RU2588084C2 - Исполнительная система и способ привода скважинного инструмента - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к горному делу и может быть применена в скважинном инструменте. Скважинный инструмент содержит корпус, имеющий аксиальный канал, продолжающийся через него, по меньшей мере частично, и камеру, размещенную радиально наружу из канала. Клапан, размещенный в канале и выполненный с возможностью движения между первым положением, в котором он препятствует жидкости протекать из канала в камеру через порт, и вторым положением, в котором он позволяет жидкости течь из канала в камеру через порт. Двигатель, размещенный в канале и выполненный с возможностью двигать клапан между первым положением и вторым положением. Движимый компонент скважинного инструмента, к примеру шарошечные головки скважинного расширителя, подвижно сообщающийся с его корпусом и выполненный с возможностью перехода между нерабочим и рабочим состояниями в ответ на приток жидкости через порт в камеру. Скважинный приемник, сообщающийся с двигателем и выполненный с возможностью приема сигнала из удаленного места. Причем сигнал управляет одним или более действиями двигателя для перемещения клапана между первым и вторым положениями. Технический результат заключается в повышении эффективности скважинного инструмента. 3 н. и 24 з.п. ф-лы, 34 ил.

Description

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Варианты реализации изобретения, описанные в данном документе, относятся к скважинным инструментам. Конкретнее, один или более вариантов реализации изобретения, описанных в данном документе, относятся к исполнительной системе и способу привода скважинного инструмента для выполнения им операций и/или функций, для которых он предназначен.

Во время бурения скважины для выполнения действия или функции часто используют соответствующий скважинный инструмент, например, расширитель, используемый для увеличения диаметра ствола скважины. Используя расширитель, как пример скважинного инструмента, конвенциональный расширитель имеет корпус с осевым каналом, расширяющимся продольно, через который протекает жидкость. Одна или более шарошечных головок подвижно соединяются с корпусом и выполнены с возможностью перехода между втянутым и раскрытым состояниями.

Расширитель во втянутом состоянии двигается в стволе с помощью буровой колонны. Во втянутом состоянии шарошечные головки сложены в корпусе расширителя таким образом, что расположены радиально внутрь от окружающих стенок обсадки скважины. Как только расширитель достигает желаемой глубины скважины, он приводится в раскрытое состояние. В раскрытом состоянии шарошечные головки двигаются радиально наружу и находятся в контакте со стенками скважины. Шарошечные головки используются для срезания или размалывания стенок скважины для увеличения ее диаметра.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Приведенное выше описание сущности изобретения представляет в сокращенной форме набор идей, использованных в этом изобретении, которые будут подробнее описаны ниже в подробном описании изобретения. Это описание сущности изобретения не предназначено для определения ключевых или существенных особенностей заявленного предмета изобретения и не должно использоваться для ограничения объема заявленного предмета изобретения.

Описан скважинный инструмент, имеющий исполнительную систему. Скважинный инструмент содержит корпус, содержащий продольный канал, аксиально расширяющийся, по меньшей мере частично, и камеру, размещенную радиально наружу из канала, к примеру, внутри стенок корпуса. Канал жидкостно сообщается с камерой при помощи порта. В канале размещен клапан, выполненный с возможностью движения между первым положением, в котором он препятствует жидкости протекать из канала в камеру через порт, и вторым положением, в котором он позволяет жидкости течь из канала в камеру через порт. Двигатель размещен в канале и выполнен с возможностью двигать клапан между первым положением и вторым положением. Движимый компонент скважинного инструмента, подвижно соединенный с его корпусом, выполнен с возможностью перехода между нерабочим и рабочим состояниями в ответ на увеличение гидравлического давления в камере в результате притока жидкости в камеру. Движение клапана между первым и вторым положениями может включать линейное или поворотное движение клапана. В одном или более вариантах реализации изобретения скважинный инструмент является расширителем, а движимый компонент является шарошечной головкой, выполненной с возможностью движения между втянутым состоянием, когда клапан находится в первом положении, и раскрытым состоянием, когда клапан находится во втором положении.

В другом варианте реализации изобретения скважинный инструмент содержит корпус, содержащий продольный канал, аксиально расширяющийся, по меньшей мере частично, и камеру, размещенную радиально наружу из канала, к примеру, внутри стенок корпуса. Канал жидкостно сообщается с камерой при помощи порта. В канале размещен клапан, выполненный с возможностью движения между первым положением, в котором он препятствует жидкости протекать из канала в камеру через порт, и вторым положением, в котором он позволяет жидкости течь через порт из канала в камеру. Двигатель размещен в канале и выполнен с возможностью двигать клапан между первым положением и вторым положением. Движимый компонент скважинного инструмента (такой как шарошечная головка) подвижно присоединен к корпусу и выполнен с возможностью движения между нерабочим (или втянутым) состоянием, когда клапан находится в первом положении, и рабочим (или раскрытым) состоянием, когда клапан находится во втором положении. Система отслеживания положения расположена в канале и выполнена с возможностью определения аксиального положения движимого компонента. Система телеметрии, сообщенная с системой отслеживания положения, также расположена внутри корпуса и выполнена с возможностью передавать сигналы, представляющие аксиальное положение движимого компонента, в удаленное место, такое как наземная станция.

Также описан способ привода скважинного инструмента. Способ включает передачу сигнала с поверхности в скважинный приемник, расположенный в скважинном инструменте. Сигнал управляет одним или более действиями двигателя, расположенного в канале, проходящего аксиально, по меньшей мере частично, сквозь корпус скважинного инструмента. Камера расположена радиально наружу в канале, к примеру, в стенках корпуса. Двигатель соединен с клапаном и двигает его внутри канала между первым и вторым положениями. Клапан препятствует течению жидкости через порт, расположенный между каналом и камерой, когда клапан находится в первом положении, и позволяет жидкости течь из канала в камеру через порт, когда клапан находится во втором положении. Движимый компонент подвижно сообщается с корпусом скважинного инструмента, и выполнен и предназначен для перехода между нерабочим и рабочим состояниями в ответ на увеличение гидравлического давления в камере в результате притока жидкости в камеру. Скважинный инструмент действует в то время, когда движимый компонент выдвинут.

Раскрыта исполнительная система скважинного инструмента для использования в скважине. Исполнительная система скважинного инструмента содержит клапан, расположенный во внутреннем протоке скважинной трубы. В канале размещен клапан, выполненный и предназначенный для движения между первым положением, закрывающим порт во внутренней стенке скважинной трубы, и вторым положением, позволяющим жидкости течь из внутреннего проточного канала в порт. Клапан имеет один или более сквозных протоков для предоставления возможности для жидкости проходить аксиально через них к буровому долоту независимо от положения клапана. Во внутреннем протоке скважинной трубы расположен двигатель для создания возможности для жидкости во внутреннем протоке протекать насквозь. Двигатель соединен с клапаном, и выполнен и предназначен для перемещения клапана между первым и вторым положениями. Движимый компонент, отвечающий на течение жидкости в порт и сквозь порт, приводится в движение с помощью движения клапана из первого положения во второе. Движение клапана между первым и вторым положениями может включать линейное или поворотное движение клапана.

В другом варианте реализации изобретения исполнительная система скважинного инструмента содержит модуль клапана, содержащий клапан, поворотно располагающийся во внутреннем протоке скважинной трубы. Клапан выполнен и предназначен для движения между первым поворотным положением, закрывающим порт во внутренней стенке скважинной трубы, и вторым поворотным положением, позволяющим жидкости затекать в порт. Клапанный модуль и клапан также выполнены, к примеру, со сквозными протоками для создания возможности буровому раствору протекать насквозь в скважинный буровой инструмент независимо от положения клапана. Клапан также выполнен и предназначен для посадки вместе с корпусом клапана клапанного модуля в ответ на разницу давления, создаваемую между внутренним протоком и стволом скважины во время протекания бурового раствора сквозь клапанный модуль. Моторный модуль размещен во внутреннем протоке скважинной трубы с созданием возможности буровому раствору проходить вокруг него. Моторный модуль содержит двигатель, присоединенный к клапану, чтобы двигать клапан между первым и вторым поворотными положениями. Движимый компонент, отвечающий на течение жидкости в порт и сквозь порт, приводится, таким образом, в движением с помощью движения клапана из первого поворотного положения во второе.

Также раскрыт способ привода движимого компонента скважинного инструмента. Способ, включающий передачу управляющего сигнала с расположенного выше места в скважинный приемник. Командные сигналы управляют действиями двигателя, расположенного во внутреннем протоке скважинной трубы. Двигатель приводит в движение клапан, размещенный в скважинной трубе между первым положением, закрывающим порт во внутренней стенке скважинной трубы, и вторым положением, позволяющим жидкостное сообщение из внутреннего протока в порт. Клапан также выполнен и предназначен для создания возможности буровому раствору протекать насквозь в скважинный буровой инструмент независимо от положения клапана. Когда клапан находится во втором положении, жидкостное сообщение из внутреннего протока в порт позволяет жидкости течь в порт и сквозь порт для приведения движимого компонента скважинного инструмента в движение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для более детального понимания описанных особенностей более детальное описание, кратко изложенное выше, может ссылаться на один или более вариантов реализации изобретения, некоторые из которых проиллюстрированы на приложенных чертежах. Следует заметить, однако, что приложенные чертежи являются иллюстративными вариантами реализации изобретения, и они не предназначены для ограничения его объема.

Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид иллюстративного скважинного инструмента, размещенного в стволе скважины и имеющего исполнительную систему в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 2 иллюстрирует вид в перспективе иллюстративного клапанного модуля в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 3 иллюстрирует вид в перспективе иллюстративного моторного модуля в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 4 иллюстрирует вид в перспективе клапанного модуля и моторного модуля, соединенных при помощи самовыравнивающегося разъема, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 5 иллюстрирует частичный вид клапанного модуля в разрезе в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 6 иллюстрирует частичный вид клапанного модуля в разрезе, размещенного в скважинном инструменте, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 7 иллюстрирует частичный вид клапанного модуля в разрезе с фиг. 6, приведенного в другое рабочее положение.

Фиг. 8-1 иллюстрирует частичный вид в перспективе системы отслеживания положения в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 8-2 иллюстрирует частичный вид в перспективе варианта реализации изобретения части массива датчиков системы отслеживания положения с фиг. 8-1.

