RU2299969C2 - Executive mechanism acting with constant force - Google Patents
Executive mechanism acting with constant force Download PDFInfo
- Publication number
- RU2299969C2 RU2299969C2 RU2003106851/03A RU2003106851A RU2299969C2 RU 2299969 C2 RU2299969 C2 RU 2299969C2 RU 2003106851/03 A RU2003106851/03 A RU 2003106851/03A RU 2003106851 A RU2003106851 A RU 2003106851A RU 2299969 C2 RU2299969 C2 RU 2299969C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- force
- parts
- transmitting
- movement
- linkage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Description
Область применения изобретенияThe scope of the invention
Настоящее изобретение относится к механизмам, в которых применяют силу, прилагаемую в одном направлении для подъема или удержания нагрузки в направлении, перпендикулярном направлению прилагаемой силы. Такие механизмы находят применение во многих областях и могут быть использованы, например, в инструментах, предназначенных для работы в скважинах или трубах, как централизаторы, каверномеры, устройства, обеспечивающие зацепление, и тяговые устройства. Изобретение, в частности, может быть применено в области тяговых устройств, предназначенных для доставки каротажных и сервисных инструментов в наклонных или горизонтальных нефтяных или газовых скважинах, либо в трубопроводах, в которых такие инструменты не могут быть легко перемещены под действием силы тяжести. Изобретение также может быть применено в подъемных устройствах.The present invention relates to mechanisms that apply a force applied in one direction to lift or hold a load in a direction perpendicular to the direction of the applied force. Such mechanisms are used in many fields and can be used, for example, in tools designed to work in wells or pipes, such as centralizers, calipers, gearing devices, and traction devices. The invention, in particular, can be applied in the field of traction devices intended for the delivery of logging and service tools in deviated or horizontal oil or gas wells, or in pipelines in which such tools cannot be easily moved by gravity. The invention can also be applied in lifting devices.
Описание родственных технических решенийDescription of related technical solutions
После того как пробурена нефтяная или газовая скважина, часто необходимо провести каротаж скважины с помощью различных измерительных инструментов. Это обычно выполняют посредством каротажных инструментов с проводами, опускаемых внутрь скважины на каротажном тросе. Также может потребоваться проведение осмотра трубопроводов и, следовательно, перемещение различных измерительных инструментов вдоль трубы.After an oil or gas well has been drilled, it is often necessary to log the well using various measuring tools. This is usually accomplished through logging tools with wires lowered into the well on a wireline. It may also be necessary to inspect the pipelines and, therefore, move various measuring instruments along the pipe.
Некоторые каротажные инструменты могут действовать надлежащим образом только в том случае, если они расположены по центру скважины или трубы. Это обычно обеспечивают посредством централизатора. Все централизаторы действуют по одному и тому же общему принципу. Большое количество отстоящих друг от друга на равном расстоянии дугообразных пружин или рычажных механизмов различных типов выдвигается в радиальном направлении от центрального башмака к стенке буровой скважины или трубы. Эти пружины или рычажные механизмы входят в контакт со стенкой буровой скважины или трубы и оказывают радиальное усилие на нее, которое стремится переместить корпус инструмента в сторону от стенки. Поскольку дугообразные пружины и рычажные механизмы обычно симметричны по отношению к центральному башмаку, они стремятся расположить инструмент по центру скважины. Поэтому радиальные силы, оказываемые этими устройствами, часто называют централизующими силами.Some logging tools can only function properly if they are located in the center of a well or pipe. This is usually provided through a centralizer. All centralizers operate on the same general principle. A large number of arcuate springs or lever mechanisms of various types spaced apart from each other at an equal distance extends radially from the central shoe to the wall of the borehole or pipe. These springs or lever mechanisms come into contact with the wall of the borehole or pipe and exert a radial force on it, which tends to move the tool body away from the wall. Since the arcuate springs and linkages are usually symmetrical with respect to the central shoe, they tend to position the tool in the center of the well. Therefore, the radial forces exerted by these devices are often called centralizing forces.
Обычно централизаторы остаются раскрытыми на всем протяжении их работы. Другими словами, их рычажные механизмы всегда смещены к стенке буровой скважины, и они всегда остаются в контакте с этой стенкой. Большинство централизаторов конструируют таким образом, чтобы они могли действовать в большом диапазоне размеров буровых скважин. Когда централизаторы расширяются или сжимаются в радиальном направлении для приспосабливания к изменениям размера буровой скважины, силы их централизации могут изменяться. В скважинах, которые проходят почти вертикально, изменение радиальной силы не представляет собой проблему, поскольку радиальный компонент веса инструмента невелик и даже слабые централизаторы могут справиться с ним. Кроме того, сила централизации и сопротивление трения, к которому она приводит, представляют собой настолько малую часть полного натяжения каротажного троса, что их изменение может оказаться незначительным для всех практических целей.Typically, centralizers remain open throughout their work. In other words, their linkage mechanisms are always biased toward the wall of the borehole, and they always remain in contact with this wall. Most centralizers are designed to operate in a wide range of borehole sizes. When centralizers expand or contract radially to accommodate changes in borehole size, their centralization forces may vary. In wells that run almost vertically, changing the radial force is not a problem, since the radial component of the tool weight is small and even weak centralizers can handle it. In addition, the centralization force and the friction resistance to which it leads represent such a small part of the total tension of the wireline that their change may be insignificant for all practical purposes.
Однако скважины, которые имеют горизонтальные или значительно наклоненные участки, представляют собой проблему. В горизонтальном участке скважины централизатор должен быть достаточно прочным, чтобы приподнимать полный вес инструмента со стенки буровой скважины. С одной стороны, минимальный уровень силы централизации должен быть равным весу инструмента, чтобы обеспечить надлежащую работу при всех размерах буровой скважины. С другой стороны, при ином размере буровой скважины сила, оказываемая централизатором, может быть чрезмерной, вызывая избыточное сопротивление трения, которое замедляет движение инструментов вдоль скважины. Эта ситуация привела к разработке централизаторов, действующих с постоянной силой, которые раскрыты ранее и поставляются промышленностью. Однако в настоящем изобретении предложен новый подход к созданию таких централизаторов, действующих с постоянной силой.However, wells that have horizontal or significantly inclined sections are a problem. In the horizontal section of the well, the centralizer must be strong enough to lift the full weight of the tool from the wall of the borehole. On the one hand, the minimum level of centralization force should be equal to the weight of the tool to ensure proper operation with all sizes of the borehole. On the other hand, with a different size of the borehole, the force exerted by the centralizer may be excessive, causing excessive frictional resistance, which slows down the movement of tools along the borehole. This situation led to the development of centralizers operating with constant force, which were previously disclosed and supplied by industry. However, the present invention proposed a new approach to the creation of such centralizers, acting with constant force.
Подобно централизаторам, каверномеры выдвигают плечи или рычажные механизмы от корпуса инструмента к стенке буровой скважины. Одно из различий централизаторов и каверномеров заключается в том, что плечи каверномера могут быть приведены в действие по отдельности и могут не раскрываться на одну и ту же величину. Другое различие заключается в том, что плечи каверномера обычно избирательно раскрываются и смыкаются к корпусу инструмента посредством некоторых механических средств. Таким образом, плечи каверномера необязательно остаются в контакте со стенкой буровой скважины в течение всего времени. На плечах каверномера часто крепят различные измерительные инструменты. Для того чтобы обеспечить надлежащую работу некоторых из этих измерительных инструментов, часто необходимо сохранить заданный диапазон величины радиального усилия, с которым плечи каверномера прижимают к стенке скважины. Это требование иногда трудно выполнить в горизонтальных участках скважины и при изменяемых размерах скважины. Причина заключается в том, что подобно централизаторам выигрыш в силе рычажных механизмов каверномера изменяется с размером буровой скважины. Таким образом, механические устройства, ответственные за раскрытие и смыкание каверномера, должны обеспечивать переменное выходное усилие. Это обычно приводит к невысокой эффективности механического устройства и к его недостаточному использованию в большом диапазоне размеров буровой скважины. Поэтому полезно разработать рычажные механизмы каверномера, которые позволяют приложить фактически постоянные радиальные силы при наличии постоянной механической входной мощности от приводного устройства. В настоящем изобретении создан такой механизм.Like centralizers, calipers extend shoulders or linkages from the tool body to the wall of the borehole. One of the differences between centralizers and calipers is that the shoulders of the caliper can be individually actuated and may not open the same amount. Another difference is that the caliper arms usually selectively open and close to the tool body by some mechanical means. Thus, the shoulders of the caliper do not necessarily remain in contact with the wall of the borehole for the entire time. Various measuring instruments are often mounted on the shoulders of the caliper. In order to ensure proper operation of some of these measuring instruments, it is often necessary to maintain a predetermined range of radial forces with which the caliper arms are pressed against the borehole wall. This requirement is sometimes difficult to fulfill in horizontal sections of the well and with variable well sizes. The reason is that, like centralizers, the gain in the strength of the lever mechanisms of the caliper varies with the size of the borehole. Thus, the mechanical devices responsible for opening and closing the caliper should provide a variable output force. This usually leads to low efficiency of the mechanical device and to its insufficient use in a wide range of borehole sizes. Therefore, it is useful to develop lever caliper mechanisms that allow practically constant radial forces to be applied in the presence of constant mechanical input power from the drive device. The present invention has created such a mechanism.
