буровое устройство, устройство регулирования скорости вращения бурильного инструмента и способ бурения

Формула изобретения

1. Буровое устройство, включающее буровой рабочий орган, кавитационный шнековый забойный двигатель, связанный крутящим моментом с рабочим органом, узел гидрораспределителя, связанный крутящим моментом с вышеназванным шнековым двигателем и выполненный с возможностью регулирования потока бурового раствора через вышеназванный шнековый двигатель, исполнительный двигатель, выполненный с возможностью управления узлом гидрораспределителя, и электронный подблок управления исполнительным двигателем.

2. Устройство по п.1, в котором кавитационный шнековый забойный двигатель связан с узлом гидрораспределителя посредством приводного вала.

3. Устройство по п.1, в котором узел гидрораспределителя содержит верхний золотниковый клапан и нижний золотниковый клапан, установленные с возможностью скольжения относительно друг друга и регулировки их между открытым положением, при котором поток бурового раствора из вышеуказанного шнекового двигателя протекает между верхним указанным клапаном и нижним указанным клапаном, и закрытым положением, при котором прохождение потока между верхним и нижним указанными клапанами закрыто.

4. Устройство по п.3, в котором верхний и нижний золотниковые клапаны имеют сопряженные конические поверхности.

5. Устройство по п.4, в котором верхний и нижний клапаны выполнены в виде усеченных конусов.

6. Устройство по п.1, в котором клапаны выбраны из группы, включающей шариковый клапан, задвижку, проходной клапан, конический клапан, игольчатый клапан, диафрагменный клапан и дроссельный клапан.

7. Устройство по любому из пп.1-6, которое дополнительно содержит по меньшей мере одно выходное отверстие, выполненное с возможностью выхода бурового раствора, поступающего в узел гидрораспределителя.

8. Устройство по п.7, которое дополнительно включает удлиненный цилиндрический корпус инструмента, в котором установлен шнековый двигатель, узел гидрораспределителя, исполнительный двигатель и электронный подблок, а по меньшей мере одно из выходных отверстий проходит через стенку корпуса от узла гидрораспределителя.

9. Устройство по любому из пп.1-6, в котором электронный подблок содержит по меньшей мере один датчик, выбранный из группы, включающей акселерометр, датчик наклона, азимутальный датчик, датчик скорости вращения и датчик давления.

10. Устройство регулирования скорости вращения бурильного инструмента, включающее удлиненный цилиндрический корпус инструмента, кавитационный шнековый забойный двигатель, содержащий корпус, статор, расположенный в центральном отверстии корпуса, и ротор, имеющий верхний и нижний концы и установленный внутри статора, приводной вал, снабженный корпусом, в котором выполнено отверстие для приводного вала, и имеющий верхний конец и нижний конец, связанный с верхним концом ротора, узел гидрораспределителя, расположенный с образованием затрубного пространства со стенкой корпуса инструмента, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие, проходящее через указанную стенку, верхний конец и нижний конец, связанный с верхним концом приводного вала и выполненный с возможностью регулировки потока и управления между открытым положением, при котором по меньшей мере одно выходное отверстие гидравлически связано с центральным отверстием статора через отверстие для приводного вала, и закрытым положением, при котором перекрыт поток бурового раствора из центрального отверстия статора к выходному отверстию, исполнительный двигатель привода в действие узла гидрораспределителя и электронный подблок, связанный с узлом гидрораспределителя и содержащий узел электронного управления и сенсорный узел, при этом в нижней части корпуса шнекового двигателя выполнено по меньшей мере одно впускное отверстие, гидравлически связывающее центральное отверстие статора с затрубным пространством.

11. Устройство по п.10, в котором узел гидрораспределителя содержит верхний и нижний золотниковые клапаны, установленные с возможностью скольжения относительно друг друга и протекания между ними бурового раствора, выходящего из шнекового двигателя, при открытом положении узла двигателя.

12. Устройство по п.11, в котором верхний и нижний клапаны имеют сопряженные конические поверхности.

13. Устройство по п.12, в котором верхний и нижний клапаны выполнены в виде усеченных конусов.

14. Устройство по любому из пп.10-13, в котором электронный подблок содержит по меньшей мере один датчик, выбранный из группы, включающей акселерометр, датчик наклона, азимутальный датчик, датчик скорости вращения и датчик давления.

15. Способ бурения, включающий использование кавитационного шнекового забойного двигателя, имеющего ротор, которому передают крутящий момент от блока управления скоростью вращения, регулирование скорости вращения ротора шнекового двигателя посредством регулирования потока бурового раствора, протекающего через шнековый двигатель, посредством приводного гидрораспределителя, который связывают с исполнительным двигателем, и управление исполнительным двигателем посредством электронного подблока управления.

16. Способ по п.15, в котором в составе электронного подблока управления используют сенсорный узел, посредством входных управляющих сигналов которого управляют исполнительным двигателем.

17. Способ по п.16, в котором в составе сенсорного узла используют по меньшей мере один датчик, выбранный из группы, включающей акселерометр, датчик наклона, азимутальный датчик, датчик скорости вращения и датчик давления.

18. Способ по любому из пп.15-17, в котором используют гидрораспределитель, содержащий верхний и нижний золотниковые клапаны, установленные скользящими относительно друг друга, и регулируют их относительное положение между открытым положением, при котором поток бурового раствора из шнекового двигателя проходит между верхним клапаном и нижним клапаном, и закрытым положением, при котором прохождение потока между верхним и нижним клапанами закрыто.

