором. В отличающемся варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает сферические элементы. В данном варианте осуществления за счет относительного вращения сферических элементов управляют модулятором. В других вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач включает дисковые элементы, за счет относительного вращения которыми управляют модулятором. В альтернативных вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач включает тороидные элементы, за счет относительного вращения которыми управляют модулятором.
В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач включает один или несколько ремней, соединенных со шкивами. За счет эффективного диаметра шкивов управляют модулятором. В одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач включает зубчатую шестерню, соединяющую рычаги управления с механическими элементами бесступенчатой коробки передач. Перемещение рычагов управления преобразуется во вращение механических элементов. За счет относительного вращения механических элементов управляют модулятором. В другом варианте осуществления бесступенчатая коробка передач включает центральный цилиндр, перемещающийся поперечно ее продольной оси. Центральный цилиндр сконструирован таким образом, чтобы буровая жидкость могла протекать через него.
В некоторых вариантах осуществления система также включает подсистему управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач. В одном из таких вариантов осуществления подсистема управления представляет собой электрическую подсистему, изменяющую один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В другом варианте осуществления подсистема управления представляет собой электромагнитную подсистему, изменяющую один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В отличающемся варианте осуществления подсистема управления представляет собой механическуюю подсистему, изменяющую один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В других вариантах осуществления подсистема управления представляет собой гидравлическую подсистему, изменяющую один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В еще одном из вариантов осуществления подсистема управления представляет собой сочетание механической подсистемы и гидравлической подсистемы для изменения одного или нескольких параметров бесступенчатой коробки передач. В одном из вариантов осуществления подсистема управления способна
активно изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. В отличающемся варианте осуществления подсистема управления способна пассивно изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач.
В одном из вариантов осуществления система также включает источник энергии, соединенный с бесступенчатой коробкой передач. Например, ведущий вал бесступенчатой коробки передач может быть соединен с источником энергии, а ведомый вал бесступенчатой коробки передач может быть соединен с модулятором. В одном из таких вариантов осуществления ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен непосредственно с источником энергии. В некоторых вариантах осуществления источник энергии генерирует энергию за счет вращения элементов системы относительно друг друга или одного или нескольких элементов системы относительно пласта, в котором бурят скважину. В отличающемся варианте осуществления источник энергии генерирует энергию за счет относительного вращения не вращающейся муфты и ведущего вала. В другом варианте осуществления источник энергии может представлять собой турбину в сборе. В альтернативном варианте осуществления источник энергии может представлять собой электродвигатель. В других вариантах осуществления источник энергии может представлять собой объёмный двигатель. В еще одном варианте осуществления источник энергии может представлять собой турбину в сборе в сочетании с объёмным двигателем.
В одном из вариантов осуществления система также включает устройство с фиксированным передаточным отношением, соединенное с бесступенчатой коробкой передач. Устройство с фиксированным передаточным отношением обеспечивает дополнительное управление передаточным отношением бесступенчатой коробки передач. В другом варианте осуществления система включает волновую передачу с гибким звеном, соединенную с бесступенчатой коробкой передач. Согласно
данному варианту осуществления волновая передача с гибким звеном обеспечивает дополнительное управление передаточным бесступенчатой коробки передач.
В одном из вариантов осуществления система включает средство транспортировки для перемещения бесступенчатой коробки передач. Средство транспортировки может представлять собой вспомогательный канат, гибкие НКТ, бурильную колонну, средства обсаживания в процессе бурения, самодвижущиеся средства или любые другие известные из техники средства транспортировки.
В другом варианте осуществления система может представлять собой систему измерений в процессе бурения. В одном из вариантов осуществления система включает смещающую подсистему. В другом варианте осуществления система включает регулируемый стабилизатор. Смещающая подсистема рассчитана на угловое позиционирование одного или нескольких компонентов системы. В качестве альтернативы смещающая подсистема рассчитана на осевое позиционирование одного или нескольких компонентов системы. В одном из таких вариантов осуществления один или несколько компонентов системы соединены с шариковым винтом. В некоторых вариантах осуществления, система рассчитана на бурение под углом к стволу скважины с использованием отклоняющего инструмента (например, скважинного отклонителя).
В одном из вариантов осуществления предложен способ осуществления телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Способ заключается в том, что управляют модулятором системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, используя бесступенчатую коробку передач, соединенную с модулятором. В одном из вариантов осуществления способа, используя бесступенчатую коробку передач, изменяют рабочую частоту модулятора, чтобы модулировать акустическую или упругую волну телеметрического сигнала. В другом варианте осуществления управление модулятором осуществляют таким
образом, что модулятор вращается преимущественно с постоянной относительной скоростью. В некоторых вариантах осуществления при помощи бесступенчатой коробки передач управляют относительным положением модулятора. В одном из вариантов осуществления вращающий момент, создаваемый модулятором, преобразуют в кинетическую энергию, накапливают кинетическую энергию и используют накопленную кинетическую энергию в качестве источника энергии для бесступенчатой коробки передач.
В некоторых вариантах осуществления способа при помощи бесступенчатой коробки передач управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы. В других вариантах осуществления способа относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы управляют при помощи дополнительной бесступенчатой коробки передач. В одном из таких вариантов осуществления вращающий момент, создаваемый модулятором, преобразуют в кинетическую энергию, накапливают кинетическую энергию и используют накопленную кинетическую энергию в качестве источника энергии для бесступенчатой коробки передач и дополнительной бесступенчатой коробки передач. Каждый описанный выше вариант осуществления может включать любую другую описанную операцию (-и). Дополнительный вариант осуществления относится к скважине, пробуренной согласно любому из вариантов осуществления описанного способа.
Краткое описание чертежей
Другие задачи и преимущества изобретения станут очевидными из прочтения следующего, далее подробного описания со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
на фиг. 1 и фиг. 2 схематически проиллюстрированы поперечные разрезы систем направленного роторного бурения с ориентированием бура, в которых применяются универсальные соединения,
на фиг. 1 и фиг. 2 схематически проиллюстрированы поперечные разрезы систем направленного роторного бурения с ориентированием бура, в которых применяются универсальные соединения,
на фиг. 3-7 схематически проиллюстрированы поперечные разрезы систем направленного роторного бурения с ориентированием бура, в которых применяется отклонение вала,
на фиг. 8 схематически проиллюстрирован поперечный разрез системы направленного роторного бурения с проталкиванием бура,
на фиг. 9а схематически проиллюстрирован поперечный разрез системы направленного роторного бурения с проталкиванием бура, в которой применяются нерасширяющие стабилизаторы,
на фиг. 9Ь схематически проиллюстрирован вдоль плоскости А поперечный разрез системы, показанной на фиг. 9а,
на фиг. 10а схематически проиллюстрирован поперечный разрез системы направленного роторного бурения с проталкиванием бура, в которой применяются нерасширяющие стабилизаторы,
на фиг. 10Ь схематически проиллюстрирован вдоль плоскости В поперечный разрез системы, показанной на фиг. 10а,
на фиг. 11 и фиг. 12 схематически проиллюстрирован поперечный разрез механических систем бесступенчатых коробок передач с различными устройствами ввода, вывода и управления,
на фиг. 13 схематически проиллюстрирован вид в перспективе механических системы бесступенчатой коробки передач с различными устройствами ввода, вывода и управления,
на фиг. 14а и фиг. 14Ь схематически проиллюстрированы боковые поперечные разрезы бесступенчатой коробки передач с планетарными элементами,
на фиг. 14с и фиг. 14е схематически проиллюстрированы боковые поперечные разрезы системы, включающей бесступенчатую коробку передач, соединенную с планетарным зубчатым механизмом,
на фиг. 14f схематически проиллюстрирован вдоль плоскости С поперечный разрез системы, показанной на фиг. 14е,
на фиг. 15 схематически проиллюстрирован вид сбоку системы направленного роторного бурения, управляемой бесступенчатой коробкой передач,
на фиг. 16 схематически проиллюстрирован поперечный разрез механизма тороидной бесступенчатой коробки передач с полым диском,
на фиг. 17 схематически проиллюстрирован поперечный разрез механизма шариковой тороидной бесступенчатой коробки передач,
на фиг. 18 схематически проиллюстрирован поперечный разрез механизма конической бесступенчатой коробки передач,
на фиг. 19 схематически проиллюстрирован развернутый механизм конической бесступенчатой коробки передач,
на фиг. 20 схематически проиллюстрирован поперечный разрез системы направленного роторного бурения с активным управлением с помощью бесступенчатой коробки передач,
на фиг. 21 схематически проиллюстрирован поперечный разрез узла тороидной шариковой бесступенчатой коробки передач для управления системой направленного роторного бурения с ориентированием бура, в которой для выработки энергии применяется турбина с электромагнитной муфтой,
на фиг. 22 схематически проиллюстрирован поперечный разрез вдоль плоскости А на фиг. 21,
на фиг. 23 схематически проиллюстрирован поперечный разрез управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве ведущей детали вращения применяется нерасширяющий стабилизатор,
на фиг. 24 схематически проиллюстрирован поперечный разрез управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного
роторного бурения, в которой в качестве ведущей детали вращения применяется нерасширяющий дебаланс,
на фиг. 25 схематически проиллюстрирован поперечный разрез управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве ведущей детали вращения применяется объёмный двигатель Моупо,
на фиг. 26 схематически проиллюстрирован поперечный разрез управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве ведущей детали вращения применяется объёмный двигатель Моупо и дополнительный приводной механизм для вала бура,
на фиг. 27 схематически проиллюстрирован поперечный разрез управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой применяется синхронизированное смещающее устройство,
на фиг. 28 схематически проиллюстрирован поперечный разрез управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве смещающего устройства применяется коленчатый вал,
на фиг. 29 схематически проиллюстрирован поперечный разрез системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи,
на фиг. 30 схематически проиллюстрирован поперечный разрез системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, в которой механизм механической бесступенчатой коробки передач заменяет систему сервоуправления ECVT,
на фиг. 31 схематически проиллюстрирован поперечный разрез другого варианта осуществления системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, в которой применяется бесступенчатая коробка передач и аккумулятор энергии вращения,
на фиг. 32 схематически проиллюстрирован поперечный разрез комбинированной системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи и направленного роторного бурения,
на фиг. 33 схематически проиллюстрирован поперечный разрез скважины, которую бурят с использованием системы, показанной на фиг. 20,
на фиг. 34 схематически проиллюстрирована описанная в заявке система бурения скважин, таких как нефтяных скважин, и
на фиг. 35 схематически проиллюстрировано направленное горизонтальное бурение, в процессе которого бурильную трубу устанавливают ниже поверхностных препятствий, в условиях которых могут применяться описанные системы.
Несмотря на то, что в изобретение могут быть внесены различные изменения и альтернативные варианты, на чертежах в качестве примера показаны конкретные варианты его осуществления, которые подробно описаны далее. Тем не менее, следует отметить, что чертежи и их подробное описание не имеют целью ограничить изобретение конкретной раскрытой формой, а к изобретению относятся все изменения, эквиваленты и альтернативы в пределах его объема и сущности согласно приложенным притязаниям.
Подробное описание предпочтительных вариантов
осуществления
Следует отметить, что фиг. 11-35 (а также описанные выше фиг. 110) выполнены не в масштабе. В частности, масштаб некоторых элементов на чертежах значительно преувеличен, с целью выделить характеристики таких элементов. Фиг. 1-35 также выполнены не в масштабе.
Следующее далее описание в целом относится к системам и способам, в которых для управления одним или несколькими компонентами применяются бесступенчатые коробки передач. Например,
система бурения и/или заканчивания скважин может включать бесступенчатую коробку передач. Ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен с источником энергии, а ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет одним или несколькими компонентами системы. Один или несколько компонентов системы включают без ограничения нижнюю часть бурильной колонны, вал бура, другой компонент, соединенный с нижней частью бурильной колонны, один или несколько компонентов смещающей подсистемы, один или несколько компонентов системы скважинных измерений в процессе бурения и модулятор системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Система дополнительно включает средство транспортировки. Средство транспортировки может представлять собой вспомогательный канат, гибкие НКТ, бурильную колонну, средства обсаживания в процессе бурения, самодвижущиеся средства или любые другие известные из техники средства транспортировки. Варианты осуществления таких систем описаны далее и проиллюстрированы на фиг. 11-35.
В системе, в которой в качестве средства транспортировки применяются гибкие НКТ, их вращение не осуществляют с поверхности. В связи с этим в таких системах применяется забойный гидротурбинный двигатель. В таких вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач может располагаться между гибкими НКТ и забойным гидротурбинным двигателем. Бесступенчатая коробка передач может находиться над забойным гидротурбинным двигателем, а турбина располагаться над бесступенчатой коробкой передач. В качестве альтернативы бесступенчатая коробка передач может находиться между забойным гидротурбинным двигателем и смещающим узлом. Бесступенчатая коробка передач может управлять смещающим узлом и использовать забойный гидротурбинный двигатель в качестве источника
энергии. В одном из частных вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач соединена с волновой передачей, при этом оба устройства расположены над забойным гидротурбинным двигателем. Бесступенчатая коробка передач также может управлять вращением забойного гидротурбинного двигателя таким образом, чтобы он вращался с, относительным малым, числом оборотов в минуту и с относительно большим вращающим моментом. Такие системы могут быть дополнительно реализованы в соответствии с настоящим описанием.