Для горизонтальных и значительно наклоненных скважин характерна еще одна проблема. Каротажные инструменты не могут быть эффективно перемещены в таких скважинах под действием силы тяжести. Это привело к необходимости разработки альтернативных способов перемещения. Один из таких способов основан на использовании тянущего устройства в нисходящей скважине, которое тянет или толкает каротажные инструменты вдоль стенки.For horizontal and significantly deviated wells, another problem is characteristic. Logging tools cannot be effectively moved in such wells by gravity. This led to the need to develop alternative ways of moving. One such method is based on the use of a pulling device in a downhole that pulls or pushes logging tools along the wall.
В тяговых устройствах для нисходящих скважин, например, в таких устройствах, которые описаны в патентах США 5954131 и 6179055 В1, используют различные механизмы, расширяющиеся в радиальном направлении, чтобы принудительно подавать колеса или устройства, обеспечивающие зацепление, к стенке буровой скважины. Независимо от принципа, посредством которого обеспечивают движение по отношению к стенке буровой скважины, сила тяги, которую может создавать тяговое устройство, прямо пропорциональна радиальной силе, прилагаемой механизмом. Подобно централизаторам и каверномерам, тяговые устройства для нисходящих скважин конструируют таким образом, чтобы они действовали в широком диапазоне размеров буровых скважин. Как и для централизаторов, для них также характерна проблема изменения радиальной силы как функции размера буровой скважины. Обычно для данного механизма расширения сила тяги ослабевает в зависимости от размера буровой скважины. Предпочтительно, чтобы радиальная сила, которую развивает тяговое устройство, была постоянной. Однако удовлетворительного решения этой проблемы до сих пор не предложено.In downhole traction devices, such as those described in US Pat. Nos. 5,954,131 and 6,179,055 B1, various radially expanding mechanisms are used to force wheels or gears to engage the borehole wall. Regardless of the principle by which the movement relative to the wall of the borehole is provided, the traction force that the traction device can create is directly proportional to the radial force exerted by the mechanism. Like centralizers and caliper, traction devices for downhole wells are designed to operate over a wide range of borehole sizes. As with centralizers, they are also characterized by the problem of changing radial forces as a function of the size of the borehole. Typically, for a given expansion mechanism, traction is weakened depending on the size of the borehole. Preferably, the radial force developed by the traction device is constant. However, a satisfactory solution to this problem has not yet been proposed.
В некоторых тяговых устройствах используют несколько групп рычажных механизмов разного размера, чтобы обеспечить относительно постоянную силу тяги в широком диапазоне размеров буровой скважины, однако замена этих механизмов должна быть осуществлена на поверхности, что весьма неудобно. Кроме того, некоторые скважины бурят так, что они будут иметь разнообразные размеры, так что придется манипулировать не одним механизмом. Согласно настоящему изобретению создан механизм, который может быть использован при всех известных концепциях создания тяги, чтобы обеспечить постоянную радиальную силу и, следовательно, соответствующую тягу в весьма широком диапазоне размеров буровой скважины.Some traction devices use several groups of linkages of different sizes to provide a relatively constant traction in a wide range of borehole sizes, however, these mechanisms must be replaced on the surface, which is very inconvenient. In addition, some wells are drilled so that they will have a variety of sizes, so more than one mechanism will have to be manipulated. According to the present invention, a mechanism has been created that can be used with all known traction concepts to provide a constant radial force and, consequently, an appropriate traction in a very wide range of borehole sizes.
Для выполнения своих функций централизаторы, каверномеры и тяговые устройства основаны на механизмах, расширяемых в радиальном направлении. Эти механизмы могут быть активными или пассивными. К активным механизмам энергию подводят посредством гидравлических или электрических приводных устройств. Их выполняют нормально замкнутыми и приводят в действие только в течение эксплуатации. Пассивные механизмы обычно основаны на пружинах, предназначенных для создания радиальной силы, действующей в наружном направлении. В то время как пассивные механизмы, развивающие постоянное усилие, поставляет промышленность, активные механизмы, действующие с постоянной силой, не были предложены.To perform their functions, centralizers, calipers and traction devices are based on mechanisms that expand in the radial direction. These mechanisms can be active or passive. Active mechanisms are supplied with energy by means of hydraulic or electric drive devices. They perform normally closed and only operate during operation. Passive mechanisms are usually based on springs designed to create a radial force acting in the outward direction. While passive mechanisms developing continuous effort are supplied by industry, active mechanisms operating with constant force have not been proposed.
В настоящем изобретении может быть использован как пассивный, так и активный механизм, который может создавать по существу постоянную радиальную силу.In the present invention, both a passive and an active mechanism can be used, which can create a substantially constant radial force.
В известном техническом решении, имеющем отношение к принципу работы изобретения, раскрыты либо конструкция централизаторов, развивающих постоянную силу, либо использование клиньев в централизующих устройствах. Например, в патенте США 4615386 раскрыт централизатор, который создает приблизительно постоянную радиальную силу в диапазоне размеров буровой скважины. Постоянство силы обеспечивают посредством сочетания двух пружин, имеющих разные характеристики. Сумма сил двух пружин остается приблизительно постоянной в широком диапазоне перемещений плеч централизатора. Преимущество такого подхода заключается в его простоте. Недостаток этого подхода состоит в том, что он может быть использован только в централизаторах, но не в каверномерах и в устройствах, обеспечивающих зацепление, в случае которых требуется избирательное раскрытие и смыкание плеч. Другой недостаток состоит в том, что при таком принципе работы необходимо, чтобы централизатор был довольно длинным, а это в некоторых случаях может оказаться нежелательным. Подобным же образом, в патентах США 4557327 и 4830105 раскрыты централизующие устройства, которые обеспечивают по существу постоянную силу централизации посредством сочетания по меньшей мере двух пружин разного типа. Преимущества и недостатки этих устройств подобны обсуждавшимся выше преимуществам и недостаткам. В патенте США 5005642 раскрыт централизатор каротажного инструмента, который обеспечивает пониженную степень изменения силы централизации посредством перемещения точек крепления централизующих плеч на противоположных сторонах корпуса инструмента. При этом угол между плечом централизатора и корпусом инструмента никогда не сможет принимать нулевое значение, что является условием, которое делает неработоспособными большинство других централизующих устройств, основанных на приведении в действие только в осевом направлении. Недостаток этого подхода заключается в том, что он не решает проблему полностью, поскольку радиальная сила все еще изменяется в зависимости от размера буровой скважины. Это также делает конструкцию устройства трудновыполнимой, особенно в том случае, когда желательно использовать более двух централизующих плеч.In a known technical solution related to the principle of operation of the invention, either the design of centralizers developing constant force or the use of wedges in centralizing devices are disclosed. For example, US Pat. No. 4,615,386 discloses a centralizer that produces approximately constant radial force over a range of borehole sizes. The constancy of force is ensured by a combination of two springs having different characteristics. The sum of the forces of the two springs remains approximately constant over a wide range of movements of the centralizer arms. The advantage of this approach is its simplicity. The disadvantage of this approach is that it can only be used in centralizers, but not in calipers and gearing devices, in which case selective opening and closing of the shoulders is required. Another disadvantage is that with this principle of operation it is necessary that the centralizer be quite long, and this in some cases may be undesirable. Similarly, US Pat. Nos. 4,557,327 and 4,803,005 disclose centralizing devices that provide a substantially constant centralization force by combining at least two different types of springs. The advantages and disadvantages of these devices are similar to the advantages and disadvantages discussed above. US Pat. No. 5,005,642 discloses a centralizer of a logging tool that provides a reduced degree of change in centralization force by moving the attachment points of the centralizing arms on opposite sides of the tool body. Moreover, the angle between the centralizer arm and the tool body will never be able to take a zero value, which is a condition that makes most other centralizing devices based on actuating in the axial direction inoperative. The disadvantage of this approach is that it does not completely solve the problem, since the radial force still varies depending on the size of the borehole. This also makes the design of the device difficult, especially in the case when it is desirable to use more than two centralizing shoulders.