19. Способ по п.18, в котором используют верхний и нижний клапаны, имеющие сопряженные конические поверхности.

20. Способ по п.19, в котором используют верхний и нижний клапаны, выполненные в виде усеченных конусов.

21. Способ по любому из пп.15-17, в котором в качестве клапанов используют клапан, выбранный из группы, включающей шариковый клапан, задвижку, шаровой клапан, конический клапан, игольчатый клапан, диафрагменный клапан и дроссельный клапан.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в общем, к способам и устройствам, предназначенным для бурения скважин. Более конкретно, к способам и устройствам, осуществляющим управление траекторий скважины и корректировку траекторий бурения.

Уровень техники

При бурении подземной скважины (или ствола скважины), например, для добычи углеводородного или минерального сырья из подземного пласта обычная практика состоит в том, что буровая коронка соединяется с нижним концом бурильной колонны, и затем бурильная колонна вращается таким образом, что буровая коронка продвигается вниз, формируя скважину желательным образом. Типичная бурильная колонна состоит из группы непрерывно соединенных трубных секций бурильной колонны и забойного оборудования, расположенного между нижним концом бурильной колонны и буровой коронкой. Забойное оборудование обычно состоит из воротников бура, стабилизаторов, направляющих штанг, расширителей и других буровых инструментов, а также вспомогательных приспособлений, которые используются в случае необходимости в зависимости от характеристик определенной скважины.

При обычных буровых работах на вертикальной скважине бурильная колонна и буровая коронка вращаются с помощью бурового ротора или верхнего привода, расположенного в устье скважины, на поверхности Земли над скважиной (а также при бурении в море, на буровой платформе, связанной с морским дном, или находящейся на соответствующим образом оборудованном судне) и связанного с буровым агрегатом. При бурении буровая текучая среда (обычно называемая буровым раствором или просто раствором) закачивается под давлением с поверхности через бурильную колонну и затем из буровой коронки в скважину и возвращается далее вверх к поверхности через затрубное пространство между бурильной колонной и поверхностью скважины. Буровой раствор выносит выбуренную породу из скважины на поверхность, охлаждает буровую коронку и формирует защитную корку на стенке скважины (обеспечивающую стабилизацию и герметизацию стенки скважины), а также выполняет другие полезные функции.

Альтернативно вращению буровой коронки с помощью бурового ротора или верхнего привода может применяться вращение буровой коронки погружным или внутрискважинным двигателем (называемым также забойным двигателем или двигателем, приводимым в действие буровым раствором), находящимся в бурильной колонне непосредственно над буровой коронкой. Способ бурения, при котором вращение буровой коронки осуществляется забойным двигателем, а бурильная колонна не вращается, обычно называют бурением без вращения колонны, или бурением забойным двигателем. Часто при определенных видах бурения на разных стадиях применяются оба способа бурения - бурение забойным двигателем и бурение с вращением бурильной колонны.

Одной из важнейших частей забойного двигателя является силовая секция, которая обычно представляет собой кавитационный шнековый забойный двигатель (изобретен в 1962 г.; первое применение в глубинном бурении - 1995 г.; в России его также называют как гидравлический забойный двигатель, забойный гидротурбинный двигатель или просто турбобур или винтовой забойный двигатель, двигатель с эксцентрическим винтом или двигателем с перемещающимися полостями (далее - шнековый двигатель), включающий протяженный и, в общих чертах, цилиндрический статор и протяженный ротор, который эксцентрически вращается внутри статора. Как известно специалистам в данной области, шнековый двигатель представляет собой по существу то же устройство, что и поршневой насос прямого вытеснения (или насос Муано), но работающее в реверсивном режиме, и поэтому его можно было бы также назвать поршневым двигателем прямого вытеснения. Хотя все эти термины могут, очевидно, использоваться как взаимозаменяемые, в данном документе для простоты и единообразия терминологии далее всюду будет применяться термин "кавитационный шнековый забойный двигатель" или кратко "шнековый двигатель".

Ротор шнекового двигателя имеет одну лопасть или группу винтовых лопастей, окружающих центральный вал и проходящих вдоль вала по всей его длине. На статоре имеются винтовые поверхности, которые, в общем, сопряжены лопастям ротора, но имеют число витков на единицу больше, чем у лопастей ротора. При обычном функционировании забойного двигателя буровой раствор, проходя вниз сквозь буровой трубный узел, проходит через шнековый двигатель, вызывает вращение ротора внутри статора, благодаря чему вращается приводной вал, который, в свою очередь, вызывает вращение буровой коронки (которая связана с приводным валом через другие детали забойного двигателя и забойного оборудования).

Вертикальная скважина (то есть скважина, которую намечено бурить вертикально) в процессе бурения может отклоняться от желательной вертикальной траектории из-за отклонений буровой коронки при ее прохождении через неоднородности геологических формаций, например разломы или разрывы пластов, через которые проводится бурение. Чтобы скважина достигла точки назначения, такие отклонения должны корректироваться. Известно, что корректировать отклонившуюся траекторию скважины можно с помощью направляемого забойного двигателя в сочетании со способами наклонного бурения. Однако скважина может отклоняться от желательной скорректированной траектории и при использовании направляемого забойного двигателя из-за трудностей, связанных с управлением ориентацией бурильной колонны и необходимостью применять технологию направленного бурения при такой конфигурации бурильной колонны. Таким образом, существует потребность в более простых, надежных и менее дорогих системах и связанных с ними способах управления для приведения в действие и управления направления вращающегося забойного бурильного инструмента при возвращении отклонившейся от вертикали скважины на вертикальную траекторию.

