Встроенный механизм ослабления крутильных колебаний для бурового снаряда нефтяного месторождения

Группа изобретений относится к оборудованию нефтяных месторождений. Технический результат – обеспечение крутильных колебаний без необходимости повышения скорости долота или уменьшения весовой нагрузки на долото. Скважинный инструмент для ослабления крутильных колебаний содержит узел муфты свободного хода, выполненный с возможностью соединения бурильной колонны с буровым долотом и входа в контакт для передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту в первом направлении вращения бурильной колонны и отсоединения для предотвращения передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту во втором направлении вращения бурильной колонны, противоположном указанному первому направлению. Указанный узел муфты свободного хода содержит корпус муфты, имеющий в целом трубчатую форму и определяющий собой внутреннюю стенку с выполненным в ней шлицем скошенной формы, оправку муфты, на одной оси расположенную внутри указанного корпуса муфты и определяющую собой наружную стенку с выполненной в ней канавкой, клиновидный элемент, вставленный в указанную канавку и принудительно перемещаемый в радиальном направлении наружу до соприкосновения с указанной внутренней стенкой указанного корпуса муфты. При этом клиновидный элемент выполнен с возможностью входа в контакт с указанным шлицем для предотвращения неограниченного вращения указанного корпуса муфты по отношению к указанной оправке муфты в первом направлении и отсоединения от указанного шлица для обеспечения неограниченного вращения указанного корпуса муфты по отношению к указанной оправке муфты во втором направлении, противоположном первому направлению. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение в целом относится к оборудованию нефтяных месторождений и, в частности, к ослаблению крутильных колебаний в скважинных инструментах.

Уровень техники

Традиционными буровыми долотами являются среди прочих буровые долота режущего типа с поликристаллическими алмазными (PDC) вставками и резцами, использующие срезающее усилие для разрыва материала формации. Такие PDC-резцы и вставки подходят для режима постоянной нагрузки, но подвержены отказам под действием вибрации, дрожания и ударных усилий.

Соответственно крутильные колебания являются предметом серьезной заботы при бурении с использованием PDC-долот. В большинстве случаев крутильные колебания возникают по причине так называемого "прихвата-проскальзывания" (“stick-slip”). "Прихват-проскальзывание" возникает при резком снижении скорости или останове долота - например, когда долото упирается в твердую поверхность раздела пластов или в твердый пропласток. Несмотря на то, что буровое долото моментально замедляет или прекращает вращение, бурильная колонна продолжает непрерывное вращение, что вызывает скручивание бурильной колонны и накапливание колонной потенциальной энергии в режиме кручения. Это является стадией "прихвата" цикла "прихват-проскальзывание".

По мере скручивания бурильной колонны возрастает крутящий момент бурильной колонны, и длина бурильной колонны уменьшается. В определенный момент либо вследствие увеличенного крутящего момента бурильной колонны, либо по причине уменьшения длины бурильной колонны сокращается выполняемый долотом срез формации, формация сдвигается, и долото вновь вращается. Под воздействием высокой энергии, накопленной бурильной колонной, буровое долото принудительно высвобождается и разгоняется до избыточной скорости по мере "раскручивания" бурильной колонны. Это является стадией "проскальзывания" цикла "прихвата-проскальзывания".

"Прихват-проскальзывание" вызывает вибрацию, повторяющиеся соударения PDC-резцов с плоскостью забоя и колебание бурильной колонны. Проблему "прихвата-проскальзывания" решают обычно либо путем повышения скорости долота, либо путем уменьшения весовой нагрузки на долото. Однако желательно иметь инструмент, ослабляющий крутильные колебания без необходимости повышения скорости долота или уменьшения весовой нагрузки на долото.

Краткое описание чертежей

Далее варианты осуществления описаны более подробно со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1 представляет собой блок-схему буровой установки, соответствующей варианту осуществления изобретения, с изображением бурильной колонны и встроенной системы ослабления крутильных колебаний (такой, какая показана на фиг. 2) для бурения скважины в земле;

фиг. 2 представляет собой блок-схему встроенной системы ослабления крутильных колебаний, соответствующей предпочтительному варианту осуществления, с изображением утяжеленной бурильной трубы, узла муфты свободного хода, демпфера крутильных колебаний и компоновки низа бурильной колонны;

фиг. 3 представляет собой вид в осевом поперечном сечении узла муфты свободного хода и демпфера крутильных колебаний, показанных на фиг. 2;

фиг. 4 представляет собой укрупненный развернутый вид в осевом поперечном сечении части показанной на фиг. 3 муфты свободного хода (без её опорных подшипников) и части показанного на фиг. 3 демпфера крутильных колебаний; обе части изображены при снятом выходном вале (для ясности);

фиг. 5 представляет собой выполненный в вертикальной проекции вид в поперечном сечении узла, показанного на фиг. 4, иллюстрирующий соединение между узлом муфты свободного хода и демпфером крутильных колебаний, с изображением наружного корпуса муфты и внутренней оправки муфты узла муфты свободного хода, наружного корпуса и внутренней оправки демпфера крутильных колебаний;

фиг. 6 представляет собой вид в перспективе нижнего конца показанного на фиг. 4 узла муфты свободного хода с изображением наружного корпуса муфты, имеющего внутренние шлицы с односторонним скосом поверхности, внутренней оправки муфты, имеющей наружные продольные канавки, и расположенных между ними клиновидных элементов, создающих эффект механизма свободного хода;

