Механизм управления скоростью двойного типа для турбины - RU2627332C1

Чертежи

Описание

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к бурению скважин и, в частности, к управлению скоростью скважинной турбины.

Поскольку буровые работы становятся все более сложными, а углеводородные пласты все более труднодоступными, возрастает необходимость в точном и быстром изменении скорости скважинной турбины. Существующие способы изменения скорости турбины могут включать замену оператором частей турбины, которая может быть дорогой и занимать много времени. Кроме того, применение существующих способов эксплуатации турбин может обуславливать быстрый износ подшипников турбины, расположенных на турбине или внутри скважины, и оператору может потребоваться заменить подшипники или другие части компоновки нижней части бурильной колонны. Кроме того, если турбина соединена с генератором, электронное оборудование генератора может быть разработано с возможностью эффективного функционирования в заданном диапазоне скорости турбины. В случае ненадлежащего регулирования скорости турбины электронное оборудование в компоновке нижней части бурильной колонны может изнашиваться. Это может привести к повышению стоимости и снижению надежности системы.

ФИГУРЫ

Некоторые конкретные иллюстративные варианты осуществления изобретения можно понять, ознакомившись, помимо прочего, с нижеследующим описанием и прилагаемыми чертежами.

На Фиг. 1 представлена схема, иллюстрирующая приведенную в качестве примера буровую систему, соответствующую аспектам настоящего изобретения.

Фиг. 2А-С представляют собой схемы, иллюстрирующие один из примеров узла управления направлением бурения, соответствующего аспектам настоящего изобретения.

Фиг. 3А и 3В изображают наружные поверхности и виды в поперечном разрезе одного из примеров узла управления направлением бурения, соответствующего аспектам настоящего изобретения.

На фиг. 4 представлен вид в поперечном разрезе камеры для текучей среды, соответствующей аспектам настоящего изобретения.

Хотя варианты осуществления настоящего изобретения проиллюстрированы и описаны, а также определены со ссылкой на приведенные в качестве примера варианты осуществления настоящего изобретения, такие ссылки не означают ограничение раскрытия данного изобретения и не подразумевают никаких подобных ограничений. Раскрытый объект изобретения допускает использование существенных модификаций, изменений и эквивалентов по форме и функционированию, что будет очевидно для специалистов в данной области техники, которые ознакомятся с настоящим описанием. Проиллюстрированные и описанные варианты осуществления настоящего изобретения приведены лишь в качестве примеров и не исчерпывают объем изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение в целом относится к бурению скважин и, в частности, к управлению скоростью приводного механизма, управляемого текучей средой, с применением одного или обоих из: изменяемого канала протекания и электромагнитных элементов.

В данном документе подробно описаны иллюстративные варианты осуществления данного изобретения. В целях ясности в этом описании могут быть изложены не все признаки фактической реализации данного изобретения. Конечно, следует иметь в виду, что в ходе разработки любого такого фактического варианта реализации изобретения должны быть приняты многочисленные специфичные для реализации изобретения решения с целью достижения конкретных целей реализации, которые будут изменяться от одной реализации изобретения к другой. Кроме того, следует иметь в виду, что такая деятельность по разработке может быть сложной и продолжительной, но, тем не менее, благодаря этому описанию представлять собой рутинную задачу для среднего специалиста в данной области техники, который ознакомится с настоящим описанием.

Термины «соединять» или «соединяет», применяемые в данном документе, предназначены для обозначения как косвенного, так и прямого соединения. Таким образом, если первое устройство соединено со вторым устройством, такое соединение может быть осуществлено через прямое соединение или через косвенное электрическое или механическое соединение посредством других устройств и соединений. Термин «выше по потоку», применяемый в данном описании, означает направление вдоль пути потока к источнику потока, а термин «ниже по потоку», применяемый в данном описании, означает направление вдоль пути потока от источника потока. Термин «вверх по стволу скважины», применяемый в данном описании, означает направление вдоль бурильной колонны или скважины от дальнего конца в сторону поверхности, а термин «вниз по стволу скважины», применяемый в данном описании, означает направление вдоль бурильной колонны или скважины от поверхности в сторону дальнего конца.