Фиг. 8-3 иллюстрирует частичный вид в перспективе части массива датчиков системы отслеживания положения с фиг. 8-2, расположенного в буровой колонне, соединенной с верхом скважинного инструмента, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 9 иллюстрирует частичный вид в разрезе магнитной корзины или верхней части системы отслеживания положения, расположенной в скважинном инструменте, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 10 иллюстрирует частичный вид в перспективе части системы отслеживания положения в виде диагностического зонда, собранного с положительно-импульсным измеряющим в реальном времени инструментом, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 11 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, имеющего иллюстративную исполнительную систему, однако без системы отслеживания положения, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 12 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, включающего клапанный модуль, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 13 иллюстрирует частичный вид другой части скважинного инструмента в разрезе, иллюстрируя клапанный модуль, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 14 иллюстрирует частичный вид буровой колонны в разрезе, соединенной снизу со скважинным инструментом и содержащей секцию электроники и источник питания исполнительной системы, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 15 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, иллюстрируя клапанный модуль с фиг. 13 в первом положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 16 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, иллюстрируя клапанный модуль с фиг. 13 во втором положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 17 иллюстрирует схематический вид иллюстративного скважинного инструмента, размещенного в стволе скважины и имеющего другую исполнительную систему, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 18-1 иллюстрирует частичный вид поворотно-распределительного клапанного модуля в разрезе, размещенного в скважинном инструменте, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 18-2 иллюстрирует вид в перспективе распределительного клапана поворотно-распределительного клапанного модуля с фиг.18-1, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 19 иллюстрирует частичный вид поворотно-распределительного клапанного модуля с фиг. 18-1 в разрезе, соединенного с моторным модулем при помощи самовыравнивающегося разъема, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 20 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, иллюстрирующий поворотно-распределительный клапанный модуль, соединенный с моторным модулем, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 21 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, иллюстрируя поворотно-распределительный клапанный модуль из фиг. 20 в первом положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 22 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, иллюстрируя поворотно-распределительный клапанный модуль из фиг. 20 во втором положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 23 иллюстрирует вид в перспективе иллюстративного конического клапанного компонента и соответствующего скошенного клапанного компонента для использования с поворотно-распределительным клапанным модулем, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 24 иллюстрирует частичный вид поворотного перфорированного клапанного модуля в разрезе, который может быть использован в скважинном инструменте, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 25 иллюстрирует вид в разрезе клапанного корпуса поворотного перфорированного клапанного модуля с фиг. 24 в первом положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 26 иллюстрирует вид скважинного инструмента в разрезе, иллюстрирующий поворотный перфорированный клапанный модуль с фиг. 24, соединенный с моторным модулем для привода скважинного инструмента, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 27 иллюстрирует вид скважинной системы с фиг. 17 в разрезе с иллюстративным поворотным клапанным снабженным прорезями модулем, соединенным с моторным модулем для привода скважинного инструмента, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 28 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, иллюстрируя поворотный клапанный снабженный прорезями модуль с фиг. 27 в первом положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 29 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента в разрезе, иллюстрируя поворотный клапанный снабженный прорезями модуль с фиг. 27 во втором положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 30 иллюстрирует схематический вид альтернативного клапанного модуля, размещенного в скважинном инструменте, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

Фиг. 31 иллюстрирует схематический вид другой альтернативной исполнительной системы, которая может быть размещена в скважинном инструменте, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последующем описании буду изложены дальнейшие многочисленные детали для понимания некоторых иллюстративных реализаций настоящего раскрытия. Тем не менее, специалистам в данной области будет понятно, что система и/или способ может быть применен на практике без этих подробностей и что у описанных вариантов осуществления изобретения могут быть многочисленные изменения и модификации.

Один или более вариантов реализаций настоящего раскрытия обычно используют систему и метод для привода скважинного инструмента. Скважинные инструменты могут быть приведены в движение во множестве сред, включая скважинные среды. Такой удаленный привод, к примеру, между вышерасположенным участком и скважинным инструментом может быть создан разным способами, известными специалистам в области техники, и может включать проводное или беспроводное сообщение, акустические волны, электромагнитные волны, скачки давления раствора и/или сигналы, переданные изолированным передатчиком. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения система и способ могут быть использованы для привода подвижного компонента скважинного инструмента, к примеру, шарошечных головок в расширителе, применяемом при скважинных буровых операциях. Электроника и компоненты системы также могут быть выполнены с возможностью обеспечения подтверждения движения инструмента в реальном времени (или близком к реальному времени), к примеру, размещения шарошечных головок или их отвода.

Исполнительная система может включать цифровую систему активации, совмещенную с системой отслеживания положения реального времени (или близкого к реальному времени) для приведения в движение и наблюдения за приводом скважинного инструмента. Сигналы могут быть посланы вверх и/или вниз с помощью разнообразных технологий и систем телеметрии, содержащих, к примеру, системы паттернов потока, системы вращающегося ротора, изолированные проводники, системы пульсации давления, электромагнитные системы, акустические системы или другие подходящие способы телеметрии. В другом варианте реализации изобретения сигналы, представляющие положение, могут быть записаны на скважинном устройстве памяти, таком как чип памяти, для позднейшего получения.

Исполнительная система, к примеру, цифровая система активации, включающая или не включающая систему определения положения, может быть использована во множестве скважинных инструментов во множестве скважин во множестве скважинных или нескважинных применений. Исполнительная система может быть встроена в буровую колонну или соединена с нею тросом или другими скважинными подъемными устройствами, известными специалистам в области техники, для привода множества скважинных инструментов, включая, но не ограничиваясь ими, расширители и/или стабилизаторы. В таких приложениях исполнительная система может быть выполнена с модульными составляющими, которые могут быть выборочно собраны в поле.

Цифровая (то есть, двигается/выключено) система активации содержит клапанный модуль, содержащий линейно движимый клапанный узел, и/или клапанный модуль, содержащий ротационный клапанный узел. Цифровая система активации может также содержать моторный модуль, содержащий двигатель, такой как ротационный двигатель, и соответствующую электронику. Для соединения клапанной сборки клапанного модуля с двигателем моторного модуля может быть использован самовыравнивающийся разъем. Самовыравнивающийся разъем может работать вместе с преобразовательным узлом для преобразования вращения двигателя в линейное движение клапана для привода скважинного инструмента.

Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид буровой колонны 22, размещенной в стволе скважины 24 в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. Буровая колонна 22 может быть соединена со скважинным инструментом 26, содержащим исполнительную систему 30. Скважинный инструмент 26 может быть расширителем или включать расширитель, содержащий несколько шарошечных головок 28, подвижно соединенных с корпусом и выполненных с возможностью перехода между втянутым и раскрытым состояниями. Исполнительная система 30, связанная со скважинным инструментом 26 на фиг. 1, призвана облегчить объяснение, и следует понимать, что исполнительная система 30, описанная здесь, может содержать множество дополнительных компонентов и может быть размещена во множестве видов скважинных условий. Исполнительная система 30 может также быть выполнена во множестве форм в зависимости от операционных и средовых характеристик заданного использования. Скважинный инструмент 26 и его исполнительная система 30 могут быть размещены, по меньшей мере частично, в призабойном узле 32. Призабойный узел 32 может содержать измеряющий в реальном времени инструмент 34, такой как положительно-импульсный измеряющий в реальном времени инструмент. Призабойный узел 32 с помощью буровой колонны 22 используется для вращения бурового долота 36 во время бурения скважины 24.

Исполнительная система 30 содержит цифровую систему активации 38, содержащую клапанный модуль 40 и моторный модуль 42. Моторный модуль 42 содержит двигатель 82 (см. фиг. 3) и электронику 80 (см. фиг. 3) для получения управляющих сигналов и управления двигателем 82 (см. фиг. 3). Питание может подаваться к двигателю 82 с помощью скважинного источника питания 44 (фиг. 14), такого как батарея. Для передачи энергии к двигателю 82 может так же быть присоединена турбина или положительно смещенный двигатель (не показан). Вращение двигателя 82 может быть также переведено в линейное/осевое движение, как будет описано детально ниже.

Исполнительная система 30 также может содержать систему отслеживания положения 50 реального времени (или близкого к реальному времени), содержащую секцию диагностического зонда 52 и секцию датчиков 54, содержащую один или более магнитных датчиков. Система отслеживания положения 50 может быть соединена или использоваться в сочетании с цифровой системой активации 38 для наблюдения активации/привода скважинного инструмента 26, например, с помощью мониторинга линейного движения шарошечных головок 28 (или компонента, с ним соединенного) или одного или более компонентов клапанного модуля 40.

Фиг. 2 иллюстрирует вид в перспективе иллюстративного клапанного модуля 40 в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Клапанный модуль 40 содержит корпус клапанного модуля 56, в который вдвигается плунжер или шток 46 через заглушку 58. Посадочный захват 60 может быть присоединен к корпусу клапанного модуля 56 для облегчения посадки и размещения клапанного модуля 40 во внутреннем протоке или канале 106 скважинной трубы или буровой колонны 22 (см. фиг. 6), к примеру, центрально в буровой колонне 22 (или с отступом от продольной оси буровой колонны 22), при допущении протекания бурового раствора и/или других жидкостей сквозь буровую колонну 22 и вокруг/сквозь клапанный модуль 40 через отверстия посадочного захвата 62. Централизация клапанного модуля 40 и других модулей исполнительной системы 30 в канале 106 буровой колонны 22 позволяет исполнительной системе 30 использоваться в буровой колонне 22 любого диаметра, с головкой/сборкой плунжера или клапаном 74, имеющим размер для герметичного перекрытия внутреннего диаметра канала 106/выемку 100 (см. фиг. 6). Клапанная сборка может быть определена как плунжер или шток 46, соединенный с головкой/сборкой плунжера или клапаном 74. Головка/сборка плунжера или клапан 74 выполнены с одним или более осевых отверстий 110 для создания возможности протекания бурового раствора и/или другой жидкости сквозь канал 106 (фиг. 6) буровой колонны 22. Корпус клапанного модуля 56 также содержит преобразовательный узел 64 для преобразования вращения двигателя в линейное движение плунжера или штока 46. К примеру, преобразовательный узел 64 может включать резьбовой винт и гайку, присоединенную к штоку 46 так, чтобы двигать шток 46 в линейном направлении в результате вращения резьбового винта внутри соответствующей гайки. Примеры подходящих преобразовательных узлов 64 могут включать ходовые винты, винты с трапециевидной резьбой, с шаровой и тому подобные. Однако специалистам в области техники известны и другие типы передач и преобразовательных сборок, которые могут быть использованы для преобразования вращательного движения в линейное.

Клапанный модуль 40 может также содержать самовыравнивающийся разъем 66, соединенный с клапаном 74, выполненный для автоматического получения соответствующей самовыравнивающейся части разъема 68 моторного модуля 42 (см. фиг. 3), соединяющейся с двигателем 82. Участок клапанного разъема 66 может содержать самовыравнивающиеся пазы или выемки 70, выполненные и предназначенные для приема и ориентирования соответствующих выступов 72 (в виде «восьмерки») (фиг. 3 и 4) части разъема двигателя 68. Участки самовыравнивающегося разъема 66, 68 дают возможность более эффективной сборки, подхода, сборки и размещения, упрощая наращивание инструмента в полевых условиях, допуская некоторую взаимную невыровненность во время начальной стыковки участка самовыравнивающегося разъема 66 и участка клапанного разъема 68. В одном или более вариантах реализации изобретения участки самовыравнивающегося разъема 66, 68 могут быть выполнены и предназначены для возможности скважинного размещения с помощью буровой колонны 22 с самовыравнивающимся соединением 84 (фиг. 4), созданным в скважине.

Фиг. 3 иллюстрирует вид в перспективе иллюстративного моторного модуля 42 в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Моторный модуль 42 содержит двигатель 82 и секцию электроники 80. Секция электроники 80 содержит скважинный приемник или датчик для приема посланных в скважину управляющих сигналов, к примеру, сигналов пульсации давления, вибрации, скорости вращения буровой колонны или других телеметрических способов, описанных выше, и для создания и обеспечения управляющих сигналов к двигателю 82 с тем, чтобы управлять вращательным движением двигателя 82. В одном или более вариантах реализации изобретения скважинный приемник может быть акселерометром. Двигатель 82 управляет частью двигательного разъема 68, который, при включении, управляет частью клапанного разъема 66. Это вращательное движение части двигательного разъема 68 и части клапанного разъема 66 переводят в линейное движение штока 46 с помощью преобразовательного узла 64. Двигатель 82 также работает в качестве тормоза для предотвращения нежелательного обратного движения. Моторный модуль 42 может содержать большое количество разных деталей, таких как центраторы или централизующие фонари 86, которые могут быть использованы для способствования централизации моторного модуля 42 внутри окружающей трубы или корпуса 88 буровой колонны 22 (см. фиг. 1). Централизующие детали 86 выполнены таким образом, чтобы позволить жидкости течь в канале 106 корпуса 88, к примеру, секция буровой колонны 22 (фиг. 1), в затрубном пространстве между корпусом 88 и модулями 40, 42.