При бурении направленно-наклонной скважины (то есть скважины или ее части, которая должна иметь траекторию, не являющуюся вертикальной) требуется, чтобы управление бурением обеспечивало достижение скважиной заранее определенного конечного пункта. Известные способы направленного бурения, в которых используется направляемый забойный двигатель, обычно применяются для того, чтобы направлять скважину вдоль желательной траектории в трехмерном пространстве, и корректировать отклонения траектории, обусловленные наличием препятствий и нерегулярностей среды. Однако как и в обсуждавшемся выше случае отклоняющейся от вертикали траектории вертикальной скважины, использование направляемого забойного двигателя для коррекции отклонений наклонной скважины может быть осложнено или оказаться бесполезным из-за трудностей, связанных с управлением ориентацией бурильной колонны и необходимостью применять технологию направленного бурения при такой форме бурильной колонны. Таким образом, возникает дополнительная необходимость в более простых, надежных и менее дорогих системах и связанных с ними способах управления для приведения в действие и управления ориентацией вращающегося забойного бурильного инструмента, когда необходимо возвращение отклонившейся скважины к намеченной траектории.

Документы, относящиеся к предшествующему уровню техники для данного изобретения, включают следующие патенты США:

3260318 - Установка для бурения скважин (Nelson)

3603407 - Установка для бурения скважин (Clark)

3637032 - Установка для наклонного бурения (Jeter)

3667556 - Установка для наклонного бурения (Henderson)

3743034 - Направляемая бурильная колонна (Bradley)

4339007 - Система управления шнековым двигателем (Clark)

4577701 - Система для бурения скважин с изменяющимся направлением (Dellinger)

5113953 - Устройство и способ наклонного бурения (Noble)

5265682 - Системы направленного вращательного бурения (Russell)

5513754 - Приспособления для стабилизации буровых двигателей (Downie)

5685379 - Режим работы инструмента для направленного вращательного бурения (Ваrr)

5706905 - Системы направленного вращательного бурения (Ваrr)

5803185 - Системы направленного вращательного бурения и режимы их работы (Ваrr)

5875859 - Устройство управления направлением бурения для буровой коронки (Ikeda)

RE 29526 - Установка для наклонного бурения (Jeter)

RE 33751 - Система и способ управляемого наклонного бурения (Geczy)

Раскрытие изобретения

В соответствии с первым вариантом осуществления данного изобретения предлагается блок управления скоростью вращения, предназначенный для использования совместно с определенным управляемым устройством (примером которого, не ограничивающим изобретение, может служить узел управления отклонением ствола скважины), входящее в забойное оборудование скважины. В соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, предлагается способ управления траекторией скважины и коррекции отклонений от желательной траектории скважины.

В предпочтительном варианте осуществления устройство управления скоростью вращения, предлагаемое в настоящем изобретении, включает следующие компоненты, перечисляемые в порядке их расположения (начиная с нижней компоненты):

- кавитационный шнековый забойный двигатель,

- приводной вал,

- гидрораспределитель потока бурового раствора,

- исполнительный двигатель, приводящий в действие гидрораспределитель потока бурового раствора, и

- электронный подблок управления исполнительным двигателем.

Электропитание устройства предпочтительно обеспечивается посредством аккумуляторной батареи, расположенной в забойном оборудовании выше электронного подблока. Однако питание может альтернативно обеспечиваться другими известными средствами, например турбинным электрогенератором, входящим в забойное оборудование (пример не ограничивает изобретение). Верхний конец устройства управления скоростью вращения, как описано выше, связан известными способами с нижним концом бурильной трубы (или, что более типично, с вспомогательным элементом забойного оборудования, которые, в свою очередь, соединяются с бурильной трубой). Нижний конец устройства управления скоростью вращения функционально связан с определенным рабочим органом, который заканчивается бурильным инструментом, таким как буровая коронка. В вариантах, в которых рабочий орган включает узел отклонения ствола скважины, последний может быть узлом любого подходящего типа из известных в данной области (так, узлы с направляемой коронкой, с отклоняемой коронкой и с направляемым забойном двигателем представляют три примера, не являющиеся ограничивающими).

Одно или несколько впускных отверстий в нижнем конце корпуса шнекового двигателя позволяют части бурового раствора, прокачиваемого вниз через бурильную колонну, поступать в нижнюю часть шнекового двигателя и проходить через него вверх, тем самым заставляя шнековый двигатель вращаться в направлении, противоположном нормальному направлению вращения (например, направлению вращения буровой коронки). Для создания такого восходящего потока бурового раствора необходимо предусмотреть в верхней части шнекового двигателя одно или несколько выходных отверстий, через которые буровой раствор, выходящий из верхней части шнекового двигателя, будет выходить в затрубное пространство скважины. Поток бурового раствора через выходные отверстия управляется гидрораспределителем потока бурового раствора. Гидрораспределитель приводится в действие исполнительным двигателем в ответ на входные управляющие сигналы, поступающие от сенсорного узла, входящего в электронный подблок. В качестве исполнительного двигателя предпочтительно (но не обязательно) применяется электродвигатель. Сенсорный узел может включать один или несколько акселерометров, датчиков наклона, датчиков давления, азимутальных датчиков, и/или датчиков скорости вращения.

