Антистопорное устройство
Группа изобретений относится к системам, узлам и способам для антистопорного устройства для передачи крутящего момента на буровой снаряд, расположенной в стволе скважины. Cтопорная муфта для выборочной передачи крутящего момента от поворотного статора, соединенного с буровым двигателем, выполненным с возможностью установки в стволе скважины и поворотным выходным валом, соединенным с поворотным ротором бурового двигателя, содержит множество скользящих стопорных блоков, соединенных с возможностью скольжения с поворотным выходным валом. Причем указанные скользящие стопорные блоки выполнены с возможностью скольжения радиально внутрь и наружу по отношению к центральной продольной оси поворотного выходного вала. Указанные скользящие стопорные блоки разнесены друг относительно друга по окружности вокруг поворотного выходного вала, причем каждый из указанных скользящих стопорных блоков содержит первую контактирующую грань и вторую контактирующую грань, множество фиксируемых стопорных блоков, соединенных с поворотным статором, причем указанные фиксируемые стопорные блоки расположены радиально вокруг поворотного выходного вала и разнесены друг относительно друга по окружности на внутренней части поворотного статора на расстояние, достаточное для приема одного из скользящих стопорных блоков, когда он перемещается внутрь к центральной оси поворотного выходного вала. Каждый из указанных фиксируемых стопорных блоков содержит первую контактирующую грань и вторую контактирующую грань. Описан способ выборочной передачи крутящего момента от поворотного статора на поворотный выходной вал. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 23 ил.
Настоящее изобретение относится к системам, узлам и способам для антистопорного устройства (в частности, стопорной муфты) для передачи крутящего момента на буровой снаряд, расположенный в стволе скважины.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При изучении нефтегазоперспективных территорий важно поддерживать рабочее состояние бурильной колонны и скважинных инструментов, связанных с ней. Как правило, буровая установка, расположенная на уровне или выше поверхности, может быть соединена с ближним концом бурильной колонны в стволе скважины для вращения бурильной колонны. Наземное оборудование на буровой установке вращает бурильную колонну. Бурильная колонна содержит звенья бурильной трубы и может содержать силовую секцию скважины, соединяемую с буровой трубой (например, скважинный двигатель объемного типа), которая содержит статор и ротор, осуществляющие вращение и передачу крутящего момента вниз по скважине к буровому долоту или другому скважинному оборудованию (как правило, называемому «буровой снаряд»), соединенному с дальним концом бурильной колонны. В нормальном режиме эксплуатации наземное оборудование вращает бурильную трубу, которая соединена со статором скважинного двигателя. Ротор вращается за счет перепада давления текучей среды, перекачиваемой через силовую секцию относительно статора. Скорость вращения скважинных компонентов, таких как бурильная колонна, силовая секция, буровой снаряд и буровое долото, обычно выражают в оборотах в минуту (RPM). Когда нагрузка на буровое долото или сопротивление формации бурению увеличивается, скорость вращения бурового долота снижается. Когда скорость вращения бурового долота равна скорости вращения статора или меньше ее (которая может быть выражена в оборотах в минуту), состояние силовой секции называют «стопорением».
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение буровой установки и скважинного оборудования, содержащего скважинный буровой двигатель, расположенный в стволе скважины.
На Фиг. 2А и 2В представлены концептуальные схемы примера антистопорного устройства.
Фиг. 3 представляет собой вид сбоку в разрезе примера антистопорного устройства.
Фиг. 4 представляет собой перспективное изображение примера верхнего конического диска.
Фиг. 5 представляет собой перспективное изображение примера верхнего ступенчатого вкладыша.
Фиг. 6 представляет собой перспективное изображение примера диска в форме ласточкина хвоста.
Фиг. 7 представляет собой перспективное изображение примера подвижного стопорного блока.
На Фиг. 8А, 8В и 8С представлены перспективные изображения примера стопорного диска.
Фиг. 9 представляет собой перспективное изображение примера нижнего ступенчатого вкладыша.
Фиг. 10 представляет собой перспективное изображение примера нижнего конического диска.
Фиг. 11 представляет собой перспективное изображение примера узла блокировки.
Фиг. 12А представляет собой перспективное изображение с частичным вырезом примера антистопорного устройства.
Фиг. 12В представляет собой другое перспективное изображение примера антистопорного устройства.
Фиг. 13А представляет собой вид сбоку в разрезе примера антистопорного устройства в расцепленном состоянии.
Фиг. 13В представляет собой вид сбоку в разрезе примера антистопорного устройства в сцепленном состоянии.
На Фиг. 14А-14В представлены перспективные изображения примера антистопорного устройства в сцепленном состоянии.
На Фиг. 15А-15В представлены упрощенные перспективные изображения примера выхода антистопорного устройства из сцепленного состояния.
Фиг. 16 представляет собой блок-схему примерного способа для функционирования примерного антистопорного устройства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на Фиг. 1, как правило, буровая установка 10, расположенная на уровне или выше поверхности 12, вращает бурильную колонну 20, расположенную в стволе скважины 60 ниже поверхности 12. Наземное оборудование 14 на буровой установке вращает бурильную трубу 21. Бурильная колонна 20 содержит звенья 21 бурильной трубы и силовую секцию 22 скважины (например, скважинный двигатель объемного типа, такой как двигатель Муано), которая содержит статор 24 и ротор 26, которые осуществляют вращение и передачу крутящего момента вниз по скважине к буровому долоту 50 или другому скважинному оборудованию (как правило, называемому «буровой снаряд») 40, прикрепленному к продольному выходному валу 45 скважинного двигателя объемного типа. Ствол скважины 60 укреплен креплением 34 и цементной оболочкой 32 в затрубном пространстве между креплением 34 и стволом скважины. В нормальном режиме эксплуатации наземное оборудование 14 вращает бурильную трубу 21, которая соединена со статором 24, а ротор 26 вращается за счет перепада давления текучей среды, перекачиваемой через силовую секцию 22 относительно статора 24 скважинного двигателя объемного типа. Когда нагрузка на буровое долото 50 или сопротивление формации бурению увеличивается, и когда крутящий момент, создаваемый силовой секций, недостаточен для преодоления этого сопротивления, скорость вращения бурового долота 50 снижается. Когда скорость вращения бурового долота 50 равна скорости вращения (RPM) статора 24 или меньше ее, силовую секцию 22 считают «застопорившейся».