фиг. 7А представляет собой укрупненный вид части узла муфты свободного хода, показанной на фиг. 6, с изображением клиновидного элемента в положении радиального смещения наружу, контактирующего с наружным корпусом муфты;

фиг. 7B представляет собой укрупненный вид части узла муфты свободного хода, показанной на фиг. 6, с изображением клиновидного элемента в положении радиального смещения вовнутрь, отсоединенного от наружного корпуса муфты;

фиг. 8 представляет собой укрупненный вид в перспективе центрирующего направляющего элемента узла муфты свободного хода, показанного на фиг. 6;

фиг. 9 представляет собой укрупненный вид в перспективе волнообразной пружины узла муфты свободного хода, показанной на фиг. 6;

фиг. 10 представляет собой вид в перспективе нижнего конца узла демпфера крутильных колебаний, показанного на фиг. 4, с изображением наружного корпуса демпфера, содержащего внутренние канавки, внутренней оправки демпфера, имеющей наружные продольные выступы, и пропускных лопастей, выполненных с возможностью скользящего перемещения внутри выступов;

фиг. 11 представляет собой укрупненный вид в перспективе пропускной лопасти узла демпфера крутильных колебаний, показанного на фиг. 10;

фиг. 12 представляет собой укрупненный вид части узла демпфера крутильных колебаний, показанного на фиг. 10, с изображением корпуса и оправки, образующих закрытую камеру текучей среды, и пропускной лопасти в положении радиального смещения наружу, контактирующей с наружной круговой стенкой корпуса демпфера с целью создания сопротивления по жидкостному потоку перемещению оправки и корпуса демпфера относительно друг друга;

фиг. 13 представляет собой иллюстративный график изменения скорости вращения во времени, на котором показаны изменения скорости вращения в компоновке низа бурильной колонны при наличии и при отсутствии инструмента, показанного на фиг. 2, в условиях крутильной вибрации; и

фиг. 14 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую способ ослабления крутильной вибрации согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

В данном раскрытии изобретения возможно повторение ссылочных номеров и/или буквенных обозначений в различных примерах. Данное повторение имеет целью упростить описание и сделать его более ясным и само по себе не подразумевает взаимосвязь между различными обсуждаемыми вариантами осуществления и/или конфигурациями. Кроме того, термины пространственного расположения (такие как "под", "ниже", "нижний", "над", "выше", "выше по стволу скважины", "ниже по стволу скважины", "выше по течению", "ниже по течению" и др.) могут быть использованы в данном документе для упрощения описания при обозначении взаимосвязи одного элемента или одного признака с другим элементом (элементами) или признаком (признаками), как показано на чертежах. Термины пространственного расположения имеют целью также раскрыть различные пространственные ориентации устройства во время его применения, или эксплуатации, в дополнение к ориентации, изображенной на чертежах. Например, если устройство изображено на чертежах в перевернутом положении, то элементы, описанные как находящиеся "под" другими элементами или признаками, или "ниже" них, будут находиться "выше" других элементов или признаков. То есть приведенный в качестве примера термин "ниже" может обозначать обе пространственные ориентации: выше и ниже. Устройство может быть расположено по-другому (повернуто на 90 градусов или установлено в другие положения), и используемые в данном документе обозначения относительного пространственного расположения также можно интерпретировать соответствующим образом.

На фиг. 1 показан буровой комплекс 120, содержащий встроенную систему 10 ослабления крутильной вибрации, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Буровой комплекс 120 может содержать наземную буровую установку 122. Однако идеи раскрытого здесь изобретения могут быть успешно реализованы на морских платформах, полупогружных буровых платформах, буровых судах и в любой другой буровой системе с возможностью формирования ствола скважины, проходящего через одну или большее количество глубинных формаций.

Буровая установка 122 может быть расположена вблизи устья 124 скважины. Буровая установка 122 также содержит поворотный стол 138 бурового ротора, приводной двигатель 140 ротора и другое оборудование, предназначенное для вращения бурильной колонны 132 внутри ствола 160 скважины. Возможно образование кольцевого пространства 166 между наружной стороной бурильной колонны 132 и внутренним диаметром ствола 160 скважины.

В некоторых вариантах применения буровая установка 122 может содержать также верхний силовой привод или блок 142 верхнего привода. Устье 124 скважины может быть оснащено также противовыбросовым превентором (не показан на чертежах) и другим оборудованием, связанным с бурением скважины. Возможно использование одного или большего количества насосов 148 для перекачивания бурового раствора 146 из резервуара или котлована 130 для текучей среды к концу бурильной колонны 132, проходящей от устья 124 скважины. Для подачи бурового раствора от насоса 148 к концу бурильной колонны 132, проходящей от устья скважины 124, можно использовать трубопровод 134. Трубопровод 136 можно использовать для передачи в обратном направлении бурового раствора, выбуренной породы и/или обломков породы со дна или от конца 162 ствола 160 скважины в резервуар или котлован 130 для текучей среды. В качестве трубопроводов 134 и 136 можно использовать трубы, трубки и трубопроводы разных типов.