Фиг. 4 иллюстрирует частичный вид в перспективе клапанного модуля 40 и моторного модуля 42, сообщенных или соединенных при помощи самовыравнивающегося разъема 84, в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. Часть двигательного разъема 68 захвачена частью клапанного разъема 66 с образованием в целом самовыравнивающегося разъема 84.

Фиг. 5 иллюстрирует частичный вид клапанного модуля 40 в разрезе, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Часть клапанного разъема 66 соединена со штоком или шпинделем 90, смонтированным с возможностью вращения внутри корпуса клапанного модуля 56 с помощью нескольких подшипников 92. Шпиндель 90 содержит резьбовую часть 94, на которую приходится соответствующая резьбовая часть 96 секции гайки 98, присоединенной к штоку 46. Поскольку шпиндель 90 вращается с помощью двигателя 82 (фиг. 3) через часть разъема 66, резьбовая часть 94 вращается по отношению к соответствующей резьбовой части 96, в то время как секция гайки 98 остается неподвижной. Это приводит к тому, что шток 46 двигается линейно в зависимости от направления вращения шпинделя 90. Линейное движение штока 46 используется для привода, к примеру, клапана 74 для управления приводом скважинного инструмента 26.

Фиг. 6 иллюстрирует частичный вид клапанного модуля 40 в разрезе, расположенного в скважинном инструменте 26, а фиг. 7 иллюстрирует частичный вид клапанного модуля 40 в разрезе с фиг.6, приведенного в другое рабочее положение. Скважинный инструмент 26 - расширитель в данном примере - может содержать корпус 88, содержащий канал 106, сквозной, по меньшей мере частично. Корпус 88 может быть одним компонентом или несколькими компонентами, соединенными вместе. Клапанный модуль 40 может быть размещен внутри канала 106 корпуса 88.

Клапан 74 размещен с возможностью сдвига в выемке 100 в корпусе 88 так, чтобы уплотнения 76 герметично контактировали с внутренней поверхностью выемки 100. Один или более портов 102 проходят через выемку 100 скважинного инструмента 26 таким образом, что между приводной камерой 112 и каналом 106 скважинного инструмента 26 через порты 102 устанавливается жидкостное сообщение, когда клапан 74 сдвижным образом располагается в выемке 100 для раскрытия портов 102. Порты 102 выполнены и предназначены для получения сжатой жидкости для приводной камеры 112 в скважинном инструменте 26. Когда давление в приводной камере 112 существенно возрастает, компонент привода 104 (к примеру, пистон, такой как затрубный пистон, размещенный в камере 112) аксиально двигается или скользит, вследствие чего приводит в движение шарошечные головки 28, двигающиеся одновременно аксиально и радиально наружно, к примеру, с помощью угловых каналов или направляющих, вследствие чего шарошечные головки подвижно сообщаются. Иллюстративный расширитель, который может быть использован с исполнительной системой 30, раскрытый в этом документе, показан и описан в патенте US № 6732817, содержание которого включено в данном документе посредством ссылки в той мере, в какой оно соответствует настоящему раскрытию. Иллюстрированный на фиг. 6 как расширитель, скважинный инструмент 26 может быть или содержать множество типов деталей, таких как клапаны, скользящие муфты, защелки, труборезы, фрезы, яссы, ловители и другие приводные инструменты.

Как проиллюстрировано на фиг. 6, клапан 74 был перемещен с помощью штока 46 в место или положение внутри емкости 100 так, чтобы уплотнения 76 расположились на обеих продольных/осевых сторонах портов 102 (то есть, накрывая порты 102), блокируя таким образом протекание через порты 102. Жидкость, к примеру буровой раствор, поступает в забой скважины через канал 106 скважинного инструмента 26 в направлении стрелки 108, протекая через осевые отверстия 110 в клапане 74, и вдоль внешней стороны корпуса клапанного модуля 56 по направлению к буровому долоту 36 (фиг. 1). Когда скважинный инструмент 26 переводится в другое рабочее положение, в скважину посылаются управляющие сигналы в секцию электроники 80 моторного модуля 42, получаемые или воспринимаемые с помощью скважинного приемника/датчика внутри секции электроники 80 или рядом с нею, и используются для управления действиями двигателя 82 для создания линейного движения штока 46. В этом примере линейное движение штока 46 выталкивает клапан 74 из порта 102 для предоставления возможности потоку сжатой жидкости вытекать из канала 106, выходя через порты 102, как иллюстрировано на фиг. 7. Жидкость входит в приводную камеру 112, как показано стрелкой 114, вызывая движение вверх компонента привода 104, заставляющего двигаться шарошечные головки 28.

Клапанный модуль 40 и моторный модуль 42 исполнительной системы 30 могут быть совмещены с системой отслеживания положения 50, как описано в данном документе. Система отслеживания положения 50 может использовать один или более магнитов для отслеживания положения скважинного инструмента 26 и/или шарошечных головок 28 и сообщать о положении в реальном времени или близком к реальному времени на поверхность или другое удаленное место. В другом варианте реализации изобретения система отслеживания положения 50 может определять положение клапанного модуля 40 и/или шарошечных головок 28 с помощью измерения количества оборотов двигателя 82 и/или штока 46.

Фиг. 8-1 иллюстрирует частичный вид в перспективе части системы отслеживания положения 50, фиг. 8-2 иллюстрирует частичный вид в перспективе варианта реализации части массива датчиков 118 системы отслеживания положения 50, фиг. 8-3 иллюстрирует частичный вид в перспективе части массива датчиков 118 в магнитной корзине 122, а фиг. 9 иллюстрирует частичный вид в разрезе магнитной корзины 122 системы отслеживания положения 50, размещенной в скважинном инструменте, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Система отслеживания положения 50 может использовать секцию диагностического зонда 52 (фиг. 1), содержащую диагностический зонд 116, размещенный в корпусе 88 буровой колонны 22 через соответствующие централизующие фонари 86. Как проиллюстрировано на фиг. 8-1 и 8-2, диагностический зонд 116 может содержать датчик 118, к примеру, массив датчиков, сообщающийся с поддерживающей электроникой 120. Массив датчиков 118 может быть множеством магнитометров (или содержать их), находящихся в соответствующей короне или магнитной корзине 122 секции датчиков 54, проиллюстрированной на фиг. 9. Для отслеживания положения/состояния шарошечных головок 28 скважинного инструмента 26 используется относительное аксиальное движение магнитной корзины 122 относительно массива датчиков 118. Сигналы положения передаются или транслируются с помощью электроники 120 на наземный контроллер для создания возможности мониторинга привода скважинного инструмента 26 в реальном времени или близком к реальному времени. Такая передача или трансляция положения может быть передана тем же или иным способом телеметрии, что и передача/трансляция с поверхности в скважину.

В качестве примера и как проиллюстрировано на фиг. 8-3 и 9, компоненты могут быть сориентированы так, что зонд/массив датчиков 118 располагается внутри магнитной корзины 122, содержащей магнит 124, для создания возможности мониторинга изменений положения зонда/массива датчиков 118. Зонд/массив датчиков 118 удерживается во внутреннем пространстве 126 магнитной корзины 122 так, чтобы предотвращать контакт с магнитной корзиной 122. В этом конкретном примере массив датчиков 118 содержит множество магнитометров, размещенных вдоль желаемой длины на трехплоскостной «звездообразной» конфигурации. Трехплоскостная конфигурация, каждая плоскость которой вытянута радиально наружу из общей продольной оси, двигается сквозь зонд/массив датчиков 118, позволяя магниту 124 магнитной корзины 122 восприниматься независимо от вращательного положения магнитной корзины 122. Магнитная корзина 122 соединена с оправкой 128, и они обе, магнитная корзина 122 и оправка 128, выполнены с возможностью аксиального движения при аксиальном движении шарошечных головок 28. Оправка 128 может быть соединена с кольцевым элементом 123, смещенным в одном направлении относительно пружинного элемента 130 для облегчения возвращения магнитной корзины 122 в исходное положение. Кольцевой элемент 123 и, следовательно, плавающая оправка 128 двигаются в противоположном направлении, в то время как шарошечные головки 28 приводятся и двигаются аксиально. Двигаемый компонент (к примеру, шарошечные головки 28) скважинного инструмента 26 активируется и/или деактивируется в результате линейного движения штока 46, при этом двигаемый компонент зацепляет и толкает кольцевой элемент 123 вверх против смещения пружины 130. Оправка 128, соединенная с кольцевым элементом 123, двигает магнитную корзину 122 и магнит 124 по отношению к массиву датчиков 118, к примеру массиву магнитометров. Поскольку положение магнитной корзины 122 и магнита 124 показывает положение/состояние двигаемого компонента (к примеру, шарошечных головок 28), положение/состояние двигаемого компонента (к примеру, шарошечных головок 28) может быть измерено, подсчитано и передано на поверхность с помощью подходящей системы телеметрии, к примеру, положительно-импульсной системы телеметрии или другой раскрытой системы телеметрии. При некоторых использованиях данные о положении передаются контрольной системе, такой как компьютерная управляющая система, выводящей итоговую информацию о состоянии и/или степени привода инструмента. В альтернативном варианте реализации изобретения магнитная корзина 122 может быть соединена с клапаном 74 (не показан). Альтернативно, система отслеживания положения 50 может быть соединена с исполнительной системой 30 для наблюдения активации/движения штока 46 и передачи/пересылки информации о движении управляющей системе.

Фиг. 10 иллюстрирует частичный вид в перспективе части системы отслеживания положения 50 в виде диагностического зонда 116, собранного с положительно-импульсным измеряющим в реальном времени инструментом, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Как проиллюстрировано на фиг. 10, диагностический зонд 116 соединен с импульсным зондом 134 системы телеметрии 132. Импульсный зонд 134 может быть частью положительно-импульсного измеряющего в реальном времени инструмента и может использоваться для передачи сигналов на поверхность с помощью импульсов положительного давления. Однако для передачи и/или получения сигналов могут использоваться другие типы систем телеметрии, как описано выше. Энергия к системе телеметрии 132 может быть подана с помощью скважинного источника питания 136, такого как батареи зонда, размещенные между импульсным зондом 134 и диагностическим зондом 116.

Фиг. 11 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента 26 в разрезе, расширителя в данном примере, имеющего иллюстративную исполнительную систему 30 без системы отслеживания положения 50, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Как лучше всего проиллюстрировано на фиг. 12, исполнительная система 30 выполнена для привода движимого компонента (например, шарошечных головок 28) скважинного инструмента 26. На фиг. 11 проиллюстрирована часть исполнительной системы 30, иллюстрируя скважинный инструмент 26 с шарошечными головками 28 во втянутом состоянии. Шарошечные головки 28 приводятся в движение гидравлически с помощью движимого элемента 104, который двигается с помощью бурового раствора под давлением, входящего в камеру 112 (фиг. 12). Движение поток бурового раствора под давлением в камеру 112 (фиг. 12) управляется с помощью клапана 74 клапанного модуля 40 (фиг. 12).