Во всех обсуждавшихся выше патентах расширение централизатора в радиальном направлении обеспечивают посредством механизма, который состоит из двух плеч, соединенных друг с другом одним из их концов и прикрепленных их другими концами к подвижным башмакам. Когда расстояние между башмаками изменяется, точка крепления двух плеч перемещается внутрь или наружу в радиальном направлении. Другой подход для получения устройства, расширяемого в радиальном направлении, основан на использовании сужающихся поверхностей или клиньев. Централизаторы, созданные на основе этого принципа, раскрыты в патентах США 5348091 и 5934378. Инструмент для бурения скважин, расширяемый в радиальном направлении, раскрыт в патенте США 4693328. Принцип расширения в радиальном направлении вновь основан на движущихся частях, которые скользят по наклонным поверхностям (клиньям). Преимущество этой концепции заключается в том, что создаваемые силы могут быть значительными. Основной недостаток заключается в относительно ограниченном диапазоне радиального расширения.In all the patents discussed above, radial expansion of the centralizer is achieved through a mechanism that consists of two arms connected to each other by one of their ends and fastened by their other ends to the movable shoes. When the distance between the shoes changes, the attachment point of the two shoulders moves inward or outward in the radial direction. Another approach for producing a radially expandable device is based on the use of tapering surfaces or wedges. Centralizers based on this principle are disclosed in US Pat. Nos. 5,348,091 and 5,934,378. Radial expandable drilling tools are disclosed in US Pat. No. 4,693,328. The radial expansion principle is again based on moving parts that slide along inclined surfaces (wedges) ) The advantage of this concept is that the forces created can be significant. The main disadvantage is the relatively limited range of radial expansion.
В настоящем изобретении устранены недостатки обоих типов механизмов, расширяемых в радиальном направлении, которые обсуждены выше, посредством кинематического объединения этих механизмов в одном устройстве, что позволяет получить другие результаты, содержащие признаки новизны, отличающиеся от признаков любого из упомянутых устройств.The present invention eliminated the disadvantages of both types of mechanisms that are expandable in the radial direction, which are discussed above, by kinematically combining these mechanisms in one device, which allows to obtain other results containing signs of novelty that are different from the signs of any of the mentioned devices.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
Согласно одному из аспектов настоящего изобретения создан исполнительный механизм, действующий с постоянной силой, который может быть использован при всех известных концепциях получения тягового усилия в буровой скважине для обеспечения по существу постоянной радиальной силы и, следовательно, соответствующую силу тяги в широком диапазоне размеров буровой скважины.According to one aspect of the present invention, an actuator with constant force is provided that can be used with all known concepts of producing traction in a borehole to provide a substantially constant radial force and therefore corresponding traction in a wide range of borehole sizes.
Согласно другому аспекту изобретения создан исполнительный механизм, действующий с постоянной силой, который может быть использован в качестве пассивного или активного механизма, способного создавать по существу постоянную радиальную силу для ее приложения к противоположным поверхностям.According to another aspect of the invention, there is provided an actuator acting with constant force, which can be used as a passive or active mechanism capable of creating a substantially constant radial force for its application to opposing surfaces.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения создан исполнительный механизм, действующий с постоянной силой, который может быть эффективно использован в качестве операционного компонента централизатора, устройства, обеспечивающего зацепление, грузоподъемного устройства, либо других устройств, служащих для передачи силы, и может быть приведен в действие посредством пружин, гидравлических двигателей, пневматических двигателей, устройств, служащих для механического приведения в действие, и тому подобного.According to another aspect of the present invention, there is provided an actuator operating with constant force, which can be effectively used as an operational component of a centralizer, an engaging device, a lifting device, or other devices for transmitting force, and can be actuated by springs, hydraulic motors, pneumatic motors, devices for mechanical actuation, and the like.
Короче говоря, настоящее изобретение представляет собой механизм, в котором используют силу, прилагаемую в первом линейном направлении, чтобы поднимать или удерживать нагрузку, либо передавать усилие во втором линейном направлении, которое по существу перпендикулярно первому линейному направлению. Устройства и механизмы, создаваемые согласно принципам настоящего изобретения, конструируют таким образом, чтобы сила, которая требуется для удержания нагрузки, практически представляла собой постоянную величину и была независима от положения нагрузки во втором линейном направлении. В частности, изобретение относится к каротажным инструментам или другим устройствам для скважин, которые перемещают вдоль внутренних поверхностей буровой скважины или трубы, либо между отстоящими друг от друга поверхностями. Изобретение обычно может принимать форму централизатора, каверномера, устройства, обеспечивающего зацепление, либо тягового механизма для использования в скважинах, или может принимать форму подъемного устройства, либо устройства для удержания груза, когда оно осуществлено в виде домкратов или других устройств для подъема или удержания груза. Функция настоящего изобретения заключается в приложении радиальных сил к внутренней цилиндрической стенке буровой скважины, либо круглого канала, например трубы, или в воздействии на них, для централизации объектов внутри буровой скважины или трубы, чтобы выполнить функцию зацепления или создать механическое сопротивление, позволяющее обеспечить эффективную работу внутренних тяговых устройств для перемещения таких объектов, как каротажные инструменты. При использовании в качестве централизатора для каротажных инструментов большое количество подвижных в радиальном направлении приводных рычажных механизмов, с которыми выполнено настоящее изобретение, удерживает каротажные инструменты по центру буровой скважины и таким образом повышает точность каротажного процесса. Когда изобретение используют в качестве каверномера, в нем происходит выдвижение плеч или других рычажных механизмов к стенке буровой скважины и контролируемая радиальная сила оказывает воздействие на поверхность стенки. Когда изобретение используют в качестве устройства, обеспечивающего зацепление, может происходить приложение радиальных сил, которые создают достаточное трение, к стенке буровой скважины или трубы, или их воздействие на эту стенку, чтобы предотвратить какое-либо скольжение в точках контакта между устройством, обеспечивающим зацепление, и поверхностью стенки буровой скважины или трубы. Последнее необходимо для конструкции и работы в нисходящих скважинах таких тяговых инструментов, которые часто используют для перемещения других инструментов вдоль скважин, имеющих горизонтальные участки или участки со значительным наклоном. Основное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что величины радиальных сил, которые оно прилагает к стенке буровой скважины, фактически будет постоянным и не зависит от размера буровой скважины.In short, the present invention is a mechanism in which a force applied in a first linear direction is used to lift or hold a load, or to transmit force in a second linear direction that is substantially perpendicular to the first linear direction. The devices and mechanisms created according to the principles of the present invention are designed so that the force required to hold the load is practically constant and independent of the load position in the second linear direction. In particular, the invention relates to logging tools or other devices for wells that move along the inner surfaces of a borehole or pipe, or between spaced apart surfaces. The invention can usually take the form of a centralizer, caliper, gearing device, or a traction mechanism for use in wells, or it can take the form of a lifting device or a load holding device when it is implemented as jacks or other devices for lifting or holding the load. The function of the present invention is the application of radial forces to the inner cylindrical wall of a borehole, or a round channel, such as a pipe, or in acting on them, to centralize objects inside a borehole or pipe in order to fulfill the function of engagement or create mechanical resistance, allowing for efficient operation internal traction devices for moving objects such as logging tools. When used as a centralizer for logging tools, a large number of radially movable drive linkages with which the present invention is made holds the logging tools in the center of the borehole and thereby improves the accuracy of the logging process. When the invention is used as a caliper, it extends the shoulders or other link mechanisms to the wall of the borehole and a controlled radial force affects the surface of the wall. When the invention is used as an engaging device, the application of radial forces that create sufficient friction to the wall of the borehole or pipe or their impact on this wall can occur to prevent any slipping at the contact points between the engaging device, and a wall surface of a borehole or pipe. The latter is necessary for the design and operation of downstream wells of such traction tools, which are often used to move other tools along wells that have horizontal sections or sections with a significant slope. The main advantage of the present invention is that the magnitude of the radial forces that it exerts on the wall of the borehole will in fact be constant and independent of the size of the borehole.