Следует понимать, термин «оборудование для бурения нефтяной скважины» или «система для бурения нефтяной скважины» не ограничивает применение оборудования и способов, описанных с применением указанных терминов, для бурения только нефтяной скважины. Указанные термины также охватывают бурение скважин природного газа или любых углеводородных скважин. Кроме того, такие скважины могут быть использованы для добычи, наблюдения или закачивания применительно к извлечению углеводородов или других материалов из-под земли. Также это может быть применимо для (помимо углеводородных) геотермальных скважин, предназначенных для создания источника тепловой энергии.

В контексте данного раскрытия система обработки информации может включать любые устройства или совокупность устройств, выполненных с возможностью вычисления, классифицирования, обработки, передачи, приема, извлечения, создания, выбора, хранения, отображения, выдачи, обнаружения, записи, воспроизведения, обработки или применения любой формы информации, сообщений или данных для целей бизнеса, науки, управления или других целей. Например, система обработки информации может представлять собой персональную вычислительную машину, сетевое устройство хранения данных или любое другое подходящее устройство и может различаться по размеру, форме, производительности, функциональности и стоимости. Система обработки информации может включать оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), один или большее количество ресурсов для обработки информации, таких как центральный процессор (ЦП) или аппаратное или программное логическое устройство управления, ПЗУ и/или энергонезависимое запоминающее устройство других типов. Система обработки информации может дополнительно включать микроконтроллер, который может представлять собой малую вычислительную машину на одной интегральной схеме, содержащей ядро процессора, запоминающее устройство и программируемые периферийные устройства ввода/вывода. Дополнительные компоненты системы обработки информации могут включать один или большее количество дисковых накопителей, один или большее количество сетевых портов для связи с внешними устройствами, а также различные устройства ввода/вывода (I/O), такие как клавиатура, мышь и видеодисплей. Система обработки информации может также включать одну или большее количество шин, выполненных с возможностью передачи данных между различными аппаратными компонентами.

В контексте данного раскрытия машиночитаемый носитель может включать любые устройства или совокупность устройств, которые способны хранить данные и/или команды в течение определенного периода времени. Машиночитаемый носитель может включать, например, без ограничения, запоминающий носитель, такой как запоминающее устройство с прямым доступом (например, накопитель на жестких дисках или накопитель на гибких дисках), запоминающее устройство с последовательным доступом (например, дисковое запоминающее устройство на магнитной ленте), компакт-диск, CD-ROM, DVD, ОЗУ, ПЗУ, электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (EEPROM) и/или флэш-память; а также средства связи, такие как провода.

Для облегчения понимания настоящего изобретения приведены нижеследующие примеры некоторых из вариантов осуществления. Нижеследующие примеры ни в коем случае не следует рассматривать как ограничивающие или определяющие объем настоящего изобретения. Варианты осуществления настоящего изобретения могут быть применены для горизонтальных, вертикальных, отклоненных, многоствольных, соединяемых с помощью U-образных труб, пересекающихся, обходных (выбуриваемых около прихваченного на средней глубине скважинного инструмента, с врезанием в скважину ниже) или других криволинейных стволов скважин в подземной формации любого типа. Варианты осуществления могут быть применены для нагнетательных скважин и добывающих скважин, в том числе для добывающих скважин, содержащих природные ресурсы, такие как сероводород, углеводороды, или для геотермальных скважин; а также для скважинного строительства с туннелированием при пересечении реки и других подобных туннельных скважин для целей приповерхностного строительства или U-образных трубопроводов в стволах скважин, применяемых для транспортирования текучих сред, таких как углеводороды. Варианты осуществления, описанные ниже в отношении одного из вариантов реализации, не являются ограничивающими.