Передача представляет собой устройство, служащее для создания множества дискретных частот вращения на выходе источника с постоянной частотой вращения. Бесступенчатая коробка передач в целом выполняет такую же функцию, что и традиционная передача, а ее основное отличие заключается в том, что бесступенчатая коробка передач способна создавать на выходе диапазон недискретных частот вращения. Основной принцип работы большей части механических бесступенчатых коробок передач состоит в том, что передача мощности происходит за счет относительного вращения конических, сферических, дисковых или тороидных элементов. Часто передача мощности происходит посредством фрикционного контакта двух преимущественно гладких поверхностей, а не зубчатых колес. Применительно к бесступенчатым коробкам передач обычно используют различные иные названия, включая коробки передач с плавным изменением скорости. Бесступенчатые коробки передач также могут быть реализованы в виде прогрессивных коробок передач, передач с желобчатым ведущим шкивом и т.д. Используемый в настоящем описании термин бесступенчатая коробка передач относится к любой бесступенчатой коробке передач, способной преобразовывать скорость относительного вращения, включая бесступенчатые коробки передач, прогрессивные коробки передач и передачи с желобчатым ведущим шкивом.
Существенное преимущество бесступенчатой коробки передач обусловлено ее способностью изменять передаточное отношение, сохраняя максимальную мощность и вращающий момент источника потребляемой энергии. В отличие от этого, традиционная передача должна переключаться, выбирая из множества скоростей, чтобы система оставалась в основном рабочем диапазоне. Плавное изменение передаточного числа у бесступенчатой коробки передач гораздо более эффективно, чем ступенчатое изменение через множество зубчатых колес.
Конструкция бесступенчатой коробки передач проста, но эффективна. Вместо множества зубчатых колес, фрикционных дисков, гидравлической жидкости и преобразователя вращающего момента с потерей мощности в бесступенчатых коробках передач применено простое вращение элементов относительно друг друга. Простая бесступенчатая коробка передач может быть реализована в виде конструкции с ременной передачей. Шкивы в целом имеют форму конуса, а ремни способны скользить по ним между узкой и широкой частью каждого шкива. Данная конструкция обеспечивает плавно регулируемое передаточное отношение, поскольку эффективный диаметр шкивов способен варьировать в широком диапазоне без переключения передач.
В более мощных бесступенчатых коробках передач вместо ремней или цепей применяют шариковые, конусные, дисковые или тороидные (кольцевидные) элементы. Бесступенчатые коробки передач такого типа также применяются в снегоходах, тележках и вездеходах. Создано множество конструкций безременных бесступенчатых коробок передач. В таких механических бесступенчатых коробках передач применяется относительное вращение шариковых, конусных, дисковых и/или тороидных элементов. В конце 30-х годов компания "Дженерал Моторс" получила патент на автоматическую радиоуправляемую систему
тороидного фрикционного привода, который стал первым из множества патентов на фрикционные приводы, разработанные компанией. В начале 50-х годов американским изобретателем Чарлзом Краусом были дополнительно разработаны несколько типов фрикционных приводов. Множество изобретателей по всему миру продолжают разрабатывать и совершенствовать разнообразные фрикционные приводы со смазкой поверхностей износа металла по металлу или бесступенчатые коробки передач с плавно регулируемое частотой вращения для применения в промышленности, автомобилестроении, авиации и космонавтике. Например, для обеспечения всех потребностей в электрической энергии реактивного самолёта Harrier применяется бесступенчатая коробка передач размером примерно с дыню.
Примеры бесступенчатых коробок передач проиллюстрированы в патентах США 4342238 на имя Gardner, 4280469 на имя Ganoung, 4522079 на имя Kemper, 4589859 на имя Kanesaka, 4660438 на имя Tatara, 4735598 на имя Moroto и др., 4768996 на имя Кшшп, 4922788 на имя Greenwood, 5421790 на имя Lasoen, 5514047 на имя Tibbies и др., 5662547 на имя Moroto и др., 5766105 на имя Fellows и др., 5846152 на имя Taniguchi и др., 6099424 на имя Tsai и др., 6196806 на имя Van Der Sluis, 6290620 на имя Tsai и др., 6321613 на имя Avidor, 6,387,004 на имя Parrish, 6390945 на имя Young, 6394920 на имя Morlok, 6435994 на имя Friedmann и др., 6461268 на имя Milner, 6461271 на имя Nakano и др., 6561941 на имя Nakano и др., 6569051 на имя Hirano и др., 6599213 на имя Fleytman и др., 6626780 на имя Fragnito, 6626781 на имя Van Der Kamp и др., 6648781 на имя Fischer и др., 6652399 на имя Van Spijk и др., 6656070 на имя Тау, 6659906 на имя Oshidari, 6659907 на имя Hirano и др., 6679805 на имя Rienks и др., 6682451 на имя Luh и др., 6695742 на имя Hagiwara, 6709355 на имя О'Нога и 6712724 на имя Katou, признаки, каждого из которых путем ссылки полностью, включены в настоящее описание. Дополнительные примеры бесступенчатых коробок
передач проиллюстрированы в патентах Великобритании 2339863 на имя Milner и 2342130 на имя Milner, патентных заявках Великобритании 0016261.0 (заявитель - Milner), 0320462.5 (заявитель - Milner), 0121330.5 (заявитель - Milner), 0220741.3 (заявитель - Milner) и 0326596.4 (заявитель - Milner) и международной патентной заявке PCT/GB02/04065 (заявитель - Milner), признаки, каждой из которых путем ссылки, полностью включены в настоящее описание. Примеры прогрессивных коробок передач проиллюстрированы в патенте США 6616564 на имя Shibukawa, признаки которого путем ссылки также полностью включены в настоящее описание. Бесступенчатые коробки передач, включенные в описываемые системы, могут быть реализованы согласно перечисленным патентам.
В одном из множества вариантов бесступенчатой коробки передач ролики контактируют с ведущим валом под углом. При контакте ролика и вала возникает сила сцепления. При наклонении роликов в направлении ведущего вала скорость уменьшается, а при их отклонении от ведущего вала скорость растет. В других конструкциях бесступенчатой коробки передач сила сцепления возникает между конусом и кольцом, шариком и диском или между тороидным элементом роликом. На фиг. 11-13 в качестве примера проиллюстрировано несколько вариантов бесступенчатой коробки передач.
В примере, проиллюстрированном на фиг. 11, бесступенчатая коробка передач включает тороидный ведущий вал 206. Тороидный ведущий вал 206 соединен с дисковым механизмом 208 управления. Дисковый механизм 208 управления также соединен с тороидным ведомым валом 210. За счет относительного вращения дисковых элементов дискового механизма 208 управления управляют одним или несколькими компонентами системы. В частности, за счет относительного вращения дисковых элементов дискового механизма 208
управления управляют относительным вращением тороидного ведущего вала 206 и тороидного ведомого вала 210, который в свою очередь управляет одним или несколькими компонентами системы, соединенными с ведомым валом 210 бесступенчатой коробки передач.
В отличие от этого, проиллюстрированная на фиг. 12 бесступенчатая коробка передач включает тороидный ведущий вал 212, соединенный со сферическим механизмом 214 управления. Сферический механизм 214 управления также соединен с тороидным ведомым валом 216. За счет относительного вращения сферических элементов сферического механизма 214 управления управляют одним или несколькими компонентами системы. В проиллюстрированном на фиг. 13 примере бесступенчатая коробка передач включает конический ведущий вал 218, соединенный с дисковым механизмом 220 управления. Дисковый механизм 220 управления также соединен с коническим ведомым валом 222. За счет относительного вращения конических элементов бесступенчатой коробки передач (например, конических ведущего вала и ведомого вала) управляют одним или несколькими компонентами системы.
Особо эффективные конструкции бесступенчатых коробок передач описаны в патентах на имя Milner и патентных заявках (заявитель -Milner), признаки которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Например, в патенте США 6461268 на имя Milner предложена бесступенчатая коробка передач, имеющая планетарные элементы, которые находятся в контакте качения с радиальными внутренними и наружными кольцами, каждый из которых состоит из двух разнесенных по оси частей, и средство управления, которое избирательно меняет расстояние вдоль оси между двумя частями одного кольца и, тем самым, радиальное положение планетарных элементов, которые находятся в контакте качения с ним, при этом предусмотрено средство, реагирующее на вращательный момент, воздействующий на
передающий привод элемента передачи, которое способно определять компенсирующее отклонение при разнесении обеих частей другого кольца и, тем самым, передаточное отношение устройства, а также регулировать силы взаимодействия планетарных элементов и колец под прямым углом к их поверхности контакта.
В предпочтительном варианте осуществления планетарные элементы представляют собой преимущественно сферические тела. Они могут иметь форму правильных круглых, сплющенных или продолговатых сфероидов. В качестве альтернативы, планетарные элементы могут иметь соответствующие первые и вторые участки поверхности, являющиеся поверхностями вращения вокруг одной оси (для каждого элемента), при этом такие участки поверхности наклонены относительно друг друга в противоположным направлениях от осей вращения. Планетарные элементы могут иметь выпуклую или вогнутую поверхность вращения, образованную изогнутой образующей, которая может представлять собой правильную или неправильную кривую или участок окружности. Если образующая представляет собой участок окружности, она может быть полукруглой, тогда поверхность вращения планетарного элемента является сферической.
В описанной структуре внутреннее и наружное кольца предпочтительно состоят из двух частей, одна из которых контактирует с каждым из первых и вторых участков, соответственно, при этом каждая часть имеет соответствующую поверхность, образованную поверхностью вращения вокруг общей оси и наклоненную в противоположном направлении от оси. Обе части внутреннего или наружного колец могут быть закреплены с возможностью относительного смещения навстречу друг другу или от друг друга, за счет чего регулируется радиальное расстояние до точки или линии контакта одного кольца и планетарных элементов.
Возможны варианты осуществления, в которых между ведущим приводным элементом и одним из колец помещено реагирующее на вращающий момент механическое средство соединения, за счет чего уравновешивают передачу вращающего момента и давление контакта двух частей такого кольца и планетарных элементов.
На практике предпочтительно, чтобы планетарные элементы имели преимущественно сферическую форму и были закреплены между радиальными внутренними кольцами и радиальными наружными кольцами, а между соседними парами планетарных элементов были по окружности помещены следящие ролики для передачи привода на планетарные элементы или с планетарных элементов. При таком расположении особо целесообразно, чтобы следящие ролики опирались на планетарный несущий элемент, на который в процессе работы устройства происходит передача привода на планетарные элементы или с планетарных элементов.
В общих чертах, у Milner предложено описанное выше устройство для передачи привода, в котором оси вращения планетарных элементов вокруг их собственной оси преимущественно параллельны оси вращения планетарных элементов вокруг внутреннего радиального кольца. Отличительным признаком такого устройства для передачи привода является то, что ось вращения внутреннего радиального кольца преимущественно параллельна оси средства, ограничивающего наружное кольцо, которое ограничивает планетарную траекторию планетарных элементов.
На фиг. 14а и 14Ь проиллюстрирован вариант осуществления бесступенчатой коробки передач с планетарными элементами. Такая бесступенчатая коробка передач может применяться в любой из описываемых систем. Как показано на фиг. 14а и 14Ь, механизм бесступенчатой коробки передач представляет собой имеющий переменный радиус планетарный механизм с передачей тягового
момента качения, преимущество которого заключается в том, что опорные подшипники и корпус не подвержены воздействию значительных сил, а движущиеся части могут быть выполнены с применением традиционной технологии роликов и подшипников качения. Его преимущество также состоит в том, что механизм включает чисто механическую систему определения предварительного натяга и направления вращающего момента, а также в том, что его можно смазывать разбрызгиванием или консистентной смазкой, используя известную жидкотекучую смазку без необходимости применять особые методики смазки. Как следует из приведенного ниже описания, управление передаточным отношением осуществляют при помощи простого механического устройства.
Показанная на фиг. 14а и 14Ь планетарная передача с переменным радиусом, которую иногда называют вариатором, имеет корпус 700, в котором смонтирован ведущий вал 702, на который опираются роликовые подшипники 704, 706, помещающиеся внутри коробки 708 планетарной передачи с тремя планетарными следящими элементами 710. Планетарные следящие элементы 710 с возможностью вращения опираются на коробку 708 планетарной передачи через валы 712 планетарных следящих элементов. В рассматриваемом примере коробка 708 планетарной передачи представляет собой ведомый вал механизма передачи.
На ведущем валу 702 находится внутреннее радиальное кольцо 714, которое прикреплено к валу 702 при помощи соединения, такого как винтовое зацепление в виде зацепления 716 с резьбой. Внутреннее радиальное кольцо 714 и зацепление 716 с резьбой сконструированы таким образом, что при относительном вращении ведущего вала 702 и частей 714, 718 внутреннего кольца в одном направлении, обе части смещаются в направлении друг друга, а при относительном вращении ведущего вала 702 и частей 714, 718 внутреннего кольца в
противоположных направлениях части 714, 718 внутреннего кольца удаляются друг от друга по оси. Такое смещение частей внутреннего кольца дополнительно проиллюстрировано на фиг. 14Ь, где показано смещение 720 с высоким передаточным отношением и смещение 722 с низким передаточным отношением. Осевое смещение частей 714, 718 внутреннего кольца ограничено пусковой пружиной 723, которая принудительно перемещает обе части внутреннего кольца в разные стороны.
Между частями 714, 718 внутреннего кольца и наружным кольцом, которое также состоит из двух разнесенных по оси кольцевых элементов 726, 728, помещаются три сферические планетарные элемента 724. Поверхность вращения каждого кольцевого элемента 714, 718 и 726, 728 в поперечном сечении представляет собой участок окружности дугообразной формы, радиус которого незначительно превышает радиус сферических планетарных элементов 724.
Наружные кольцевые элементы 726, 728 приводит в действие осевое регулировочное устройство, в целом обозначенное позицией 730 и схематически показанное на фиг. 14а в виде рычага 732, с возможностью поворота установленного на реактивном элементе 736, таким образом, что при повороте рычага в том или ином направлении относительно оси 734 поворота, которой он соединен с реактивным элементом 736, части 726, 728 кольца принудительно перемещаются по оси навстречу друг другу или могут удаляться друг от друга по оси за счет шарикового винта 729 наружного кольца. Наружное кольцо снабжено средством, предотвращающим его вращение вокруг общей оси вращения ведущего вала 702, внутреннего и наружного колец, ведомого вала 708 и сферических планетарных элементов 724.