Основные элементы изобретения представляют собой детали для передачи силы или башмаки, колеса, оси и по меньшей мере одну пару рычажных плеч с встроенными клиньями или с направляющими поверхностями, имеющими заданную геометрию, определяемую рычажными плечами. В целях настоящего изобретения предполагается, что каждый из терминов "детали для передачи усилия" или "башмаки" определяет детали любой желаемой конфигурации, которые относительно линейно подвижны, при этом подвижна одна из деталей или подвижны обе детали и, если желательно, одна из деталей неподвижна. Рычажные плечи, детали для передачи силы или башмаки и колеса соединены посредством оси, чтобы образовать рачажный механизм, который может расширяться или сходиться в радиальном направлении, когда расстояние между башмаками изменяется в осевом направлении. Рычажные плечи соединены друг с другом посредством шарнирного элемента или оси у одного из их концов, за счет чего обеспечивается возможность только углового движения рычажных плеч. Своими вторыми концами рычажные плечи прикреплены к отдельным башмакам посредством осей или шарниров, которые могут как вращаться, так и скользить внутри удлиненной прорези, выполненной в корпусе башмака. Колеса или ролики, которые определяют перемещение управляющих элементов, с возможностью вращения крепят к башмакам, и когда они находятся в контакте с направляющими поверхностями рычажных плеч, то катятся по предназначенным для передачи усилия направляющим поверхностям клиньев или по направляющим поверхностям, которые встроены в рычажные плечи, образованы на рычажных плечах или прикреплены к рычажным плечам. Хотя в качестве элементов башмаков, служащих для передачи силы, или деталей, служащих для передачи силы, показаны колеса или ролики, в пределах объема и существа настоящего изобретения могут быть применены иные структуры, чем колеса или ролики, чтобы передавать силу от башмаков к направляющим поверхностям клиньев или рычажных плеч. Направляющие поверхности, предназначенные для передач силы, имеют заданную геометрию, так чтобы взаимодействовать со служащими для передачи силы поверхностями колес или роликов и создавать векторы результирующих сил на рычажных плечах, которые расположены под углом по отношению к направлению линейного перемещения одного или обоих башмаков. Такие расположенные под углом векторы сил вызывают поворотное перемещение рычажных плеч даже в том случае, когда рычажные механизмы полностью отведены. Этот отличительный признак обеспечивает возможность легкого начального перемещения рычажных механизмов из их отведенных положений.The main elements of the invention are parts for transmitting force or shoes, wheels, axles and at least one pair of link arms with integrated wedges or with guide surfaces having a predetermined geometry defined by link arms. For the purposes of the present invention, it is assumed that each of the terms “force transmitting parts” or “shoes” defines parts of any desired configuration that are relatively linearly movable, while one of the parts is movable or both parts are movable and, if desired, one of the parts is stationary . The link arms, power transmission parts, or the shoes and wheels are axially connected to form a linkage mechanism that can expand or converge in the radial direction when the distance between the shoes changes in the axial direction. The lever shoulders are connected to each other by means of a hinge element or an axis at one of their ends, due to which only the angular movement of the lever shoulders is possible. With their second ends, the lever shoulders are attached to individual shoes by means of axes or hinges, which can both rotate and slide inside an elongated slot made in the shoe body. Wheels or rollers that determine the movement of the control elements are rotatably attached to the shoes, and when they are in contact with the guide surfaces of the lever arms, they roll along the guide surfaces of the wedges intended for the transmission of force or along the guide surfaces that are built into the lever arms, formed on link arms or attached to link arms. Although wheels or rollers are shown as shoe elements serving to transmit power or parts serving to transmit power, structures other than wheels or rollers can be used within the scope and spirit of the present invention to transmit power from the shoes to guide surfaces wedges or leverage. The guiding surfaces for transmitting the force have a predetermined geometry so as to interact with the surfaces of the wheels or rollers used to transmit the force and create vectors of the resulting forces on the link arms, which are angled with respect to the linear direction of movement of one or both shoes. Such angled force vectors cause a pivotal movement of the link arms even when the link mechanisms are fully retracted. This distinguishing feature allows easy initial movement of the linkage mechanisms from their allotted positions.
В изобретении объединены два отдельных принципа, что позволяет обеспечить требуемое расширение в радиальном направлении. При небольших углах между плечами и башмаками радиальную силу создают посредством колес, которые катятся по служащим для передачи силы поверхностям клиньев или рычажных плеч. При больших углах движение расширения рычажных механизмов создают на основе принципа треугольного трехстержневого рычажного механизма. Переход от одного принципа к другому происходит при выбранном промежуточном угле рычажных плеч между положениями полного отведения и полного выдвижения. Посредством сочетания этих двух принципов и посредством выбора, расположения и формы служащих для передачи усилия направляющих поверхностей клиновых элементов можно обеспечить фактически постоянное входное усилие, что представляет собой основное преимущество настоящего изобретения и отличает его от других подобных устройств.The invention combines two separate principles, which allows for the required expansion in the radial direction. At small angles between the shoulders and shoes, radial force is created by means of wheels that roll along the surfaces of the wedges or lever shoulders that serve to transfer force. At large angles, the expansion movement of the linkage mechanisms is based on the principle of a triangular three-link linkage. The transition from one principle to another occurs when the intermediate angle of the lever arms is selected between the positions of the full lead and full extension. By combining these two principles and by selecting, arranging, and shaping the force transmitting forces of the guide surfaces of the wedge elements, a virtually constant input force can be provided, which is the main advantage of the present invention and distinguishes it from other similar devices.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Изобретение может быть более четко понято при рассмотрении приведенного ниже описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:The invention can be more clearly understood when considering the following description with reference to the accompanying drawings, in which:
На фиг.1А-1F представлены виды первого приведенного в качестве примера варианта осуществления конструкции исполнительного механизма согласно изобретению, действующего с постоянной силой, при этом на них показаны различные положения упомянутого исполнительного механизма - от замкнутого или отведенного положения, показанного на фигуре 1А, до полностью раскрытого или выдвинутого положения, показанного на фигуре 1F;On figa-1F presents views of the first cited as an example of an embodiment of the design of the actuator according to the invention, acting with constant force, while they show the various positions of the said actuator from the closed or retracted position shown in figure 1A, to fully open or extended position shown in figure 1F;
на фиг.2 представлена диаграмма зависимости силы от перемещения, иллюстрирующая осевую силу, требуемую для удержания радиальной нагрузки, при этом на фигуре представлено небольшое угловое перемещение рычажного механизма клином исполнительного механизма и большее угловое перемещение рычажного механизма, после того как рычажный механизм отделился от обеспечивающей передачу усилия поверхности клина;figure 2 presents a diagram of the dependence of the force on displacement, illustrating the axial force required to hold the radial load, while the figure shows a small angular movement of the linkage mechanism by the wedge of the actuator and a larger angular movement of the linkage after the linkage is separated from the transmission wedge surface forces;
на фиг.3 представлен вид в сечении варианта осуществления конструкции централизатора со смещением пружинами, выполненного согласно настоящему изобретению, который может быть использован в скважинах или в других случаях применения с целью централизации, при этом он включает симметричные противоположные рычажные механизмы с роликом, входящим в зацепление с клиньями на всех рычажных плечах;figure 3 presents a cross-sectional view of an embodiment of the design of the centralizer with bias springs, made according to the present invention, which can be used in wells or in other applications for the purpose of centralization, while it includes symmetrical opposite linkage mechanisms with a roller engaged with wedges on all lever shoulders;
на фиг.4 представлен вид в сечении варианта осуществления конструкции централизатора со смещением пружинами, выполненного согласно настоящему изобретению, при этом он имеет асимметричные рычажные механизмы, содержащие колесо или ролик, входящие в зацепление с клиньями только на верхних участках рычажного плеча;figure 4 presents a cross-sectional view of an embodiment of the design of the centralizer with bias springs, made according to the present invention, while it has asymmetric linkage mechanisms containing a wheel or roller that engage with wedges only in the upper portions of the lever arm;
на фиг.5 представлен вид в сечении варианта осуществления конструкции централизатора со смещением пружинами, имеющего противоположно расположенные асимметричные рычажные механизмы;figure 5 presents a view in section of an embodiment of the design of the centralizer with bias springs having oppositely located asymmetric linkage mechanisms;
на фиг.6 представлен вид в изометрии, показывающий вариант осуществления конструкции согласно настоящему изобретению в качестве зажима тягового инструмента нисходящей скважины;FIG. 6 is an isometric view showing an embodiment of a structure according to the present invention as a clamp of a down hole traction tool;
на фиг.7А представлен вид в сечении верхней части зажима тягового инструмента для нисходящей скважины, в котором осуществлены принципы настоящего изобретения;on figa presents a view in section of the upper part of the clamp traction tool for a downhole, which implemented the principles of the present invention;
на фиг 7В представлен вид в сечении промежуточной части зажима согласно фигуре 7А;FIG. 7B is a sectional view of the intermediate portion of the clamp according to FIG. 7A;
на фиг.7С представлен вид в сечении нижней части зажима согласно фигурам 7А и 7 В;on figs presents a view in section of the lower part of the clamp according to figures 7A and 7B;
на фиг.8 представлен вид в сечении тягового механизма для нисходящей скважины, в котором осуществлены принципы настоящего изобретения и который включает силовые тяговые колеса для обеспечивающего приведение в действие зацепления с противоположными поверхностями или противоположными сторонами буровой скважины;on Fig presents a cross-sectional view of the traction mechanism for the downhole, in which the principles of the present invention are implemented and which includes power traction wheels for providing engagement with opposite surfaces or opposite sides of the borehole;
на фиг.9 представлен вид в сечении тягового механизма для нисходящей скважины, сконструированного согласно настоящему изобретению и включающего силовые цепи для обеспечивающего приведение в действие зацепления с противоположными поверхностями или с противоположными сторонами буровой скважины;FIG. 9 is a cross-sectional view of a traction mechanism for a downhole constructed in accordance with the present invention and including power circuits to enable engagement with opposite surfaces or opposite sides of the borehole;
на фиг.10 представлен вид в сечении тягового механизма для буровой скважины, сконструированного согласно настоящему изобретению и имеющего ролики и поворотные башмаки для обеспечивающего приведение в действие зацепления с противоположными поверхностями или с противоположными сторонами буровой скважины;10 is a cross-sectional view of a traction mechanism for a borehole constructed in accordance with the present invention and having rollers and rotary shoes for engaging gears with opposite surfaces or opposite sides of the borehole;
на фиг.11 представлен вид в сечении, показывающий подъемный механизм для подъема и опускания объекта, в котором осуществлены принципы настоящего изобретения и в котором обеспечено ручное приведение в действие противоположных рычажных механизмов посредством поворотного винта домкрата;11 is a sectional view showing a lifting mechanism for raising and lowering an object in which the principles of the present invention are implemented and in which manual actuation of the opposed link mechanisms is provided by means of a rotary jack screw;
на фиг.12 представлены частичное сечение и частичный вид по высоте, иллюстрирующие ножничный механизм для подъема груза, имеющий группу ножничных плеч, образующих взаимодействующие рычажные механизмы с клиньями и передающими силу роликами для приведения ножниц в действие по существу с постоянной силой.12 is a partial cross-section and a partial elevation view illustrating a scissor mechanism for lifting a load, having a group of scissor arms forming interacting link mechanisms with wedges and force-transmitting rollers for actuating the scissors with substantially constant force.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Ниже описаны варианты осуществления изобретения, приведенные только в качестве примера. Понятно, что при разработке любого такого реального варианта конструкции должен быть обеспечен ряд внедрений - определенных решений, чтобы добиться конкретных целей, поставленных разработчиком, например согласование с ограничениями, налагаемыми на систему и на деловую активность, которые будут изменяться от одного внедрения к другому. Кроме того, очевидно, что такая попытка разработки может оказаться затруднительной и потребует затрат времени, но тем не менее будет представлять собой обычную работу квалифицированных специалистов в этой области, которые извлекли пользу из того, что здесь раскрыто.Embodiments of the invention are described below by way of example only. It is clear that in the development of any such real design option, a number of implementations must be provided - certain solutions in order to achieve the specific goals set by the developer, for example, coordination with the restrictions imposed on the system and business activity, which will vary from one implementation to another. In addition, it is obvious that such an attempt to develop can be difficult and time-consuming, but nevertheless it will be the usual work of qualified specialists in this field who have benefited from what is disclosed here.