В данном документе описаны системы и способы управления направлением бурового снаряда в скважине, соответствующие аспектам настоящего изобретения. Один из примеров системы может содержать корпус и изменяемый канал протекания текучей среды внутри корпуса. Приводной механизм, управляемый текучей средой, может соединяться по текучей среде с изменяемым каналом протекания текучей среды. Кроме того, отклоняющая оправка может быть соединена с выходом приводного механизма, управляемого текучей средой. Отклоняющая оправка может вращаться независимо от корпуса. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления система также может включать вал долота, соединенный с корпусом с возможностью вращения. Вал долота может быть соединен с эксцентриковым гнездом отклоняющей оправки, а корпус может быть выполнен с возможностью передавать крутящий момент на вал долота. Как будет описано ниже, вал долота может быть соединен с буровым долотом, а крутящий момент, передаваемый на вал долота корпусом, может приводить в движение буровое долото. Приводной механизм, управляемый текучей средой, может поворачивать отклоняющую оправку в направлении, обратном направлению вращения корпуса, который может поддерживать угловую ориентацию отклоняющей оправки, вала долота и бурового долота по отношению к окружающей формации во время выполнения буровых работ. Частота обратного вращения отклоняющей оправки может быть изменена путем управления скоростью приводного механизма, управляемого текучей средой. Скоростью приводного механизма, управляемого текучей средой, можно управлять путем изменения течения бурового раствора внутри изменяемого канала протекания, с которым приводной механизм, управляемый текучей средой, соединен по текучей среде. Однако, применение роторных управляемых систем не ограничивается данным изобретением. Системы и способы, раскрытые в данном документе, также могут быть применены, например, для осуществления телеметрии во время бурения (MWD) и каротажа во время бурения (LWD). Другие варианты применения могут включать, без ограничения, применение датчиков телеметрии во время бурения (MWD)/каротажа во время бурения (LWD) для измерения параметров в конкретном круговом направлении. Другой вариант применения включает устранение влияния ускорения, которое негативно влияет на измерение с помощью датчика, с помощью поддержании геостационарного положения зонда датчика. Другой вариант применения может включать применение генератора, который поворачивают с постоянной частотой вращения, генерируя постоянное напряжение, благодаря чему может быть устранена необходимость в сложном/более громоздком электронном оборудовании, требуемом для использования в различных ситуациях с применением электрического напряжения.

На Фиг. 1 приведена схема, иллюстрирующая один из примеров буровой системы 100, соответствующей аспектам настоящего изобретения. Буровая система 100 включает буровую установку 102, установленную на поверхности 101 и расположенную над скважиной 104 в подземной формации 103. В показанном варианте осуществления буровой снаряд 105 может быть расположен внутри скважины 104 и может быть соединен с буровой установкой 102. Буровой снаряд 105 может включать бурильную колонну 106 и компоновку 107 нижней части бурильной колонны (BHA). Бурильная колонна 106 может включать множество сегментов, соединенных по резьбе. Компоновка 107 нижней части бурильной колонны может включать буровое долото 109, устройство 108 для выполнения телеметрии в процессе бурения (MWD) и узел 114 управления направлением бурения. Узел 114 для управления направлением бурения способен управлять направлением выбуривания скважины 104. Для специалистов в данной области техники, которые ознакомятся с данным раскрытием, будет очевидно, что скважина 104 будет выбурена в направлении, перпендикулярном к торцу 110 бурового долота 109, которое соответствует продольной оси 116 бурового долота 109. Соответственно, управление направлением скважины 104 может включать управление углом между продольной осью 116 бурового долота 109 и продольной осью 115 узла 114 управления направлением бурения и управление угловой ориентацией бурового долота 109 по отношению к формации 103.