Бурильная колонна 132 может проходить от устья 124 скважины и может быть соединена с системой подачи бурового раствора, например, из котлована или резервуара 130. На противоположном конце бурильной колонны 132 могут быть расположены компоновка 190 низа бурильной колонны и вращающееся буровое долото 100, находящееся вблизи конца 162 ствола 160 скважины. Вращающееся буровое долото 100 может содержать один или большее количество проходных каналов для текучей среды с соответствующими насадками на их концах. Возможно перекачивание буровых растворов 146 из резервуара 130 через насос 148 и трубопровод 134 к концу бурильной колонны 132, проходящей от устья скважины 124. Возможно протекание бурового раствора 146 через продольное проходное отверстие (не показано на чертежах) бурильной колонны 132 с выпуском через насадки, смонтированные во вращающемся буровом долоте 100.

На конце 162 ствола 160 скважины возможно перемешивание бурового раствора 146 с выбуренной породой и другими скважинными обломками вблизи бурового долота 100. Далее буровой раствор протекает вверх через кольцевое пространство 166 для передачи в обратном направлении выбуренной породы и других скважинных обломков к устью 124 скважины. По трубопроводу 136 возможна передача бурового раствора обратно в резервуар 130. Для удаления из выбуренной породы и других скважинных обломков породы из бурового раствора перед его возвратом бурового раствора в котлован 130 могут быть задействованы сетки, фильтры и/или центробежные сепараторы различных типов (не показаны на чертежах).

Компоновка 190 низа бурильной колонны содержит встроенную систему 10 ослабления крутильной вибрации в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения. Компоновка 190 низа бурильной колонны может содержать также различные другие инструменты 191, например, для получения каротажных данных или результатов измерений и другой информации со дна ствола 160 скважины. Результаты измерений и другую информацию можно передавать от конца 162 ствола 160 скважины по бурильной колонне 132 по известным методикам выполнения измерений во время бурения и преобразовывать в электрические сигналы на поверхности 124 скважины, чтобы среди прочего контролировать функционирование бурильной колонны 132, компоновки 190 низа бурильной колонны и соответствующего бурового долота 100.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему инструмента 10 ослабления крутильной вибрации в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления. Инструмент 10 является в своей основе механическим инструментом, которому не требуются какие-либо электронные средства и регуляторы. Инструмент 10 в идеальном варианте исполнения содержит узел 12 муфты свободного хода, узел 14 демпфера крутильных колебаний и может быть подсоединен между бурильной колонной или утяжеленной бурильной трубой 16 и компоновкой 18 низа бурильной колонны.

Узел 12 муфты свободного хода обеспечивает передачу крутящего усилия от бурильной колонны или утяжеленной бурильной трубы 16 к компоновке 18 низа бурильной колонны только в одном направлении. На стадии "проскальзывания" цикла "прихват-проскальзывание", когда долото стремится разогнаться до избыточной скорости, узел 12 муфты свободного хода отсоединяет компоновку 18 низа бурильной колонны от конца бурильной колонны или утяжеленной бурильной трубы 16, к которой подсоединен узел 12 муфты свободного хода.

Узел 14 демпфера крутильных колебаний ослабляет ударные нагрузки от вращательного движения, возникающие от внезапного вхождения в контакт во время работы узла 12 муфты свободного хода. Дополнительно узел 14 демпфера крутильных колебаний ослабляет крутильные колебания, исходящие дополнительно из других источников, включая вибрацию, передаваемую бурильной колонной.

Фиг. 3 представляет собой вид в поперечном сечении инструмента 10 согласно предпочтительному варианту осуществления. На верхнем конце инструмента 10 имеется верхний 20 корпус муфты, подсоединенный к бурильной колонне или утяжеленной бурильной трубе 16 (см. фиг. 2) обычным способом, известным отраслевым специалистам (например, с помощью резьбы). Например, может быть использован штыревой конец (не показан на чертежах). На нижнем конце инструмента 10 может быть установлена соединительная коробка 22, например, для соединения с компоновкой 18 низа бурильной колонны (см. фиг. 2).

Соединительная коробка 22 установлена на нижнем конце выходного вала 30, который, в свою очередь, совершает вращательное движение через верхний корпус 20 муфты посредством узла 40 опорных подшипников, расположенного внутри узла 12 муфты свободного хода. Осевая весовая нагрузка на долото передается от бурильной колонны или утяжеленной бурильной трубы 16 к компоновке 18 низа бурильной колонны (см. фиг. 2) через верхний корпус 20 муфты, узел 40 опорных подшипников и выходной вал 30.

Как показано на фиг. 3-7B, муфта 12 свободного хода содержит нижний корпус 24 муфты, соединенный с помощью резьбы или другим способом с основанием верхнего корпуса 20 муфты. Как показано на фиг. 6-7B, во внутренней поверхности нижнего корпуса 24 муфты продольно ориентированные шлицы (serration) 26 с односторонним скосом поверхности.

Оправка 50 муфты, имеющая обычно трубчатую форму, располагается на одной оси с нижним корпусом 24 муфты. Оправка 50 муфты содержит продольные канавки 52, проделанные в её наружной круговой поверхности. Предпочтительно (хотя и не обязательно), чтобы количество канавок 52 в оправке 50 муфты совпадало с количеством шлицев 26 в нижнем корпусе 24 муфты.