Фиг. 12 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента 26 в разрезе, расширителя в данном примере, содержащего клапанный модуль 40, а фиг. 13 иллюстрирует частичный вид другой части скважинного инструмента 26 в разрезе с фиг. 12, иллюстрируя клапанный модуль 40, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Как раскрыто выше, линейное движение клапана 74 управляется с помощью штока 46 с вращением шпинделя 90 относительно узла гайки 98, к примеру, узла корончатой гайки, как проиллюстрировано на фиг. 12 и 13. Клапан 74 располагается так, чтобы блокировать поток через порты 102 и таким образом блокировать поток бурового раствора в камеру привода 112. Как лучше всего проиллюстрировано на фиг. 13, двигательный шток 41 может быть соединен со шпинделем 90 с помощью необходимой муфты 140 для передачи вращения двигателя 82 на шпиндель 90. Шпиндель 90 содержит ведущую резьбовую часть 142, содержащую резьбовую часть 94, захватывающую соответствующую резьбовую часть 96 секции гайки 98. Однако эти компоненты всего лишь приводят примеры механизмов для перевода вращения двигателя 82 в линейное движение штока 46, и могут быть использованы и другие механизмы, известные специалистам в области техники.

Фиг. 14 иллюстрирует частичный вид буровой колонны 22 в разрезе, соединенной снизу со скважинным инструментом 26 и содержащей секцию электроники 80 и источник питания 44 исполнительной системы 30, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Секция электроники 80 и источник питания 44 исполнительной системы 30 расположены в канале 106 буровой колонны 22 таким образом, что жидкости/растворы могут течь в затрубном пространстве между этими компонентами и буровой колонной по направлению к буровому долоту (не показано). Управляющие сигналы, относящиеся к движению скважинного инструмента 26, посылаются с поверхности и обрабатываются секцией электроники 80 (к примеру, скважинным приемником или датчиком, таким как акселерометр или другое устройство), как проиллюстрировано на фиг. 14. Секция электроники 80 и двигатель 82 (сообщающийся с секцией электроники 80, как проиллюстрировано на фиг. 12) могут быть запитаны от скважинного источника питания с помощью источника питания 44. Как показано, источник питания 44 может содержать множество батарей 144, размещенных в батарейном отсеке 146. В качестве примера, батареи 144 могут быть скважинными литиевыми батареями, среднетоковыми. Дополнительно, батарейный отсек 146 может иметь такой размер, чтобы иметь возможность использования разного количества батарей и их сочетаний.

Секция электроники 80 может содержать систему пульсации давления, читающую последовательность команд по пульсации давления. После получения подходящей запрограммированной командной последовательности двигатель 82 (фиг. 12) запитывается для получения вращательного движения штока двигателя 41 (и линейного движения штока 46) (фиг. 13) и, в конечном счете, желаемого движения скважинного инструмента 26. Однако и для контроля движения клапана, и для перенаправления сигналов к системе наблюдения за положением и от нее, как раскрыто выше, могут быть использованы разные системы телеметрии.

Фиг. 15 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента 26 в разрезе, иллюстрируя клапанный модуль 40 в первом положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Перед движением шарошечных головок 28 через канал 106 скважинного инструмента нагнетают буровой раствор, протекающий через осевые отверстия 110 в клапане 74 и вдоль внешней стороны клапанного модуля 40 и моторного модуля 42 по направлению к буровому долоту 36 (фиг. 1). Исполнение разнообразных модулей исполнительной системы 30 позволяет во время обычного бурения нагнетать в забой буровой раствор или другую жидкость, как проиллюстрировано стрелками 148. Однако, как только управляющие сигналы переданы/пересланы в скважину в электронную секцию 80, моторный модуль 42 начинает управлять действиями клапанного модуля 40 и штока 46 для перевода клапана 74 в линейном направлении, открывающем в свою очередь проток через порты 102 (фиг. 16). Перед тем, как моторный модуль 42 начнет управлять действиями клапанного модуля 40 для движения клапана 74, протекание бурового раствора через канал 106, к примеру с помощью насосов на поверхности, временно приостанавливается для выравнивания дифференциального давления между каналом 106 и стволом 24. Выравнивание дифференциального давления уменьшает силу/энергию, необходимую двигателю 82 для привода клапана 74. Как только клапан 74 изменяет свое положение, жидкость/раствор может продолжать течь через канал 106. Двигатель 82 также функционирует как тормоз для предотвращения нежелательного обратного движения, то есть движения клапана 74.

Фиг. 16 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента 26 в разрезе, иллюстрируя клапанный модуль 40 во втором положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Буровой раствор/жидкость течет наружу через порты 102 и в приводную камеру 112. Вследствие существенного возрастания давления в приводной камере 112 компонент привода 104 аксиально двигается или скользит, и в результате приводит в движение шарошечные головки 28 во второе или развернутое положение. Такой перевод наблюдается как результат дифференциального давления, к примеру, между давлением бурового раствора в приводной камере 112 (через порты 102) и скважинным давлением. Как проиллюстрировано стрелками 150 на фиг. 16, компонент привода 104 двигается в аксиальном направлении, приводя в движение шарошечные головки 28 для одновременного аксиального и радиально наружного движения.

Движение штока 46 выполнено для дальнейшего движения клапана 74 для раскрытия портов 102, позволяющих возврат жидкости/раствора потоком в приводную камеру 112, и для толкания компонента привода 104 в направлении, противоположном течению жидкости/раствора 148, для привода/активации движимого компонента, к примеру, шарошечных головок 28. Когда шток 46 двигается в обратном направлении (к примеру, в результате посылки мотору 82 сигнала для обратного вращения), клапан 74 перемещается аксиально для закрытия портов 102 так, что нехватка течения возвращаемого раствора (объединенного со смещением пружины с помощью пружины 130) позволяет компоненту привода 104 передавливать в направлении течения раствора (через канал 106) в его расслабленное положение, деактивируя таким образом развертывание движимого компонента, к примеру, шарошечных головок 28.

Фиг. 17 иллюстрирует схематический вид иллюстративного скважинного инструмента 26, размещенного в стволе скважины 24 и имеющего другую систему привода 30' в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Скважинный инструмент 26 содержит цифровую активационную систему 38′. Цифровая активационная система 38′ содержит иллюстративный клапанный модуль 240, отличающийся от клапанного модуля 40. В разных вариантах реализации изобретения клапанный модуль 240 может содержать вращаемый клапанный узел 270 или линейно движимый клапанный узел 280, как раскрыто в данном документе. Вращательное движение двигателя 82 (не показано) в моторном модуле 42 может быть либо передано для передачи вращения на вращательную клапанную сборку 270 клапанного модуля 240, либо переведено в линейное/осевое движение линейного клапанного узла 280 клапанного модуля 240.

Фиг. 18-1 иллюстрирует частичный вид поворотно-распределительного клапанного модуля 242 в разрезе, размещенного в скважинном инструменте 26, и фиг. 18-2 иллюстрирует вид в перспективе распределительного клапана 272 поворотно-распределительного клапанного модуля 242, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Клапанный модуль 240 содержит поворотно-распределительный клапанный модуль 242, содержащий клапанный корпус 250, сформированный из верхней оправки 252, средней оправки 254 и нижней оправки 256, соединенных вместе. Клапанный корпус 250 принимает в нем поворотный клапанный узел 270, содержащий распределительный клапан 272, пружину преднатяга 274, пружинный фиксатор 276 и часть самовыравнивающегося разъема 278. Множество верхних поверхностей 273 пальцев 275 распределительного клапана 272 захватывает посадочную поверхность 253 средней оправки 254 клапанного корпуса 250. Нижняя поверхность 271 распределительного клапана 272 приводится в движение с помощью пружины преднатяга 274. Пружина преднатяга 274 удерживается с помощью пружинного фиксатора 276, соединенного с внутренней поверхностью нижней оправки 256 клапанного корпуса 250.

Между пружиной преднатяга 274 и распределительным клапаном 272 может находиться тяговой шарикоподшипник 279, а между нижней оправкой 256 и распределительным клапаном 272 может находиться кольцевой подшипник 255 для уменьшения трения между ними при вращении. Внутренняя поверхность нижней оправки 256 и внешняя поверхность распределительного клапана 272 может быть полированной металлической поверхностью, а кольцевой подшипник 255 может быть выполнен из термопластического материала для обеспечения между ними эффективного уплотнения с низким трением. Такое уплотнение хорошо подходит для высоких температур, высокого давления и абразивной скважинной среды. Примеры подходящих материалов для полированной металлической поверхности включают карбид и сталь. Примеры подходящих материалов для кольцевого подшипника 255 содержат такие термопластические материалы, как PEEK, торлон и тефлон. Однако специалистам в области техники известны и другие типы материалов, которые могут быть использованы в качестве полированной металлической поверхности и кольцевого подшипника 255.

Распределительный клапан 272 выполнен с множеством пальцев 275, размещенных с интервалами (к примеру, с промежутками по окружности). Когда клапанный модуль 240 взаимодействует со скважинным инструментом 26 в буровой колонне 22 (фиг. 17), вращение распределительного клапана 272 заставляет пальцы 275 блокировать или открывать порты 202 (фиг. 20), получающие жидкость под давлением для приводящего элемента 104 (фиг. 20) для привода скважинного инструмента 26. Распределительный клапан 272 также выполнен с одним или более осевых отверстий 210 для создания возможности протекания бурового раствора и/или другой жидкости сквозь канал 106 (фиг. 20) буровой колонны 22 (фиг. 17). Распределительный клапан 272 может содержать паз подшипника 212 вдоль его внешней поверхности для приема кольцевого подшипника 255 и управляющий паз 214 для приема стопорного штифта 216, проходящего через стенку нижней оправки 256 клапанного корпуса 250. Когда распределительный клапан 272 вращается, стопорный штифт 216 двигается внутри управляющего паза 214, пока стопорный штифт 216 не достигнет последнего участка управляющего паза 214, останавливающего дальнейшее вращение. Таким образом, взаимодействие между стопорным штифтом 216 и управляющим пазом 214 обеспечивает контроль над угловой позицией распределительного клапана 272, а также жесткий упор.

Фиг. 19 иллюстрирует частичный вид поворотно-распределительного клапанного модуля 242 в разрезе, соединенного с моторным модулем 42 при помощи части самовыравнивающегося разъема 278, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Часть самовыравнивающегося клапанного разъема 278 выполнена для автоматического приема соответствующей части моторного разъема 68' моторного модуля 42. Участок клапанного разъема 278 может содержать самовыравнивающиеся шестигранные выемки 277, выполненные и предназначенные для приема и ориентирования соответствующих шестигранных муфт 72′ части разъема двигателя 68′.

Фиг. 20 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента 26 в разрезе, иллюстрирующий поворотно-распределительный клапанный модуль 242, соединенный с моторным модулем 42, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Клапанный модуль 242 размещен внутри выемки 100 скважинного инструмента 26 так, чтобы уплотнения 76 уплотнительно зацеплялись с внутренней поверхностью выемки 100. Порты 102 (не показаны) могут быть размещены в выемке 100 скважинного инструмента 26, проходя сквозь него. Порты 102 (не показаны) будут выровнены с портами 202 внутри посадочной поверхности 252 средней оправки 254 клапанного корпуса 250 таким образом, что может устанавливаться жидкостное сообщение между приводной камерой 112 и каналом 106 скважинного инструмента 26, когда распределительный клапан 272 поворотно располагается в выемке 100 для предоставления возможности такого жидкостного сообщения. Когда порты 102, 202 получают сжатую жидкость из канала 106 в компонент привода 104 с помощью приводной камеры 112, жидкость по действием существенного давления вызывает движение компонента привода 104, переводя таким образом скважинный инструмент 26 в другое желаемое операционное состояние. Для вращения распределительного клапана 272 двигатель 82 двигает шток двигателя 41, соединенный с частью разъема двигателя 68′, который при движении вращательно двигает часть разъема клапана 278 и придает поворотное движение распределительному клапану 272. Проиллюстрировано, как часть двигательного разъема 68′ захвачена и сориентирована частью клапанного разъема 278 с образованием в целом самовыравнивающегося разъема 84′.