Подблок электроники измеряет относительную скорость вращения устройства управления скоростью вращения и управляет исполнительным двигателем, приводящим в действие узел гидрораспределитель потока бурового раствора, что обеспечивает нужное управление восходящим потоком бурового раствора через шнековый двигатель, как это требуется для желательного изменения скорости вращения узла отклонения в соответствии с данными, поступающими от сенсорного блока. Шнековый двигатель приводит во вращение приводной вал и узел отклонения ствола скважины (или другой рабочий орган бурового оборудования) с конкретной (нулевой или ненулевой) скоростью вращения. При использовании узла гидрораспределителя потока бурового раствора и электронного подблока скорость шнекового двигателя регулируется с использованием данных измерений потока бурового раствора, проходящего через шнековый двигатель.

В первом варианте осуществления устройства, предлагаемого в изобретении, шнековый двигатель, вращающийся обычно в направлении по часовой стрелке, вызывает вращение узла отклонения ствола скважины в направлении против часовой стрелки благодаря направленному вверх потоку бурового раствора через шнековый двигатель. В альтернативном втором варианте осуществления вращающийся обычно против часовой стрелки шнековый двигатель вызывает вращение узла отклонения ствола скважины в направлении против часовой стрелки благодаря направленному вниз потоку бурового раствора через шнековый двигатель. В этом варианте впускные отверстия для бурового раствора расположены в верхней части шнекового двигателя, а выходные отверстия для бурового раствора и гидрораспределитель потока бурового раствора расположены в нижней части шнекового двигателя. В дополнительном альтернативном варианте осуществления шнековый двигатель выполнен так, что выходной крутящий момент в направлении по часовой стрелке передается рабочему буровому органу или узлу отклонения ствола скважины.

В соответствии с первым вариантом осуществления, описанным выше, ротор шнекового двигателя приводит в движение через приводной вал соединительный шпиндель рабочего бурового органа (например, узла отклонения ствола скважины). Изменяя отношение скорости вращения шнекового двигателя к частоте вращения бурильной колонны, можно управляемым образом изменять ориентацию передней поверхности инструмента (то есть ориентацию бурильного инструмента, соединенного с определенным рабочим органом бурового инструмента, или изменять (в любом направлении) ненулевую частоту вращения названного рабочего органа. Узел гидрораспределителя потока бурового раствора, управляемый электронными средствами, осуществляет измерение и управляемое изменение потока бурового раствора через шнековый двигатель, благодаря чему регулируется скорость вращения ротора. В предпочтительных вариантах осуществления гидрораспределитель потока бурового раствора содержит взаимно сопряженные конические скользящие относительно друг друга золотниковые клапаны, которые осуществляют управляемое изменение потока бурового раствора, проходящего через шнековый двигатель в затрубное кольцевое пространство. Электронный подблок управления и исполнительный двигатель служат для управления расходом бурового раствора, проходящего через узел гидрораспределителя, а также для определения ориентации и направления бурильного инструмента (например, буровой коронки), благодаря чему упрощается возвращение отклонившейся от траектории скважины к вертикальному направлению или для наклонных скважин на желательную траекторию.

Более конкретно, настоящее изобретение предлагает буровое устройство, включающее рабочий буровой орган, кавитационный шнековый забойный двигатель, связанный крутящим моментом с рабочим органом, узел гидрораспределителя, связанный крутящим моментом с вышеназванным шнековым двигателем и выполненный с возможностью регулирования потока бурового раствора через вышеназванный шнековый двигатель, исполнительный двигатель, выполненный с возможностью управления узлом гидрораспределителя, и электронный подблок управления исполнительным двигателем.

Кавитационный шнековый забойный двигатель может быть связан с узлом гидрораспределителя посредством приводного вала.

Узел гидрораспределителя может включать верхний золотниковый клапан и нижний золотниковый клапан, установленные с возможностью скольжения друг относительно друга и регулировки их между открытым положением, при котором поток бурового раствора из вышеуказанного шнекового двигателя протекает между верхним указанным клапаном и нижним указанным клапаном, и закрытым положением, при котором прохождение потока между верхним и нижним указанными клапанами закрыто.

Верхний и нижний золотниковые клапаны могут иметь сопряженные конические поверхности, например могут быть выполнены в виде усеченных конусов. Помимо золотниковых клапанов могут также использоваться шариковый клапан, задвижка, проходной клапан, конический клапан, игольчатый клапан, диафрагменный клапан и дроссельный клапан.

Узел гидрораспределителя может содержать одно или несколько выходных отверстий для выхода бурового раствора, поступающего в узел гидрораспределителя.

Буровое устройство согласно изобретению облачено в удлиненный цилиндрический корпус инструмента, в котором устанавливается шнековый двигатель, узел гидрораспределителя, исполнительный двигатель и электронный подблок. В этом варианте осуществления изобретения по меньшей мере одно выходное отверстие проходит через стенку корпуса, от узла гидрораспределителя.

Электронный подблок может содержать по меньшей мере один датчик, выбранный из группы, включающей акселерометр, датчик наклона, азимутальный датчик, датчик скорости вращения и датчик давления.