В процессе работы передачи вращение вала 702 преобразуется во вращение внутреннего кольца, которое посредством контакта качения с шариками 724 преобразуется во вращение шариков 724, которые
перемещаются по стационарным кольцевым элементам 726, 728. Вращение шариков 724 посредством следящих роликов 710 сообщается коробке 708 планетарной передачи и, тем самым, ведомому валу. За счет смещения рычага 732 в том или ином направлении части 726, 728 наружного кольца принудительно перемещаются по оси навстречу друг другу или могут удаляться друг от друга по оси. При приближении двух элементов 726, 728 по оси на планетарные шарики 724 подается давление, под действием которого они перемещаются в радиальном направлении внутрь относительно передачи, в результате чего части 714, 718 внутреннего кольца принудительно удаляются друг от друга. Винтовое зацепление между частями 714, 718 внутреннего радиального кольца и ведущим валом 702 по существу действует как реагирующий на вращающий момент механизм, поскольку при вращении вала 702 в заданном приводном направлении части 714, 718 кольца приближаются друг к другу по оси, преодолевая силу сопротивления, в результате чего любой зазор при контакте качения между кольцами и планетарными шариками 724 компенсируется за счет тенденции частей 714, 718 кольца приближаться друг к другу до тех пор, пока силы, приложенные к винтовому зацеплению между частями 714, 718 кольца и ведущим валом 702, не уравняют силы противодействия частей 714, 718 кольца и планетарных шариков 724, после чего относительное осевое смещение частей 714, 718 кольца прекращается и происходит передача привода при передаточном отношении, заданном радиальным положением шариков в момент передачи.
Как следует из проиллюстрированной на фиг. 14Ь схемы расположения, радиус контакта качения шариков 724 и внутреннего кольца является относительно большим, а радиус контакта шариков 724 и наружного кольца является относительно небольшим. В данном случае передаточное отношение ведущего вала 702 и ведомого вала 708 находится на минимальном уровне. Однако за счет перемещения рычага
732 в противоположном направлении части наружного кольца могут удаляться друг от друга, в результате чего шарики 724 перемещаются в радиальном направлении наружу, что компенсируется осевым сближением частей внутреннего кольца.
За счет разницы в кривизне изогнутых поверхностей внутреннего и внешнего колец и сферических планетарных элементов определяют точную форму контактной поверхности, которая на практике существует между элементами при контакте качения. Несмотря на то, что в идеальном случае контакт являлся бы точечным, на практике из-за того, что внутри регулируемой передачи находится смазка в виде особой тяговой жидкости, которая одновременно смазывает движущиеся части и усиливает сцепление качения между ними, точки контакта представляют собой пятна контакта, которые тем больше, чем ближе друг к другу находятся радиусы поверхностей контакта. Конечно, во избежание так называемой потери осевого вращения, которая происходит под действием сил, формирующихся в гидродинамической жидкости между двумя элементами, находящимися в контакте качения, нежелательно, чтобы такие пятна контакта имели слишком большие размеры. Описанный выше механизм бесступенчатой коробки передач является очень компактным и высокоэффективным и для выполнения поставленных задач ему не требуется гидравлическая схема под давлением для смазки или управления. Он может иметь модульное устройство, позволяющее легко варьировать его размеры, от крупногабаритных до малогабаритных в зависимости от условий применения.
Конечно, если бы ведущий вал 702 был выполнен в виде единого элемента, на невинтовом конце вала 702 было бы невозможно установить на две части 714, 718 внутреннего кольца. Тем не менее, данная задача решается за счет выполнения ведущего вала 702 в виде составного элемента, у которого невинтовые части прикрепляют к винтовым частям после установки на него планетарных элементов 714, 718. Тем не менее,
в качестве альтернативы невинтовые концевые участки вала 702 могут просто иметь уменьшенный диаметр, соответствующий радиальному размеру витков резьбы, измеренному наиболее близко к центру, за счет чего после установки планетарные элементы 714, 718 скользят по ним.
Несмотря на то что согласно фиг. 14а, разделением двух частей 726, 728 кольца управляет простой рычаг 732 с соответствующим противодействующим элементом 736, который воздействует симметричными силами на две части 726, 728 кольца, принуждая их перемещаться навстречу друг другу или удаляться друг от друга в зависимости от перемещения рычага 732, следует учесть, что при практической реализации на части кольца требуется воздействовать осевыми силами по всей окружности или, по меньшей мере, в нескольких симметрично расположенных точках.
На фиг. 14c-14f проиллюстрировано несколько способов применения бесступенчатой коробки передач, аналогичной описанной у Milner и показанной на фиг. 14а и 14Ь, в системе бурения скважины или любой из других описанных в настоящей заявке систем (например, системе заканчивания скважины и т.д.). Применяемые в таких системах бесступенчатые коробки передач могут быть выполнены в виде прогрессивных коробок передач. Как показано на фиг. 14с, в данном варианте осуществления системы применена конструкция с внутренней оправкой. Система включает источник 510 энергии, соединенный с ведущим валом 512 бесступенчатой коробки передач. Источник энергии может представлять собой любой из источников энергии, описанных в настоящей заявке. Бесступенчатая коробка передач имеет шариковый элемент 516 и тороиды 518. Бесступенчатая коробка передач может быть дополнительно реализована, как это показано выше на фиг. 14а и 14Ь со ссылкой на патенты и патентные заявки Milner, признаки которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание.
Как показано на фиг. 14с, бесступенчатая коробка передач соединена с ведущими планетарными шестернями 514 и ведомыми планетарными шестернями 520. Ведущие планетарные шестерни 514 и ведомые планетарные шестерни 520 могут выполнять функции устройств с фиксированным передаточным отношением, что более подробно описано ниже. Кроме того, ведущие и ведомые планетарные шестерни могут быть реализованы таким образом, что бесступенчатая коробка передач действует в качестве прогрессивной коробки передач. Ведущие и ведомые планетарные шестерни могут быть дополнительно реализованы, как это описано у Milner.
Система также может включать рычаг 522 управления бесступенчатой коробкой передач, который реализован согласно настоящему описанию. Ведомый вал 524 бесступенчатой коробки передач соединен с регулировочным устройством 526. Регулировочное устройство может представлять собой любое применимое регулировочной устройство, известное из уровня техники. Регулировочное устройство соединено с валом 528 бура. Вал 528 бура может представлять собой любой применимый вал бура, известный из уровня техники. С валом 528 бура также может быть соединена цапфа 530. Показанная на фиг. 14с система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
Как показано на фиг. 14d, в рассматриваемом варианте осуществления система имеет кольцевидную конструкцию. Иными словами, такая система имеет центральный цилиндр 532, через который поступает буровая жидкость. Система также имеет источник 534 энергии, соединенный с ведущим валом 536 бесступенчатой коробки передач 538. Источник 534 энергии может представлять собой любой из источников энергии согласно настоящему описанию или известных из уровня техники. Бесступенчатая коробка передач 538 может быть дополнительно реализована, как это описано в любом из патентов или
патентных заявок Milner, признаки которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание.
Бесступенчатая коробка передач 538 соединена с ведущими планетарными шестернями 540 и ведомыми планетарными шестернями 542. Ведущие планетарные шестерни 540 и ведомые планетарные шестерни 542 могут выполнять функции устройств с фиксированным передаточным отношением, что более подробно описано ниже. Кроме того, ведущие и ведомые планетарные шестерни могут быть реализованы таким образом, что бесступенчатая коробка передач действует в качестве прогрессивной коробки передач. Ведущие и ведомые планетарные шестерни могут быть дополнительно реализованы, как это описано у Milner.
Система также может включать рычаг 544 управления, соединенный с бесступенчатой коробкой передач, который реализован согласно настоящему описанию. С бесступенчатой коробкой передач также могут быть соединены электронные устройства. Рычаг управления и электронные устройства могут быть дополнительно реализованы согласно настоящему описанию и составлять, по меньшей мере, часть подсистемы управления. Ведомый вал 548 бесступенчатой коробки передач соединен с валом 550 бура при помощи цапфы 552. Показанная на фиг. 14d система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
Показанная на фиг. 14е и 14f система также имеет кольцевидную конструкцию. Например, подобно системе, показанной на фиг. 14d, показанная на фиг. 14е и 14f система имеет центральный цилиндр 554, через который поступает буровая жидкость. Показанная на фиг. 14е и 14f система имеет источник энергии (не показанный), соединенный с ведущим валом 556 бесступенчатой коробки передач 538. Источник энергии может представлять собой любой из источников энергии согласно настоящему описанию или известных из уровня техники.
Бесступенчатая коробка передач имеет торойды 558, шариковый элемент 560 и следящее устройство 562. Бесступенчатая коробка передач может быть дополнительно реализована, как это описано в любом из патентов или патентных заявок Milner, признаки которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание.
Бесступенчатая коробка передач соединена с ведущими планетарными шестернями 564 и ведомыми планетарными шестернями 566. Ведущие планетарные шестерни 564 и ведомые планетарные шестерни 566 могут выполнять функции устройств с фиксированным передаточным отношением, что более подробно описано ниже. Кроме того, ведущие и ведомые планетарные шестерни могут быть реализованы таким образом, что бесступенчатая коробка передач действует в качестве прогрессивной коробки передач. Ведущие и ведомые планетарные шестерни могут быть дополнительно реализованы, как это описано у Milner. С бесступенчатой коробкой передач соединен рычаг 568 управления. Рычаг управления может быть реализован согласно настоящему описанию. Ведомый вал 570 бесступенчатой коробки передач соединен с валом бура или другими элементами системы (не показанными) согласно настоящему описанию. Показанная на фиг. 14е и 14f система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
Почти все бесступенчатые коробки передач также относятся к передачам с желобчатым ведущим шкивом, поскольку они передают мощность посредством контакта гладких поверхностей, а не зубчатых колес, цепей, ремней или шкивов. В результате новых разработок появились некоторые механические бесступенчатые коробки передач, в которых используется гибкий механизм ввода в зацепление зубчатых компонентов с одновременным преобразованием относительного вращения. Модификации такого типа разрабатываются с целью решения проблем проскальзывания и бокового зазора, существующих в
некоторых типах передач с желобчатым ведущим шкивом. В целом, механические бесступенчатые коробки передач можно охарактеризовать как бесступенчатые коробки передач с механическими элементами управления вращением одного или нескольких компонентов, соединенных с ведомым валом бесступенчатой коробки передач. Например, как более подробно описано ниже, ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы, а механические элементы бесступенчатой коробки передач управляют (например, вращением или положением) одного или нескольких компонентов системы.
К отдельному классу бесступенчатых коробок передач относятся электрические бесступенчатые коробки передач. В таких бесступенчатых коробках передач для управления скоростью вращения применяются не механические средства, а электродвигатель. В таких конструкциях входная мощность преобразуется в электроэнергию, а, чтобы обеспечить управление скоростью и вращающим моментом ведомого вала, для управления двигателем применяют сложные электронные устройства. Электрические бесступенчатые коробки передач были разработаны в автомобилестроительной промышленности в свете появления автомобилей с гибридным приводом и с батарейным питанием. В автомобиле с гибридным приводом съем электроэнергии может происходить непосредственно с батарей либо электроэнергию, поступающую из энергетической установки, может преобразовывать генератор переменного тока. Такие системы применяются в качестве следящих систем в разнообразных областях.
Различные формы электрических бесступенчатых коробок передач используются в скважинном нефтепромысловом оборудовании. Они имеют применение в разнообразных областях, включая телеметрию по гидроимпульсному каналу связи, регулируемые системы управления и механизмы ориентирования, например, для гибких НКТ или
заканчивания скважин. Такие системы обычно разрабатывают на базе сложных электромагнитных следящих систем. Примеры различных систем, в которых применяются электрические бесступенчатые коробки передач, включают систему скважинных измерений в процессе бурения с определением частота вращения двигателя в процессе кодирования, которая проиллюстрирована в патенте США 4103281 на имя Strom и др., систему направленного роторного бурения под заданным углом, проиллюстрированную в патенте США 6092610 на имя Kosmala и др., и устройство и способ ориентирования скважинного инструмента, проиллюстрированный в патенте США 6419014 на имя Meek и др., признаки каждого из которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Бесступенчатые коробки передач новых классов представляют собой простые механические системы с простым приводом, заменяющим сложные электромагнитные следящие системы.
Описанное в патенте Meek и др. ориентирующее устройство особо применимо для гибких НКТ или бурильных труб малого диаметра. Ориентирующее устройство в целом представляет собой двигатель, турбину или иное устройство, служащее для избирательного преобразования кинетической энергии вращения, генерируемой потоком флюида, проходящим через устройство, в механическую энергию, и воздействия механической энергией на скважинный прибор посредством ряда зубчатых колёс с целью ориентирования такого скважинного прибора. Ориентирующее устройство применяют в процессе направленного бурения и других операций, таких как вторжение в скважину, ловля бурильного инструмента и повторный вход в многоствольные скважины. Скважинный прибор предпочтительно представляет собой ориентируемый гидравлический забойный двигатель. В одном из вариантов осуществления, в ответ на поступающие с поверхности команды управления азимутальным направлением ствола скважины, осуществляют азимутальное вращение ориентирующего
устройства, изменяя скорость течения флюида через ориентирующее устройство на протяжении заданной последовательности операций. Описываемое ориентирующее устройство может быть дополнительно реализовано, как это описано в патенте Meek и др.