Фиг. 21 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента 26 в разрезе, иллюстрируя поворотный распределительный клапанный модуль 242 в первом положении, а фиг. 22 иллюстрирует частичный вид скважинного инструмента 26 в разрезе, иллюстрируя поворотный распределительный клапанный модуль 242 во втором положении, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. На фиг. 21 клапанный модуль 242 проиллюстрирован в закрытом положении, то есть распределительный клапан 272 размещен так, что пальцы 275 блокируют ток через порты 202 и таким образом блокируют движение потока бурового раствора в приводную камеру 112. Перед движением скважинного инструмента 26 нагнетают буровой раствор, протекающий через канал 106, через осевые отверстия 210 (фиг. 18-2) в распределительном клапане 272, между самовыравнивающимся разъемом 84′ и фиксатором пружины 276, и вдоль внешней стороны моторного модуля 42 по направлению к буровому долоту 36 (фиг. 17), как проиллюстрировано стрелками течения 220 на фиг. 21. Давление бурового раствора в канале 106, к примеру, на внутренности буровой колонны 22, выше, чем давление бурового раствора в стволе 22, к примеру, на внешнюю сторону буровой колонны 24. В качестве примера, давление в канале 106 может быть на от 800 psi до 1000 psi выше, чем в стволе 24. Таким образом, наблюдается разница давлений вокруг скважинного инструмента 26 между каналом 106 и стволом 24. Поворотно-распределительный клапанный модуль 242 с фиг. 18-1 использует это дифференциальное давление для создания эффективной герметизации вокруг портов 202, когда клапанный модуль 242 находится в закрытом положении, проиллюстрированном на фиг.21.

Как проиллюстрировано на фиг. 18-2, площадь нижней поверхности 271 распределительного клапана 272 больше, чем объединенная площадь нескольких верхних поверхностей 273 пальцев 275 распределительного клапана 272. Кроме того, в закрытом положении на фиг. 21 нижняя поверхность 271 распределительного клапана 272 поддается более высокому давлению канала 106, в то время как верхние поверхности 273 пальцев 275 поддаются меньшему давлению приводной камеры 112. В этом примере приводная камера 112 находится под давлением ствола, поскольку приводная камера 112 жидкостно сообщается со стволом 24 через сопла 111 (фиг. 20). Таким образом, поскольку площадь нижней поверхности 271, подвергающаяся более высокому давлению распределительного клапана 106, больше, чем объединенная площадь нескольких верхних поверхностей 273, подвергающаяся меньшему давлению ствола 24, сила нетто дифференциального давления действует, толкая распределительный клапан 272 вверх. Эта сила, направленная вверх, позволяет верхним поверхностям 273 пальцев 275 оставаться посаженными напротив посадочной поверхности 253 средней оправки 254 клапанного корпуса 250, повышая тем самым герметизацию вокруг портов 202. Соответственно, поворотно-распределительный клапанный модуль 242 использует дифференциальное давление для усиления герметизации, препятствуя тем самым утечкам через порты 202, когда клапанный модуль 242 находится в закрытом положении, предотвращая тем самым непреднамеренное движение скважинного инструмента 26.

Ссылаясь, в общем, на фиг. 22, вращательно-распределительный клапанный модуль 242 с фиг. 18-1 проиллюстрирован в открытом положении, к примеру, распределительный клапан 272 размещен так, что пальцы 275 открывают проток через один или более портов 202 и допускают движение потока бурового раствора в приводную камеру 112. Когда необходимые управляющие сигналы переданы/пересланы в скважину в электронную секцию 80 (фиг. 12), нагнетание бурового раствора с поверхности приостанавливается перед тем, как моторный модуль 42 двигает клапанный модуль 240 из закрытого положения, проиллюстрированного на фиг. 21, в открытое положение, проиллюстрированное на фиг. 22 (или наоборот). Давление в канале 106 затем выравнивается с давлением в стволе 24 так, что дифференциальное давление вокруг скважинного инструмента 26 исчезает. Затем моторный модуль 42 вращает двигательный шток 41, чтобы придать вращение распределительному клапану 272, который, в свою очередь, двигает пальцы 275 наружу из выравнивания, и открывает проток через один или более портов 202. Таким образом, двигателю 82 не нужно преодолевать силу дифференциального давления для вращения распределительного клапана 272. Во время такого вращения секция электроники 80 (фиг. 12) может контролировать ток двигателя 82 в качестве индикатора положения клапанного модуля. В частности, когда стопорный штифт 216 захвачен последним участком управляющего паза 214, ток двигателя 82 будет иметь всплеск, означающий, что клапанный модуль 242 был перемещен из открытого положения в закрытое положение вокруг портов 202 (то есть означающий остановку потока через порты 202 в приводную камеру 112) или из закрытого положения в открытое положение (то есть означающий допуск протока через порты 202 в приводную камеру 112). Как только клапанный модуль 242 был перемещен в открытое положение, как проиллюстрировано на фиг.22, буровой раствор начинает нагнетаться в скважину через канал 106 и наружу через порты 202 против приводной камеры 104, как проиллюстрировано указывающими направление потока стрелками 225 на фиг. 22, для перевода шарошечных головок 28 (фиг. 17) (или другого вспомогательного инструмента) в желаемое состояние.

В одном или более вариантах реализации изобретения поворотно-распределительный клапанный модуль 242 с фиг. 18-1 выполнен для поддержки значимо непрерывного контакта между верхними поверхностями 273 пальцев 275 и посадочной поверхностью 253, независимо от того, находится ли клапанный модуль 242 в закрытом или открытом положении. В открытом положении, проиллюстрированном на фиг. 22, преднатянутая пружина 274 прилагает существенное усилие на распределительный клапан 272 для поддержания такого контакта между пальцами 275 и посадочной поверхностью 253. Взаимодействие между пальцами 275 и портами 202 посадочной поверхности 253 похоже на взаимодействие между ротором и статором для позволения или предотвращения протекания через них. Таким образом, клапан 272 с пальцами 275 может быть охарактеризован как ротор, а посадочная поверхность 253 с портами 202 может быть охарактеризована как статор.

В примере, описанном выше, поворотное движение распределительного клапана 272 выполнено для воздействия на один или более пропускных портов 202, допускающих возврат бурового раствора в приводную камеру 112 для толкания компонента привода 104 для привода/активации шарошечных головок 28 (или другого вспомогательного инструмента). Дальнейшее движение распределительного клапана 272 выравнивает пальцы 275 для закрытия пропускных портов 202 так, чтобы нехватка возвращаемой жидкости (объединенной со смещением пружины с помощью пружины 130 на фиг. 9) позволила компоненту привода 104 вернуться в его расслабленное положение, деактивируя таким образом шарошечные головки 28 (или другой вспомогательный инструмент). Таким образом, исполнительная система 30′ (фиг. 17) может активироваться и деактивироваться по требованию, как раскрыто выше, для активации/деактивации скважинного инструмента 26. Дополнительно, использование части самовыравнивающегося разъема 278, 68′ облегчает сборку и использование поворотно-распределительного клапанного модуля 242 и моторного модуля 42 в полевых условиях. Содержащаяся электроника 80 (фиг. 12) также облегчает использование удаленной связи для создания возможности избирательной активации двигателя 82, в случае необходимости движения распределительного клапана 272. Система отслеживания положения 50 также может быть объединена с исполнительной системой 30′ для наблюдения за движением распределительного клапана 272 и для передачи/пересылки информации в, например, наземную управляющую систему.

Фиг. 23 иллюстрирует вид в перспективе иллюстративного клапанного компонента 280, имеющего конический первый клапанный компонент 282 и соответствующий скошенный второй клапанный компонент 284 клапанного модуля 240, который может быть использован в скважинном инструменте 26, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Клапанный узел 280 может быть использован в сочетании с поворотно-распределительным клапанным модулем 242, раскрытым выше. Как таковой конический первый клапанный компонент 282 может быть пальцем 275, а скошенным вторым клапанным компонентом 284 может быть порт 202. Клапанная сборка 280 также использует дифференциальное давление вокруг скважинного инструмента 26 для поддержки герметичности, что будет дополнительно раскрыто ниже.

Как проиллюстрировано на фиг .23, первый клапанный компонент 282 содержит коническую часть суженного конца 283, выполненную и предназначенную для соответствия скошенной части конца 285 второго клапанного компонента 284. Первый клапанный компонент 282, к примеру, размещенный как часть конца пальца 275, перемещается с вращением двигателем 82 моторного модуля 42 (фиг. 17) внутрь и наружу зацепления со вторым клапанным компонентом 284, к примеру, размещенным на посадочной поверхности 252 средней обсадки 254 клапанного корпуса 250. Взаимодействие между конической частью заостренного конца 283 первого клапанного компонента 282 и скошенной частью конца 285 второго клапанного компонента 284 создает посадочную поверхность, обеспечивающую эффект заклинивания для улучшения герметизации, в сравнении со взаимодействием между посадочными поверхностями, к примеру, раскрытым выше относительно поворотно-распределительного клапанного модуля 242. В закрытом положении клапанного узла 280 коническая часть суженного конца 283 первого клапанного компонента 282 упирается в соответствующую скошенную часть конца 285 второго клапанного компонента 284, и дифференциальное давление вокруг скважинного инструмента 26, наблюдающееся при нагнетании бурового раствора в скважину, создает всасывающую силу на клапанных компонентах 282, 284, поддерживая герметичность между ними.

Для высвобождения клапанных компонентов 282, 284 нагнетание бурового раствора с поверхности уменьшается или приостанавливается для ликвидации дифференциального давления вокруг скважинного инструмента 26 (фиг. 17), и затем двигатель 82 моторного модуля 42 (фиг. 17) вращает клапанный узел 280 для снятия первого клапанного компонента 282 со второго клапанного компонента 284 для открытия протока через пропускные порты 102 (см., к примеру, фиг. 22) в выемке 100 скважинного инструмента 26. Как только клапанный узел 280 был перемещен в открытое положение, буровой раствор начинает нагнетаться в скважину через канал 106 и наружу через пропускные порты 102 против приводной камеры 104 (см. к примеру, фиг. 22) для перевода шарошечных головок 28 (фиг. 17) (или другого вспомогательного инструмента) в желаемое, движимое состояние.