Настоящее изобретение предлагает также устройство регулирования скорости вращения бурильного инструмента, включающее удлиненный цилиндрический корпус инструмента, кавитационный шнековый забойный двигатель, содержащий корпус, статор, расположенный в центральном отверстии корпуса, и ротор, имеющий верхний и нижний концы и установленный внутри статора, приводной вал, снабженный корпусом, в котором выполнено отверстие для приводного вала, и имеющий верхний конец и нижний конец, связанный с верхним концом ротора, узел гидрораспределителя, расположенный с образованием затрубного пространства со стенкой корпуса инструмента, имеющий по меньшей мере одно выходное отверстие, проходящее через указанную стенку, верхний конец и нижний конец, связанный с верхним концом приводного вала, и выполненный с возможностью регулировки потока и управления между открытым положением, при котором по меньшей мере одно выходное отверстие гидравлически связано с центральным отверстием статора через отверстие для приводного вала, и закрытым положением, при котором перекрыт поток бурового раствора из центрального отверстия статора к выходному отверстию, исполнительный двигатель привода в действие узла гидрораспределителя и электронный подблок, связанный с узлом гидрораспределителя и содержащий узел электронного управления и сенсорный узел, при этом в нижней части корпуса шнекового двигателя выполнено по меньшей мере одно впускное отверстие, гидравлически связывающее центральное отверстие статора с затрубным пространством.

Конструкции узла гидрораспределителя и электронного подблока управления могут выполняться в этом объектен изобретения аналогично вышеуказанному.

Настоящее изобретение предлагает также способ бурения, включающий использование кавитационного шнекового забойного двигателя, имеющего ротор, которому передают крутящий момент от блока управления скоростью вращения, регулирование скорости вращения ротора шнекового двигателя посредством регулирования потока бурового раствора, протекающего через шнековый двигатель, посредством приводного гидрораспределителя, который связывают с исполнительным двигателем, и управление исполнительным двигателем посредством электронного подблока управления.

В составе электронного подблока управления может использоваться сенсорный узел, посредством входных управляющих сигналов которого управляют исполнительным двигателем.

В качестве датчиков в составе сенсорного узла могут использоваться акселерометры, датчики наклона, азимутальные датчики, датчики скорости вращения и датчики давления.

Способ бурения может осуществляться посредством той же конструкции гидрораспределителя потока бурового раствора, как описано выше.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения будут далее описаны со ссылками на следующие сопровождающие фигуры, на которых одинаковые ссылочные номера обозначают аналогичные детали или части изобретения.

Фиг.1 - продольное сечение забойного оборудования, включающее блок управления скоростью вращения, соответствующее первому варианту осуществления изобретения.

Фиг.2 - сечение в большем масштабе узла гидрораспределителя потока бурового раствора, входящего в блок управления скоростью вращения, представленного на фиг.1, в закрытом положении.

Фиг.3 - сечение в большем масштабе узла гидрораспределителя потока бурового раствора, входящего в блок управления скоростью вращения, представленного на фиг.1, в открытом положении.

Фиг.4 - продольное сечение забойного оборудования, представленного на фиг.1, со схематичным показом направлений потока бурового раствора, проходящего через забойное оборудование.

Осуществление изобретения

На фигурах показан блок 50 управления скоростью вращения, соответствующий предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, установленный в обычном цилиндрическом корпусе 10 инструмента и связанный с узлом 100 отклонения ствола скважины. Верхний конец 12 корпуса 10 инструмента приспособлен для соединения с нижним концом бурильной колонны (не показана) и открыт для прохождения бурового раствора из бурильной колонны в корпус 10 инструмента, что схематически показано стрелками "М" на фиг.1. Нижний конец 110 узла 100 отклонения ствола скважины выполнен с возможностью присоединения бурильного инструмента, например буровой коронки (не показана).

Как показано на фиг.1, блок 50 управления скоростью вращения включает шнековый двигатель 200 известного типа, верхний приводной вал 240, расположенный внутри корпуса 242 приводного вала, в котором выполнена полость 244, через которую проходит приводной вал (далее - полость приводного вала), узел 300 гидрораспределителя потока бурового раствора и электронный подблок 400 управления двигателем (далее также - электронный блок). В варианте, иллюстрирующем изобретение, электропитание блока 50 управления скоростью вращения обеспечивается аккумуляторной батареей 500, установленной на верхнем конце электронного подблока 400. Блок 50 управления скоростью вращения расположен внутри корпуса 10 бурильного инструмента таким образом, что образуется протяженное в продольном направлении непрерывное внутреннее затрубное пространство 20, окружающее шнековый двигатель 200, корпус 242 приводного вала, узел 300 гидрораспределителя потока бурового раствора, электронный подблок 400 и аккумуляторную батарею 500. Благодаря такой конструкции буровой раствор может прокачиваться вниз через указанное затрубное пространство 20.

В соответствии с известной технологией, шнековый двигатель 200 имеет протяженный ротор 210, находящийся внутри центрального высверленного отверстия 201 протяженного статора 220, при этом верхний конец ротора 210 соединен с верхним приводным валом 240, а нижний конец ротора 210 соединен с нижним приводным валом 230. Ротор 210 поддерживается внутри статора 220 так, что в радиальном направлении он может двигаться эксцентрически, а статор 220 радиально и аксиально поддерживается внутри корпуса 10 инструмента. Ротор 210 соединен с верхним концом 120 узла 100 отклонения ствола скважины через нижний приводной вал 230, что позволяет ротору 210 приводить во вращательное движение узел 100 отклонения ствола скважины. В иллюстрирующем варианте осуществления изобретения шнековый двигатель 200 выполнен так, что ротор 210 вращается в направлении по часовой стрелке под действием нисходящего потока бурового раствора через центральное отверстие 201 статора.