Как показано на фиг. 7-9, в каждой канавке 52 располагаются продольный клиновидный элемент 54, пружина 56 и два центрирующих направляющих элемента 58. Пружина 56 напирает на клиновидный элемент 54 в радиальном направлении наружу от оправки 50 муфты. Центрирующие направляющие элементы 58 осуществляют угловое выравнивание пружины 46 и клиновидного элемента 54 внутри канавки 52. В предпочтительном варианте осуществления пружина 56 представляет собой пластинчатую пружину с линейной зависимостью деформации от нагрузки, легко сжимаемую клиновидным элементом 54, что позволяет минимизировать разрывы и износ.

Как показано на фиг. 7А, в обычном режиме бурения нижний корпус 24 муфты вращается в направлении, обозначенном стрелкой 55. Клиновидный элемент 54 узла 12 муфты свободного хода, на который напирает пружина 56 в радиальном направлении наружу, постоянно находится в контакте с остроугольной частью 27 шлица 26 нижнего корпуса 24 муфты так, что крутящее усилие бурения целиком передается от нижнего корпуса 24 муфты оправке 50 муфты таким же способом, как при обычном шлицевом зацеплении.

В состоянии "прихвата-проскальзывания" крутящее усилие передается на стадии прихвата по мере продолжения вращения бурильной колонны 16 (см. фиг. 2). Когда буровое долото окончательно высвобождается и начинается раскручивание бурильной колонны, компоновка 18 низа бурильной колонны стремится к вращению с избыточной скоростью под влиянием потенциальной энергии крутильных колебаний, накопленной в бурильной колонне. Если оправка 50 вращается быстрее нижнего корпуса 24 муфты, как показывает вектор 57 относительной скорости на фиг. 7В, клиновидный элемент 54 входит в контакт со скошенной под небольшим углом наклонной поверхностью 28 шлица 26, которая оказывает на него силовое воздействие в радиальном направлении вовнутрь, что приводит к сжатию пружины 56 и тем самым позволяет шлицу 26 "соскользнуть" за клиновидный элемент 54. Таким образом, при вращении оправки 50 со скоростью, превышающей скорость нижнего корпуса 24 муфты, обеспечивается развязка нижнего корпуса 24 муфты относительно оправки 50 по крутильным колебаниям.

Благодаря узлу 12 муфты свободного хода развязка компоновки 18 низа бурильной колонны относительно момента сил поверхностного трения сохраняется, пока ее скорость не снижается под воздействием трения, например, на долоте и на стабилизаторах. Когда скорость компоновки низа бурильной колонны сравнивается со скоростью бурильной колонны на позиции, где она соединяется с узлом 12 муфты свободного хода, клиновидный элемент 54 вновь входит в контакт с частью 27 шлица 26, и заново начинается передача крутящего усилия. Специалистам со средним уровнем знаний в данной области будет понятно, что контактные поверхности соответствующих компонентов могут быть изготовлены из материалов с конкретными характеристиками трения, обеспечивающими требуемый порог перед соскальзыванием. Например, клиновидный элемент 54 может быть изготовлен из материала с коэффициентом трения, выбранным так, чтобы соскальзывание по отношению к наклонной поверхности 28 происходило при определенном усилии или при определенной скорости вращения. Аналогично, пружины 56 можно отрегулировать для обеспечения требуемого контакта силами трения между клиновидным элементом 54 и наклонной поверхностью 28.

Для минимизации ударной нагрузки при новом вхождении в контакт муфты 12 свободного хода предлагается в качестве необязательного компонента узел 14 демпфера крутильных колебаний. Как показано на фиг. 3-5 и 10-12, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения узел 14 демпфера крутильных колебаний содержит трубчатый верхний корпус 60 демпфера и нижний трубчатый корпус 62 демпфера. Нижний корпус 62 демпфера соединен с верхним корпусом 60 демпфера с помощью резьбы или другим способом, известным средним специалистам в данной области. Верхний корпус 60 демпфера имеет верхний конец уменьшенного диаметра, расположенный внутри оправки 50 муфты 12 свободного хода и соединенный с её нижним концом методом резьбового, обжимного или другого подходящего соединения. Соответственно во время обычного бурения верхнему корпусу 60 демпфера и нижнему корпусу 62 демпфера передается крутящее усилие бурильной колонны, но в состоянии с избыточной скоростью они находятся в режиме свободного хода.

Внутри верхнего и нижнего корпусов (60 и 62) демпфера узел 14 демпфера крутильных колебаний содержит на одной оси расположенную оправку 70 демпфера. На внутренней стенке нижнего корпуса 62 демпфера имеется ряд проделанных в ней продольных канавок 64, а наружная круговая поверхность оправки 70 содержит образованные на ней продольные выступы 72, количество которых совпадает с количеством канавок. Выступы 72 входят в канавки 64 и контактируют внутри них, как при шлицевом зацеплении, за тем исключением, что угловой размер каждого выступа 72 является меньшим по сравнению с угловым размером каждой канавки 64, чтобы обеспечить определенный угловой зазор между оправкой 70 демпфера и нижним корпусом 62 демпфера. Это значит, что нижний корпус 62 демпфера имеет возможность ограниченного вращательного перемещения по отношению к оправке 70 демпфера. Полость между оправкой 70 демпфера и канавками 64 определяет собой закрытую камеру 76 текучей среды. Хотя в целях ясности восприятия это не показано на чертежах, средний специалист в данной области понимает, что верхний и нижний концы камеры 76 текучей среды уплотняют соответствующим материалом. Камера 76 текучей среды содержит вязкий жидкостный поглотитель энергии крутильных колебаний - см. последующее описание.