На этом этапе вращение бурового долота 50 и ротора 26 запаздывает по сравнению с вращением статора 24, а это означает, что ротор 26 вращается относительно назад по отношению к статору 24. При стопорении двигателя сочетание механической нагрузки и эрозии под воздействием текучей среды, подаваемой под высоким давлением, может быстро привести к серьезным повреждениям эластомера статора и может уменьшить срок службы и производительность силовой секции 22.
В некоторых ситуациях стопорения двигателя можно избежать путем подачи дополнительного крутящего момента на буровое долото 50 с тем, чтобы преодолеть участок формации, который привел к возникновению сопротивления вращению. В показанном примере изображено антистопорное устройство 100 (также называемое стопорной муфтой), которое устанавливают для передачи дополнительного крутящего момента от статора 24 на буровое долото 50.
В нормальном режиме эксплуатации статор 24 и ротор 26 по существу вращательно отделены друг от друга. В условиях стопорения или в условиях, близких к стопорению, антистопорное устройство 100 зацепляется (с возможностью вращательно соединяться со статором 24) с вторичным приводным валом 102, который приводят в движение ротором 26, чтобы приложить дополнительный крутящий момент к продольному выходному валу 45, который подвижно прикреплен к вторичному приводному валу. При уменьшении сопротивления антистопорное устройство 100 расцепляется (по существу отсоединяя статор 24) от ротора 26. Хотя в описании по Фиг. 1-16 варианты осуществления антистопорного устройства 100 описаны как применяемые в сочетании с буровыми двигателями типа Муано, в некоторых вариантах осуществления антистопорное устройство 100 могут также применять с турбинами, турбобурами или любыми другими подходящими типами устройств для передачи вращательной мощности.
На Фиг. 2А и 2В представлены концептуальные схемы примера антистопорного устройства 200. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления антистопорное устройство 200 может соответствовать антистопорному устройству 100 по Фиг. 1. На Фиг. 2А изображен пример антистопорного устройства 200, работающего в «нормальных» условиях. В «нормальных» условиях приводной вал 210 вращается вокруг продольной оси 201 с предварительно заданной скоростью, это вращение показано стрелкой 211. Скорость вращения приводного вала 210 обычно выше, чем скорость вращения, показанного стрелкой 221, с которой вращается статор 220.
Совокупность удлинителей 212 проходит в радиальном направлении наружу от приводного вала 210. Каждый из удлинителей удерживает подвижный стопорный блок 214 в пазе типа «ласточкин хвост» (не показан), который позволяет осуществлять радиальное перемещение стопорного блока 214. Когда приводной вал 210 вращается, подвижные стопорные блоки 214 продвигаются радиально наружу из-за воздействия центробежных сил. Это перемещение наружу частично компенсирует центростремительная сила, прилагаемая к подвижным стопорным блокам 214. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления центростремительную силу может создавать сила тяжести. Например, пазы в форме ласточкина хвоста могут быть наклонены по отношению к направлению воздействия силы тяжести, так что сила тяжести будет стремиться переместить подвижные стопорные блоки 214 вниз и радиально внутрь. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления центростремительную силу могут создавать механические компоненты. Например, подвижные стопорные блоки 214 могут продвигаться радиально внутрь за счет действия пружин, воздействия текучей среды или любого другого подходящего узла, который способен создавать усилие, которое способно продвигать подвижные стопорные блоки 214 радиально внутрь.
Если скорость приводного вала 210 выше предварительно заданной скорости, центробежные силы достаточны для преодоления центростремительных сил, действующих на подвижные стопорные блоки 214. При таких условиях подвижные стопорные блоки 214 будут продвигаться радиально наружу, в направлении, показанном стрелками 216. Когда подвижные стопорные блоки 214 находятся в своем, по существу, полностью выдвинутом положении вдоль пазов в форме ласточкина хвоста, подвижные стопорные блоки 214 находятся за пределами орбиты оси 201, не контактируя с совокупностью фиксируемых стопорных блоков 224, поддерживаемых совокупностью удлинителей 222, проходящих радиально внутрь от статора 220.
На Фиг. 2В изображен пример антистопорного устройства 200, работающего в условиях «стопорения». Когда нагрузка на буровое долото 50 увеличивается или когда осуществляют бурение по твердым породам, скорость вращения бурового долота (RPM) снижается. На каком-либо из этапов скорость бурового долота 50 может снижаться настолько, что двигатель Муано можно будет считать «застопорившимся». В условиях «стопорения» приводной вал 210 вращается вокруг продольной оси 201 со скоростью, которая ниже предварительно заданной, это вращение показано стрелкой 211. В показанном примере приводной вал 210 вращается медленнее, чем статор 220, вращение которого показано стрелкой 221.