В одной из описываемых систем может применяться ориентирующее устройство, описанное и проиллюстрированное в патенте США 6419014 на имя Meek и др., или любое другое известное из уровня техники ориентирующее устройство. В системе может применяться ориентирующее устройств, альтернативное устройству, описанному в патенте Meek и др., такое как устройство, показанное на фиг. 26 (которое более подробно описано далее). В частности, ориентирующее устройство может быть соединено с двигателем системы, показанной на фиг. 26. Такая система может иметь показанную на фиг. 26 внутрискважинную компоновку с двигателем, расположенным над или под ориентирующим устройством.
Существуют дополнительные области применения бесступенчатых коробок передач в скважинном нефтепромысловом оборудовании. Любая ситуация, в которой требуется регулировать вращение на выходе, может рассматриваться как потенциальная область применения механической бесступенчатой коробки передач. За счет применения бесступенчатых коробок передач для скважинных работ обеспечивают высокую надежность систем и простоту управления. Кроме того, системы, в которых применяют бесступенчатые коробки передач, могут быть реализованы различным образом. Например, в одном из вариантов осуществления такая система может представлять собой систему скважинных измерений в процессе бурения. Примеры систем скважинных измерений в процессе бурения или каротажа в процессе бурения, в которых могут применяться механические бесступенчатые коробки передач, проиллюстрированы в патентах США 4103281 на имя Strom и др., 4167000 на имя Bernard и др., 4,216,536 на имя More,
4303994 на имя Tanguy, 4314365 на имя Petersen и др., 4479564 на имя Tanguy, 4698794 на имя Kruger и др., 4805449 на имя Das, 5149984 на имя Schultz и др., 5237540 на имя Malone, 5249161 на имя Jones и др., 5293937 на имя Schultz и др., 5368108 на имя Aldred и др., 5371448 на имя Gleim, 5373481 на имя Orban и др., 5375098 на имя Malone и др., 5387767 на имя Агоп и др., 5448227 на имя Orban и др., 5631563 на имя Moriarity, 5753812 на имя Агоп и др. и 6267185 на имя Mougel и др., признаки, которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание.
Кроме того, система, в которой в качестве механизма управления применяется бесступенчатая коробка передач, может представлять собой систему бурения и/или заканчивания скважины. В любом из вариантов осуществления такой системы ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен с источником энергии. В случае применения в системе бурения ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет одним или несколькими компонента системы (например, вращением или положением компонента (-ов) системы). Один или несколько компонентов системы могут, например, представлять собой вал бура, компонент смещающей подсистемы, компонент системы скважинных измерений в процессе бурения и т.д.
В случае применения в системе заканчивания скважин ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами оборудования для заканчивания скважин таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет одним или несколькими компонентами оборудования для заканчивания скважин (например, вращением или положением компонентов оборудования для заканчивания скважин). Бесступенчатая коробка передач и системы могут быть дополнительно реализованы согласно настоящему описанию.
В случае применения для заканчивания скважин, система также может быть рассчитана на ориентирование скважинного оборудования в стволе скважины таким образом, что приводить в действие стопор, применяемый при бурении многоствольных скважин. В другом варианте осуществления, система рассчитана на ориентирование внутрискважинного оборудования в стволе скважины для позиционирования датчиков в стволе скважины либо включения или отключения какого-либо компонента (например, клапана) системы управления. В дополнительном варианте осуществления бесступенчатая коробка передач обеспечивает вращение компонентов, которые приводят в действие раздвижные обсадные трубы. В некоторых вариантах дополнительном варианте осуществления бесступенчатая коробка передач рассчитана на управление относительным вращением забойного насоса с целью обеспечения максимальной эффективности его работы на оптимальной скорости вращения закачиваемых флюидов. В дополнительном варианте осуществления, система рассчитана на преобразование вращения в осевое перемещение на участке трубы с использованием шарикового винта. В одном из таких вариантов осуществления за счет осевого перемещения один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин позиционируют по оси в стволе скважины. Один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин включают элементы управления, датчики, клапаны или определенное их сочетание.
В другом варианте осуществления система представляет собой систему направленного бурения, такую как регулируемый стабилизатор, регулируемое колено, ориентирующее устройство двигателя гибких НКТ и систему направленного роторного бурения. За последнее время системы направленного роторного бурения получили более широкое применение, благодаря их потенциальной способности коренным образом изменить способ направленного бурения скважин. Такие системы обеспечивают
возможность увеличить скорость, глубину и точность бурения по сравнению с обычными системами направленного бурения. С повсеместным распространением таких систем растут требования к их эксплуатационным качествам. Первоочередное значение приобретают их надежность и управляемость.
По принципу работы, системы направленного бурения можно разделить на несколько категорий. В таких системах применяются два принципа управления: ориентирование бура и проталкивание бура, некоторые примеры, которых приведены выше. Проталкивание бура основано на том, что на пласт в пробуренной скважине воздействуют боковым усилием. В одном из вариантов осуществления система представляет собой один или несколько управляемых стабилизаторов для воздействия боковым усилием на пласт, в пробуренной скважине. Для воздействия боковым усилием на пласт также применяют синхронные участки бурения или постоянное смещающее усилие, воздействующее на геостационарный буровой снаряд. На пласт воздействуют усилием, направленным противоположно желаемому направлению отклонения траектории ствола буровой скважины. Под действием противонаправленной силы на бур осуществляется боковая выемка и предпочтительно удаление бурового шлама, за счет чего происходит отклонения траектории ствола буровой скважины.
В системах с ориентированием бура используют принцип относительного смещения оси нижней части бурильной колонны и оси бура. Такое смещение или изгиб очень похож на изгиб, создаваемый изогнутым корпусом стандартного двигателя в сборе. В системе направленного роторного бурения в процессе бурения обеспечивают геостационарность такого изгиба по отношению к пласту.
Чтобы понять принцип действия систем с ориентированием бура, можно сравнить их с обычными системами бурения, в которых применяются двигатели или турбины. За счет изогнутого корпуса и
стабилизатора, расположенного на опорной части, двигатель способен осуществлять бурение в ориентированном (подвижном) или роторном режимах. При работе в роторном режиме вращается и бур, и бурильная колонна. За счет вращения бурильной колонны компенсируется изгиб корпуса, и бур бурит скважину диаметром больше своего диаметра по прямолинейной траектории, параллельной оси бурильной колонны, расположенной над изогнутым корпусом. При работе в подвижном режиме вращается только бур. Двигатель меняет траекторию ствола буровой скважины в направлении изгиба корпуса, а бурильная колонна соскальзывает в ствол за буром. В системе с ориентированием бура "изогнутый корпус" помещается внутри переходной муфты инструмента. Таким "изогнутым корпусом" управляет смещающий механизм, который вращается в противоположном направлении с той же скоростью, что и бурильная труба. За этот счет "изогнутый корпус" остается геостационарным (не вращающимся) по отношению к земной системе координат, а муфта вращается.
Система направленного роторного бурения в целом может быть охарактеризована как смещающая система или смещающая подсистема буровой системы. В целом, смещающая подсистема рассчитана на управление отклонением нижней части бурильной колонны в процессе бурения ствола скважины. Таким образом, может быть создана система направленного бурения скважин, включающая смещающую подсистему. Однако для управления отклонением нижней части бурильной колонны в процессе бурения ствола скважины также могут использоваться смещающие подсистемы другого типа. Например, смещающая подсистема может представлять собой регулируемый стабилизатор, более подробно описанный далее. Смещающая подсистема также может быть рассчитана на бурение под углом к стволу скважины с использованием отклоняющего инструмента, такого как скважинный отклонитель или любой другой отклоняющий инструмент, известный из
уровня техники. Один из примеров смещающей подсистемы, в которой для направленного бурения применяется скважинный отклонитель и гибкие НКТ, проиллюстрирован в патенте США 5488989 на имя Leising и др., признаки которого путем ссылки полностью включены в настоящее описание. В описанные в настоящем изобретении системы могут быть внесены изменения с включением в них бесступенчатой коробки передач, что дополнительно описано ниже. Дополнительные примеры смещающих подсистем, с которыми может быть соединена бесступенчатая коробка передач, как это дополнительно описано ниже, проиллюстрированы в патентах США 5421420 на имя Malone и др., 5431219 на имя Leising и др., 5467832 на имя Orban и др., 5484029 на имя Eddison, 5520256 на имя Eddison, 5529133 на имя Eddison, 5542482 на имя Eddison, 5617926 на имя Eddison и др. и 5727641 на имя Eddison, признаки, каждого из которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание.
Смещающая подсистема может быть рассчитана на управление отклонением нижней части бурильной колонны в двух или трех измерениях. Кроме того, смещающая подсистема может быть рассчитана на угловое позиционирование одного или нескольких компонентов системы. В качестве альтернативы смещающая подсистема может быть рассчитана на осевое позиционирование одного или нескольких компонентов системы. В таком варианте осуществления один или несколько компонентов системы могут быть соединены с шариковым винтом. Таким образом, соответствующим образом изменяют осевое положение одного или нескольких компонентов системы.
На фиг. 15 схематически проиллюстрирован вариант осуществления системы направленного роторного бурения, управляемой бесступенчатой коробкой передач. Система имеет источник энергии 224. Для подачи входной мощности на бесступенчатую коробку передач 226 может использоваться любая система, обеспечивающая относительное
вращение компонентов. Источником входной мощности вращения бесступенчатой коробки передач может являться любой из множества обычных, известных из уровня техники источников энергии роторного скважинного оборудования.
Такие обычные источники энергии включают без ограничения турбину в сборе, электродвигатель, объёмный двигатель, также известный как объёмный двигатель Моупо, и т.д. В некоторых вариантах осуществления источник энергии представляет собой сочетание различных источников энергии. Например, источник энергии может включать турбину в сборе в сочетании с объёмным двигателем. Для управления относительным вращением могут применяться другие средства, включая относительное вращение частей системы или частей системы и пласта. Таким образом, энергия для бесступенчатой коробки передач может генерироваться за счет относительного вращения элементов системы или одного или нескольких элементов системы и пласта, в котором бурят скважину. Примеры относительного вращения включают вращение корпуса системы относительно не вращающегося корпуса, контактирующего с пластом. Другим примером является относительное вращение за счет дебаланса внутри системы другого элемента системы, при этом положение дебаланса остается геостационарным за счет его массы и влияния силы тяжести. В дополнительном примере генерирование энергии происходит за счет относительного вращения не вращающейся муфты и приводного вала.
Первичное соединение 228 источника энергии и ведущего вала бесступенчатой коробки передач, может быть реализовано несколькими способами. Его выбор в значительной мере зависит от источника энергии. Примера соответствующих соединений включают непосредственное соединение, непосредственное соединение с использованием средства уплотнения и опосредованное соединение черед магнитное или электромагнитное средство. Бесступенчатая
коробка передач 226 посредством вторичного соединения 232 соединена с узлом 230 направленного смещения. Вторичное соединение 232 выбирают из соединений, описанных выше, или формируют, как это описано далее.
В описанной выше системе могут применяться бесступенчатые коробки передач различных конструкций. Различные варианты механических бесступенчатых коробок передач описаны выше. Далее рассмотрено ряд дополнительных примеров конструкций бесступенчатых коробок передач и подсистем управления, способных повысить эффективность системы.
В одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач выполнена с центральным цилиндром, перемещающимся поперечно ее продольной оси. Центральный цилиндр используется для потока флюида или в качестве передаточного вала для передачи энергии вращения (вала привода объёмного двигателя). Примеры бесступенчатых коробок передач с центральными валами показаны на фиг. 16 и 17. На фиг. 16 проиллюстрирована тороидная бесступенчатая коробка передач с полыми дисками, аналогичная на фиг. 11. Проиллюстрированные на фиг. 11 и на фиг. 16 аналогичные элементы обозначены одинаковыми позициями. Показанная на фиг. 16 бесступенчатая коробка передач отличается от бесступенчатой коробки передач, показанной на фиг. 11, тем, что она имеет центральный цилиндр 232, перемещающийся поперечно продольной оси 234, которая проходит через тороидный ведущий вал 206, дисковый механизм 208 управления и тороидный ведомый вал 210. Тем самым, центральный цилиндр 232 сконструирован таким образом, чтобы через него могла протекать буровая жидкость (например, буровой раствор). В качестве альтернативы центральный цилиндр может использоваться в качестве передаточного вала бесступенчатой коробки передач.
На фиг. 17 проиллюстрирована шариковая тороидная бесступенчатая коробка передач, аналогичная на фиг. 12. Проиллюстрированные на фиг. 12 и на фиг. 17 аналогичные элементы обозначены одинаковыми позициями. Показанная на фиг. 17 бесступенчатая коробка передач отличается от бесступенчатой коробки передач, показанной на фиг. 12, тем, что она имеет центральный цилиндр 236, перемещающийся поперечно продольной оси 238, которая проходит через тороидный ведущий вал 212, сферический механизм 214 управления и тороидный ведомый вал 216. Тем самым, центральный цилиндр 236 сконструирован таким образом, чтобы через него могла протекать буровая жидкость (например, буровой раствор). В качестве альтернативы центральный цилиндр может использоваться в качестве передаточного вала бесступенчатой коробки передач.
На фиг. 18 схематически проиллюстрирован поперечный разрез механизма бесступенчатой коробки передач, в которой используются конусы и диски. Как показано на фиг. 18, механизм бесступенчатой коробки передач имеет внутренний корпус 240 и наружный корпус 242. Внутренний корпус 240 и наружный корпус 242 могут быть выполнены из любого, соответствующего, материала и иметь любые соответствующие размеры. Между внутренним корпусом 240 и наружным корпусом 242 помещаются диски 244 управления. Между внутренним корпусом 240 и наружным корпусом 242 также помещаются ведущие конусу 246 и ведомые конусы 248. Каждый из дисков управления расположен между одним ведущим конусом и одним ведомым конусом. Несмотря на то, что показанный на фиг. 18 механизм бесступенчатой коробки передач имеет четыре диска управления, каждый из которых соединен с одним из четырех ведущим конусов и одним из четырех ведомых конусов, механизм бесступенчатой коробки передач может включать любое число дисков управления, ведущих конусов и ведомых конусов.