Как показано на фиг. 12, внутри каждого выступа 72 на оправке 70 демпфера имеется радиально ориентированная посадочная выемка 74. Пропускная лопасть 78 действует в качестве ограничителя расхода, совершает скользящее перемещение внутри каждой посадочной выемки 74 и подпирается в радиальном направлении наружу пружиной 79 так, чтобы входить в контакт с наружной круговой поверхностью канавки 64 и тем самым создавать препятствия, или ограничения свободному протеканию жидкости внутри канавки 64. Чтобы пройти через лопасть и предоставить оправке 70 демпфера возможность перемещения относительно нижнего корпуса 62 демпфера, вязкая жидкость должна преодолеть усилие, приложенное пружиной 79 для смещения пропускной лопасти 78 вовнутрь. Таким способом узел 14 демпфера крутильных колебаний создает эффект демпфирования при новом вхождении в контакт узла 12 муфты свободного хода.

Как показано на фиг. 4-6 и 10, внутренняя круговая поверхность оправки 50 муфты и оправки 70 демпфера могут содержать внутренний профиль 34, подходящий для вхождения в контакт с дополнительной возвышенной частью 32 выходного вала 30 (см. фиг. 3). Внутренний профиль 34 и возвышенная часть предпочтительно содержат плоские или посадочные части 32 для передачи крутящего усилия. В показанном варианте осуществления возвышенная часть 32 выходного вала контактирует только с внутренним профилем 34 узла 14 демпфера крутильных колебаний. Крутящее усилие передается от бурильной колонны или утяжеленной бурильной трубы 16 к компоновке 18 низа бурильной колонны через верхний корпус 20 муфты, нижний корпус 24 муфты, клиновидные элементы 54, оправку 50 муфты, верхний корпус 60 демпфера, нижний корпус 62 демпфера, оправку 70 демпфера и выходной вал 30.

В альтернативном варианте осуществления узел 14 демпфера крутильных колебаний отсутствует. В этом случае возвышенная часть 32 выходного вала 30 контактирует с внутренним профилем 34 узла 12 муфты свободного хода. Крутящее усилие передается от бурильной колонны или утяжеленной бурильной трубы 16 к компоновке 18 низа бурильной колонны через верхний корпус 20 муфты, нижний корпус 24 муфты, клиновидные элементы 54, оправку 50 муфты и выходной вал 30.

На фиг. 13 представлен график, наглядно иллюстрирующий действие инструмента 10. Как правило, когда на бурильную колонну действуют крутильные колебания, вся колонна приводится во вращательно-колебательное движение под действием силы возбуждения, доминирующей на одной частоте, расположенной вблизи собственной частоты вибрации системы. Такая естественная реакция без демпфирования показана верхней сплошной линий 80 на фиг. 13. При наличии инструмента 10 узел 12 муфты свободного хода отсоединяет компоновку 18 низа бурильной колонны от бурильной колонны в состояниях с избыточной скоростью. Это отсоединение приводит к резкому изменению собственных частот системы для крутильных колебаний и вызывает ослабление синхронного возбуждения под воздействием внешних сил. Демпфер 14 крутильных колебаний дополнительно ослабляет колебания. Совместное действие узла 12 муфты свободного хода и демпфера 14 крутильных колебаний иллюстрируется на фиг. 13 штриховой линией 82 под линией 80 естественной реакции на крутильные колебания. То есть на фиг. 13 показано изменение скорости вращения (об/мин) в компоновке 18 низа бурильной колонны по отношению к крутильным колебаниям при наличии и при отсутствии инструмента 10.

На фиг. 14 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ ослабления крутильных колебаний, реализуемый посредством описанных выше инструментов и системы. На шаге 200 выполняется бурение скважины путем вращения бурильной колонны для приведения во вращение бурового долота. В обычном режиме работы крутящее усилие передается от бурильной колонны к буровому долоту в первом направлении. На шаге 202 при возникновении заранее определенного состояния бурильная колонна отсоединяется или отцепляется от бурового долота (или от компоновки низа бурильной колонны - по ситуации). В результате, крутящее усилие не передается от бурильной колонны к буровому долоту. То есть, иными словами, когда буровое долото разгоняется до избыточной скорости, бурильная колонна отсоединяется. Поэтому предварительно заданным состоянием является то, в котором буровое долото (или компоновка низа бурильной колонны) имеют скорость вращения ниже скорости вращения бурильной колонны. Как только разность между скоростью вращения бурильной колонны и скоростью бурового долота падает ниже заранее заданного порога, соединение между бурильной колонной и буровым долотом восстанавливается.

На шаге 204 предпочтительно (хотя и не обязательно во всех вариантах осуществления) демпфируются любые ударные нагрузки - такие, как при сцеплении с муфтой свободного хода. В частности, для ослабления крутильных колебаний между бурильной колонной и буровым долотом может быть использована вязкая жидкость.