Если скорость приводного вала 210 ниже предварительно заданной скорости, центробежные силы недостаточны для преодоления центростремительных сил, действующих на подвижные стопорные блоки 214. При таких условиях подвижные стопорные блоки 214 будут продвигаться радиально внутрь, в направлении, показанном стрелками 217. Когда подвижные стопорные блоки 214 находятся в своем, по существу, полностью задвинутом назад положении вдоль пазов в форме ласточкина хвоста (например, находятся, по существу, на той же орбите вокруг оси 201, что и фиксируемые стопорные блоки), а приводной вал 210 вращается медленнее, чем статор 220, подвижные стопорные блоки 214 будут соприкасаться с фиксируемыми стопорными блоками 224. Энергия вращения от статора 220 будет передаваться от фиксируемых стопорных блоков 224 на подвижные стопорные блоки 214, тем самым подают дополнительную вращательную энергию на приводной вал 210.
В соответствии с некоторыми вариантами осуществления дополнительная вращательная энергия, передаваемая от статора 220 на приводной вал 210, может обеспечивать подачу дополнительного крутящего момента на буровое долото 50. Например, буровое долото 50 может внезапно заклиниться в твердой геологической формации и дополнительный крутящий момент может быть достаточным для преодоления сопротивление формации и повторного запуска вращения бурового долота. При повышении скорости бурового долота 50 и скорости приводного вала 210 подвижные стопорные блоки 214 вернутся в положение, показанное на Фиг. 2A.
Фиг. 3 представляет собой вид сбоку в разрезе примера антистопорного устройства 300. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления антистопорное устройство 300 может соответствовать антистопорному устройству 100 по Фиг. 1. Антистопорное устройство 300 содержит верхний конический диск 400, совокупность верхних ступенчатых вкладышей 500 (“upper wicker pads”), диск 600 в форме ласточкина хвоста, совокупность стопорных штифтов 310, совокупность пружин 320, совокупность подвижных стопорных блоков 700, стопорный диск 800, совокупность нижних ступенчатых вкладышей 900 (“lower wicker pad”), нижний конический диск 1000 и совокупность узлов 1100 блокировки. Компоненты 310-1100 будут рассмотрены в описании по Фиг. 4-12B.
Фиг. 4 представляет собой перспективное изображение примера верхнего конического диска 400. Верхний конический диск 400 представляет собой кольцо с совокупностью резьб 410, расположенных вокруг его наружного диаметра. Внутренняя поверхность 405 конического диска выполнена с конусностью, которая образована между первым диаметром 420а на первом продольном торце 430а и вторым диаметром 420b, который больше, чем первый диаметр 420а, на втором продольном торце 430b.
Резьбы 410 выполнены с возможностью сопряжения с соответствующими резьбами, образованными на диске 600 в форме ласточкина хвоста, который будет рассмотрен в описании по Фиг. 5. Совокупность отверстий 440 для вращения образована в первом продольном торце 430а. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления в отверстия 440 для вращения может быть вставлен инструмент. Например, вилочный ключ может быть вставлен в отверстия для вращения с целью поворота верхнего конического диска 400 для вкручивания или отвинчивания верхнего конического диска 400 в диск 600 в форме ласточкина хвоста или из него.
Фиг. 5 представляет собой перспективное изображение примера совокупности верхних ступенчатых вкладышей 500. Верхний ступенчатый вкладыш 500 представляет собой секцию кольца, содержащего внутреннюю радиальную поверхность 505 и наружную радиальную поверхность 510. Наружная радиальная поверхность имеет конусность от первого диаметра 520а и первого продольного торца 530A до второго диаметра 520b на втором продольном торце 530b. Степень этой конусности по существу соответствует степени конусности верхнего конического диска 400. Ступенчатый вкладыш 500 содержит совокупность продольных ступеней 550 (“wickers”) на внутренней радиальной поверхности 505. При использовании продольные ступени 500 фрикционно взаимодействуют с приводным валом 210. Продольные ступени 550 прижимаются к приводному валу 210, когда верхний конический диск 400 ввинчивают в диск 600 в форме ласточкина хвоста. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления в антистопорном устройстве 300 могут быть применены четыре верхних ступенчатых вкладыша 500, хотя может быть применено любое подходящее количество.
Фиг. 6 представляет собой перспективное изображение примера диска 600 в форме ласточкина хвоста. Диск 600 в форме ласточкина хвоста выполнен в виде наружного кольца 610, концентрически расположенного вокруг внутреннего кольца 650 и соединенного с ним, причем кольца частично разделены полостью 602. Наружное кольцо 610 содержит совокупность резьб 612 вокруг внутренней радиальной поверхности 614. Резьбы 612 выполнены с возможностью сопряжения с резьбами 410 верхнего конического диска 400, когда верхний конический диск 400 собирают с (например, ввинчиванием) диском 600 в форме ласточкина хвоста.
Внутреннее кольцо 650 содержит центральное отверстие 651, имеющее размер, позволяющий вместить в него приводной вал 210. Внутреннее кольцо 650 содержит совокупность пазов 652, расположенных радиально по окружности внутреннего кольца 650. Каждый из пазов 652 выполнен с возможностью вмещения одного из верхних ступенчатых вкладышей 500. Когда верхний конический диск 400 собирают с диском 600 в форме ласточкина хвоста, верхние ступенчатые вкладыши 500 зажимаются между верхним коническим диском 400 и приводным валом 210, в результате чего продольные ступени 550 фрикционно взаимодействуют с приводным валом 210.
Наружное кольцо 610 содержит совокупность стопорных пазов 616 и крепежных отверстий 617, выполненных в первом продольном торце 630а. Каждый из стопорных пазов 616 и каждое из крепежных отверстий 617 выполнено с возможностью вмещать и съемно присоединять соответствующий один из узлов 1100 блокирования, как будет рассмотрено в дальнейшем описании по Фиг. 11 и 12А.