Фиг. 24 иллюстрирует частичный вид иллюстративного поворотного перфорированного клапанного модуля 244 в разрезе, который может быть использован в скважинном инструменте 26, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. В этом варианте реализации изобретения клапанный модуль 240 содержит поворотный перфорированный клапанный модуль 244 с унитарным клапанным корпусом 250. Клапанный корпус 250 получает герметизирующий элемент 266 и поворотно-клапанный узел 270. Поворотный клапанный узел 270 содержит первый клапанный элемент 264 с одним или более портов 267, расположенных в нем. Первый клапанный элемент 264 соединен со вторым клапанным элементом 262 (также частью поворотного клапанного узла 270), формируя перфорированный клапан 265. Поворотный клапанный узел 270 также содержит пружину преднатяга 274, пружинный фиксатор 276 и часть самовыравнивающегося разъема 278. Пружина преднатяга 274 удерживается с помощью пружинного фиксатора 276, соединенного с внутренней поверхность клапанного модуля 250. Между пружиной преднатяга 274 и вторым клапанным элементом 262 может находиться тяговой шарикоподшипник 279, а между клапанным корпусом 250 и вторым клапанным элементом 262 может находиться кольцевой подшипник 255 для уменьшения трения между ними при вращении.

Герметизирующий элемент 266 и/или первый клапанный элемент 264 может быть выполнен из термопластического или эластомерного материала или содержать поверхность, выполненную из него, например, PEEK, торлона, тефлона, резины и т.д., для большей герметизации между герметизирующим элементом 266 и первым клапанным элементом 264. Внутренняя поверхность нижней оправки 250 и внешняя поверхность перфорированного клапана 265 может быть полированной металлической поверхностью, а кольцевой подшипник 255 может быть выполнен из термопластического материала для обеспечения между ними эффективного уплотнения с низким трением. Такое уплотнение хорошо подходит для высоких температур, высокого давления и абразивной скважинной среды. Примеры подходящих материалов для полированной металлической поверхности включают карбид и сталь. Примеры подходящих материалов для кольцевого подшипника 255 содержат такие термопластические материалы, как PEEK, торлон и тефлон. Однако специалистам в области техники известны и другие типы материалов, которые могут быть использованы в качестве полированной металлической поверхности и кольцевого подшипника 255.

Фигура 25 иллюстрирует вид в разрезе клапанного корпуса 250 поворотного перфорированного клапанного модуля 244 с фиг. 24, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Клапанный корпус 250 выполнен с множеством промежутков между отверстиями 257, которые выравниваются со множеством пропускных портов 102 (фиг. 26), когда поворотный перфорированный клапанный модуль 244 объединен со скважинным инструментом 26. Герметизирующий элемент 266 также выполнен с множеством разнесенных между собой отверстий 268, которые соответствуют множеству разнесенных отверстий 257 в клапанном корпусе 250, когда герметизирующий элемент 266 собран в углублении 251 клапанного корпуса 250 (на фиг.25 проиллюстрировано, что герметизирующий элемент 266 не размещен в углублении 251). Когда герметизирующий элемент 266 располагается в углублении 251, верхняя поверхность 263 герметизирующего элемента 266 захватывает посадочную поверхность 253 на верхней последней части углубления 251, а нижняя поверхность 269 герметизирующего элемента 266 захватывается первым клапанным элементом 264 (фиг. 24), который, в свою очередь, действует в результате воздействия пружины преднатяга 274 (фиг. 24) через второй клапанный элемент 262 (фиг. 24).

Фиг. 26 иллюстрирует вид скважинного инструмента 26 в разрезе, иллюстрирующий поворотный перфорированный клапанный модуль 244 с фиг. 23, соединенный с моторным модулем 42 для привода скважинного инструмента 26, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Клапан 244 размещен внутри выемки 100 скважинного инструмента 26 так, чтобы уплотнения 76 уплотнительно зацеплялись с внутренней поверхностью выемки 100. Порты 102 проходят через выемку 100 скважинного инструмента 26 таким образом, что когда перфорированный клапан 265 поворотно располагается внутри выемки 100 для выравнивания портов 267 с отверстиями 268, 257 в герметизирующем элементе 266 и клапанном модуле 250 соответственно, то между приводной камерой 112 и каналом 106 скважинного инструмента 26 устанавливается жидкостное сообщение. Когда пропускные порты 102 передают жидкость под давлением из канала 106 в приводной элемент 104 через приводную камеру 112, жидкость под значительным давлением действует на приводной элемент 104, переводя таким образом скважинный инструмент 26 в другое желаемое рабочее положение. Для поворота перфорированного клапана 265 из закрытого положения, проиллюстрированного на фиг. 26, в открытое положение двигатель 82 двигает шток двигателя 41, соединенный с частью разъема 68′, которая, в свою очередь, двигает часть разъема 278, передавая вращение на поворотный клапан 265. На фиг. 26 проиллюстрировано, как соответствующая часть двигательного разъема 68′ захвачена и сориентирована в части разъема 278 с образованием в целом самовыравнивающегося разъема 84′.

Как и в распределительном клапане 272 с фиг. 18-2, распределительный клапан 265 с фиг. 24 может содержать управляющий паз 214 (не показан) для приема стопорного штифта 216, проходящего через стенку клапанного корпуса 250. Когда перфорированный клапан 265 проворачивается, стопорный штифт 216 может двигаться внутри управляющего паза 214 до тех пор, пока стопорный штифт 216 не достигнет конца участка управляющего паза 214, препятствуя тем самым дальнейшему проворачиванию. Взаимодействие между стопорный штифтом 216 и управляющим пазом 214 обеспечивает, таким образом, контроль над угловой позицией перфорированного клапана 265, а также жесткий упор.

На фиг. 26 клапанный модуль 244 проиллюстрирован в закрытом положении, к примеру, перфорированный клапан 265 размещен так, что порты 102 блокируют ток через пропускные порты 267 в скважинном инструменте 26 и таким образом блокируют движение потока бурового раствора в приводной элемент 104. Перед движением скважинного инструмента 26 нагнетают буровой раствор, протекающий через канал 106, через перфорированный клапан 265, вокруг внешней поверхности всего самовыравнивающегося разъема 84′ и вдоль внешней стороны моторного модуля 42 по направлению к буровому долоту 36 (фиг. 17), как проиллюстрировано стрелками течения 222 на фиг. 26. Как и в поворотно-распределительном клапанном модуле 242 с фиг. 18-1, поворотный клапанный модуль 244 с фиг. 24 использует это дифференциальное давление вокруг скважинного инструмента 26 между каналом 106 и стволом 24 так, что первый клапанный элемент 264 создает эффективную герметизацию вокруг отверстий 268, когда клапанный модуль 244 находится в закрытом положении, как проиллюстрировано на фиг.26.

Объединенная площадь поверхности перфорированного клапана 265, подвергающаяся более высокому давлению канала 106, больше, чем площадь поверхности первого клапанного элемента 264, подвергающаяся более низкому давлению приводной камеры 112. Приводная камера 112 находится под давлением ствола 24, поскольку приводная камера 112 жидкостно сообщается со стволом 24 через сопла 111. Таким образом, поскольку объединенная площадь перфорированного клапана 265, подвергающаяся более высокому давлению канала 106, больше, чем площадь поверхности первого клапанного элемента 264, подвергающаяся меньшему давлению ствола 24, сила нетто дифференциального давления действует, толкая распределительный клапан 265 вверх. Эта сила, направленная вверх, позволяет верхним поверхностям 263 герметизирующего элемента 266 оставаться посаженными напротив посадочной поверхности 253 клапанного корпуса 250 (фиг. 25), повышая тем самым герметизацию вокруг портов 102. Сила нетто дифференциального давления также действует, толкая первый клапанный элемент 264 для большей герметизации контакта/зацепления с герметизирующим элементом 266. Соответственно, поворотный клапанный модуль 244 использует дифференциальное давление для усиления герметизации, препятствуя тем самым утечкам через порты 102, когда клапанный модуль 244 находится в закрытом положении, предотвращая тем самым непреднамеренное движение скважинного инструмента 26.

Поворотный клапанный модуль 244 с фиг. 24 выполнен для поддержки значимо непрерывного контакта между верхними поверхностями 263 (фиг. 25) герметизирующего элемента 266 и клапанного корпуса 250 на посадочной поверхности 253 (фиг. 25), независимо от того, находится ли клапанный модуль 244 в закрытом или открытом положении. В открытом положении (не показано) преднатянутая пружина 274 прилагает существенное усилие на перфорированный клапан 265, который таким образом прилагает существенную силу на герметизирующий элемент 266 через взаимодействие между первым клапанным элементом 264 и нижней поверхностью 269 (фиг. 25) герметизирующего элемента 266 для поддержания такого контакта между герметизирующим элементом 266 и посадочной поверхностью 253 (фиг. 25).

Вращение перфорированного клапана 265 выполнено для воздействия на пропускные порты 102 через отверстия 257, 267, допускающие возврат бурового раствора для толкания компонента привода 104 для привода/активации шарошечных головок 28 (фиг. 17) (или другого вспомогательного инструмента). Дальнейшее движение перфорированного клапана 265 герметизирует пропускные порты 102 так, чтобы нехватка возвращаемой жидкости (объединенной со смещением пружины с помощью пружины 130 на фиг. 9) позволила компоненту привода 104 вернуться в его расслабленное положение, деактивируя таким образом шарошечные головки 28 (или другой вспомогательный инструмент). Таким образом, исполнительная система 30′ может активироваться и деактивироваться по требованию, как раскрыто выше, для активации/деактивации, к примеру, шарошечных головок 28 скважинного инструмента 26. Дополнительно, использование части самовыравнивающегося разъема 278, 68′ облегчает сборку и использование поворотного клапанного модуля 244 и моторного модуля 42 в полевых условиях. Как раскрыто выше, секция электроники 80 (фиг. 12) также облегчает использование удаленной связи для создания возможности избирательной активации двигателя 82, при необходимости движения поворотного перфорированного клапана 265. Система отслеживания положения 50 также может быть объединена с исполнительной системой 30′ для наблюдения за движением перфорированного клапана 265 и для передачи/пересылки информации в, например, наземную управляющую систему.

Фиг. 27 иллюстрирует вид скважинной системы 20' с фиг. 17 в разрезе с иллюстративным поворотным снабженным прорезями клапанным модулем 246, соединенным с моторным модулем 42 для привода скважинного инструмента 26, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. Клапанный корпус 250 получает поворотно-клапанный узел 270, содержащий поворотный снабженный прорезями клапан 292 с одной или более прорезями 291. Кожух 294 расположен в последнем нижнем участке клапана 292. Поворотный снабженный прорезями клапан 292 может быть спаян в кожухе 294. Кожух 294 может содержать часть разъема 293, такую как резьбовая выемка, выполненная для получения соответствующей части разъема 68′′, такой как резьбовое удлинение, к примеру, на шпинделе 298, соединяющемся со штоком двигателя 41. В одном или более вариантах реализации изобретения кожух 294 выполнен для размещения части разъема 292, размещенной по центру или близко к центру в канале поворотного снабженного прорезями клапана 292. Еще одно сцепление 296 поддерживает соединение между кожухом 294 и шпинделем 298. Сцепление 296 может включать контргайку, спиральную муфту, муфту Олдхэма или подходящее сцепление любого другого типа. Может быть обеспечено множество кольцевых уплотнений 295 радиально между клапанным корпусом 250 и поворотным содержащим щели клапаном 292, с по меньшей мере одним кольцевым уплотнением 295, обеспеченным аксиально на обеих сторонах прорезей 291. Примеры подходящих материалов для кольцевого уплотнения 295 содержат такие термопластические материалы, как PEEK, торлон и тефлон. Однако специалистам в области техники известны и другие типы материалов, которые могут быть использованы для кольцевого уплотнения 295 для обеспечения герметичности и упрощения поворота клапана 292 внутри клапанного корпуса 250. В одном или более вариантах реализации изобретения круглые уплотнительные кольца 297 выполнены для выравнивания в линию стенок каждой прорези 291 снабженного прорезями клапана 292.