На фиг. 19 схематически проиллюстрирован развернутый механизм конической бесступенчатой коробки передач, в которой используются конусы и диски 244. Оси ведущих конусов 246 и ведомых конусов 248 смещены, за счет чего рукоятки 250 управления проходят параллельно продольной оси механизма бесступенчатой коробки передач. Перемещение рукояток управления преобразуется во вращение механических элементов бесступенчатой коробки передач, и, как описано выше, за счет относительного вращения механических элементов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. Такая конструкция обеспечивает простое управление дисками 244 управления с использованием шагового двигателя с червячной передачей, который посредством промежуточного устройства 252 между червячной передачей или двигателем соединен с рукоятками 250 управления. В одном из вариантов осуществления промежуточное устройство 252 представляет собой зубчатую передачу, которая соединяет рукоятки управления с механическими элементами бесступенчатой коробки передач. Передаточное отношение является плавно меняющимся, но ограничено диаметром конусов, которые могут поместиться во внутреннем и наружном корпусах.
Механизмы управления бесступенчатой коробкой передач известны из уровня техники. Каждая из описываемых систем необязательно может иметь подсистему управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач. Подсистема управления способна изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. Например, подсистема управления может изменять передаточное отношение бесступенчатой коробки передач. Передаточное отношение бесступенчатой коробки передач меняют в зависимости от одной или нескольких характеристик, выбранных для скважины, которую бурят при помощи описываемой системы. Например, передаточное отношение бесступенчатой коробки передач меняют в
зависимости от угла, под которым бурят скважину. В качестве альтернативы, передаточное отношение бесступенчатой коробки передач меняют в зависимости от одной или нескольких характеристик пласта, в которой будут бурить или бурят скважину. Например, передаточное отношение бесступенчатой коробки передач меняют в зависимости от состава участка пласта, в котором бурят скважину.
Подсистема управления представляет собой электрическую подсистему, электромагнитную подсистему, механическую подсистему, гидравлическую подсистему или определенное их сочетание. В частности, в качестве подсистемы управления бесступенчатой коробкой передач могут использоваться разнообразные устройства от простой механической системы с обратной связью до сложных систем управления с использованием гидравлических, электрических двигателей, электромеханические следящие системы и их сочетание. Примеры подсистем управления, которые могут применяться для управления бесступенчатыми коробками передач в описываемых системах, проиллюстрированы в патентах США 6679805 на имя Rienks и др. и 6695742 на имя Hagiwara, признаки которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Проиллюстрированные и описанные подсистемы управления могут быть дополнительно реализованы согласно названным патентам. Кроме того, подсистема управления, соединенная с бесступенчатой коробкой передач, может пассивно изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. Примером такой бесступенчатой коробки передач является дебаланс, реализованный согласно настоящему описанию. В качестве альтернативы подсистема управления, соединенная с бесступенчатой коробкой передач, может активно изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. Примером такой бесступенчатой коробки передач является датчик, соединенный электронными устройствами, служащими средством связи между
датчиком и бесступенчатой коробкой передач. Электронные устройства могут изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач в зависимости от выходных сигналов, которые генерирует датчик.
В одном из вариантов осуществления на ведомом валу бесступенчатой коробки передач смонтирован датчик обратной связи и управления системой, который вращается вместе с ведомым валом. В качестве альтернативы датчик обратной связи и управления с возможностью вращения установлен независимо от ведущего вала и ведомого вала бесступенчатой коробки передач. Механизм установки зависит, например, от общей конструкции системы.
В системе направленного бурения вращением ведомого вала бесступенчатой коробки передач управляют относительно земной системы координат (магнитной или гравитационной). Положение ведомого вала остается неизменным относительно любой земной системы координат, в том числе магнитной или гравитационной. За счет такой способности системы в процессе бурения ствола скважины осуществляют управление направлением бурения.
Вторичное соединение между бесступенчатой коробкой передач и подсистемой направленного смещения в значительной степени зависит от смещающей подсистемы как таковой. Разработаны различные смещающие подсистемы, которые применительно к нефтепромысловой области обычно называют проталкивающими бур или ориентирующими бур.
Далее рассмотрена возможность применения скважинных систем управления на основе бесступенчатой коробки передач в сочетании с различными роторными механизмами управляемого смещения с целью усовершенствования общей конструкции, снижения ее стоимости, повышения эффективности и надежности.
В одном из вариантов осуществления, для управления роторными системами с ориентированием бура при помощи бесступенчатой коробки передач может использоваться универсальное соединение. Такая система является довольно дорогостоящей, сложной, в связи с чем, ее надежность ограничена с учетом необходимости преобразования энергии вращения в электрическую энергию и обратно в управляемое вращение. Система может быть существенно усовершенствована за счет применения передачи, известной как электрическая бесступенчатая коробка передач. Передача данного типа известна в автомобилестроительной промышленности. Примеры различных электрических бесступенчатых коробок передач проиллюстрированы в патентах США 5345154 на имя King, 6054844 на имя Frank, 6371878 на имя Bowen и 6447422 на имя Нака, признаки, которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание.
Описанная в патенте King система является одним из первых примеров разработки электрической бесступенчатой коробки передач для автомобилестроительной промышленности, которая включает сервоуправляемый двигатель, в котором для управления вращением ведомого вала, применен тормозной механизм. Автомобильная передача, описанная в патенте King, и система, описанная в патенте Kosmala и др., сходны в том, что касается скважинного аналога электрической бесступенчатой коробки передач. Принципиальные схемы систем управления согласно патентам King и Kosmala и др. отличаются лишь механизмом выработки энергии.
Энергетическая установка, описанная в патенте King, представляет собой любой вариант обычного автомобильного двигателя. Для питания генератора переменного тока двигатель работает в оптимальном диапазоне выходной мощности. Механизм выработки энергии, описанный в патенте Kosmala и др., представляет собой обычную гидравлическую турбину. Турбина преобразует энергию потока бурового
раствора в энергию вращения, которая используется для приведения в действие генератора переменного тока. Существует проблема управления нефтепромысловыми турбинами, суть которой в том, что скорость потока бурового раствора оптимизируют в соответствии с параметрами бурения независимо от потребностей в питании системы направленного роторного бурения.
Новым решением является применение в сложной системе сервоуправления системой направленного роторного бурения механической бесступенчатой коробки передач вместо электрической бесступенчатой коробки передач. На сегодняшний день выдано свыше 100 патентов на различные механические бесступенчатые коробки передач и их усовершенствования, признаки некоторых из которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Последние разработки и достижения в области бесступенчатых коробок передач для автомобилестроительной промышленности могут быть использованы, чтобы кардинальным образом упростить систему направленного роторного бурения с активным управлением. Такая система включает механическую бесступенчатую коробку передач, за счет чего значительно упрощается преобразование неуправляемого вращения на входе турбины в управляемое вращение на ее выходе. Концептуальный проект системы направленного роторного бурения с активным управлением с использованием бесступенчатой коробки передач проиллюстрирован на фиг. 20.
Как показано на фиг. 20, такая система имеет винтовой участок 254, соединенный с пустотелой муфтой 256. Источником энергии бесступенчатой коробки передач 260 является турбина 258 с гидроприводом. В частности, турбина 258 с гидроприводом соединена с ведущим валом 262 бесступенчатой коробки передач 260. Для соединения турбины 258 с гидроприводом с ведущим валом бесступенчатой коробки передач могут использоваться любые
применимые соединения, известные из уровня техники. Ведомый вал 264 бесступенчатой коробки передач 260 при помощи оправки 268 со смещенным центром соединен с валом 266 бура, роторной приводной головкой 270 и эксцентриковым гнездом 278, как это показано на фиг. 20. При помощи такой оправки ведомый вал может быть аналогичным образом соединен с другими компонентами системы. Система также включает универсальное соединение 274, соединенное с валом 266 бура. Таким образом, система представляет собой систему с ориентированием бура. Система также может включать подсистему 276 управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач 260. В некоторых вариантах осуществления система также включает электронные устройства 278. Электронные устройства 278 могут представлять собой любой применимый электронный компонент (-ы), известный из уровня техники.
Система упрощена за счет отсутствия генератора переменного тока, двигателя и сложной системы сервоуправления двигателем, которые необходимы в аналогичных системах направленного роторного бурения. Названные компоненты заменены механической бесступенчатой коробкой передач с упрощенным механизмом сервоуправления. Новая система позволяет упростить конструкцию, снизить затраты и повысить надежность существующих систем за счет исключения основных компонентов. Общая длина системы уменьшается, что создает дополнительные преимущества в процессе бурения. Механическая бесступенчатая коробка передач имеет и другие присущие ее преимущества, включая работу с максимальным для системы выходным вращающим моментом.
На фиг. 21 и 22 проиллюстрирован концептуальный проект системы полного контроля системы направленного роторного бурения с ориентированием бура. На фиг. 21 схематически проиллюстрирован поперечный разрез узла тороидной шариковой бесступенчатой коробки
передач для управления системой направленного роторного бурения с ориентированием бура, в которой для выработки энергии применяется турбина с электромагнитной муфтой. На фиг. 22 проиллюстрирован радиальный поперечный разрез вдоль плоскости А на фиг. 21.
Как показано на фиг. 21, система имеет наружный корпус 280 и внутренний корпус 282. Система также включает бесступенчатую коробку передач, помещающуюся во внутреннем корпусе 282. Бесступенчатая коробка передач выполнена в виде шаровой тяги 284 в сборе. Шаровая тяга 284 в сборе соединена с первичным тороидным кольцом 286 и вторичным тороидным кольцом 288. Таким образом, бесступенчатая коробка передач имеет шаро-тороидную конструкцию. Первичное тороидное кольцо 286 при помощи магнитной муфты соединено с турбиной 290 в сборе. Однако для соединения первичного тороидного кольца с турбиной в сборе может использоваться любое известное из уровня техники соединение. Турбина в сборе служит источником энергии для бесступенчатой коробки передач. Турбина в сборе может представлять собой любую известную из уровня применимую турбину в сборе.
Система также включает подшипниковый узел 294, соединенный с ведущим тороидным кольцом 286 бесступенчатой коробки передач. Подшипниковый узел 294 может представлять собой любой применимый подшипниковый узел, известный из уровня техники. Кроме того, система включает оправку 296 со смещенным центром, соединенную с ведомым тороидным кольцом 288 бесступенчатой коробки передач. Оправка со смещенным центром служит для соединения выхода бесступенчатой коробки передач с одним или несколькими компонентами системы (например, нижней частью бурильной колонны, буровой головкой или валом бура), как это описано выше. Система дополнительно включает подсистему 298 управления, при помощи реверсивной червячной передачи 300 соединенную с шаровой тягой 284 в сборе,
подшипниковым узлом 302 и рукояткой 304 управления. Таким образом, рукоятки управления соединены с механизмом бесступенчатой коробки передач посредством механизма зубчатого зацепления, позволяющего преобразовывать прямолинейной движение рукояток управления во вращение управляющих шаровых элементов механизма бесступенчатой коробки передач. Для прямолинейного перемещения рукоятки управления используют червячную передачу, соединенную с узлом управления. Подсистема 298 управления соединена и управляется электронной аппаратурой 306 управления. Электронная аппаратура 306 управления может включать любые применимые электронные устройства, известные из уровня техники. Например, подсистема управления может включать электродвигатель, такой как линейный двигатель или шаговый двигатель. Двигателем может управлять электронная аппаратура управления. Электронная аппаратура управления включает навигационный комплекс с датчиками для измерения земной системы координат, систему обратной связи со средством управления двигателем и средствами связи.
Очень упрощенная подсистема управления может быть создана на основе оборудования, используемого в почти горизонтальных и горизонтальных стволах или скважинах. Одна из таких подсистем управления включает дебаланс, способный вращаться независимо от корпусов системы. Таким образом, дебаланс является преимущественно гравитационным ориентиром. Ведомый вал зафиксирован электродвигателем под заданным углом. Конструкция дебалансового узла управления позволяет создать очень простую подсистему управления. В некоторых случаях дебаланс может применяться для измерения земной системы координат вместо систем датчиков, измерителей ускорения или магнетометров. Например, за счет присущей дебалансу способности быть гравитационным ориентиром он может обеспечивать необходимую управляющую обратную связь.
В проиллюстрированной на фиг. 21 концепции показана бесступенчатая коробка передач прямого действия. Однако, следует отметить, что для повышения точности управления может применяться каскадная бесступенчатая коробка передач с двумя или более стадиями передачи, что более вероятно при работе с турбинными узлами. Чтобы определить, предпочтительнее ли применение каскадной бесступенчатой коробки передач, следует принять во внимание ряд факторов, таких как тип используемой бесступенчатой коробки передач, конкретная конструкция, средняя скорость вращения ведущих и ведомых дисков, точность применяемой подсистемы управления и требования точности к ведомому валу.
В каскадных конструкциях могут применяться устройства для изменения передаточного отношения различных типов. Бесступенчатая коробка передач прямого действия также может быть реализована в виде устройств с фиксированным передаточным отношением, волновых передач с гибким звеном и т.д. Например, с бесступенчатой коробкой передач может быть соединено устройство с фиксированным передаточным отношением или волновая передача с гибким звеном. Устройство с фиксированным передаточным отношением или волновая передача с гибким звеном обеспечивают дополнительное управление передаточным отношением бесступенчатой коробки передач. Такие устройства для изменения передаточного отношения способны действовать как устройства с фиксированным передаточным отношением или могут иметь собственные независимые системы управления для обеспечения постоянного диапазона выхода. Примеры волновых передач с гибким звеном проиллюстрированы в патенте США 4768996 на имя Кшпт, 4810234 на имя Китт, 4824419 на имя Китт и 5011458 на имя Китт, признаки, которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Волновая передача с гибким звеном, используемая в одной из описываемых систем может быть реализована согласно
перечисленным патентам. Для создания "автоматической" передачи с одного или нескольких таких устройств могут применяться различные способы.