Наружное кольцо 610 также содержит совокупность пазов 620 в форме ласточкина хвоста, образованных радиально вокруг второго продольного торца 630b. Каждый из пазов 620 в форме ласточкина хвоста выполнен с возможностью вмещать соответствующий один из подвижных стопорных блоков 700. Пазы 620 в форме ласточкина хвоста слегка сужены от наружного диаметра наружного кольца 610 до определенного диаметра радиально внутрь от наружного диаметра. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления конусность в пазах 620 в форме ласточкина хвоста имеет такую конфигурацию, что когда скорость вращения (RPM) ротора 26 становится ниже предварительно заданной скорости (например, когда недостаточная центробежная сила передается на подвижные стопорные блоки 700), подвижные стопорные блоки 700 могут скользить радиально внутрь под действием силы тяжести, усилия пружины, создаваемого пружинами 320, или любым другим подходящим источником центростремительной силы.
Фиг. 7 представляет собой перспективное изображение примера подвижного стопорного блока 700. Подвижный стопорный блок 700 содержит секцию 710 в форме ласточкина хвоста и блок-секцию 750. Секция 710 в форме ласточкина хвоста выполнена с возможностью установки и частичного удержания в пределах соответствующего одного из пазов 620 в форме ласточкина хвоста диска 600 в форме ласточкина хвоста, например, форма ласточкиного хвоста позволяет частично перемещать подвижный стопорный блок 700 вдоль паза 620 в форме ласточкина хвоста по существу без поворота или выпадения. Секция 710 в форме ласточкина хвоста содержит отверстие 712, которое по существу параллельно детали в виде ласточкина хвоста и сформировано радиально внутрь грани 714. При использовании отверстие 712 взаимодействует с соответствующей одной из пружин 320.
Блок-секция 750 выполнена с четырьмя вертикальными гранями, выполненными в виде ромба, если смотреть в поперечном сечении, включающими направленную радиально наружу грань 752, направленную радиально внутрь грань 754, направленную радиально переднюю грань 756 и направленную радиально заднюю грань 758. Направленная радиально задняя грань 758 ориентирована по существу параллельно по сравнению с ориентацией секции в форме ласточкина хвоста таким образом, что направленная радиально задняя грань 758 будет выровнена по существу параллельно относительно пути перемещения подвижного стопорного блока 700 в одном из пазов 620 в форме ласточкина хвоста. Направленная радиально наружу грань 752 расположена по существу перпендикулярно по отношению к направленной радиально задней грани 758.
Направленная радиально передняя грань 756 расположена по существу перпендикулярно по отношению к направленной радиально наружу грани 752 и по существу параллельно по отношению к направленной радиально задней грани 758. Направленная радиально передняя грань 756 проходит радиально внутрь на меньшее расстояние, чем направленная радиально задняя грань 758. Направленная радиально внутрь грань 754 выполнена с конусностью, которая проходит от направленной радиально задней грани 758 к направленной радиально передней грани 756. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления направленная радиально передняя грань 756 и/или направленная радиально внутрь грань 754 могут быть плоскими поверхностями. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления направленная радиально передняя грань 756 и/или направленная радиально внутрь грань 754 могут быть плоскими и/или криволинейными поверхностями.
Фиг. 8А представляет собой перспективное изображение снизу примера стопорного диска 800. Стопорный диск 800 выполнен в виде наружного кольца 810, концентрически расположенного вокруг внутреннего кольца 850 и соединенного с ним, причем кольца частично разделены полостью 802. Внутреннее кольцо 850 содержит совокупность резьб 812 вокруг наружной радиальной поверхности 814.
Внутреннее кольцо 850 содержит центральное отверстие 851, имеющее размер, позволяющий вместить в него приводной вал 210. Внутреннее кольцо 850 содержит совокупность стопорных пазов 816 и крепежных отверстий 817, выполненных во втором продольном торце 830b. Каждый из стопорных пазов 816 и каждое из крепежных отверстий 817 выполнено с возможностью вмещать и съемно присоединять соответствующий один из узлов 1100 блокирования, как будет рассмотрено в дальнейшем описании по Фиг. 11 и 12А.
Наружное кольцо 810 содержит совокупность пазов 852, расположенных радиально по окружности наружного кольца 810. Каждый из пазов 852 выполнен с возможностью вмещения одного из нижних ступенчатых вкладышей 900.
На Фиг. 8B представлено перспективное изображение сверху примера стопорного диска 800. Первый продольный торец 830a содержит совокупность фиксируемых стопорных блоков 860. Совокупность фиксируемых стопорных блоков 860 проходит в продольном направлении от первой продольной грани 830A и расположена концентрически вокруг отверстия 851. В соответствии с вариантами осуществления количество фиксируемых стопорных блоков 860 может быть равно количеству подвижных стопорных блоков 700.
Фиг. 8C представляет собой увеличенное изображение области по Фиг. 8B, обозначенной буквой «A». Изображение содержит один из фиксируемых стопорных блоков 860. Фиксируемый стопорный блок 860 содержит направленную радиально наружу грань 852, направленную радиально переднюю грань 856 и направленную радиально заднюю грань 858. Направленная радиально передняя грань 856 представляет собой в основном плоскую поверхность, располагаемую с возможностью контакта с направленной радиально задней гранью 758 одного из подвижных стопорных блоков 700 таким образом, что грани 856 и 758 при контакте находятся по существу в одной плоскости. Направленная радиально задняя грань 858 и направленная радиально наружу грань 852 расположены конусно (например, клиновидно) или изогнуто таким образом, что направленная радиально наружу грань 852 и направленная радиально внутрь грань 754 при контакте находятся по существу в одной плоскости. Взаимодействие между гранями 752-758 и 852-858 будет рассмотрено далее в описании по Фиг. 14 и 15.