Резюмируя предшествующее изложение, были описаны система бурения и способ ослабления крутильных колебаний. Варианты реализации скважинного инструмента могут в целом включать в себя узел муфты свободного хода, предназначенный для соединения бурильной колонны с буровым долотом, причем узел муфты свободного хода входит в контакт для передачи крутящего усилия от бурильной колонны к буровому долоту в первом направлении вращения и отсоединяется для предотвращения передачи крутящего усилия от бурильной колонны к буровому долоту во втором направлении вращения, противоположном первому направлению. Варианты реализации системы бурения могут в целом включать в себя бурильную колонну с присоединенным к ней буровым долотом и узел муфты свободного хода, предназначенный для соединения бурильной колонны с буровым долотом, причем узел муфты свободного хода входит в контакт для передачи крутящего усилия от бурильной колонны к буровому долоту в первом направлении вращения и отсоединяется для предотвращения передачи крутящего усилия от бурильной колонны к буровому долоту во втором направлении вращения, противоположном первому направлению. Варианты реализации способа ослабления крутильных колебаний могут в целом включать в себя задействование узла муфты свободного хода, предназначенной для соединения бурильной колонны с буровым долотом, причем узел муфты свободного хода входит в контакт для передачи крутящего усилия от бурильной колонны к буровому долоту в первом направлении вращения и отсоединяется для предотвращения передачи крутящего усилия от бурильной колонны к буровому долоту во втором направлении вращения, противоположном первому направлению.

Любой из описанных выше вариантов осуществления изобретения может включать в себя любые из перечисленных ниже элементов или характеристик, по отдельности или в сочетании между собой; узел демпфера крутильных колебаний, соединенный с узлом муфты свободного хода; узел демпфера крутильных колебаний располагается между узлом муфты свободного хода и буровым долотом; узел демпфера крутильных колебаний содержит первый элемент, второй элемент, приводимый в действие первым элементом и имеющий ограниченную свободу вращательного перемещения по отношению к первому элементу, причем первый элемент и второй элемент совместно определяют расположенную между ними камеру текучей среды, и поступающая в камеру жидкость, причем перемещение первого и второго элементов относительно друг друга демпфируется жидкостью; ограничитель расхода, расположенный в камере; первым элементом является трубчатый корпус демпфера, определяющий собой внутреннюю стенку с проделанной в ней канавкой, а вторым элементом является оправка демпфера, на одной оси расположенная внутри корпуса демпфера и определяющая наружную стенку с образованным на ней выступом, причем выступ умещается в канавке; первым элементом является трубчатый корпус демпфера, определяющий внутреннюю стенку с множеством проделанных в ней продольных канавок, а вторым элементом является оправка демпфера, на одной оси расположенная внутри корпуса демпфера и определяющая наружную стенку с множеством образованных на ней продольных выступов, причем каждый выступ умещается в одной из множества канавок; выходной вал, подсоединенный к оправке демпфера и приводимый ею во вращательное движение, причем выходной вал имеет нижний конец, приспособленный к соединению с буровым долотом; опорный подшипник, подсоединенный между узлом муфты свободного хода и выходным валом, причем оправка демпфера имеет трубчатую форму и часть выходного вала на одной оси расположена внутри оправки демпфера; узел муфты свободного хода содержит корпус в целом трубчатой формы, определяющий собой внутреннюю стенку с проделанным в ней скошенным шлицем, причем оправка муфты на одной оси расположена внутри корпуса муфты и определяет наружную стенку с проделанной в ней канавкой; умещающийся внутри канавки клиновидный элемент, принудительно перемещаемый в радиальном направлении наружу до соприкосновения с внутренней стенкой корпуса муфты, причем клиновидный элемент контактирует со шлицем для предотвращения неограниченного вращения корпуса муфты по отношению к оправке муфты в первом направлении и отсоединяется от шлица для обеспечения неограниченного вращения корпуса муфты по отношению к оправке муфты во втором направлении, противоположном первому; узел муфты свободного хода содержит корпус в целом трубчатой формы, определяющий внутреннюю стенку с множеством проделанных в ней скошенных шлицев, причем оправка муфты на одной оси расположена внутри корпуса муфты и определяет наружную стенку с множеством проделанных в ней канавок, и множество клиновидных элементов, причем каждая из множества канавок вмещает в себя одного из множества клиновидных элементов, вставляемых в канавки и принудительно перемещаемых в радиальном направлении наружу до соприкосновения с внутренней стенкой корпуса муфты, причем множество клиновидных элементов контактирует с множеством шлицев для предотвращения неограниченного вращения корпуса муфты по отношению к оправке муфты в первом направлении и отсоединяется от множества шлицев для обеспечения неограниченного вращения корпуса муфты по отношению к оправке муфты во втором направлении вращения, противоположном первому; пружина, расположенная между клиновидным элементом и канавкой так, чтобы напирать на клиновидный элемент в радиальном направлении наружу до прижатия к внутренней стенке; пружина представляет собой пластинчатую пружину с линейной зависимостью деформации от нагрузки; узел муфты свободного хода автоматически входит в механический контакт для передачи крутящего усилия от бурильной колонны к буровому долоту в первом направлении вращения и отсоединяется для предотвращения передачи крутящего момента от бурильной колонны к буровому долоту во втором направлении, противоположном первому; задействование узла демпфера крутильных колебаний, расположенного между узлом муфты свободного хода и буровым долотом; демпфирование ударной нагрузки узла муфты свободного хода, входящего в контакт, узлом демпфера крутильных колебаний; автоматическое вхождение в контакт с узлом муфты свободного хода для передачи крутящего усилия от бурильной колоны к буровому долоту в первом направлении вращения; и автоматическое отсоединение узла муфты свободного хода для предотвращения передачи крутящего усилия от бурильной колонны к буровому долоту во втором направлении вращения, противоположном первому направлению вращения.