Если теперь обратиться к фиг.1А-1F, то на них основные принципы настоящего изобретения представлены посредством иллюстраций, демонстрирующих выполнение операции, при этом рычажный механизм устройства, действующий по существу с постоянной силой, показан в его замкнутом или полностью отведенном состоянии на фигуре 1А и на различных стадиях перемещения в полностью раскрытое или полностью выдвинутое положение, показанное на фигуре 1F. Основные элементы и принцип работы изобретения схематически представлены на фигуре 1А-1F. Два плеча 2 рычажного механизма с клиньями 4, которые составляют единое целое с плечами рычажного механизма, соединены друг с другом у их первых концов посредством оси или шарнира 6. Ось 6 также может соединять с плечами рычажного механизма другие элементы в зависимости от желаемой функции сконструированного устройства. В иллюстративных целях на фигуре 1А-1F показаны колесо или ролик 8, также установленный на оси 6, при этом подразумевается, что в данном случае изобретение может быть использовано в качестве централизатора с колесами 8, предназначенными для контакта с противоположными поверхностями или для контакта с противоположными стенками буровой скважины. Вторые концы плеч 2 рычажного механизма крепят к башмакам 10 посредством поворотных пальцев 12, которые скользят и вращаются внутри удлиненных прорезей 14, выполненных в башмаках 10. Колеса 16 устанавливают совместно с осями 18 на кронштейнах 20, которые являются частями башмаков 10. Функция колес 16 заключается в том, чтобы катиться по направляющим поверхностям 22 клиньев 4 и взаимодействовать с направляющими поверхностями 22 для передачи векторных сил плечам 2 рычажного механизма и обеспечения перемещения плеч рычажного механизма. Движение башмаков 10 ограничено только линейным перемещением по отношению друг к другу посредством иных элементов или устройств, служащих для передачи силы (на фигуре 1А-1F не показаны). Все эти элементы изобретения объединены для образования рычажного механизма, обозначенного позицией 25.Turning now to FIGS. 1A-1F, the basic principles of the present invention are presented therein by way of illustrations illustrating the operation, while the linkage mechanism of the device, acting essentially constant force, is shown in its closed or allotted state in FIG. 1A and at various stages of moving to the fully open or fully extended position shown in Figure 1F. The basic elements and principle of operation of the invention are schematically represented in FIGS. 1A-1F. Two
На фигуре 1А-1F показано положение рычажного механизма 25 при различных степенях расширения в радиальном направлении. На фигуре 1А рычажный механизм 25 показан в его замкнутом или полностью отведенном положении, когда угол между плечами и башмаками равен нулю (на фигуре 1В-1F угол обозначен-α). Следует заметить, что в этом положении колеса 16, входящие в соприкосновение с клиновыми поверхностями 22, находятся вблизи их верхних концов. Также следует заметить, что шарнирные пальцы 12 находятся у передних концов соответствующих удлиненных прорезей 14.1A-1F show the position of the
Теперь представим, что башмаки 10 смещены по направлению друг к другу посредством осевых сил, обозначенных на фигурах 1А-1F символом Fa. Это приводит к тому, что колеса 16 будут катиться вниз по направляющим поверхностям 22 клиньев 4, тем самым развивая силу, вектор которой ориентирован для толкающего воздействия на плечи рычажного механизма вверх и их вращения вокруг шарнирных пальцев 12. Во время движения рычажного механизма плечи 2 скользят и поворачиваются у своих вторых концов, что приводит к получению конфигурации, показанной на фигуре 1В. Следует заметить, что угол α между плечами 2 и прямой линией, соединяющей башмаки 10, увеличивается от нулевого значения на фигуре 1А до некоторой положительной величины на фигуре 1В. В этом случае пальцы 12 будут находиться в удлиненных прорезях 14 в некотором промежуточном положении. Шарнирные пальцы 12 свободно перемещаются в осевом направлении и поэтому не могут удерживать какую-либо осевую нагрузку. Однако они препятствуют перемещению в радиальном направлении вторых концов плеч 2 рычажного механизма. Все эти взаимодействия вынуждают первые концы плеч 2 рычажного механизма и колеса 8 перемещаться наружу в радиальном направлении для выдвижения рычажного механизма 25 в радиальном направлении. Когда колесо 8 входит в контакт со стенкой буровой скважины, оно начинает оказывать на нее радиальное усилие, перемещая башмаки 10 от стенки к центру буровой скважины, тем самым создавая централизующий эффект.Now imagine that the
Дальнейшее расширение рычажного механизма 25 в радиальном направлении на основе качения колес 16 по направляющим поверхностям 22 показано на фигурах 1С и 1D. На этих фигурах видно, что угол α продолжает увеличиваться и колесо 8 продолжает перемещение наружу в радиальном направлении. На фигурах 1А-1D представлен первый кинематический принцип, используемый в изобретении, который основан на взаимодействии между направляющими поверхностями 22 клиньев 4 и колесами или роликами 16, служащими для передачи усилия. Следует заметить, что на фигуре 1D колеса 16 достигли самого нижнего конца клиновых поверхностей 22. Эта ситуация указывает, что величина расширения в радиальном направлении, основанная на этом первом кинематическом принципе, уже исчерпана. Также следует заметить, что шарнирные пальцы 12 достигли задних концов удлиненных прорезей 14. Это положение пальцев 12 и колес 16 представляет собой точку перехода между двумя кинематическими принципами, используемыми в изобретении. По этой причине угол плеча рычажного механизма на фигуре 1D обозначен символом αt (переход). При углах, меньших αt, расширение рычажного механизма в радиальном направлении будет обеспечено посредством клиньев, в то время как при углах, больших αt, расширение рычажного механизма в радиальном направлении будет обеспечено посредством эквивалента трехстержневого механизма. Второй кинематический принцип, на котором основано изобретение, представлен на фигурах 1D-1F. Два плеча 2 рычажного механизма и башмаки 10 формируют треугольный трехстержневой механизм с башмаками 10, представляющими собой стержень переменной длины. Когда расстояние между башмаками 10 уменьшается, треугольник изменяет форму при дальнейшем перемещении его вершины наружу в радиальном направлении. Следует заметить, что клинья 4 не принимают какое-либо участие в этом перемещении, поскольку, как показано на фигурах 1Е и 1F, направляющие поверхности 22 клиньев 4 отведены от колес или роликов 16.Further expansion of the
Теперь вообразим, что направленная вниз радиальная сила Fr действует в течение всего процесса расширения. Также вообразим, что величина осевой силы Fa, которая необходима для преодоления Fr и продолжения расширения, будет записана и представлена в графическом виде. Такое графическое изображение представлено на фигуре 2. Точные значения величин и формы кривых, представленных на фигуре 2, будут изменяться в зависимости от местоположения клина 4 на плечах 2 рычажного механизма и от радиуса кривизны направляющих поверхностей 22 клина. Однако на фигуре 2 в достаточной степени представлено преимущество сочетания двух отдельных кинематических принципов в одном механизме. На фигуре 2 кривая, обозначенная символом Fa (без клина), иллюстрирует величину осевой силы Fa, которая потребуется для преодоления Fr,если используют только второй кинематический принцип трехстержневого рычажного механизма. Как следует из графика согласно фигуре 2, в этом случае Fa резко повышается при небольших значениях α. Это означает, что трехстержневой рычажный механизм, на котором основаны многие существующие устройства, испытывает реальные затруднения при удержании радиальных нагрузок при небольших углах. Фактически, при α равном нулю, осевая сила, требуемая для удержания нагрузки, должна быть бесконечно большой, а это означает, что для работы в таком диапазоне не может быть сконструировано устройство для практического использования. Вторая кривая на графике согласно фигуре 2 представляет собой возможные величины Fa, если объединены два кинематических принципа, что предложено в настоящем изобретении. Можно видеть, что удается избежать резкого увеличения Fa при небольших углах, и что Fa остается довольно постоянной в пределах значительного диапазона величин угла α. Следует заметить, что на фигуре 2 никоим образом не исчерпаны возможные значения Fa, которые могут быть достигнуты посредством настоящего изобретения. Ранее было указано, что посредством изменения местоположения клина 4 на плече 2 и посредством изменения радиуса кривизны 4 и геометрии направляющей поверхности 22, можно обеспечить почти любую форму кривизны в зависимости от функции, выполнение которой требуется от конкретного варианта осуществления изобретения.Now imagine that the downward radial force F r acts throughout the expansion process. We also imagine that the magnitude of the axial force F a , which is necessary to overcome F r and continue the expansion, will be recorded and presented in graphical form. Such a graphic image is shown in figure 2. The exact values of the magnitudes and shape of the curves shown in figure 2 will vary depending on the location of the