В качестве генератора энергии вращения для ведущего вала бесступенчатой коробки передач могут использоваться различные средства. Как описано выше, согласно варианту, проиллюстрированному на фиг. 21, в качестве источника энергии системы используется гидротурбина. На фиг. 23-26 показаны альтернативные варианты осуществления конструкции с использованием различных средств создания вращающего момента на входном валу бесступенчатой коробки передач. На фиг. 23 проиллюстрирован вариант осуществления управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве средства создания вращающего момента на входном валу используется нерасширяющий стабилизатор. Как показано на фиг. 23, система включает бесступенчатую коробку передач 308, при помощи оправки 312 со смещенным центром соединенную с валом 310 бура, роторной головкой 314 и эксцентриковым гнездом 316. Система также включает подсистему 318 управления, способную управлять одним или несколькими параметрами бесступенчатой коробки передач. Система дополнительно включает универсальное соединение 320, соединенное с валом 310 бура. Таким образом, система представляет собой систему с ориентированием бура. Нерасширяющий стабилизатор 322 служит в качестве системы создания вращающего момента на входном валу бесступенчатой коробки передач 308. Нерасширяющий стабилизатор может быть соединен с бесступенчатой коробкой передач при помощи магнитной муфты 324, которая помещается в пустотелой переходной муфте 326. Тем не менее, нерасширяющий стабилизатор может быть соединен с бесступенчатой коробкой передач при помощи любого применимого соединения, известного из уровня техники. Как показано на фиг. 23, система также
включает верхние радиальные опоры 328 и подпятники 330, помещающиеся в пустотелой переходной муфте 326, в которой могут находиться любые приемлемые опоры, известные из уровня техники. Показанная на фиг. 23 система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
На фиг. 24 проиллюстрирован альтернативный вариант осуществления конструкции управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве средства создания вращающего момента на ведущем валу бесступенчатой коробки передач применяется не вращающийся дебаланс. Как показано на фиг. 24, такая система включает механическую бесступенчатую коробку передач, при помощи оправки 225 со смещенным центром соединенную с валом 334 бура. Система также включает универсальное соединение 338, соединенное с валом 334 бура. Система дополнительно включает не вращающийся дебаланс 340, служащий в качестве средства создания вращающего момента на ведущем валу бесступенчатой коробки передач 332. Показанная на фиг. 24 система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
На фиг. 25 проиллюстрирован альтернативный вариант осуществления конструкции управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве средства создания вращающего момента на ведущем валу бесступенчатой коробки передач применяется двигатель Моупо или объёмный двигатель. Как показано на фиг. 25, система включает бесступенчатую коробку передач 342, при помощи оправки 346 со смещенным центром соединенную с валом 344 бура, роторной головкой 348 и эксцентриковым гнездом 350. Система также включает универсальное соединение 352, соединенное с валом 344 бура. Система дополнительно включает подсистему 353 управления, соединенную с
бесступенчатой коробкой передач 342. Подсистема 353 управления способна управлять одним или несколькими параметрами бесступенчатой коробки передач 342. Система дополнительно включает объёмный двигатель 354, помещающийся в пустотелой переходной муфте 356. Объёмный двигатель 354 соединен с бесступенчатой коробкой передач 342 магнитной муфтой. Тем не менее, объёмный двигатель 354 может быть соединен с бесступенчатой коробкой передач 342 при помощи любого применимого соединения, известного из уровня техники. Показанная на фиг. 25 система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
На фиг. 26 проиллюстрирован альтернативный вариант осуществления конструкции управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве средства создания вращающего момента на ведущем валу бесступенчатой коробки передач и дополнительного механизма привода вала бура применяется двигатель Моупо или объёмный двигатель. Как показано на фиг. 26, система включает бесступенчатая коробка передач 360. Приводной вал 362 служит в качестве ведомого вала бесступенчатой коробки передач 360 и при помощи оправки 366 со смещенным центром соединен с валом 364 бура, роторной буровой головкой 368 и универсальным соединением 370. Система также включает подпятники 372, соединенные с валом 364 бура. Система дополнительно включает подсистему 374 управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач 360. Подсистема 374 управления способна изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач 360. Система дополнительно включает объёмный двигатель 376, помещающийся в пустотелой переходной муфте 378 и соединенный с бесступенчатой коробкой передач 360 магнитной муфтой 380. Тем не менее, объёмный двигатель 376 может быть соединен с бесступенчатой коробкой передач 360 при помощи любого применимого соединения, известного из уровня
техники. Показанная на фиг. 26 система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
В одном из вариантов осуществления системы, в котором применяется нерасширяющий стабилизатор, обеспечивается относительное вращение стабилизатора и муфты. Такое вращение используется для создания вращающего момента на ведущем валу механической бесступенчатой коробки передач и обеспечивает простой механизм и структуру управления. Нерасширяющий стабилизатор соединен с ведущим валом бесступенчатой коробки передач, подсистема управления прикреплена к муфте. Передаточное отношение бесступенчатой коробки передач составляет примерно 1:1. Бесступенчатая коробка передач вносит поправку на отклонение системы из-за вращения нерасширяющего стабилизатора в стволе скважины. Частота вращения обычно очень мала, например, порядка нескольких герц. В таких вариантах осуществления может применяться конусно-дисковая бесступенчатая коробка передач, показанная на фиг. 18 и 19. Электронная аппаратура управления системой также упрощена, поскольку система управления не должна компенсировать прерывистое перемещение нижней части бурильной колонны. Прерывистое перемещение - это явление в процессе бурения, когда под действием силы трения происходят значительные колебания числа оборотов в минуту по мере накапливания и высвобождения энергии вращения бурильной колонной. Как описано выше, в концепции, предложенной на фиг. 24, в качестве источника относительного вращения ведущего вала бесступенчатой коробки передач используется дебаланс. Такая концепция является значительным усовершенствованием концепции, согласно патенту США 5617926 на имя Eddison и др. Так, предложенная в патенте Eddison и др. концепция не обеспечивает точного управления вектором направления вала бура. В названном патенте указано, что система становится нестабильной, когда требуемый вращающий момент
превышает вращающий момент, который создает дебаланс. Данное конструктивное ограничение преодолено в проиллюстрированной на фиг. 24 системе, которая обеспечивает средство точного управления валом бура. При этом превышение максимального вращающего момента не угрожает стабильности системы.
В третьем варианте осуществления системы с ориентированием бура в качестве средства создания вращающего момента на ведущем валу бесступенчатой коробки передач применен объемный двигатель, также известный как винтовой насос Моупо. Бесступенчатая коробка передач напрямую или опосредованно соединена с объемным двигателем, как это показано на фиг. 25. В альтернативном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг. 26, объемный двигатель подает дополнительную мощность на бур посредством приводного вала, с целью обеспечения управления соединенного с бесступенчатой коробкой передач.
Аналогичным образом, может применяться подсистема управления с различными управляемыми смещающими роторными элементами, за счет чего значительно сокращается стоимость, повышается надежность, и расширяются функциональные возможности. На фиг. 27 и 28 показаны два альтернативные варианта осуществления конструкции управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой применяется синхронизированный смещающий элемент. Как показано на фиг. 27, такая система включает механическую бесступенчатую коробку передач 382. В бесступенчатую коробку передач встроена электронная аппаратура управления (не показанная). Ведущий вал бесступенчатой коробки передач 382 соединен с турбиной 386 в сборе. Тем не менее, бесступенчатая коробка передач 382 может быть соединена с любым применимым источником энергии, известным из уровня техники. Ведомый вал бесступенчатой коробки передач 382 при помощи клапана 392 управления соединен с
соединительным устройством 390 бура. Каждый пускатель 394 соединен с одним из гидравлических отверстий 396, посредством которых пускатели приводят в действие и управляют ими. Показанная на фиг. 27 система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
На фиг. 28 проиллюстрирован дополнительный вариант осуществления конструкции управляемой бесступенчатой коробкой передач системы направленного роторного бурения, в которой в качестве отклоняющего элемента применяется изогнутый вал. Такая система включает механическую бесступенчатую коробку передач 398, соединенную с гибким валом 400 и средством 402 отклонения эксцентриковых колец. Система также включает призматическую опору 404, соединенную с гибким валом 400. Показанная на фиг. 28 система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
Как описано выше, механизмы бесступенчатой коробки передач могут применяться в различных скважинных условиях, требующих преобразования энергии вращения. Управление при помощи бесступенчатой коробки передач также может применяться для преобразования энергии вращения в других скважинных условиях. Например, бесступенчатая коробка передач может применяться в качестве механизма управления системой телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Тем не менее, следует отметить, что бесступенчатая коробка передач может применяться в качестве механизма управления в любой другой известной из уровня техники системе скважинных измерений в процессе бурения. Примеры систем скважинных измерений в процессе бурения, в которых в качестве механизма управления может применяться бесступенчатая коробка передач, включают системы измерения вибрации ударной нагрузки в процессе бурения, системы, в которых применяются эксцентрики, перемещающиеся вверх и вниз с заданной скоростью, системы
скважинных измерений в процессе бурения, описанные в патентах, признаки, которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание, и любые другие известные из уровня техники системы скважинных измерений в процессе бурения.
Один из примеров системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи описан в патенте США 4103281 на имя Strom и др., признаки которого путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Такая система включает следящую систему на основе электрической бесступенчатой коробки передач. На фиг. 29 проиллюстрировано концептуальное изображение системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Как показано на фиг. 29, такая система включает двигатель 406, при помощи муфты 410 соединенный с модулятором 408. Модулятор 408 состоит из ротора 412 и статора 414. Система также включает электронную аппаратуру 416 управления двигателем, соединенную с двигателем 406. Электронная аппаратура 416 управления способна изменять один или несколько параметров двигателя в зависимости от выходных данных датчиков 418. Турбина 422, при помощи муфты 424 соединенная с генератором переменного тока, подает мощность на генератор переменного тока 420. Система дополнительно включает регулятор 426 напряжения генератора переменного тока, который устанавливает выходное напряжение генератора переменного тока на уровне, приемлемом для системы.
Показанная на фиг. 29 система может быть значительно усовершенствована за счет включения в нее механической бесступенчатой коробки передач.
Система на базе бесступенчатой коробки передач обладает рядом преимуществ по сравнению с системой, показанной на фиг. 29, в том числе меньшими размерами, повышенной надежностью и меньшей стоимостью. Дополнительные примеры систем скважинных измерений в процессе бурения или каротажа в процессе бурения, которые также
могут быть значительно усовершенствованы за счет включения механической бесступенчатой коробки передач, проиллюстрированы в патентах США 3309656 на имя Godbey, 3764970 на имя Manning, 3770006 на имя Sexton и др., 3789355 на имя Patton, 3792429 на имя Patton и др., 3820063 на имя Sexton и др., и 3,886,495 на имя Sexton и др., признаки, каждого из которых путем ссылки полностью включены в настоящее описание. Кроме того, рассматриваемые в настоящем описании системы могут быть дополнительно реализованы, как это описано в перечисленных патентах.
На фиг. 30 и 31 представлены два варианта управляемой механической бесступенчатой коробкой передач пульсирующей системы скважинных измерений в процессе бурения. Как показано на фиг. 30, система, рассчитанная на осуществление телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, вместо следящей системы на базе электрической бесступенчатой коробки передач, показанной на фиг. 29, оснащена механической бесступенчатой коробкой передач. В частности, показанная на фиг. 30 система включает бесступенчатую коробку передач 428. Источником энергии бесступенчатой коробки передач 428 является турбина 430 в сборе. В частности, с турбиной в сборе соединен ведомый вал бесступенчатой коробки передач. Тем не менее, в системе может использоваться любой другой применимый источник энергии. Система также включает электронную аппаратуру 432 управления бесступенчатой коробкой передач, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач 428. Ведомый вал бесступенчатой коробки передач 428 при помощи муфты 436 соединен с модулятором 434. Бесступенчатая коробка передач 428 рассчитана на то, чтобы управлять модулятором. В некоторых вариантах осуществления бесступенчатая коробка передач 428 способна изменять рабочую частоту модулятора, чтобы модулировать акустическую или упругую волну телеметрического сигнала. В другом варианте
осуществления бесступенчатая коробка передач 428 управляет модулятором таким образом, что модулятор вращается преимущественно с постоянной относительной скоростью. В дополнительном варианте осуществления бесступенчатая коробка передач управляет относительным положением модулятора. Относительное положение модулятора может являться угловым положением или может быть преобразовано в осевое положение.
Как описано выше, модулятор 433 состоит из ротора 438 и статора 440. Тем не менее, следует указать, что описываемый модулятор может представлять собой любой известный из уровня техники модулятор. Например, модулятор может быть выполнен в виде сиренного модулятора. Согласно другому примеру модулятор может быть выполнен в виде модулятора относительного вращения. Согласно еще одному примеру модулятор выполнен в виде модулятора положительных импульсов или модулятора отрицательных импульсов. В некоторых вариантах осуществления модулятор включает поворотный клапан, с которым соединена бесступенчатая коробка передач. Поворотный клапан служит для сброса части бурового раствора в межтрубное пространство. В качестве альтернативы поворотный клапан служит для блокирования части потока внутри бурильной колонны системы. Согласно другому примеру модулятор включает вибратор с шариковым винтом, с которым соединена бесступенчатая коробка передач. В другом примере модулятор включает клапан, действующий в осевом направлении. В дополнительном примере модулятор создает сужение в отверстии.