Фиг. 9 представляет собой перспективное изображение примера совокупности нижних ступенчатых вкладышей 900. Нижний ступенчатый вкладыш 900 представляет собой секцию кольца, содержащего внутреннюю радиальную поверхность 905 и наружную радиальную поверхность 910. Наружная радиальная поверхность имеет конусность от первого диаметра 920а и первого продольного торца 930а до второго диаметра 920b на втором продольном торце 930b. Степень этой конусности по существу соответствует степени конусности нижнего конического диска 1000. Ступенчатый вкладыш 900 содержит совокупность продольных ступеней 950 (“wickers”) на наружной радиальной поверхности 910. При использовании продольные ступени 900 фрикционно взаимодействуют со статором 24. Продольные ступени 950 прижимаются к статору 24, когда нижний конический диск 1000 ввинчивают в стопорный диск 800. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления в антистопорном устройстве 300 могут быть применены четыре нижних ступенчатых вкладыша 900, хотя может быть применено любое подходящее количество.
Фиг. 10 представляет собой перспективное изображение примера нижнего конического диска 1000. Нижний конический диск 1000 представляет собой кольцо с совокупностью резьб 1010, расположенных на внутренней поверхности 1005. Наружная поверхность 1007 нижнего конического диска 1000 выполнена с конусностью 1009, которая образована между первым диаметром 1020а на первом продольном торце 1030а и вторым диаметром 1020b, который больше, чем первый диаметр 1020а, на втором продольном торце 1030b.
Резьбы 1010 выполнены с возможностью сопряжения с соответствующими резьбами, образованными на стопорном диске 800. Совокупность отверстий для вращения (не показаны) образована во втором продольном торце 430b. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления в отверстия для вращения может быть вставлен инструмент. Например, вилочный ключ может быть вставлен в отверстия для вращения с целью поворота нижнего конического диска 1000 для вкручивания или отвинчивания нижнего конического диска 1000 в стопорный диск 800 или из него. Когда нижний конический диск 1000 собирают со стопорным диском 800, нижние ступенчатые вкладыши 900 зажимаются между нижним коническим диском 1000 и статором 24, в результате чего продольные ступени 1050 фрикционно взаимодействуют со статором 24.
Фиг. 11 представляет собой перспективное изображение одной из совокупностей узлов 1100 блокирования. Узел 1100 блокирования содержит продольную опору 1110. Продольная опора 1110 содержит полку 1120 на одном конце, резьбовую секцию 1130 на другом конце и крепежную пластину 1140 вблизи ее середины.
Полка 1120 выполнена с возможностью вмещения и по меньшей мере частичного удержания соответствующим одним из стопорных пазов 616 или 816. Крепежная пластина 1140 выполнена с возможностью выравнивания совокупности крепежных деталей 1150 (например, болтов) с крепежными отверстиями 617 или 817. Стопорная пластина 1160 содержит отверстие (не показано), через которое проходит резьбовая секция 1130. Крепежную деталь 1170 (например, гайку) навинчивают на резьбовую секцию 1130 для ограничения стопорной пластины 1160 на продольной длине продольной опоры 1110.
Фиг. 12А представляет собой перспективное изображение с частичным вырезом примера антистопорного устройства 300. С этой точки зрения видимы приводной вал 210, верхний конический диск 400, диск 600 в форме ласточкина хвоста, некоторое количество стопорных штифтов 310, две из пружин 320, два из подвижных стопорных блоков 700, стопорный диск 800, два из нижних ступенчатых вкладышей 900 и два из узлов 1100 блокирования.
Подвижные стопорные блоки 700 показаны в сборе с диском 600 в форме ласточкина хвоста. В собранном виде секции 710 в форме ласточника хвоста продольно ограничивают пазом 620 в форме ласточкина хвоста. Соответствующая одна из пружин 320 удерживается между диском 600 в форме ласточкина хвоста и отверстием 712 (не видна на этом изображении). Выпадение подвижных стопорных блоков 700 из пазов 620 в форме ласточкина хвоста предотвращают с помощью стопорных штифтов 310.
Узлы 1100 блокирования показаны в сборе с диском 600 в форме ласточкина хвоста. В собранном виде полки 1120 продольно ограничивают стопорными пазами 616, а узлы 1100 блокирования радиально ограничивают крепежными деталями 1150, проходящими через крепежные пластины 1140 и вставляемыми в крепежные отверстия 617 (не видны на этом изображении).
Стопорные пластины 1160 расположены над резьбовыми секциями 1130 и вступают в контакт с первым продольным торцом 430a конического диска 400. Стопорные пластины 1160 съемно удерживаются в этих положениях за счет навинчивания крепежных деталей 1170 на резьбовые секции 1130 для обеспечения возможности контакта крепежных деталей 1170 со стопорными пластинами 1160.
Фиг. 12В представляет собой другое перспективное изображение примера антистопорного устройства 300. На этом изображении можно видеть, что узлы 1100 блокирования собраны с внутренним кольцом 850 стопорного диска 800 способом, который по существу аналогичен способу, описанному ранее в отношении узлов 1100 блокирования и диска 600 в форме ласточкина хвоста. Крепежные детали 1170 обеспечивают подвижный контакт между стопорными пластинами 1160 и нижним коническим диском 1000.
Фиг. 13А представляет собой вид сбоку в разрезе примера антистопорного устройства 300 в расцепленном состоянии. Расцепленное состояние возникает, когда приводной вал 210 вращают со скоростью, при которой достаточную центробежную силу прилагают к подвижным стопорным блокам 700 для преодоления центростремительного усилия, прилагаемого пружинами 320. При таких условиях подвижные стопорные блоки 700 перемещаются радиально наружу к орбите, на которой подвижные стопорные блоки 700 не соприкасаются с фиксируемыми стопорными блоками 860.