Нижняя часть корпуса 250 двигателя имеет одно впускное отверстие 251 или группу впускных отверстий 251 (размеры и положение которых удовлетворяют конкретным требованиям) и связана с нижним концом статора 220. Через нижнюю часть корпуса 250 пропущен нижний приводной вал 230, посредством которого конструкция может функционально взаимодействовать с узлом 100 отклонения ствола скважины. Благодаря впускным отверстиям 251 центральное отверстие 201 статора 220 находится в гидравлической связи с внутренним затрубным пространством 20 корпуса 10 инструмента, и, следовательно, поток бурового раствора через внутреннее затрубное пространство 20 может частично направляться в другую строну в центральном отверстии 201 статора вверх, вращая таким образом ротор 210 в направлении против часовой стрелки.

Верхний приводной вал 240 преобразует эксцентрическое вращение ротора 210 внутри шнекового двигателя 200 в концентрическое вращение узла 300 гидрораспределителя потока бурового раствора. Узел 300 гидрораспределителя потока бурового раствора включает нижний золотниковый клапан 310, верхний золотниковый клапан 320, по крайней мере один клапан 300 выпускного отверстия, выполненного расположенным, в общем, радиально сквозь стенку корпуса 10 инструмента, внутреннюю опорную часть 340 гидрораспределителя и внешнюю опорную часть 350 гидрораспределителя. Внешняя опорная часть 350 гидрораспределителя связана с верхним концом корпуса 242 приводного вала или переходит в него. Верхний клапан 320 установлен с уплотнением на внутренней опорной части 340 гидрораспределителя, тогда как нижний клапан 310 неподвижно закреплен на внешней опорной части 350 гидрораспределителя. Верхний клапан 320 относительно нижнего клапана 310 является аксиально-подвижным: он может перемещаться благодаря работе исполнительного двигателя 360, составляющего часть узла 300 гидрораспределителя потока бурового раствора и управляемого посредством электронного подблока 400.

Как хорошо видно на фиг.2 и 3, нижний клапан 310 и верхний клапан 320 имеют сопряженную конструкцию по форме, благодаря которой верхний клапан 320 является подвижным и может занимать положения между закрытым положением, в котором по крайней мере часть внешней поверхности 322 верхнего клапана 320 находится в герметичном контакте (по периметру) с по меньшей мере с частью внутренней поверхности 312 нижнего клапана 310, и открытым положением, в котором образуется зазор 370 между внутренней поверхностью 312 нижнего клапана 310 и внешней поверхностью 322 верхнего клапана 320, что, в свою очередь, создает проход 375, через который буровой раствор, идущий вверх внутри полости 244 приводного вала, выходит через клапан 330 выходного отверстия. Поток бурового раствора через проход 375 будет регулироваться шириной зазора 370, который, в свою очередь, регулируется положением верхнего клапана 320 относительно нижнего клапана 310. В предпочтительных вариантах положение верхнего клапана 320 относительно нижнего клапана 310 может регулироваться с определенным шагом и в результате при изменении ширины зазора 370 расход бурового раствора будет изменяться. Соответственно, используемый здесь термин "в открытом положении" применительно к узлу гидрораспределителя не должен пониматься или интерпретироваться как относящийся к какой-либо конкретной конфигурации или определенному взаимному положению верхнего клапана 320 относительно нижнего клапана 310.

В предпочтительных вариантах осуществления изобретения внутренняя поверхность 312 нижнего клапана 310 и внешняя поверхность 322 верхнего клапана 320 представляют собой сопряженные конические поверхности (в частном случае, имеющие форму усеченного конуса, как в представленных вариантах). Однако специалисты обычной квалификации в данной области легко поймут, что нижний клапан 310 и верхний клапан 320 могут иметь другую геометрическую конфигурацию (включая без наложения ограничений, не чисто цилиндрические и не чисто конические клапаны), что не выводит за пределы области, охватываемой данным изобретением, и за границы его основных функциональных возможностей.

В варианте осуществления, особенно подходящем для бурения наклонно направленных скважин, электронный подблок 400 включает вычислительно-управляющий электронный узел 420 и сенсорный узел 430, расположенные в корпусе 410 электронного подблока. Вычислительно-управляющий электронный узел 420 включает микропроцессор и связанную с ним карту памяти, служащие для приема и обработки данных, получаемых от сенсорного узла 430, что будет описано далее. Сенсорный узел 430 включает один или несколько датчиков наклона и/или один или несколько азимутальных датчиков (подходящие типы которых известны в данной области). Электронный подблок 400, используя данные, собранные сенсорным узлом 430, управляет исполнительным двигателем 360 с возможностью регулирования объема или перекрытия потока бурового раствора, идущего через шнековый двигатель 200, тем самым через полость 244 приводного вала и проход 375, влияя на изменение скорости вращения узла 100 отклонения ствола скважины в необходимую сторону для поддержания необходимого направления траектории скважины или его корректировки.

Альтернативный вариант осуществления для бурения вертикальных скважин (не наклонных) подобен, в общем, варианту осуществления, описанному выше для наклонно направленных скважин, за исключением того, что сенсорный узел 430 может включать, но не в обязательном порядке, один или несколько датчиков наклона и/или один или несколько азимутальных датчиков. В других отношениях система функционирует в основном аналогичным способом, производя желательные изменения скорости вращения узла 100 отклонения ствола скважины с целью поддерживать вертикальное направление траектории скважины или корректировать это направление.