Снова обращаясь к фиг. 27, проиллюстрированный поворотный снабженный прорезями клапанный модуль 246 объединен со скважинным инструментом 26 и сообщается с моторным модулем 42. В этом примере клапанный модуль 246 размещен внутри выемки 100 скважинного инструмента 26 так, чтобы уплотнения 76 уплотнительно зацеплялись с внутренней поверхностью выемки 100. Порты 102 (фиг. 28) проходят через выемку 100 скважинного инструмента 26 таким образом, что между приводной камерой 112 и каналом 106 скважинного инструмента 26 может устанавливаться жидкостное сообщение, когда клапан с прорезями 292 поворотно располагается внутри выемки 100 для выравнивания прорезей 291 с портами 102 для создания возможности такого жидкостного сообщения. Когда порты 102 получают сжатую жидкость из канала 106 в компонент привода 104 с помощью приводной камеры 112, жидкость по действием существенного давления вызывает движение компонента привода 104, переводя таким образом шарошечные головки 28 (фиг. 17) (или другой вспомогательный инструмент) скважинного инструмента 26 в другое желаемое операционное состояние. В проиллюстрированном примере для поворота перфорированного клапана 292 из закрытого положения в открытое положение двигатель 82 двигает шток двигателя 41, соединенный со шпинделем 298 с частью разъема 68'', которая, в свою очередь, поворачивает кожух 294, передавая вращение на клапан с прорезями 292.

Фиг. 28 иллюстрирует частичный вид части скважинного инструмента 26 в разрезе, иллюстрируя поворотно-распределительный клапанный модуль 246 в первом положении, а фиг. 29 иллюстрирует частичный вид части скважинного инструмента 26 в разрезе, иллюстрируя поворотно-распределительный клапанный модуль 246 во втором положении в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения. На фиг. 28 клапанный модуль 246 проиллюстрирован в закрытом положении, к примеру, клапан с прорезями 292 размещен так, что блокирует ток через порты 102 и таким образом блокирует движение потока бурового раствора в компонент привода 104. Перед движением скважинного инструмента 26 нагнетают буровой раствор, протекающий через канал 106, через отверстия 215 в кожух 294 и вдоль внешней стороны моторного модуля 42 по направлению к буровому долоту 36 (фиг. 17), как проиллюстрировано стрелками течения 230 на фиг. 28. Кольцевые уплотнения 295 и круглые кольцевые уплотнения 297 (лучше всего проиллюстрированные на фиг. 27) обеспечивают уплотнения для предотвращения утечек через порты 102, когда клапанный модуль 246 находится в закрытом положении, предотвращая тем самым непреднамеренное движение скважинного инструмента 26.

Ссылаясь, в общем, на фиг. 29, поворотно-распределительный клапанный снабженный прорезями модуль 246 с фиг. 27 проиллюстрирован в открытом положении, к примеру, снабженный прорезями клапан 292 поворотно размещен так, что прорези 291 выровнены с пропускными портами 102 в скважинном инструменте 26, открывая проток в приводную камеру 112 и допуская движение потока бурового раствора в компонент привода 104. Когда необходимые управляющие сигналы переданы/пересланы в скважину в электронную секцию 80 (фиг. 12), нагнетание бурового раствора с поверхности приостанавливается перед тем, как моторный модуль 42 двигает клапанный модуль 246 из закрытого положения, проиллюстрированного на фиг. 28, в открытое положение, проиллюстрированное на фиг. 29 (или наоборот). Давление в канале 106 затем выравнивается с давлением в стволе 24 так, что дифференциальное давление вокруг скважинного инструмента 26 исчезает. Затем моторный модуль 42 поворачивает двигательный шток 41 и шпиндель 298, проворачивая тем самым снабженный прорезями клапан 292, который, в свою очередь, двигает прорези 291 в выровненное относительно портов 102 положение, открывая проток через них. Таким образом, двигателю 82 не нужно преодолевать силу дифференциального давления для вращения снабженного прорезями клапана 292. Как только клапанный модуль 246 был перемещен в открытое положение, как проиллюстрировано на фиг.29, буровой раствор начинает нагнетаться в скважину через канал 106 и наружу через порты 102 против приводной камеры 104, как проиллюстрировано указывающими направление потока стрелками 235 на фиг.29, для перевода шарошечных головок 28 (или другого вспомогательного инструмента) в желаемое состояние.

В примере, описанном выше, вращение снабженного прорезями клапана 292 выполнено для воздействия на один или более пропускных портов 102, допускающих возврат бурового раствора для толкания компонента привода 104 для привода/активации шарошечных головок 28 (или другого вспомогательного инструмента). Дальнейшее движение снабженного прорезями клапана 292 герметизирует пропускные порты 102 так, чтобы нехватка возвращаемой жидкости (объединенной со смещением пружины с помощью пружины 130 на фиг. 9) позволила компоненту привода 104 вернуться в его расслабленное положение, деактивируя таким образом шарошечные головки 28 (или другой вспомогательный инструмент). Таким образом, исполнительная система 30′ может активироваться и деактивироваться по требованию, как раскрыто выше, для активации/деактивации скважинного инструмента 26. Секция электроники 80 (фиг. 12) также облегчает использование удаленной связи для создания возможности избирательной активации двигателя 82, в случае необходимости движения снабженного прорезями клапана 292. Система отслеживания положения 50 также может быть объединена с исполнительной системой 30' для наблюдения за движением снабженного прорезями клапана 292 и для передачи/пересылки информации в, например, наземную управляющую систему.

Скважинный инструмент 26 может использовать разнообразные компоненты, которые могут быть соединены в нескольких конфигурациях, выполненных для облегчения привода скважинного инструмента 26 в разных типах скважин и сред. При некоторых видах применения исполнительная система и способ используют одну или более прямых механических связей, в то время как при других применениях, как описано выше, исполнительная система и способ могут использовать для управления потоком жидкости инструменты с гидроприводом. Однако одно или более исполнительных систем и способов, раскрытых в данном документе, позволяют их использование вместо трудоемких копровых систем/способов при обеспечении удаленного управления приводом инструмента. Исполнительная система может быть использована как оригинальное оборудование или для замены существующей копровой системы для увеличения эффективности. Более того, размер и тип компонентов, как и конфигурация и исполнение этих компонентов, могут изменяться в соответствии с параметрами заданного использования и/или средовых характеристик, в которых применяются система и способ.

Фиг. 30 иллюстрирует схематический вид альтернативного клапанного модуля 40, размещенного в скважинном инструменте 26, в соответствии с одним или более раскрытыми вариантами реализации изобретения, в котором движимый компонент скважинного инструмента 26 приводится в движение с помощью механического соединения между клапанным модулем 40 и движимым компонентом. Клапанный модуль 40 содержит шток 46, сообщающийся с клапаном 74. Клапан 74 может быть цилиндрическим или иметь другую форму для соответствия внутренней окружности корпуса скважинного инструмента 26. Клапан 74 может иметь одно или более осевых отверстий или каналов 110 (см., к примеру, фиг. 5), выполненных, по меньшей мере частично, сквозными для создания возможности протекания жидкости сквозь канал 106. Скважинный инструмент 26 - расширитель в данном примере - приводится в движение с помощью линейного/аксиального движения клапана 74, который двигается штоком 46 внутри канала 106. Клапан 74 соединен с шарошечными головками 28 или может сообщаться с ними через компонент привода 104. Как проиллюстрировано, компонент привода 104 сообщается с клапаном 74 с помощью прямого механического соединения. Компонент привода 104 выполнен для создания возможности шарошечным головкам 28 двигаться аксиально и радиально, в то время как компонент привода 104 двигается аксиально.

Одно или более уплотнений 76, 77 выполнены вокруг внешней поверхности клапана 74 для поддержания потока жидкости во внутреннем протоке или канале 106 через скважинный инструмент 26 и аксиальные отверстия 110 в клапане 74. Во время бурения скважины 24 жидкость течет через оправку 128, через аксиальные отверстия 110 (см., к примеру, фиг. 5) в клапане 74 и по направлению к буровому долоту 36 (не показано). Вследствие посылки сигнала 82 для начала приведения в движение инструмента линейное/аксиальное движение штока 46 вследствие такой работы двигателя 82 вызывает аксиальное движение клапана 74 в первое положение (то есть шарошечные головки 28 сложены, как проиллюстрировано на фиг. 30) и второе положение (шарошечные головки 28 выдвинуты, не показано). Работа двигателя 82 для деактивации скважинного инструмента 26 вызывает движение клапана 74 из второго положения в первое, отключая тем самым шарошечные головки 28 с приведением их в сложенное состояние. Во время движения клапана 74 жидкость продолжает течь вниз через оправку 128, через аксиальные отверстия 110 (см., к примеру, фиг. 5) в клапане 74 и по направлению к буровому долоту 36. Когда клапан 74 двигается во второе положение, двигая тем самым шарошечные головки 28 с помощью компонента привода 104, клапан 74 раскрывает сопла 111, создавая тем самым внутри сопла 111 жидкостное сообщение с жидкостью, текущей по каналу 106. Жидкость, текущая через одно или более сопел 111, может помочь в очистке и/или охлаждении шарошечных головок 28.

Фиг. 31 иллюстрирует схематический вид другой иллюстративной реализации скважинного инструмента 26, имеющего систему привода, в соответствии с одним или более вариантами реализации изобретения. Как показано, мотор 82 и преобразовательный узел 64 (используемый для линейного, а не вращательного движения клапана) могут быть соединены с клапанным модулем 40 и размещены на нем. Другими словами, мотор 82 и необязательный преобразовательный узел 64 могут быть соединены с клапанным модулем 40 и размещены между ним и поверхностью.

Как раскрыто выше, секция электроники 80 может содержать приемник/датчик для приема управляющих сигналов с поверхности для приведения в движение скважинного инструмента 26. В ответ на управляющий сигнал секция электроники 80 может заставлять двигатель 82 вращать вал 41 (не показан), соединенный со штоком 46 клапана 74 клапанного модуля 40. В одном из вариантов реализации изобретения работа двигателя 82 вращает вал двигателя 41, что вызывает поворот штока 46 и клапана 74. Как было раскрыто выше, клапан 74 может быть выполнен таким образом, чтобы закрывать порт 102 от канала 106 скважинного инструмента 26 в одном поворотном положении и открывать порт 102 в канал скважинного инструмента 26 в другом поворотном положении. Таким образом, поворот клапана 74 для разблокировки порта 102 позволяет жидкости течь через него из канала 106, к примеру, для приведения в движение скважинного инструмента 26. В другом варианте реализации изобретения преобразовательный узел 64 может быть использован для преобразования вращения вала двигателя 41 в аксиальное движение штока 46 клапана 74 клапанного модуля 40. Как было раскрыто выше, клапан 74 может быть выполнен таким образом, чтобы закрывать порт в одном аксиальном положении и открывать порт в другом аксиальном положении. Таким образом, аксиальное движение штока 46 и клапана 74 клапанного модуля 40 для разблокировки порта 102 позволяет жидкости течь через него из канала 106. Двигатель 82 также действует как тормоз для удерживания клапана 74 в открытом или закрытом положении.