Фиг. 13В представляет собой вид сбоку в разрезе примера антистопорного устройства в сцепленном состоянии. Сцепленное состояние возникает, когда приводной вал 210 вращают более медленно, чем статор 24, и со скоростью, при которой центробежная сила, прилагаемая к подвижным стопорным блокам 700, недостаточна для преодоления центростремительного усилия, прилагаемого пружинами 320. При таких условиях подвижные стопорные блоки 700 будут перемещаться радиально внутрь, где они могут входить в радиальный контакт с фиксируемыми стопорными блоками 860.
На Фиг. 14А и 14В представлены перспективные изображения примера антистопорного устройства 300 в сцепленном состоянии. Некоторые элементы антистопорного устройства 300 скрыты на этом виде для того, чтобы лучше проиллюстрировать взаимодействие подвижных стопорных блоков 700 и фиксируемых стопорных блоков 860. На Фиг. 14A один из подвижных стопорных блоков 700 и один из фиксируемых стопорных блоков 860 выделены в пределах области, в целом обозначенной как «В».
Фиг. 14B представляет собой увеличенное изображение области «В» по Фиг. 14A для лучшей иллюстрации примера зацепления подвижного стопорного блока 700 и фиксируемого стопорного блока 860. В ситуациях, когда скорость вращения приводного вала 210 меньше, чем предварительно заданная скорость, подвижный стопорный блок 700 будет перемещаться радиально внутрь в показанное положение. Если скорость вращения приводного вала 210 и, следовательно, подвижного стопорного блока 700 также меньше или равна скорости вращения статора 24 и, следовательно, фиксируемого стопорного блока 860, направленная радиально передняя грань 856 будет соприкасаться с направленной радиально задней гранью 758.
Направленная радиально передняя грань 856 представляет собой в основном плоскую поверхность, располагаемую с возможностью контакта с направленной радиально задней гранью 758 одного из подвижных стопорных блоков 700 таким образом, что грани 856 и 758 при котакте находятся по существу в одной плоскости. При этом, в сцепленном состоянии вращательная энергия от статора 24 может быть передана на приводной вал 210 путем взаимодействия фиксируемых стопорных блоков 860 с подвижными стопорными блоками 700.
На Фиг. 15А и 15В представлены упрощенные перспективные изображения примера выхода антистопорного устройства 300 из сцепленного состояния. Некоторые элементы антистопорного устройства 300 скрыты на этом виде для того, чтобы лучше проиллюстрировать взаимодействие подвижных стопорных блоков 700 и фиксируемых стопорных блоков 860. На Фиг. 15A один из подвижных стопорных блоков 700 и один из фиксируемых стопорных блоков 860 выделены в пределах области, в целом обозначенной как «С».
Фиг. 15B представляет собой увеличенное изображение области «С» по Фиг. 15A для лучшей иллюстрации примера расцепления подвижного стопорного блока 700 и фиксируемого стопорного блока 860. В ситуациях, когда скорость вращения приводного вала 210 и, следовательно, подвижного стопорного блока 700, выше скорости вращения статора 24 и, следовательно, фиксируемого стопорного блока 860, направленная радиально передняя грань 756 будет соприкасаться с направленной радиально задней гранью 858.
Направленная радиально передняя грань 756 и направленная радиально задняя грань 858 выполнены таким образом, что при контакте этих двух граней подвижный блок 700 будет продвигаться радиально наружу. Направленная радиально задняя грань 858 и направленная радиально наружу грань 852 расположены конусно (например, клиновидно) или изогнуто таким образом, что направленная радиально наружу грань 852 и направленная радиально внутрь грань 754 при скользящем контакте находятся по существу в одной плоскости и подвижный блок 700 дополнительно продвигается наружу и выходит из контакта с фиксируемым стопорным блоком 860.
Фиг. 16 представляет собой блок-схему примерного способа 1600 для функционирования примерного антистопорного устройства, такого как антистопорное устройство 100 или 300 по Фиг. 1 или 3. На этапе 1610 обеспечивают наличие бурового снаряда и стопорной муфты. Буровой снаряд содержит поворотный корпус, соединенный со статором бурового двигателя, выполненный с возможностью установки в стволе скважины, и поворотный выходной вал, соединенный с приводным валом бурового двигателя, указанный поворотный выходной вал имеет центральную продольную ось, выровненную по отношению к центральной продольной оси поворотного корпуса. Стопорная муфта содержит множество подвижных стопорных блоков, соединенных с возможностью скольжения с поворотным выходным валом. Подвижные стопорные блоки выполнены с возможностью скольжения радиально внутрь и наружу по отношению к центральной продольной оси поворотного выходного вала и разнесены относительно друг друга по окружности вокруг поворотного выходного вала. Каждый из стопорных блоков имеет первую контактирующую грань и вторую контактирующую грань. Множество фиксируемых стопорных блоков соединяют с поворотным корпусом, располагают радиально вокруг выходного вала и разносят друг относительно друга по окружности на внутренней части поворотного корпуса на расстояние, достаточное для приема одного из подвижных стопорных блоков, когда он перемещается внутрь к центральной оси поворотного выходного вала. Каждый стопорный блок имеет первую контактирующую грань и вторую контактирующую грань. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления буровой снаряд может представлять собой приводной вал 210 и статор 24 по Фиг. 1, а стопорная муфта может представлять собой антистопорное устройство 100 или 300.
На этапе 1620 располагают буровой снаряд и стопорную муфту в стволе скважины. Например, бурильная колонна 20 и антистопорное устройство 100 могут быть спущены в ствол скважины 60.
На этапе 1630 статор бурового двигателя вращают с первой скоростью вращения. На этапе 1640 ротор бурового двигателя может вращаться относительно статора бурового двигателя со второй скоростью вращения, которая выше, чем первая скорость. Например, ротор 26 может вращаться относительно быстрее, чем статор 24.