Различные варианты осуществления изобретения более подробно обсуждены на фигурах 3-12. На фигуре 3 представлен один из вариантов осуществления изобретения, выполненный в виде централизатора инструмента. Минимум три рычажных механизма 25 (на фигуре 3 представлены только два противоположных рычажных механизма) объединены друг с другом посредством общих башмаков 10. Башмаки 10 скользят по направляющей части 24. За одно целое с направляющей частью 24 выполнен стопор 26 башмаков, который ограничивает линейное перемещение башмаков 10 по направляющей части 24. Направляющая часть 24 также подсоединена к верхней головной части 28 и к нижней головной части 30, которые используют для подсоединения централизатора к другим инструментам и устройствам в колонне инструментов (детали соединений с другими инструментами не существенны для настоящего изобретения и на фигуре 3 не показаны). Направляющая часть 24 также может содержать провода 32, проходящие через нее для электрической связи с другими инструментами в колонне инструментов. Осевую силу, которая вынуждает централизатор расширяться в радиальном направлении и размещать другие инструменты в колонне инструментов по центру буровой скважины, обеспечивают посредством пружин 34. Как видно из варианта конструкции, показанного на фигуре 3, для того, чтобы сконструировать централизатор с относительно постоянной силой централизации, необходим только один тип пружины.Various embodiments of the invention are discussed in more detail in figures 3-12. The figure 3 presents one of the embodiments of the invention, made in the form of a centralizer tool. A minimum of three linkage mechanisms 25 (only two opposite linkage mechanisms are shown in FIG. 3) are combined with each other by means of
Рычажный механизм 25, используемый для конструирования различных устройств, необязательно должен быть симметричным. Два устройства, которые сконструированы с асимметричными рычажными механизмами, действие которых основано на раскрытых выше принципах, показаны на фигурах 4 и 5. Согласно этим фигурам только одно из плеч, которые используют для создания рычажного механизма, имеет клин. Как вариант, клинья с направляющими поверхностями, имеющими различную геометрию, могут быть обеспечены на плечах, которые имеют неодинаковую длину.The
Во всех обсуждавшихся выше вариантах осуществления изобретения представлены централизаторы для колонны инструментов. Централизаторы, обеспечивающие постоянное усилие, могут быть созданы с помощью средств, отличающихся от тех средств, которые обсуждались выше. В настоящем изобретении представлен новый способ, посредством которого могут быть сконструированы такие централизаторы.In all of the embodiments discussed above, centralizers for a tool string are provided. Centralizers that provide continuous effort can be created using tools other than those discussed above. The present invention provides a new method by which such centralizers can be constructed.
Однако преимущества изобретения значительно выше в случае устройств, которые обладают способностью избирательного раскрытия их рычажных механизмов из корпуса инструмента и смыкания этих механизмов в корпусе инструмента. Причина заключается в том, что такие "активные" устройства обычно имеют только осевые линейные исполнительные механизмы, предназначенные для раскрытия и смыкания рычажных механизмов в инструменте, что противоположно элементам, используемым в централизаторах, которые имеют радиальный компонент силы. Примерами устройств, которые требуют избирательного раскрытия и смыкания рычажных механизмов, являются каверномеры и тяговые инструменты для нисходящих скважин. Вариант осуществления изобретения, используемый в качестве зажима в тяговом устройстве для нисходящей скважины, представлен на фигурах 6 и 7А-7С. На фигуре 6 представлен вид в трех измерениях зажима тягового инструмента, который сконструирован, используя обсуждавшиеся выше принципы исполнительного механизма, действующего с постоянной силой. Зажим тягового инструмента выполняет две основные функции. Первая функция заключается в выполнении избирательного раскрытия и смыкания различных механизмов и в централизации инструмента в буровой скважине, когда возникает такая необходимость. В этом отношении зажим тягового устройства ненамного отличается от централизаторов, показанных на фигурах 3-5. Различие заключается в том, что зажим не раскрыт постоянно и его приводят в действие посредством гидравлических или электромеханических исполнительных механизмов, которые обеспечивают избирательное раскрытие или смыкание. Вторая функция зажима тягового устройства заключается в избирательном зацеплении инструмента со стенкой скважины. В варианте конструкции, показанном на фигуре 6, это обеспечивают посредством установки кулачков 42 у вершин рычажных механизмов 25 и устройства для избирательной фиксации геометрии рычажного механизма (на фигуре 6 не показано). Принцип, согласно которому кулачки 42 избирательно обеспечивают зацепление инструмента со стенкой скважины, а также физика создания тяговой силы раскрыты в патентах США 5954131 и 6179055, а также в одновременно поданной заявке на патент в США 09/921825, введенной в настоящее описание посредством ссылки. Поскольку для работы предложенного изобретения они не важны, их подробное обсуждение здесь не приведено.However, the advantages of the invention are significantly higher in the case of devices that have the ability to selectively open their link mechanisms from the tool body and close these mechanisms in the tool body. The reason is that such “active” devices usually only have axial linear actuators designed to open and close the linkages in the tool, which is the opposite of the elements used in centralizers that have a radial force component. Examples of devices that require selective opening and closing of lever mechanisms are calipers and traction tools for downhole wells. An embodiment of the invention used as a clamp in a traction device for a downhole is shown in FIGS. 6 and 7A-7C. The figure 6 presents a view in three dimensions of the clamp traction tool, which is designed using the principles of the actuator discussed above, acting with constant force. The traction tool clamp has two main functions. The first function is to perform selective opening and closing of various mechanisms and to centralize the tool in the borehole when such a need arises. In this regard, the clamp of the traction device is not much different from the centralizers shown in figures 3-5. The difference is that the clamp is not opened continuously and is driven by hydraulic or electromechanical actuators that provide selective opening or closing. The second function of clamping the traction device is to selectively engage the tool with the borehole wall. In the embodiment shown in FIG. 6, this is achieved by installing
Как показано на фигуре 6, зажим тягового устройства состоит из трех симметричных рычажных механизмов 25. Подобно описанию, касающемуся фигуры 1, каждый рычажный механизм состоит из двух плеч 2, которые соединены друг с другом у их первых концов посредством оси 6. Ось 6 также соединяет другие элементы зажима, например колеса 8 и двунаправленный кулачок 42, который ответственен за выполнение тягового действия. Согласно фигуре 6 три верхних плеча 2 крепят к башмаку 10, который может скользить по отношению к корпусу 44 зажима. Это также подобно описанию, приведенному применительно к фигуре 1. Однако три нижних плеча 2 не крепят к подвижному башмаку, а вместо этого крепят к неподвижному башмаку 40, который представляет собой часть корпуса 44 зажима, выполненную совместно с ним как единое целое. Это демонстрирует гибкость изобретения. Как разъяснено ранее, единственное требование для работы изобретения заключается в том, чтобы башмаки 10 могли перемещаться по отношению друг к другу в осевом направлении. Однако нет необходимости в том, чтобы оба башмака могли перемещаться по отношению к корпусу инструмента. На фигуре 6 также показаны другие элементы изобретения, такие как клинья 4, направляющие поверхности 22 клиньев, колеса 16, шарнирные пальцы 12 и прорези 14. Следует заметить, что зажим согласно фигуре 6 показан в его полностью раскрытом или выдвинутом состоянии. Подвижный башмак 10 и неподвижный башмак 40 соприкасаются, что видно в непосредственной близости от колеса 16. Также следует заметить, что пальцы 12 находятся в нижнем конце прорезей 14, а это указывает на то, что задействован второй кинематический принцип изобретения. На фигуре 6 также показано, что направляющие поверхности 22 клиньев могут быть выполнены плоскими (бесконечный радиус кривизны), чтобы обеспечить желаемые характеристики, касающиеся силы.As shown in figure 6, the clamp of the traction device consists of three
Базовые элементы изобретения, показанные на фигуре 6, могут быть объединены с другими рычажными механизмами, чтобы сконструировать более сложные механизмы. Хотя изобретение описано применительно только к базовой группе элементов, квалифицированным специалистам в этой отрасли, которые извлекли пользу из приведенного описания, будет очевидно, что могут быть разработаны другие варианты осуществления конструкции, которые не выходят за пределы объема раскрытого здесь изобретения.The basic elements of the invention shown in FIG. 6 can be combined with other link mechanisms to construct more complex mechanisms. Although the invention has been described with reference only to a basic group of elements, it will be apparent to those skilled in the art who have benefited from the above description that other embodiments may be devised that do not fall within the scope of the invention disclosed herein.