Система также включает датчик 442. Датчик 442 может представлять собой любой применимый датчик, известный из уровня техники. Кроме того, несмотря на то, что на фиг. 30 показана система с одним датчиком, такая система может включать несколько датчиков. Датчики могут быть аналогичными или отличающимися. Показанная на
фиг. 30 система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
На фиг. 31 проиллюстрирован другой вариант осуществления системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи с использованием бесступенчатой коробки передач. Как показано на фиг. 31, система включает бесступенчатую коробку передач 444. Бесступенчатая коробка передач 444 при помощи муфты 448 соединена с модулятором 446. Как описано выше, модулятор 446 состоит из ротора 450 статора 452. Система также включает подсистему 454 управления бесступенчатой коробкой передач, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. Кроме того, система включает аккумулятор 456 энергии вращения. Аккумулятор 456 энергии вращения посредством бесступенчатой коробки передач 444 соединен с модулятором 446. Вращающий момент, создаваемый модулятором 446, преобразуется в кинетическую энергию, которая накапливается в аккумуляторе 456 энергии вращения. Накопленная аккумулятором 456 энергия вращения может использоваться в качестве источника энергии бесступенчатой коробки передач 444. В одном из вариантов осуществления с аккумулятором 456 энергия вращения соединена подсистема 454 управления. Подсистема управления способна управлять бесступенчатой коробкой передач 444, а также скоростью вращения аккумулятора энергии вращения таким образом, что скорость вращения аккумулятора энергия вращения не выходит за пределы его эксплуатационных ограничений. Показанная на фиг. 31 система дополнительно включает датчик 458. Датчик 458 может представлять собой любой применимый датчик, известный из уровня техники. Кроме того, несмотря на то, что на фиг. 31 показана система с одним датчиком, такая система может включать несколько датчиков. Датчики могут быть аналогичными или отличающимися. Показанная на фиг. 31 система может быть дополнительно реализована согласно настоящему описанию.
Показанная на фиг. 31 система представляет собой концептуальный вариант осуществления системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи с использованием бесступенчатой коробки передач, которая обеспечивает преимущественно постоянную скорость вращения модулятора. Вращающий момент, создаваемый модулятором, преобразуется в кинетическую энергию, которая накапливается в аккумуляторе энергии вращения. В простейшей форме такой аккумулятор представляет собой вращающуюся массу на опорах. За счет высокого передаточного отношения модулятора и аккумулятора модулятор вращается с относительно малой частотой, обеспечивая высокую скорость вращения аккумулятора. Электронная подсистема управления бесступенчатой коробкой передач обеспечивает постоянную частоту вращения модулятора и возможность ее изменения, чтобы модулировать акустическую или упругую волну телеметрического сигнала, как это описано в патенте Strom и др. Электронная подсистема управления также способа ограничивать максимальную скорость вращения аккумулятора безопасными эксплуатационными пределами. Простым средством ограничения числа оборотов в минуту является электромагнитный тормозной механизм.
Другое возможное решение заключается в сочетании систем телеметрии и направленного роторного бурения в едином комплексе, что обеспечивает дополнительные преимущества, связанные с компактностью и снижением стоимости. На фиг. 32 представлен концептуальный чертеж такой системы. Как показано на фиг. 32, система включает бесступенчатую коробку передач 460. Бесступенчатая коробка передач 460 помещается внутри пустотелой муфты 462. бесступенчатая коробка передач 460 при помощи муфты 466 также соединена с модулятором 464. Как описано выше, модулятор 464 состоит из ротора 468 статора 470. Система также включает аккумулятор 472 энергии вращения, реализованный, как это описано
выше. Например, аккумулятор 472 энергии вращения посредством бесступенчатой коробки передач 460 соединен с модулятором 464. Кроме того, вращающий момент, создаваемый модулятором 464, преобразуется в кинетическую энергию, которая накапливается в аккумуляторе 472 энергии вращения. Накопленная аккумулятором 472 энергия вращения может использоваться в качестве источника энергии бесступенчатой коробки передач 460. Система также включает электронную аппаратуру 474 управления бесступенчатой коробкой передач, соединенную с бесступенчатой коробкой передач 460. Электронная аппаратура 474 управления способна изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач 460.
Таким образом, система, показанная на фиг. 32, включает бесступенчатую коробку передач 460, которая управляет модулятором участка телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, входящего в систему. Такая система также включает дополнительную бесступенчатую коробку передач 476. Бесступенчатая коробка передач 476 рассчитана на управление вращением одного или нескольких компонентов системы. В одном из частных вариантов осуществления один или несколько компонентов системы включают один или несколько компонентов смещающей подсистемы. Смещающая подсистема дополнительно выполнена в виде системы направленного роторного бурения. Например, бесступенчатая коробка передач 476 при помощи оправки 480 со смещенным центром соединена с валом 478 бура, роторной буровой головкой 482 и эксцентриковым гнездом 484. С валом 478 бура также соединено универсальное соединение 486. Бесступенчатая 476 коробка передач может быть соединена с подсистемой управления, выполненной отдельно и/или отличающейся от подсистемы управления бесступенчатой коробкой передач 460. Например, система может включать подсистему 488 управления, способную изменять один или несколько параметров бесступенчатой
коробки передач 476. Тем не менее, бесступенчатая коробка передач 460 и бесступенчатая коробка передач 476 могут быть соединены с одним источником энергии. Например, с бесступенчатой коробкой передач 460 и бесступенчатой коробкой передач 476 может быть соединен аккумулятор 472 энергии вращения, служащий в качестве источника энергии вращения обеих бесступенчатых коробок передач. Таким образом, аккумулятор 472 энергии вращения используется двумя бесступенчатыми коробками передач, которые управляют телеметрией и ориентируют буровой инструмент, соответственно, при этом модулятор преобразует энергию потока флюида в энергию вращения с высоким числом оборотов, которую накапливает аккумулятор. В альтернативном варианте осуществления бесступенчатая коробка передач 460 и бесступенчатая коробка передач 476 заменены одной бесступенчатой коробкой передач, способной управлять модулятором, а также относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы.
Каждая из подробно описанных выше систем может применяться для осуществления различных способов бурения. Например, один из способов бурения скважины заключается в том, что на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию. В процесс бурения скважины при помощи бесступенчатой коробки передач также управляют вращением одного или нескольких компонентов системы. Один или несколько компонентов системы соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач, как более подробно описано выше. Бесступенчатая коробка передач может быть реализована, как это описано выше. Например, в одном из вариантов осуществления бесступенчатая коробка передач выполнена в виде прогрессивной коробки передач.
В одном из вариантов осуществления способа изменяют передаточное отношение бесступенчатой коробки передач в зависимости
от одной или нескольких характеристик, выбранных для скважины. В другом варианте осуществления способа изменяют передаточное отношение бесступенчатой коробки передач в зависимости от одной или нескольких характеристик пласта, в котором бурят скважину. В обоих вариантах осуществления передаточное отношение бесступенчатой коробки передач изменяют, как это подробно описано выше.
В некоторых вариантах осуществления способа в процессе бурения изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач при помощи электрических, электромагнитных, механических, гидравлических средств или определенного их сочетания. Один или несколько параметров изменяют, как это подробно описано выше. Способ дополнительно заключается в том, что в процессе бурения активно изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. Такой способ включает любую другую операцию (-и), описанную выше.
Дополнительный вариант осуществления относится к способу заканчивания скважины. Такой способ заключается в том, что на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию. Способ также заключается в том, что в процессе заканчивания скважины при помощи бесступенчатой коробки передач также управляют вращением одного или нескольких компонентов оборудования для заканчивания скважин (например, управляют вращением или положением одного или нескольких компонентов оборудования для заканчивания скважин). Один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач. В одном из вариантов осуществления способа также ориентируют внутрискважинное оборудование в стволе скважины для включения стопора, применяемого при бурении многоствольных скважин. В другом варианте осуществления способа ориентируют внутрискважинное оборудование в стволе скважины для позиционирования датчиков в стволе скважины либо включения или
отключения какого-либо компонента (например, клапана) системы управления. В некоторых вариантах осуществления способа при помощи бесступенчатой коробки передач управляют относительным вращением забойного насоса с целью обеспечения максимальной эффективности его работы на оптимальной скорости вращения закачиваемых флюидов. В дополнительном варианте осуществления способа преобразуют вращения в осевое перемещение вдоль участка трубы с использованием шарикового винта. В одном из вариантов осуществления за счет осевого перемещения один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин позиционируют по оси в стволе скважины. Один или несколько компонентов оборудования для заканчивания скважин включают элементы управления, датчики, клапаны или определенное их сочетание. Данный способ может включать любую другую описанную выше операцию (-и).
При помощи описанных выше систем также осуществляют способ направленного бурения скважин. Такой способ заключается в том, что отклонением нижней части бурильной колонны в процессе бурения скважины управляют с использованием смещающей подсистемы. Как описано выше, смещающая подсистема может быть выполнена в виде системы направленного роторного бурения. Смещающая подсистема может дополнительно включать один или несколько регулируемых стабилизаторов. Как более подробно описано выше, смещающая подсистема может быть выполнена в виде системы с проталкиванием бура или системы с ориентированием бура. Управление отклонением включает управление отклонением нижней части бурильной колонны в двух или трех измерениях. Дополнительно управление отклонением включает осевое или угловое позиционирование нижней части бурильной колонны.
Способ также заключается в том, что в процессе бурения при помощи бесступенчатой коробки передач управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей
подсистемы. Один или несколько компонентов соединено с ведомым валом бесступенчатой коробки передач. Как описано выше, бесступенчатая коробка передач может быть выполнена в виде прогрессивной коробки передач. В некоторых вариантах осуществления способа также изменяют передаточное отношение бесступенчатой коробки передач в зависимости от одной или нескольких характеристик, выбранных для скважины, и/или одной или нескольких характеристик пласта, в котором бурят скважину. В одном из вариантов осуществления способа в процессе бурения также изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач при помощи электрических, электромагнитных, механических, гидравлических средств или определенного их сочетания. Способ дополнительно заключается в том, что в процессе бурения активно или пассивно изменяют один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач. Такой способ также включает любую другую операцию (-и), описанную выше.
При помощи описанных выше систем также осуществляют дополнительный способ проведения телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. Такой способ заключается в том, что при помощи бесступенчатой коробки передач, соединенной с модулятором, управляют модулятором системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи. В одном из вариантов осуществления способа при помощи бесступенчатой коробки передач изменяет рабочую частоту модулятора, чтобы модулировать акустическую или упругую волну телеметрического сигнала. В другом варианте осуществления управляют модулятором таким образом, что модулятор вращался преимущественно с постоянной относительной скоростью. В некоторых вариантах осуществления способа вращающий момент, создаваемый модулятором, преобразуют в кинетическую энергию, накапливают кинетическую энергию и используют накопленную кинетическую энергию в качестве источника энергии для бесступенчатой коробки передач. В одном из вариантов
осуществления способа при помощи бесступенчатой коробки передач также управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы. В отличающем варианте осуществления способа относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы управляют при помощи дополнительной бесступенчатой коробки передач. В одном из таких вариантов осуществления способа вращающий момент, создаваемый модулятором, преобразуют в кинетическую энергию, накапливают кинетическую энергию и используют накопленную кинетическую энергию в качестве источника энергии для бесступенчатой коробки передач и дополнительной бесступенчатой коробки передач. Такой способ также включает любую другую операцию (-и), описанную выше.
При помощи описанных выше систем и способов также возможно осуществлять бурение различных скважин. На фиг. 33 проиллюстрирован пример скважины, бурение которой осуществляют при помощи системы, проиллюстрированной на фиг. 20. Проиллюстрированные на фиг. 20 и на фиг. 33 аналогичные элементы обозначены одинаковыми позициями. Как дополнительно показано на фиг. 33, систему используют для бурения скважины 490. Несмотря на то, что на фиг. 33 показано, что скважину бурят в целом в вертикальном направлении, следует отметить, что бурение может производиться в различных направлениях или под различными углами (например, горизонтально). Кроме того, несмотря на то, что показано, что скважину в целом бурят в одном направлении, следует отметить, что различные участки скважины могут быть пробурены в различных направлениях.
Система включает бурильную колонну 492 и буровую вышку (не показанную), поддерживающую бурильную колонну в стволе скважины. Бурильная колонна 492 включает бур 494 и одну или несколько утяжелённых бурильных труб 496, а также участок бурильной трубы 498,
проходящий в ствол скважины. Труба соединена с ведущей трубой (не показанной), которая проходит через механизм привода ротора (не показанный). При приведении в действие механизма привода ротора ведущая труба вращается, сообщая вращение бурильной трубе и головке бура.
Вблизи от входа в скважину расположена система циркуляции буровой жидкости (не показанная), служащая для подачи в скважину буровой жидкости, которую обычно называют буровым раствором. Буровой раствор в процессе бурения поступает вниз через бурильную трубу, выходит через гидромониторы (не показанные) в головке бура в межтрубное пространство и возвращается вверх по стволу скважины в систему. Система циркуляции может представлять собой любую применимую систему циркуляции, известную из уровня техники. Буровой раствор, поступающий из скважины, выходит вблизи от устья скважины 490 через отверстие в обсадных трубах 500 в виде канала между стенками ствола скважины и бурильной трубой. Показанная на фиг. 33 система и скважина могут быть дополнительно реализованы в соответствии с известным уровнем техники. Например, система может включать любые другие компоненты любой системы бурения, известной из уровня техники. В одном из частных примеров система, показанная на фиг. 33, может быть дополнительно реализована, как это описано в патенте США 4103281 на имя Strom и др., признаки которого путем ссылки полностью включены в настоящее описание.