На этапе 1640 подвижные стопорные блоки перемещаются наружу от центральной оси поворотного выходного вала под действием центробежной силы, достаточной для преодоления смещающего усилия, прилагаемого смещающим элементом к подвижным стопорным блокам. Например, вращение приводного вала 210 может обеспечивать вращение диска 600 в форме ласточкина хвоста и подвижных стопорных блоков 700, что может приводить к возникновению центробежных сил, действующих на подвижные стопорные блоки 700 для преодоления смещающего усилия, создаваемого пружинами 320.
На этапе 1650 скорость вращения поворотного выходного вала снижается по отношению к скорости вращения поворотного корпуса, в результате чего снижается центробежная сила на подвижных стопорных блоках. На этапе 1660 подвижные стопорные блоки перемещаются внутрь в направлении центральной оси в пределах суженных книзу соединений типа «ласточкин хвост» с помощью смещающего усилия, прилагаемого к подвижным стопорным блокам. Например, когда приводной вал 210 замедляется, силы тяжести и/или усилия пружин 320 могут становиться по величине относительно большими, чем центробежные силы, действующие на подвижные стопорные блоки 700, в результате чего они перемещаются радиально внутрь вдоль пазов 620 в форме ласточкина хвоста.
На этапе 1670 подвижные стопорные блоки зацепляются с фиксируемыми стопорными блоками. Например, в зацепленном состоянии, показанном на Фиг. 14A-14B, подвижный стопорный блок 700 зацепляется с фиксируемым стопорным блоком 860. На этапе 1680 крутящий момент передается от поворотного корпуса через стопорные блоки на поворотный выходной вал. Например, в зацепленном состоянии, показанном на Фиг. 13B и 14A-14B, вращательная энергия от статора 24 может быть передана на приводной вал 210 путем взаимодействия фиксируемых стопорных блоков 860 с подвижными стопорными блоками 700.
Хотя выше было подробно описаны несколько реализаций, возможны другие модификации. Например, для достижения желаемых результатов в логических потоках, изображенных на чертежах, не требуется точное следование показанному конкретному порядку или последовательности. Кроме того, могут быть предусмотрены другие этапы или этапы могут быть исключены из описанных потоков, а также другие компоненты могут быть добавлены в описанные системы или удалены из них. Соответственно, другие варианты реализации входят в объем прилагаемой формулы изобретения.
1. Cтопорная муфта для выборочной передачи крутящего момента от поворотного статора, соединенного с буровым двигателем, выполненным с возможностью установки в стволе скважины, и поворотным выходным валом, соединенным с поворотным ротором бурового двигателя, содержащая: множество скользящих стопорных блоков, соединенных с возможностью скольжения с поворотным выходным валом, причем указанные скользящие стопорные блоки выполнены с возможностью скольжения радиально внутрь и наружу по отношению к центральной продольной оси поворотного выходного вала, причем указанные скользящие стопорные блоки разнесены относительно друг друга по окружности вокруг поворотного выходного вала, причем каждый из указанных скользящих стопорных блоков содержит первую контактирующую грань и вторую контактирующую грань; и множество фиксируемых стопорных блоков, соединенных с поворотным статором, причем указанные фиксируемые стопорные блоки расположены радиально вокруг поворотного выходного вала и разнесены относительно друг друга по окружности на внутренней части поворотного статора на расстояние, достаточное для приема одного из скользящих стопорных блоков, когда он перемещается внутрь к центральной оси поворотного выходного вала, причем каждый из указанных фиксируемых стопорных блоков содержит первую контактирующую грань и вторую контактирующую грань.
2. Стопорная муфта по п. 1, дополнительно содержащая диск в форме ласточкина хвоста, соединенный с поворотным выходным валом, причем указанный диск в форме ласточкина хвоста содержит множество пазов в форме ласточкина хвоста, причем каждый из указанных пазов выполнен с возможностью приема со скольжением удлинителя в форме ласточкина хвоста одного из скользящих стопорных блоков.
3. Стопорная муфта по п. 2, в которой каждый из пазов в форме ласточкина хвоста отклонен вверх от плоскости, расположенной перпендикулярно к центральной оси поворотного выходного вала.
4. Стопорная муфта по п. 1, дополнительно содержащая смещающий элемент, соединенный с каждым из скользящих стопорных блоков, причем указанный смещающий элемент выполнен с возможностью со скольжением перемещать каждый из скользящих стопорных элементов внутрь к центральной продольной оси поворотного выходного вала, когда центробежная сила, воздействующая на каждый из скользящих стопорных блоков, снижена.
5. Стопорная муфта по п. 2, в которой диск в форме ласточкина хвоста дополнительно содержит множество первых кольцевых резьб на внутренней радиальной поверхности, а стопорная муфта дополнительно содержит: первый конический диск, содержащий множество вторых кольцевых резьб на наружной радиальной поверхности и выполненный с возможностью резьбового сопряжения с первыми кольцевыми резьбами, и коническую внутреннюю радиальную поверхность, имеющую первый диаметр на первом продольном торце и второй диаметр, отличный от первого диаметра, на втором продольном торце, противоположном первому продольному торцу; и первый ступенчатый вкладыш, содержащий коническую наружную радиальную поверхность, имеющий третий диаметр на третьем продольном торце, и четвертый диаметр, отличный от третьего диаметра, на четвертом продольном торце, противоположном третьему продольному торцу, и внутреннюю радиальную поверхность, содержащую множество продольных пазов и гребней, причем гребни имеют размер, позволяющий им контактировать с наружной радиальной поверхностью поворотного выходного вала.
6. Стопорная муфта по п. 1, дополнительно содержащая стопорный диск, соединенный с поворотным статором, причем указанный стопорный диск содержит множество фиксируемых стопорных блоков, расположенных радиально вокруг продольной торцевой грани стопорного диска.