Реферат раскрытого здесь изобретения разработан исключительно для передачи его в Бюро регистрации патентов и торговых марок США и представления более широкой аудитории способа быстрого определения характера и сущности технического описания после беглого прочтения и отображает лишь один или большее количество вариантов осуществления.

Хотя подробно проиллюстрированы различные варианты осуществления, изобретение не ограничивается представленными вариантами осуществления. Для специалистов в данной области техники будут очевидны возможные усовершенствования и доработки представленных выше вариантов осуществления. Эти усовершенствования и доработки не отступают от сущности и входят в объем настоящего изобретения.

1. Скважинный инструмент для ослабления крутильных колебаний, содержащий:

узел муфты свободного хода, выполненный с возможностью соединения бурильной колонны с буровым долотом и входа в контакт для передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту в первом направлении вращения бурильной колонны и отсоединения для предотвращения передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту во втором направлении вращения бурильной колонны, противоположном указанному первому направлению,

при этом указанный узел муфты свободного хода содержит:

корпус муфты, имеющий в целом трубчатую форму и определяющий собой внутреннюю стенку с выполненным в ней шлицем скошенной формы;

оправку муфты, на одной оси расположенную внутри указанного корпуса муфты и определяющую собой наружную стенку с выполненной в ней канавкой;

клиновидный элемент, вставленный в указанную канавку и принудительно перемещаемый в радиальном направлении наружу до соприкосновения с указанной внутренней стенкой указанного корпуса муфты; причем

указанный клиновидный элемент выполнен с возможностью входа в контакт с указанным шлицем для предотвращения неограниченного вращения указанного корпуса муфты по отношению к указанной оправке муфты в первом направлении и отсоединения от указанного шлица для обеспечения неограниченного вращения указанного корпуса муфты по отношению к указанной оправке муфты во втором направлении, противоположном первому направлению.

2. Скважинный инструмент по п. 1, дополнительно содержащий:

узел демпфера крутильных колебаний, соединенный с указанным узлом муфты свободного хода.

3. Скважинный инструмент по п. 2, в котором:

указанный узел демпфера крутильных колебаний расположен между указанным узлом муфты свободного хода и указанным буровым долотом.

4. Скважинный инструмент по п. 2, в котором указанный узел демпфера крутильных колебаний содержит:

первый элемент, приводимый в действие посредством вращения указанной бурильной колонны;

второй элемент, приводимый в действие вращением указанного первого элемента и имеющий ограниченную свободу вращательного перемещения по отношению к указанному первому элементу, причем указанный первый элемент и указанный второй элемент совместно определяют собой камеру текучей среды между ними;

ограничитель расхода, помещенный в указанную камеру; и

текучую чреду, поступающую в указанную камеру; причем

перемещение первого и второго указанных элементов относительно друг друга демпфируется указанной текучей средой.

5. Скважинный инструмент по п. 4, в котором:

указанный первый элемент представляет собой трубчатый корпус демпфера, определяющий собой внутреннюю стенку с выполненной в ней канавкой; и

указанный второй элемент представляет собой оправку демпфера, на одной оси расположенную внутри указанного корпуса демпфера и определяющую собой наружную стенку с образованным на ней выступом, причем указанный выступ принимается указанной канавкой.

6. Скважинный инструмент по п. 5, дополнительно содержащий:

выходной вал, соединенный с указанной оправкой демпфера и приводимый ею во вращательное движение, причем указанный выходной вал имеет нижний конец, выполненный с возможностью соединения с указанным буровым долотом; и

опорный подшипник, соединенный между указанным узлом муфты свободного хода и указанным выходным валом; причем

указанная оправка демпфера имеет трубчатую форму и часть указанного выходного вала на одной оси расположена внутри указанной оправки демпфера.

7. Скважинный инструмент по п. 1, в котором:

указанный узел муфты свободного хода выполнен с возможностью автоматического входа в механический контакт для передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту в первом направлении вращения и отсоединения для предотвращения передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту во втором направлении вращения, противоположном первому направлению.

8. Способ ослабления внутрискважинных крутильных колебаний, включающий в себя:

соединение узла муфты свободного хода между бурильной колонной и буровым долотом;

вращение указанной бурильной колонны в первом направлении;

вхождение в контакт с указанным узлом свободного хода для запрета перемещения указанной бурильной колонны и указанного бурового долота относительно друг друга с тем, чтобы обеспечить передачу крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту; и

отсоединение указанного узла муфты свободного хода, чтобы разрешить перемещение указанной бурильной колонны и указанного бурового долота относительно друг друга на время, пока указанное буровое долото вращается в указанном первом направлении быстрее, чем указанная бурильная колонна, с целью предотвратить передачу крутящего усилия между указанной бурильной колонной и указанным буровым долотом.