На фиг. 34 проиллюстрирована система, описанная применительно к бурению скважины, такой как нефтяная скважина. Как показано на фиг. 34, система 600 соединена со средством 602 транспортировки. Система 600 может быть реализована в соответствии с любым из описанных вариантов осуществления. В данном случае средство 602 транспортировки представляет собой бурильную колонну. В качестве альтернативы средство 602 транспортировки может представлять собой
любую из описанных систем транспортировки или любую из систем транспортировки, известную из уровня техники. Средство 602 транспортировки перемещает систему 600 по стволу 604 по мере бурения скважины в пласте 606. Пласт 606 может представлять собой любой известный из уровня техники пласт. Как показано на фиг. 34, бурение осуществляют под различными углами. Иным словами, система 600 осуществляет направленное бурение скважины. В качестве альтернативы скважину бурят в одном направлении. Над поверхностью 610 пласта 606 расположена платформа 608. Платформа может быть реализована в соответствии с известным уровнем техники. На платформе 608 находится буровая вышка 612, соединенная со средством 602 транспортировки, находящимся в стволе 604 скважины. Буровая вышка может представлять собой любую известную из уровня техники применимую буровую вышку.
Несмотря на то, что варианты осуществления описаны применительно к бурению нефтяных скважин, следует отметить, что описанные системы и способы могут применяться в разнообразных областях. Например, описанные системы и способы могут применяться в строительстве и для укладки под землей труб или другого оборудования.
В качестве одного из частных примеров, на фиг. 35 проиллюстрировано горизонтально-направленное бурение для укладки труб под поверхностью препятствий, при котором могут применяться описанные системы. Как показано на фиг. 35, горизонтально-направленное бурение осуществляют бестраншейным способом для укладки труб в данном случае под руслом реки. Тем не менее, горизонтально-направленное бурение также может использоваться для бурения под или вокруг любого другого препятствия. Поскольку горизонтально-направленное бурение аналогично направленному бурению ствола нефтяной скважины, бурильная труба и скважинное оборудование являются в целом взаимозаменяемыми.
На первой стадии, проиллюстрированной на фиг. 35, осуществляют направленное бурение направляющей скважины относительно небольшого диаметра согласно расчетной траектории бурения. В проиллюстрированном примере горизонтальная буровая установка 620 соединена с бурильной трубой 622, служащей средством транспортировки для системы 624. Горизонтальная буровая установка 620 и бурильная труба 622 могут представлять собой любую известную из уровня техники применимую буровую установку и бурильную трубу, соответственно. Кроме того, в некоторых вариантах осуществления бурильная труба заменена другим средством транспортировки. Система 624 может быть реализована согласно любому из описанных вариантов осуществления. Система 624 рассчитана на бурение скважины 626 в пласте 628 от точки 630 входа в направлении 632 под руслом реки 634. Пласт может представлять собой любой известный из уровня техники пласт. Буровая жидкость (не показана) выходит из скважины из кольцевого пространства 636, окружающего бурильную трубу 622 вблизи точки 630 входа. Как дополнительно показано на фиг. 35, бурение ствола 628 согласно расчетной траектории 638 еще не производилось. По завершении бурения скважина должна выйти из пласта в расчетной точке 640.
Для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с настоящим описанием, очевидно, что в изобретении предложены системы и способы с использованием бесступенчатых коробок передач для применения в области бурения и других областях. Специалисты в данной области техники могут внести в изобретение дополнительные изменения и предложить альтернативные варианты его осуществления, исходя из настоящего описания. Соответственно, настоящее описание следует рассматривать лишь как иллюстративное и имеющее целью раскрыть для специалистов в данной области техники общий принцип осуществления изобретения. Следует отметить, что
проиллюстрированные и описанные формы изобретения должны рассматриваться в качестве предпочтительных на данный момент вариантов его осуществления. Проиллюстрированные и описанные элементы и материалы могут быть заменены, порядок выполнения функций и технологических операций изменен, а некоторые признаки изобретения реализованы по отдельности, что очевидно для специалистов в данной области техники, ознакомившихся с описанием настоящего изобретения. В описанные элементы могут быть внесены изменения, не выходящие за объём и сущность изобретения, заявленного в приложенной формуле изобретения.
Формула изобретения
1. Система бурения скважины с использованием бесступенчатой коробки передач, в которой ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен с источником энергии, а ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет вращением одного или нескольких компонентов системы.
2. Система по п. 1, в которой бесступенчатая коробка передач включает механические элементы, конические элементы, сферические элементы, дисковые элементы или тороидные элементы, а за счет относительного вращения механических элементов, конических элементов, сферических элементов, дисковых элементов или тороидных элементов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы.
3. Система по п. 1, в которой бесступенчатая коробка передач включает один или несколько ремней, соединенных со шкивами, а за счет эффективного диаметра шкивов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы.
4. Система по п. 1, в которой бесступенчатая коробка передач включает зубчатую шестерню, соединяющую рычаги управления с механическими элементами бесступенчатой коробки передач, перемещение рычагов управления преобразуется во вращение механических элементов, а за счет относительного вращения механических элементов управляют вращением одного или нескольких компонентов системы.
5. Система по п. 1, в которой ведомый вал бесступенчатой коробки передач дополнительно соединен с одним или несколькими компонентами системы при помощи оправки.
6. Система по п. 1, в которой бесступенчатая коробка передач включает центральный цилиндр, перемещающийся поперечно ее продольной оси и сконструированный таким образом, чтобы буровая жидкость могла протекать через него.
7. Система по п. 1, дополнительно включающая подсистему управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач, при этом подсистема управления представляет собой электрическую подсистему, электромагнитную подсистему, механическую подсистему, гидравлическую подсистему или определенное их сочетание, способное изменять один или несколько параметров бесступенчатой коробки передач.
8. Система по п. 1, в которой энергия генерируется за счет вращения элементов системы относительно друг друга или одного или нескольких элементов системы относительно пласта, в котором бурят скважину.
9. Система по п. 1, в которой источник энергии представляет собой турбину в сборе, электродвигатель, объемный двигатель или турбину в сборе в сочетании с объемным двигателем.
10. Система по п. 1, в которой бесступенчатая коробка передач выполнена в виде прогрессивной коробки передач.
11. Система по п. 1, дополнительно включающая устройство с фиксированным передаточным отношением или волновую передачу с гибким звеном, соединенную с бесступенчатой коробкой передач, при этом устройство с фиксированным передаточным отношением или волновая передача с гибким звеном, обеспечивают дополнительное управление передаточным отношением бесступенчатой коробки передач.
12. Система по п. 1, которая дополнительно выполнена в виде системы направленного роторного бурения.
13. Система по п. 1, которая дополнительно выполнена в виде системы скважинных измерений в процессе бурения.
14. Система по п. 1, которая дополнительно включает смещающую подсистему.
15. Система по п. 1, которая дополнительно рассчитана на бурение под углом к стволу скважины с использованием отклонителя.
16. Способ бурения скважины, заключающийся в том, что: на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию, и
в процессе бурения скважины управляют вращением одного или нескольких компонентов системы с использованием бесступенчатой коробки передач, при этом один или несколько компонентов системы соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач.
17. Скважина, пробуренная способом, заключающимся в том, что на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию, и
в процессе бурения скважины управляют вращением одного или нескольких компонентов системы с использованием бесступенчатой коробки передач, при этом один или несколько компонентов системы соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач.
18. Система заканчивания скважины с использованием бесступенчатой коробки передач, в которой ведущий вал бесступенчатой коробки передач соединен с источником энергии, а ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен с одним или несколькими компонентами системы таким образом, что бесступенчатая коробка передач управляет вращением одного или нескольких компонентов оборудования для заканчивания скважин.
19. Система по п. 18, дополнительно рассчитанная на ориентирование скважинного оборудования в стволе скважины с целью приведения в действие стопора, применяемого при бурении многоствольных скважин.
20. Система по п. 18, дополнительно рассчитанная на ориентирование скважинного оборудования в стволе скважины с целью позиционирования датчиков в стволе или включения либо отключения какого-либо компонента управления системой.
21. Система по п. 18, в которой бесступенчатая коробка передач дополнительно рассчитана на управление относительным вращением забойного насоса с целью обеспечения максимальной эффективности его работы и оптимальной скорости вращения закачиваемых флюидов. 22. Система по п. 18, дополнительно рассчитанная на преобразование вращения в осевое перемещение вдоль участка трубы с использованием шарикового винта.
23. Способ заканчивания скважин, заключающийся в том, что: на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию, и
в процессе заканчивания скважины управляют вращением одного или нескольких компонентов компонентов оборудования для заканчивания скважин с использованием бесступенчатой коробки передач, при этом один или несколько компонентов компонентов оборудования для заканчивания скважин соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач.
24. Скважина, законченная способом, заключающимся в том, что на ведущий вал бесступенчатой коробки передач подают энергию, и
в процессе заканчивания скважины управляют вращением одного или нескольких компонентов компонентов оборудования для заканчивания скважин с использованием бесступенчатой коробки передач, при этом один или несколько компонентов компонентов оборудования для заканчивания скважин соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач.
25. Система направленного бурения скважины, включающая: смещающую подсистему, управляющую отклонением нижней части бурильной колонны в процессе бурения скважины, и бесступенчатую коробку передач, при этом ведомый вал бесступенчатой коробки передач соединен со смещающей подсистемой таким образом, что в процессе бурения бесступенчатая коробка передач способна управлять
относительным вращением одного или нескольких компонентов системы смещающей подсистемы.
26. Система по п. 25, которая дополнительно выполнена в виде системы направленного роторного бурения.
27. Система по п. 25, в которой смещающая подсистема дополнительно рассчитана на управление отклонением нижней части бурильной колонны в двух или трех измерениях.
28. Система по п. 25, в которой смещающая подсистема представляет собой регулируемый стабилизатор.
29. Система по п. 25, в которой смещающая подсистема представляет собой ориентирующее устройство, перемещающееся по гибким НКТ.
30. Система по п. 25, в которой смещающая подсистема дополнительно рассчитана на угловое или осевое позиционирование нижней части бурильной колонны.
31. Система по п. 25, в которой смещающая подсистема дополнительно выполнена в виде системы с проталкиванием бура или системы с ориентированием бура.
32. Система по п. 25, в которой бесступенчатая коробка передач представляет собой механическую бесступенчатую коробку передач или электрическую бесступенчатую коробку передач.
33. Способ направленного бурения скважин, заключающийся в том, что при помощи смещающей подсистемы в процессе бурения скважины управляют отклонением нижней части бурильной колонны, и при помощи бесступенчатой коробки передач в процессе бурения скважины управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы, при этом такой один или несколько компонентов соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач.
34. Скважина, направленно пробуренная способом, заключающимся в том, что при помощи смещающей подсистемы в процессе бурения скважины управляют отклонением нижней части бурильной колонны, и при помощи бесступенчатой коробки передач в процессе бурения скважины управляют относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы, при этом такой один или несколько компонентов соединены с ведомым валом бесступенчатой коробки передач.
35. Система, рассчитанная на проведение телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, включающая модулятор и соединенную с модулятором механическую бесступенчатую коробку передач, служащую для управления модулятором.
36. Система по п. 35, в которой модулятор выполнен в виде сиренного модулятора, модулятора относительного вращения, модулятора положительных импульсов, модулятора отрицательных импульсов, поворотного клапана, вибратора с шариковым винтом, поворотного клапана для сброса части буровой жидкости в межтрубное пространство, поворотного клапана для блокирования части потока внутри бурильной колонны системы или клапана, действующего в осевом направлении.
37. Система по п. 35, в которой модулятор создает сужение в отверстии.
38. Система по п. 35, которая дополнительно включает аккумулятор энергии вращения, посредством бесступенчатой коробки передач соединенный с модулятором, при этом вращающий момент, создаваемый модулятором, преобразуется в кинетическую энергию, которую накапливает аккумулятор энергии вращения, а аккумулятор энергии вращения сконструирован таким образом, что накопленная энергия может использоваться в качестве источника энергии для бесступенчатой коробки передач.
39. Система по п. 35, которая дополнительно включает подсистему управления, соединенную с бесступенчатой коробкой передач и аккумулятором энергии вращения, при этом такая подсистема управления способна управлять бесступенчатой коробкой передач и скоростью вращения аккумулятора энергии вращения таким образом, что скорость вращения аккумулятора энергии вращения не выходит за пределы его эксплуатационных ограничений.
40. Система по п. 35, которая дополнительно включает смещающую подсистему, соединенную с бесступенчатой коробкой передач, при этом бесступенчатая коробка передач дополнительно рассчитана на управление относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы.
41. Система по п. 35, которая включает дополнительную бесступенчатую коробку передач, соединенную со смещающей подсистемой, при этом дополнительная бесступенчатая коробка передач рассчитана на управление относительным вращением одного или нескольких компонентов смещающей подсистемы.
42. Способ проведения телеметрии по гидроимпульсному каналу связи, заключающийся в том, что при помощи бесступенчатой коробки передач, соединенной с модулятором, управляют модулятором системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи.
43. Скважина, пробуренная способом, заключающимся в том, что при помощи бесступенчатой коробки передач, соединенной с модулятором, управляют модулятором системы телеметрии по гидроимпульсному каналу связи.
Fig. 1 (Related Art)
Fig. 2 (Related Art)
Fig. 3 (Related Art)
Fig. 6 (Related Art)
Fig. 8 (Related Art)
202 204
Fig. 10b
Fig. 10a (Related Art) (Related Art)
Fig. 13
7/21
Fig. 14b
554 Fig. 14e Fi9- 14f
258
Fig. 21
Fig. 22
322
Fig. 24
Fig. 32
19/21
Fig. 33
20/21
Fig. 34
21/21
Fig. 35