Как работает устройство, предлагаемое в изобретении, при его эксплуатации, можно легко понять, если обратиться к данному выше описанию и фигурам (особенно к фиг.4, где стрелками М показаны потоки бурового раствора). При операциях бурения скважин буровой раствор прокачивают с поверхности через колонну бурильных труб вниз, в забой скважины, через внутреннее затрубное пространство 20 корпуса 10 инструмента. Когда буровой раствор достигает шнекового двигателя 200, как особенно ясно видно на фиг.4, часть бурового раствора будет отклоняться в центральное отверстие 201 статора 220 через впускные отверстия 251 корпуса 250 двигателя (при условии, что проход 375 в узле 300 гидрораспределителя потока бурового раствора, открыт, что позволяет буровому раствору выходить из центрального отверстия 201 статора), а остальная часть потока бурового раствора продолжает движение в забое скважины через внутреннее затрубное пространство 20 в направлении узла 100 отклонения ствола скважины и через него. Более конкретно, перепад давлений, создающий напор вблизи или ниже узла 100 отклонения ствола скважины, перенаправляет поток бурового раствора, в результате чего приблизительно от 1% до 10% бурового раствора, используемого инструментом, отклоняется в направлении вверх и идет через центральное отверстие 201 шнекового двигателя 200. Буровой раствор, проходящий вверх через шнековый двигатель 200, продолжает движение вверх через полость 244 приводного вала, проходит через проход 375 в узле 300 гидрораспределителя потока бурового раствора и выходит через клапан 330 выходного отверстия в затрубное кольцевое пространство 620 скважины между корпусом 10 инструмента и скважиной (обозначенной "WB" на фиг.4).

Ротор 210 шнекового двигателя 200 получает энергию от потока бурового раствора, проходящего вверх через центральное отверстие 201; этот поток протекает при более высоком давлении, чем буровой раствор в затрубном пространстве из-за перепада давлений, вызванных ограничителями потока, например промывочными насадками бурового инструмента и узлом 300 гидрораспределителя потока бурового раствора. В результате прохождения бурового раствора через шнековый двигатель 200 вверх происходит вращение ротора 210 в направлении против часовой стрелки. В типичных применениях забойного двигателя вращение колонны при бурении направлено по часовой стрелке. Аналогично, в буровых работах, использующих устройство, соответствующее данному изобретению, корпус 10 инструмента вращается вместе с бурильной колонной в направлении по часовой стрелке, противоположном направлению вращения ротора 210. Вращение ротора 210 в направлении против часовой стрелки передается нижнему приводному валу 230 и узлу 100 отклонения ствола скважины и вызывает вращение против часовой стрелки, передаваемое на верхний конец устройства 100 отклонения ствола скважины или бурильной колонны.

Узел 300 гидрораспределителя потока бурового раствора устанавливается в стволе скважины выше шнекового двигателя 200, чтобы буровой раствор, выходящий из шнекового двигателя 200, поступал в узел 300 гидрораспределителя потока бурового раствора. Узел 300 гидрораспределителя потока бурового раствора приводится в действие исполнительным двигателем 360 в ответ на входные сигналы управления, поступающие от электронного подблока 400 управления, благодаря чему осуществляется управление расходом бурового раствора, проходящего через шнековый двигатель 200, и в конечном итоге названным управлением ротору 210 задается необходимая рабочая скорость вращения.

Корпус 410 электронного подблока управления вращается с той же скоростью, что и ротор 210 шнекового двигателя 200, благодаря соединению ротора 210 с корпусом 410 электронного подблока через верхний приводной вал 240 и узел 300 гидрораспределителя потока бурового раствора. Благодаря вращению в направлении по часовой стрелке корпуса 10 инструмента и возможному вращению против часовой стрелки корпуса 410 электронного подблока положение сенсорного узла 430 может поддерживаться близким к геостационарному так, чтобы он не вращался со значительной скоростью или сохранял регулируемую ненулевую скорость вращения относительно корпуса 10 инструмента. Возможность поддерживать положение сенсорного узла 430 близким к геостационарному или поддерживать регулируемую ненулевую скорость вращения обеспечивается действием узла 300 гидрораспределителя потока бурового раствора. Когда корпус 10 инструмента вращается вместе с остальной частью бурильной колонны, верхний клапан 320 регулируется в соответствии с входными сигналами, поступающими от сенсорного узла 430, о расходе направленного вверх через шнековый двигатель 200 потока бурового раствора, соответственно происходит управление скоростью вращения ротора 210 и корпуса 410 электронного подблока управления относительно корпуса 10 инструмента, благодаря чему создается возможность поддерживать положение сенсорного узла 430 как можно более близким к геостационарному или поддерживать желательное значение регулируемой ненулевой скорости его вращения. Скорость вращения сенсорного узла 430 измеряется датчиками, находящимися в электронного подблока 400, и скорость вращения корпуса 410 электронного подблока относительно корпуса 10 инструмента регулируется скоростью вращения ротора 210 так, чтобы сенсорный узел 430 сохранял геостационарное положение или вращался с желательной ненулевой скоростью вращения.

Сенсорный узел 430 может включать трехосный высокоточный ("инерционного класса") акселерометр одного из типов, обычно используемых при способах "измерения в процессе бурения", служащий для определения направления, угловой ориентации и скорости, при которых осуществляется управление узлом 100 отклонения ствола скважины. В альтернативных вариантах сенсорный узел 430 может включать два или три одноосных акселерометра. Сенсорный узел 430 может также включать одно или несколько устройств из следующей группы: высокоточные азимутальные датчики, датчики скорости вращения, датчики температуры, датчики давления, датчики гамма-излучения и другие датчики, известные специалистам в данной области техники.