9. Способ по п. 8, дополнительно включающий в себя:

обеспечение узла демпфера крутильных колебаний, расположенного между указанным узлом муфты свободного хода и указанным буровым долотом; и

демпфирование ударной нагрузки узла муфты свободного хода, входящего в контакт, указанным узлом демпфера крутильных колебаний.

10. Способ по п. 8, дополнительно включающий в себя:

автоматическое вхождение в контакт с указанным узлом свободного хода для передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту, когда указанная бурильная колонна принуждена к вращению быстрее, чем указанное буровое долото; и

автоматическое отсоединение указанного узла муфты свободного хода для предотвращения передачи крутящего усилия между указанной бурильной колонной и указанным буровым долотом, когда указанное буровое долото принуждено к вращению быстрее, чем указанная бурильная колонна.

11. Система бурения, содержащая:

бурильную колонну с присоединенным к ней буровым долотом;

узел муфты свободного хода, соединенный между указанной бурильной колонной и указанным буровым долотом, причем указанный узел муфты свободного хода выполнен с возможностью входа в контакт для передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту в первом направлении вращения бурильной колонны и отсоединяется для предотвращения передачи крутящего усилия от указанной бурильной колонны к указанному буровому долоту во втором направлении вращения бурильной колонны, противоположном указанному первому направлению,

при этом указанный узел муфты свободного хода содержит:

корпус муфты, имеющий в целом трубчатую форму и определяющий собой внутреннюю стенку с выполненным в ней скошенным шлицем;

оправку муфты, на одной оси расположенную внутри указанного корпуса муфты и определяющую собой наружную стенку с выполненной в ней канавкой;

клиновидный элемент, помещенный вовнутрь указанной канавки и принудительно перемещаемый в радиальном направлении наружу до соприкосновения с указанной внутренней стенкой указанного корпуса муфты; причем

указанный клиновидный элемент выполнен с возможностью входа в контакт с указанным шлицем для предотвращения неограниченного вращения указанного корпуса муфты по отношению к указанной оправке муфты в первом направлении и отсоединения от указанного шлица для обеспечения неограниченного вращения указанного корпуса муфты по отношению к указанной оправке муфты во втором направлении, противоположном первому направлению.

12. Система бурения по п. 11, дополнительно содержащая:

узел демпфера крутильных колебаний, соединенный с указанным узлом муфты свободного хода.

13. Система бурения по п. 11, в которой:

указанный узел демпфера крутильных колебаний расположен между указанным узлом муфты свободного хода и указанным буровым долотом.

14. Система бурения по п. 11, в которой указанный узел демпфера крутильных колебаний содержит:

первый элемент, приводимый в действие вращением указанной бурильной колонны;

второй элемент, приводимый в действие вращением указанного первого элемента и имеющий ограниченную свободу вращательного перемещения по отношению к указанному первому элементу, причем указанный первый элемент и указанный второй элемент совместно определяют собой камеру текучей среды между ними;

ограничитель расхода, помещенный в указанную камеру; и

текучую среду, поступающую в указанную камеру; причем

перемещение первого и второго указанных элементов относительно друг друга демпфируется указанной текучей средой.

15. Система бурения по п. 14, в которой:

указанный первый элемент представляет собой трубчатый корпус демпфера, определяющий собой внутреннюю стенку с выполненной в ней канавкой; и

указанный второй элемент представляет собой оправку демпфера, на одной оси расположенную внутри указанного корпуса демпфера и определяющую собой наружную стенку с образованным на ней выступом, причем указанный выступ принимается в указанной канавке.

16. Система бурения по п. 14, в которой:

указанный первый элемент представляет собой трубчатый корпус демпфера, определяющий собой внутреннюю стенку с множеством выполненных в ней канавок; и

указанный второй элемент представляет собой оправку демпфера, на одной оси расположенную внутри указанного корпуса демпфера и определяющую собой наружную стенку с множеством образованным на ней продольных выступов, причем каждый из выступов умещается в одной из указанного множества канавок.

17. Система бурения по п. 11, в которой указанный узел муфты свободного хода содержит:

корпус муфты, имеющий в целом трубчатую форму и определяющий собой внутреннюю стенку с множеством выполненных в ней скошенных шлицев;

оправку муфты, на одной оси расположенную внутри указанного корпуса муфты и определяющую собой наружную стенку с множеством выполненных в ней канавок;

множество клиновидных элементов, причем каждая из указанного множества канавок содержит один из указанных клиновидных элементов, помещенный в нее и принудительно перемещаемый в радиальном направлении наружу до соприкосновения с указанной внутренней стенкой указанного корпуса муфты; причем

указанное множество клиновидных элементов выполнено с возможностью входа в контакт с указанным множеством шлицев для предотвращения неограниченного вращения указанного корпуса муфты по отношению к указанной оправке муфты в первом направлении и отсоединения от указанного множества шлицев для обеспечения неограниченного вращения указанного корпуса муфты по отношению к указанной оправке муфты во втором направлении, противоположном первому направлению.

18. Система бурения по п. 11, в которой указанный узел муфты свободного хода дополнительно содержит:

пружину, установленную между указанным клиновидным элементом и указанной канавкой с целью принудительного перемещения указанного клиновидного элемента в радиальном направлении наружу до соприкосновения с указанной внутренней стенкой указанного корпуса муфты.