7. Стопорная муфта по п. 6, в которой стопорный диск дополнительно содержит множество третьих кольцевых резьб на внутренней радиальной поверхности, а стопорная муфта дополнительно содержит: второй конический диск, содержащий множество четвертых кольцевых резьб на внутренней радиальной поверхности и выполненный с возможностью резьбового сопряжения с третьими кольцевыми резьбами, и коническую наружную радиальную поверхность, имеющую пятый диаметр на пятом продольном торце и шестой диаметр, отличный от пятого диаметра, на шестом продольном торце, противоположном пятому продольному торцу; и второй ступенчатый вкладыш, содержащий коническую внутреннюю радиальную поверхность, имеющий седьмой диаметр на седьмом продольном торце, и восьмой диаметр, отличный от седьмого диаметра, на восьмом продольном торце, противоположном седьмому продольному торцу, и наружную радиальную поверхность, содержащую множество продольных пазов и гребней, причем гребни имеют размер, позволяющий им контактировать с внутренней радиальной поверхностью поворотного статора.
8. Стопорная муфта по п. 1, в которой: первая контактирующая грань каждого скользящего стопорного блока и первая контактирующая грань каждого фиксируемого стопорного блока ориентированы с возможностью осуществления зацепления между скользящими стопорными блоками и фиксируемыми стопорными блоками, когда первая контактирующая грань каждого скользящего стопорного блока и первая контактирующая грань каждого фиксируемого стопорного блока контактируют; и, вторая контактирующая грань каждого скользящего стопорного блока и вторая контактирующая грань каждого фиксируемого стопорного блока ориентированы с возможностью продвижения соответствующего скользящего стопорного блока для перемещения наружу от центральной оси поворотного выходного вала и осуществления расцепления скользящих стопорных блоков и фиксируемых стопорных блоков, когда вторая контактирующая грань каждого скользящего стопорного блока и вторая контактирующая грань каждого фиксируемого стопорного блока контактируют.
9. Стопорная муфта по п. 1, в которой буровой двигатель представляет собой объемный двигатель типа Муано, причем поворотный статор стопорной муфты соединен с корпусом бурового двигателя, а поворотный выходной вал соединен с поворотным ротором бурового двигателя.
10. Стопорная муфта по п. 1, в которой буровой двигатель представляет собой двигатель турбинного типа, причем поворотный статор стопорной муфты соединен с корпусом бурового двигателя, а поворотный выходной вал соединен с поворотным ротором бурового двигателя.
11. Способ выборочной передачи крутящего момента от поворотного статора на поворотный выходной вал, расположенный в стволе скважины, согласно которому: обеспечивают наличие бурового снаряда, содержащего: поворотный корпус, соединенный с буровым двигателем, выполненным с возможностью установки в стволе скважины, и поворотным выходным валом, соединенным с поворотным ротором бурового двигателя, причем указанный поворотный выходной вал имеет центральную продольную ось, выровненную по отношению к центральной продольной оси поворотного статора; обеспечивают наличие стопорной муфты, содержащей: множество скользящих стопорных блоков, соединенных с возможностью скольжения с поворотным выходным валом, причем указанные скользящие стопорные блоки выполнены с возможностью скольжения радиально внутрь и наружу по отношению к центральной продольной оси поворотного выходного вала, причем указанные скользящие стопорные блоки разнесены относительно друг друга по окружности вокруг поворотного выходного вала, причем каждый из указанных стопорных блоков содержит первую контактирующую грань и вторую контактирующую грань; и множество фиксируемых стопорных блоков, соединенных с поворотным статором, причем указанные фиксируемые стопорные блоки расположены радиально вокруг выходного вала и разнесены относительно друг друга по окружности на внутренней части поворотного статора на расстояние, достаточное для приема одного из скользящих стопорных блоков, когда он перемещается внутрь к центральной оси поворотного выходного вала, причем каждый из указанных стопорных блоков содержит первую контактирующую грань и вторую контактирующую грань; распологают буровой снаряд и стопорную муфту в стволе скважины; вращают поворотный статор с первой скоростью вращения; вращают поворотный ротор бурового двигателя относительно поворотного статора со второй скоростью вращения, которая выше, чем первая скорость; и, перемещают скользящие стопорные блоки наружу от центральной оси поворотного выходного вала под действием центробежной силы, достаточной для преодоления смещающего усилия, приложенного смещающим элементом к скользящим стопорным блокам.
12. Способ по п. 11, дополнительно содержащий: снижение скорости вращения поворотного выходного вала по отношению к поворотному статору, в результате чего снижается центробежная сила на скользящих стопорных блоках; и перемещение скользящих стопорных блоков внутрь в направлении центральной оси в пределах суженных книзу соединений типа «ласточкин хвост» под действием смещающего усилия, приложенного к скользящим стопорным блокам.
13. Способ по п. 12, дополнительно содержащий: зацепление скользящих стопорных блоков с фиксируемыми стопорными блоками; передачу крутящего момента от поворотного статора через стопорные блоки на поворотный выходной вал.
14. Способ по п. 12, дополнительно содержащий перемещение скользящих стопорных блоков из заблокированного положения для обеспечения возможности вращения поворотного ротора бурового двигателя независимо от поворотного статора.
15. Способ по п. 11, согласно которому буровой двигатель представляет собой объемный двигатель, причем поворотный статор стопорной муфты соединен с поворотным статором бурового двигателя, а поворотный выходной вал соединен с поворотным ротором бурового двигателя.
16. Способ по п. 11, в которой буровой двигатель представляет собой двигатель турбинного типа, причем поворотный статор стопорной муфты соединен с корпусом бурового двигателя, а поворотный выходной вал соединен с поворотным ротором бурового двигателя.