На фигурах 7А-7С представлены виды в поперечном сечении варианта осуществления зажима тягового устройства для нисходящей скважины, показанного на фигуре 6. На фигуре 7В представлено продолжение фигуры 7А, а на фигуре 7С представлено продолжение фигуры 7В. Рычажные механизмы 25 зажима тягового устройства, показанного на фигурах 7А-7С, представлены в их полностью раскрытом положении. Следует заметить, что колеса 16 находятся на удалении от направляющих поверхностей 22 клиньев. Помимо элементов варианта конструкции, обсужденного ранее, на фигуре 7В показан исполнительный механизм 60, который обеспечивает осевое усилие, необходимое для избирательного раскрытия рычажного механизма 25 из корпуса инструмента и его смыкание в нем, а также показаны детали гидравлических цепей управления, необходимых для работы зажима. В этом конкретном варианте осуществления конструкции осевую силу создают посредством гидравлического исполнительного механизма 60, который состоит из поршня 62, пружины 64 и динамических уплотнений 66 и 68. Поршень 62 исполнительного механизма 60 может перемещаться вверх и вниз, когда камеру 70 подсоединяют к источнику рабочей жидкости под высоким давлением (на фигурах 7А-7С не показан) и отсоединяют ее от этого источника. Поршень 62 крепят к подвижному башмаку 10 посредством винта 72 и при этом движение исполнительного механизма приводит к перемещению башмака 10 относительно башмака 40. Другими элементами варианта конструкции, показанного на фигурах 7А-7С, являются аккумулятор высокого давления, в целом обозначенный позицией 80, и две гидравлических гильзы 85 и 90, которые управляют раскрытием и смыканием рычажных механизмов 25, а также управляют процессом создания силы тяги. Поскольку аккумулятор 80 высокого давления и гидравлические гильзы 85 и 90 не имеют прямого отношения к работе изобретения, и поскольку они раскрыты в одновременно поданной на заявке на патент США 09/921825, их подробное обсуждение здесь не приведено. Все другие элементы изобретения, показанные на фигурах 7А-7С, имеют те же самые обозначения и выполняют те же самые функции, что и элементы, обсуждавшиеся применительно к предыдущим фигурам.Figures 7A-7C are cross-sectional views of an embodiment of a clamp of a downhole traction device shown in Figure 6. Figure 7B is a continuation of Figure 7A, and Figure 7C is a continuation of Figure 7B. The
Для квалифицированных специалистов в этой отрасли будет очевидно, что совместно с изобретением могут быть объединены тяговые механизмы, отличающиеся от тех, которые имеют кулачки. Таким образом, изобретение может улучшить работу фактически каждого тягового инструмента для нисходящей скважины независимо от принципа, на котором основано создание силы тяги тягового устройства. Примеры использования различных тяговых устройств совместно с изобретением схематически показаны на фигурах 8, 9 и 10.It will be apparent to those skilled in the art that traction mechanisms other than those with cams can be combined with the invention. Thus, the invention can improve the operation of virtually every traction tool for a downhole, regardless of the principle on which the creation of traction force of the traction device is based. Examples of the use of various traction devices in conjunction with the invention are shown schematically in figures 8, 9 and 10.
На фигуре 8 представлен тяговый инструмент для нисходящей скважины, в котором силу тяги создают посредством силовых приводных колес 100, установленных на вершинах рычажных механизмов 25. Подобно конструкции асимметричного рычажного механизма, показанной на фигуре 4, тяговый инструмент, показанный на фигуре 8, имеет плечи 2, оснащенные клиньями 4 только с нижней стороны каждого рычажного механизма 25. Два верхних плеча 102 могут лишь поворачиваться по отношению к неподвижному башмаку 104, который представляет собой часть корпуса 106 инструмента, выполненного совместно с ним как одно целое. Плечи 102 также вмещают приводные цепи (не показаны), которые передают вращательное движение от двигателя (не показан) внутри корпуса 106 инструмента к приводным колесам 100. Подвижный башмак 10, плечи 2, клинья 4, колеса 16, пальцы 12 и прорези 14 функционируют так, как описано применительно к фигуре 1. На фигуре 8 также схематически представлен один из типов исполнительного механизма 110, который может быть использован для избирательного раскрытия и смыкания рычажного механизма 25. В этом варианте осуществления конструкции исполнительный механизм 110 состоит из двигателя 112, который приводит в движение винт 114. Когда винт 114 поворачивается, шариковая гайка 116 перемещается вверх или вниз. Шариковая гайка 116 передает свое линейное движение башмаку 10 посредством пружины 118, что придает гибкость рычажному механизму 25, необходимую в том случае, когда тяговый инструмент сталкивается с изменениями размера буровой скважины или с другими препятствиями.Figure 8 shows a traction tool for a downhole in which traction is generated by
На фигуре 9 схематически представлен другой тяговый механизм, который может быть использован совместно с изобретением. В этом случае цепи 120 устанавливают по краям симметричных рычажных механизмов 25. Цепи крепят к рычажным механизмам 25 посредством поворотных пальцев 6, которые могут скользить и поворачиваться в прорезях 124, выполненных в цепях 120. В верхних концах цепи 120 крепят к плечам 130, которые подобно плечам 102 на фигуре 8 вмещают механические элементы (не показаны) для передачи вращательного движения от двигателя (не показан) в корпусе 44 инструмента к приводным звездочкам 122 цепей 120. У своих нижних концов цепи 120 прикреплены к другой группе плеч 132, которые обеспечивают возможность прохождения тягового инструмента через изменение размера буровой скважины и другие препятствия. Плечи 132 прикреплены к корпусу 44 инструмента посредством пальцев 134, которые скользят в прорезях 136. На фигуре 9 также показаны подвижный башмак 10 и неподвижный башмак 40, которые выполняют точно такие же функции, что и функции, описанные применительно к фигуре 6. Исполнительный механизм 140, показанный на фигуре 9, действует на основе принципа, отличающегося от принципа действия исполнительного механизма 110, показанного на фигуре 8. Исполнительный механизм 140 содержит гидравлический поршень 142, который составляет единую часть с подвижным башмаком 10. Это демонстрирует гибкость изобретения, а также то, что изобретение будет работать с разнообразными исполнительными механизмами, которые действуют на основе различных принципов. Тип используемого исполнительного механизма не влияет на то, как в изобретении будет обеспечено расширение.Figure 9 schematically shows another traction mechanism that can be used in conjunction with the invention. In this case, the
На фигуре 10 представлен схематический вид еще одного варианта осуществления настоящего изобретения, имеющего форму тяговой системы для нисходящей скважины. В этом случае роликовые узлы 151, которые состоят из роликов 152, устанавливают на наклонных осях 154 у вершин рычажных механизмов 25. Тяговое действие обеспечивают посредством вращения подвижного башмака 10 и неподвижного башмака 160 по отношению к центральной направляющей детали 164 корпуса 44 инструмента. Направление вращения указано на фигуре 10 стрелкой 162. Когда вращается вся группа рычажных механизмов 25, тяговый инструмент совершает движение по спирали вдоль внутренней стенки буровой скважины. Вращательное движение тягового механизма создают посредством двигателя и зубчатой передачи (не показана), которые находятся внутри корпуса 44 инструмента. Далее вращательное движение передают башмаку 160. Следует заметить, что башмак 160 может лишь свободно вращаться по отношению к центральной направляющей детали 164, а его скольжение по отношению к корпусу 44 инструмента предотвращают посредством выступа 166, который образован увеличенным участком центральной направляющей детали 164. Другой башмак 10 может совершать как вращение, так и поступательное перемещение по отношению к центральной направляющей детали 164, что указано стрелками 172 и 168. Когда башмак 10 скользит вверх или вниз по центральной направляющей детали 164, рычажные механизмы 25 будут расширяться или отводиться в радиальном направлении. Подобно обсуждавшимся ранее вариантам осуществления конструкции, поступательное перемещение башмака 10 вверх или вниз обеспечивают посредством линейного исполнительного механизма, обозначенного позицией 170. На фигуре 10 исполнительный механизм показан в виде гидравлического поршня 174, который представляет собой часть, выполненную заодно с башмаком 10. Как было разъяснено ранее, без отклонения от объема патентных притязаний и существа настоящего изобретения также могут быть сконструированы исполнительные механизмы, действующие в соответствии с иными принципами.Figure 10 is a schematic view of yet another embodiment of the present invention in the form of a downhole traction system. In this case, the