Сенсорный узел 430 во взаимодействии с другими деталями электронного подблока 400 дает возможность управлять ориентацией и/или частотой вращения узла 100 отклонения ствола скважины, так как он определяет положение и скорость вращения относительно Земли сенсорного узла 430, связанного с узлом 100 отклонения ствола скважины. Когда верхний клапан 320 узла 300 гидрораспределителя потока бурового раствора находится в открытом положении, позволяя таким образом потоку бурового раствора проходить через шнековый двигатель 200, электронный подблок 400, верхний клапан 320, внутренняя опорная часть 340 гидрораспределителя, исполнительный двигатель 360 и ротор 210 шнекового двигателя 200 вращаются в одном направлении - против часовой стрелки относительно 10 инструмента. Сенсорный узел 430 производит измерения с целью определить скорость вращения сенсорного узла 430 относительно текущей оси скважины. Значение скорости вращения, измеряемой сенсорным узлом 430, влияет на работу исполнительного двигателя 360, который соответствующим образом корректирует осевое положение верхнего клапана 320 для того, чтобы нужным образом изменять скорость вращения шнекового двигателя 200 (например, таким образом, чтобы бурильный инструмент оставался стабильно ориентированным в желательном направлении, или таким образом, чтобы инструмент вращался с желательной ненулевой скоростью вращения).

В одном варианте желательная скорость вращения является нулевой, что обеспечивает геостационарность, и акселерометры и/или магнитометры сенсорного узла 430 и электронного подблока 400 управляют исполнительным двигателем 360 таким образом, чтобы придать сенсорному узлу 430 (который связан с узлом 100 отклонения ствола скважины) желательную ориентацию относительно поля тяготения и/или магнитного поля Земли. Сенсорный узел 430 периодически определяет ориентацию инструмента относительно Земли, чтобы гарантировать, что инструмент ориентирован в желательном направлении, а также определяет, имеет ли инструмент желательную скорость вращения, и дает возможность скорректировать любые отклонения. Когда сенсорный узел 430 определяет, что необходима коррекция, скорость вращения ротора 210 шнекового двигателя 200 изменяется с помощью перемещения верхнего клапана 320, благодаря чему осуществляется такое управление относительной скоростью вращения ротора 210 шнекового двигателя 200 и корпуса 410 электронного подблока, которое требуется для получения желательной ориентации инструмента. Когда инструмент установлен в желательном положении, скорость вращения ротора 210 шнекового двигателя 200 регулируется таким образом, чтобы электронный блок 400 и сенсорный узел 430 оставались геостационарными.

Здесь представлены и описаны предпочтительные варианты, но специалисты в данной области могут разработать различные модификации, не выводящие за пределы круга идей и возможностей, охватываемых данным изобретением, включая такие модификации, в которых могут использоваться эквивалентные структуры или материалы, полученные при дальнейшем развитии техники. Описанные и проиллюстрированные варианты являются только примерами и не ограничивают изобретение. Следует особенно подчеркнуть, что замена упоминаемого в изобретении элемента или отличительной черты (признака), не влекущая никаких существенных изменений в функционировании объекта изобретения, не является выходом за пределы области, охватываемой изобретением. Следует также ясно понимать, что для получения желательные результаты различные идеи, представленные описанными вариантами и изложенные здесь, можно использовать как по отдельности, так и в подходящих сочетаниях.

Следует, в частности, отметить, что на чертежах показан шнековый двигатель 200, который обычно вращается в направлении по часовой стрелке и так взаимодействует с устройством 50 управления скоростью, что выходной крутящий момент, передаваемый на узел 100 отклонения ствола скважины, направлен против часовой стрелки, а узел 300 гидрораспределителя потока бурового раствора находится выше приводного вала 240 и шнекового двигателя 200. Однако специалисты в данной области поймут в соответствии с изложенными идеями, что различные детали устройства 50 управления скоростью вращения могут быть легко адаптированы и применены в альтернативных конфигурациях, обеспечивая различные рабочие характеристики (например, нисходящее направление потока бурового раствора, прокачиваемого через шнековый двигатель 200, вызовет вращение ротора 210 в направлении по часовой стрелке), что не выводит за пределы области, охватываемой изобретением и его принципами.

Специалисты в данной области также поймут, что альтернативные варианты устройства, предлагаемого в изобретении, могут включать соответствующим образом адаптированные гидрораспределители известных типов вместо показанного на чертежах узла гидрораспределителя с двойным золотниковым клапаном. Конкретными примерами (не ограничивающими изобретение) могут служить следующие типы клапанов: шариковый клапан, задвижка, проходной клапан, конический клапан, игольчатый клапан, диафрагменный клапан и/или дроссельный клапан, которые могут быть адаптированы для применения вместо узла клапана с двойным золотником, что не выводит за пределы области, охватываемой изобретением.

В данном патентом документе термин "включает" используется в не ограничивающем смысле; он подразумевает, что перечисленные объекты включаются в число возможных, но объекты, не упомянутые при перечислении, не исключаются. Ссылки на элемент в единственном числе не исключают наличия нескольких таких элементов, если контекст не указывает явно, что присутствует один и только один такой элемент. Любое использование терминов (в любой форме) "соединен", "связан", "присоединен" и любых других терминов, описывающих взаимодействие между элементами, как предполагается, не ограничивает взаимодействие между элементами только непосредственным взаимодействием, но может включать также опосредованное взаимодействие между ними.