Скважинный инструмент 26 может содержать вибрационный датчик 310, такой как акселерометр. Вибрационный датчик 310 может быть размещен в канале 106 скважинного инструмента 26 или соединен с ним или с исполнительной системой. Вибрационный датчик 310 может быть выполнен для измерения вибраций скважинного инструмента 26, к примеру, когда скважинный инструмент 26 работает, к примеру, увеличивая диаметр скважины 24, промалывает окно через обсадку и так далее. В одном или более вариантах реализации изобретения аксиальное положение клапана 74 клапанного модуля 40 и/или шарошечных головок 28 (см. фиг. 11), если скважинный инструмент 26 является расширителем, может быть определено с помощью измерения количества оборотов двигателя 82 и/или штока 46. Эти вибрации и измерения положения могут быть переданы на поверхность с помощью системы телеметрии, к примеру, с помощью одного или более пульсов бурового раствора, как было раскрыто в данном документе. К примеру, в варианте реализации, проиллюстрированном на фиг. 31, секция электроники 80 может заставлять второй двигатель 302, присоединенный к валу 304, вращать ротор 308 относительно статора 306. Движение ротора 308 относительно статора 306 может вызвать пульсацию бурового раствора, передающую вибрацию и/или определение положения на поверхность. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения ротор 308 и статор 306 могут иметь сквозные аксиальные отверстия, а пульсация давления создается отверстиями в роторе 308, синхронизирующимися с отверстиями в статоре 306. Источник питания 44, такой как одна или более батарей, может быть использован для питания секции электроники 80, датчика вибрации и/или двигателей 82, 302.

Как использовано в данном описании, термины «внутренний» и «внешний», «верх» и «низ», «выше» и «ниже», «кверху» и «книзу», «над» и «под», «внутрь» и «наружу» и другие подобные термины относятся к относительному местоположению одного к другому и не предназначены для описания конкретного направления или пространственной ориентации. Термины «соединение», «соединенный», «в соединении с» используются в значении «в прямом соединении с» или «в соединении с помощью другого элемента». Термины «горячо» и «холодно» относятся к относительным температурам одного к другому.

Хотя выше детально описаны некоторые примеры реализаций, специалист в области техники, получающий выгоду от данного раскрытия, легко поймет, что у примерных вариантов реализаций возможно множество модификаций без значимого отклонения от сути «раскрытия Исполнительной системы и способа приведения в движение скважинного инструмента». Соответственно, такие модификации предназначены для включения в обзор данного раскрытия, как указано в формуле. В формуле изобретения положения значение-плюс-функция (т.е. утверждение намеренно использует выражение «средство для» вместе с соответствующей функцией) предназначены для покрытия структур, описанных в данном документе, выполняющих описанную функцию, и не просто структурные эквиваленты, однако также эквивалентные структуры. Следовательно, хотя гвоздь и винт могут не быть структурными эквивалентами, поскольку гвоздь представляет цилиндрическую поверхность для надежного сколачивания деревянных частей вместе, в то время как винт представляет спиральную поверхность в среде скрепления деревянных частей вместе, гвоздь и винт могут быть эквивалентными структурами.

Конкретные варианты реализации и детали описаны выше с использованием набора численных пределов сверху и набора численных пределов снизу. Следует иметь в виду, что диапазоны, включающие сочетание любых двух значений, к примеру, предполагают сочетания любого более низкого значения с любым более высоким, сочетание любых двух более низких значений и/или сочетание любых двух более высоких значений, если не заявлено иное. Некоторые нижние пределы, верхние пределы и диапазоны представлены в одном или более пунктах формулы изобретения ниже. Все численные значения обозначены «приблизительно» или «около» и принимают во внимание ошибку эксперимента и изменения, которые следует ожидать лицу, имеющему обычные навыки в области техники.

Выше были определены разнообразные термины. Для расширения значения термина, используемого в формуле изобретения и не определенного выше, должно быть дано широчайшее определение специалистов в данной области техники, которые предоставили этот термин, как это отражено, как минимум, в одном печатном издании или выданном патенте. Более того, все патенты, тестовые процедуры и другие документы, цитируемые в данном приложении, являются полностью включенными посредством ссылки для расширения такого раскрытия, если это не противоречит такому включению и всем юрисдикциям, допускающим такое включение.

В то время как описание направлено на варианты реализации настоящего изобретения, могут быть разработаны и другие и дальнейшие варианты реализации изобретения без отступления от объема настоящего изобретения.

Claims (27)

1. Скважинный инструмент с исполнительной системой, содержащий:
корпус, содержащий канал, аксиально проходящий через корпус, по меньшей мере частично,
камеру, расположенную радиально наружу из канала и сообщающуюся по текучей среде с каналом через порт;
клапан, размещенный в канале и выполненный с возможностью перемещения между первым положением, в котором он препятствует жидкости вытекать из канала в камеру через порт, и вторым положением, в котором он обеспечивает прохождение жидкости из канала в камеру через порт;
двигатель, размещенный в канале и выполненный с возможностью перемещения клапана между первым положением и вторым положением;
движимый компонент, подвижно соединенный с его корпусом, выполненный с возможностью перехода между нерабочим и рабочим состояниями в ответ на приток жидкости в камеру через порт; и
скважинный приемник, сообщающийся с двигателем и выполненный с возможностью приема сигнала из удаленного места, причем сигнал управляет одним или более действиями двигателя для перемещения клапана между первым и вторым положениями.

2. Скважинный инструмент по п.1, отличающийся тем, что клапан расположен и выполнен с возможностью аксиального перемещения в канале между первым и вторым положениями.

3. Скважинный инструмент по п.1, дополнительно содержащий преобразовательный узел, размещенный между двигателем и клапаном и преобразовывающий вращательное движение двигателя в аксиальное перемещение клапана.

4. Скважинный инструмент по п.1, отличающийся тем, что двигатель расположен и выполнен с возможностью вращения клапана около продольной оси, проходящей через клапан.

5. Скважинный инструмент по п.4, отличающийся тем, что клапан содержит палец, выполненный и предназначенный для выравнивания с портом, когда клапан находится в первом положении, и отходящий от порта, когда клапан находится во втором положении.

6. Скважинный инструмент по п.4, отличающийся тем, что клапан содержит отверстие, выполненное радиально сквозь него, при этом отверстие выполнено и предназначено для смещения от порта, когда клапан находится в первом положении, и выровнено относительно порта, когда клапан находится во втором положении.

7. Скважинный инструмент по п.1, дополнительно содержащий компонент привода, реагирующий на гидравлическое давление притока жидкости в камеру, предназначенный для приведения движимого компонента из нерабочего состояния в рабочее состояние в ответ на увеличение гидравлического давления в камере в результате притока жидкости в камеру.

8. Скважинный инструмент по п.1, дополнительно содержащий систему отслеживания положения, размещенную, по меньшей мере частично, в канале и выполненную с возможностью определения аксиального положения движимого компонента.

9. Скважинный инструмент по п.8, отличающийся тем, что система отслеживания положения содержит:
по меньшей мере один магнит, соединенный с движимым компонентом; и
зонд, размещенный в канале, содержащий множество магнитометров, расположенных вдоль его оси.

10. Скважинный инструмент по п.9, отличающийся тем, что множество магнитометров расположено вдоль оси, по меньшей мере, двух плоскостей, размещенных в зонде.

11. Скважинный инструмент по п.8, дополнительно содержащий систему телеметрии, размещенную в канале и выполненную с возможностью передачи сигналов, представляющих аксиальное положение движимого компонента, в удаленное место.

12. Скважинный инструмент по п.8, отличающийся тем, что движимый компонент зацепляет и двигает оправку, причем аксиальное положение оправки представляет собой состояние движимого компонента.

13. Скважинный инструмент по п.1, отличающийся тем, что скважинный инструмент является расширителем.

14. Исполнительная система скважинного инструмента для использования в скважине, содержащая:
клапан, размещенный во внутреннем проточном канале скважинной трубы, предназначенный для перемещения между первым положением, закрывающим порт во внутренней стенке скважинной трубы, и вторым положением, обеспечивающим протекание жидкости из внутреннего проточного канала в порт, при этом клапан имеет один или более сквозных каналов, обеспечивающих прохождение жидкости аксиально через него к буровому долоту независимо от положения клапана;
двигатель, размещенный во внутреннем протоке скважинной трубы для создания возможности для жидкости во внутреннем протоке протекать вокруг него, при этом двигатель соединен с клапаном и выполнен с возможностью перемещать клапан между первым и вторым положениями; и
скважинный приемник, сообщающийся с двигателем и выполненный с возможностью приема сигнала из удаленного места, причем сигнал управляет одним или более действиями двигателя для перемещения клапана между первым и вторым положениями.

15. Исполнительная система скважинного инструмента по п.14, отличающаяся тем, что клапан выполнен и предназначен для аксиального перемещения во внутреннем протоке между первым и вторым положениями.

16. Исполнительная система по п.15, дополнительно содержащая преобразовательный узел, размещенный между двигателем и клапаном и преобразовывающий вращательное перемещение вала двигателя в аксиальное перемещение клапана.

17. Исполнительная система по п.14, отличающаяся тем, что двигатель выполнен с возможностью вращения клапана около продольной оси, проходящей через клапан.

18. Исполнительная система по п.17, отличающаяся тем, что клапан выполнен и предназначен для посадки в первом положении в ответ на разницу давления, создаваемую между внутренним протоком и стволом скважины во время протекания бурового раствора через один или более протоков в клапане.

19. Исполнительная система по п.14, дополнительно содержащая систему отслеживания положения, размещенную, по меньшей мере частично, во внутреннем протоке и выполненную с возможностью определения аксиального положения движимого компонента.

20. Исполнительная система по п.19, дополнительно содержащая систему телеметрии, размещенную во внутреннем протоке и выполненную с возможностью передачи сигналов реального времени, представляющих аксиальное положение движимого компонента, в удаленное место.

21. Исполнительная система по п.14, отличающаяся тем, что клапан и двигатель выполнены в виде модулей и могут быть индивидуально доставлены и размещены с поверхности в стволе скважины.

22. Исполнительная система по п.14, отличающаяся тем, что двигатель соединен с клапаном при помощи самовыравнивающегося соединения.

23. Способ привода скважинного инструмента, в котором:
передают сигнал из места на поверхности в скважинный приемник, размещенный в скважинном инструменте, при этом сигнал управляет одним или более действиями двигателя, размещенного в канале, проходящем аксиально, по меньшей мере частично, через корпус скважинного инструмента, при этом двигатель соединен с клапаном, размещенным в канале, и перемещает его между первым и вторым положениями, при этом клапан препятствует оттоку жидкости через порт, размещенный между каналом и камерой, размещенной радиально наружу из канала, когда находится в первом положении, и обеспечивает прохождение жидкости из канала в камеру через порт, когда находится во втором положении, причем поток жидкости в камеру вызывает увеличение гидравлического давления в камере, перемещая тем самым движимый компонент скважинного инструмента; и
приводят в действие скважинный инструмент в то время, когда движимый компонент скважинного инструмента выдвинут.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что преобразовательный узел, размещенный между двигателем и клапаном, преобразовывает вращательное движение вала двигателя в аксиальное перемещение клапана.

25. Способ по п.23, дополнительно включающий определение аксиального положения движимого компонента с помощью системы отслеживания положения, размещенной, по меньшей мере частично, в канале.

26. Способ по п.25, дополнительно включающий передачу аксиального положения движимого компонента на поверхность с помощью системы телеметрии, размещенной в канале.

27. Способ по п.26, отличающийся тем, что передачу выполняют с помощью метода телеметрии, выбранного из группы, содержащей пульсацию давления, акустические волны, электромагнитные волны и изолированный проводник.

Images