Во всех обсуждавшихся вариантах осуществления конструкции изобретение было объединено с другими механизмами, чтобы сконструировать различные инструменты, которые предназначены для работы как в скважинах, так и в трубопроводах. Однако изобретение не ограничено этими вариантами осуществления конструкции. В общем, изобретение может улучшить работу любого устройства, которое предназначено для удержания нагрузки в одном направлении посредством приложения силы во втором направлении, перпендикулярном первому направлению. Два таких варианта конструкции представлены на фигурах 11 и 12. На фигуре 11 представлен вариант конструкции согласно настоящему изобретению, который функционирует в качестве грузоподъемного устройства, например домкрата, предназначенного для подъема и опускания самоходного транспортного средства. Согласно фигуре 11 один симметричный рычажный механизм 25 прикреплен к основанию 180, в то время как другой рычажный механизм 25 прикреплен к подъемному приспособлению 182. Два элемента, служащих для передачи усилия, или башмаки 10 и 190 функционируют точно таким же образом, как описано применительно к фигуре 1, когда они перемещаются по отношению друг к другу в осевом направлении. Осевой исполнительный механизм в данном случае представляет собой механизм, состоящий из винта и гайки, при этом приводимая в движение гайка 184 представляет собой часть башмака 10. Винт 186 заходит по резьбе в гайку 184 и может совершать вращение по отношению к башмаку 190 посредством коленчатой рукоятки 192. Линейное движение винта 186 по отношению к башмаку 190 будет предотвращено посредством стопора 188 опорного узла 194. Для большинства существующих автомобильных домкратов, в которых используют треугольные кинематические механизмы, характерно то, что начало работы ими сильно затруднено, когда они полностью сжаты. В настоящем изобретении эта проблема решена. Как разъяснено применительно к фигурам 1 и 2, осевая сила, требуемая в изобретении, фактически постоянна. Таким образом сила вращения, которая должна быть приложена к коленчатой рукоятке 192, чтобы поднять груз, также будет постоянной и поэтому домкрат легко сможет начать работу из сжатого положения.In all discussed design embodiments, the invention has been combined with other mechanisms to construct various tools that are designed to work in both wells and pipelines. However, the invention is not limited to these embodiments. In general, the invention can improve the operation of any device that is designed to hold a load in one direction by applying a force in a second direction perpendicular to the first direction. Two such design options are presented in figures 11 and 12. Figure 11 shows a design variant according to the present invention, which functions as a lifting device, such as a jack, designed to raise and lower a self-propelled vehicle. According to figure 11, one
Другой вариант осуществления изобретения, который может быть использован для подъема груза в одном направлении посредством приложения силы в перпендикулярном направлении, показан на фигуре 12. Согласно фигуре 12 исполнительный механизм 200, который создает силу Fa, используют для подъема груза 202, который воздействует в нижнем направлении с силой Fr. Как видно на этой фигуре, плечо 2 может быть выдвинуто за место расположения шарнира или оси 6, которая соединяет два плеча 2 рычажного механизма в шарнирном узле. Это не меняет принцип, согласно которому действует изобретение, и вновь демонстрирует гибкость изобретения. Добавление дополнительных рычажных механизмов 204, подсоединенных в местах нахождения пальцев 206 и 208, не изменяет принцип работы изобретения. Квалифицированные специалисты в этой отрасли легко поймут, что в пределах объема изобретения может быть сконструировано большое разнообразие механизмов и устройств, предназначенных для различного промышленного применения.Another embodiment of the invention, which can be used to lift the load in one direction by applying a force in the perpendicular direction, is shown in figure 12. According to figure 12, the
Хотя допустимо выполнение разнообразных модификаций и альтернативных форм изобретения, здесь в качестве примера показаны на фигурах и подробно описаны конкретные варианты его осуществления. Однако следует иметь в виду, что приведенное здесь описание конкретных вариантов конструкции не предназначено для ограничения изобретения конкретными раскрытыми формами, напротив, предполагается, что изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и альтернативные варианты, находящиеся в объеме патентных притязаний изобретения, который определен прилагаемыми пунктами формулы изобретения.Although it is permissible to carry out various modifications and alternative forms of the invention, specific examples of its implementation are shown here in the figures and are described in detail. However, it should be borne in mind that the description of specific design options provided herein is not intended to limit the invention to the particular forms disclosed, rather, it is intended that the invention covers all modifications, equivalents, and alternative options that are within the scope of the patent claims of the invention as defined by the appended claims .
Claims (5)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US36418902P | 2002-03-13 | 2002-03-13 | |
| US60/364,189 | 2002-03-13 | ||
| US10/321,858 | 2002-12-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003106851A RU2003106851A (en) | 2004-09-20 |
| RU2299969C2 true RU2299969C2 (en) | 2007-05-27 |
Family
ID=38310844
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003106851/03A RU2299969C2 (en) | 2002-03-13 | 2003-03-12 | Executive mechanism acting with constant force |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2299969C2 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467152C2 (en) * | 2007-09-18 | 2012-11-20 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Tooling to be used in borehole |
| CN103256041A (en) * | 2013-05-10 | 2013-08-21 | 中国电子科技集团公司第二十二研究所 | Hole diameter instrument |
| RU2517297C1 (en) * | 2013-03-20 | 2014-05-27 | Олег Сергеевич Николаев | Borehole tractor (versions) |
| RU2616050C2 (en) * | 2012-02-28 | 2017-04-12 | Вест Продакшен Текнолоджи Ас | Feeding device for downhole tool and method of downhole tool axial feed |
| RU2742922C1 (en) * | 2020-07-13 | 2021-02-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Л-Петро" | Lever device for delivery of instruments and equipment to horizontal wells and its fixation unit |
| WO2022015206A1 (en) * | 2020-07-13 | 2022-01-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Л-Петро" | Device and method for conveying tools into horizontal wells |
-
2003
- 2003-03-12 RU RU2003106851/03A patent/RU2299969C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2467152C2 (en) * | 2007-09-18 | 2012-11-20 | Шлюмбергер Текнолоджи Б.В. | Tooling to be used in borehole |
| RU2616050C2 (en) * | 2012-02-28 | 2017-04-12 | Вест Продакшен Текнолоджи Ас | Feeding device for downhole tool and method of downhole tool axial feed |
| RU2517297C1 (en) * | 2013-03-20 | 2014-05-27 | Олег Сергеевич Николаев | Borehole tractor (versions) |
| CN103256041A (en) * | 2013-05-10 | 2013-08-21 | 中国电子科技集团公司第二十二研究所 | Hole diameter instrument |
| CN103256041B (en) * | 2013-05-10 | 2016-02-10 | 中国电子科技集团公司第二十二研究所 | Hole diameter instrument |
| RU2742922C1 (en) * | 2020-07-13 | 2021-02-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Л-Петро" | Lever device for delivery of instruments and equipment to horizontal wells and its fixation unit |
| WO2022015206A1 (en) * | 2020-07-13 | 2022-01-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Л-Петро" | Device and method for conveying tools into horizontal wells |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1344893B1 (en) | Constant force actuator | |
| US7334642B2 (en) | Constant force actuator | |
| AU2004257928B2 (en) | Open hole tractor with tracks | |
| AU2002300367B2 (en) | Bi-directional grip mechanism for a wide range of bore sizes | |
| US9988868B2 (en) | Gripper assembly for downhole tools | |
| US20240011361A1 (en) | Eccentric linkage gripper | |
| US7624808B2 (en) | Expandable ramp gripper | |
| US8061447B2 (en) | Variable linkage assisted gripper | |
| CA2889021C (en) | High expansion or dual link gripper | |
| RU2299969C2 (en) | Executive mechanism acting with constant force | |
| RU2287058C2 (en) | Leverage to provide extension of different appliances through well having smooth and uneven surfaces (variants) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170313 |