В соответствии с аспектами настоящего раскрытия изобретения, которые будут описаны ниже, узел 114 управления направлением бурения может включать отклоняющую оправку (не показана), которая вызывает отклонение продольной оси 116 бурового долота 109 от продольной оси 115 узла 114 управления направлением бурения. Отклоняющая оправка может вращаться в направлении, обратном по отношению к направлению вращения бурильной колонны 106, для поддержания угловой ориентации бурового долота 109 по отношению к формации 103. Узел 114 управления направлением бурения может принимать управляющие сигналы от управляющего устройства 113. Хотя на Фиг. 1 показано, что управляющее устройство 113 находится на поверхности, оно может быть расположено на поверхности, внутри скважины или в удаленном месте. Управляющее устройство 113 может включать систему обработки информации и машиночитаемый носитель, и оно может осуществлять связь с узлом 114 управления направлением бурения через телеметрическую систему. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, как будет описано ниже, управляющее устройство 113 может передавать управляющие сигналы на узел 114 управления направлением бурения для изменения направления продольной оси 115 бурового долота 109, а также для управления обратным вращением частей отклоняющей оправки для поддержания угловой ориентации бурового долота 109 относительно формации 103. Встречающаяся в данном документе фраза «поддержание угловой ориентации» бурового долота 109 по отношению к формации 103 может рассматриваться как поддержание бурового долота 109 в «геостационарном» положении. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления система обработки информации и машиночитаемый носитель могут быть расположены внутри узла 114 управления направлением бурения для выполнения некоторых или всех функций управления. Кроме того, другие компоненты компоновки 107 нижней части бурильной колонны, включая устройство 108 для выполнения телеметрии в процессе бурения (MWD), могут осуществлять связь и принимать команды от управляющего устройства 113.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления бурильную колонну 106 могут вращать для выполнения бурения скважины 104. Это вращение бурильной колонны 106, может, в свою очередь приводить к вращению компоновки 107 нижней части бурильной колонны и бурового долота 109 в том же направлении и с той же скоростью. Это вращение может приводить к вращению узла 114 управления направлением бурения вокруг своей продольной оси 115 и вращению бурового долота 109 вокруг своей продольной оси 116 и продольной оси 115 узла 114 управления направлением бурения. Вращение бурового долота 109 вокруг его продольной оси 116 необходимо для врезания бурового долота 109 в формацию, но вращение бурового долота 109 вокруг продольной оси 115 узла 114 управления направлением бурения может быть в некоторых случаях нежелательным, поскольку оно изменяет угловую ориентацию бурового долота 109 по отношению к формации 103. Например, когда продольная ось 116 бурового долота 109 расположена под углом к продольной оси бурильной колонны 115, как это показано на Фиг. 1, буровое долото 109 может вращаться вокруг продольной оси 115 узла 114 управления направлением бурения, из-за чего бурение бурильным узлом 100 не может быть осуществлено под определенным углом и в определенном направлении.

Фиг. 2А-С представляют собой схемы, иллюстрирующие один из примеров узла 200 управления направлением бурения, соответствующего аспектам настоящего изобретения, который может быть применен, в частности, для управления скоростью турбины во время выполнения буровых работ. Фиг. 2B-C изображают иллюстративные части узла 200 управления направлением бурения. Как будет описано ниже, узел 200 управления направлением бурения может включать корпус 201, который может быть непосредственно или косвенно соединен с бурильной колонной, например, с помощью устройства для выполнения телеметрии в процессе бурения (MWD). Корпус 201 может включать отдельные сегменты 201а-с или может включать цельный единый корпус. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, как будет описано ниже, каждый из сегментов может соответствовать отдельной приборной части узла 200 управления направлением бурения. Например, секция 201a может вмещать механизмы управления и может осуществлять связь с управляющим устройством 113 и/или принимать управляющие сигналы с поверхности и от механизмов управления, расположенных в узле 200 управления направлением бурения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления механизмы управления могут содержать систему обработки информации и машиночитаемые носители, и могут принимать данные измерений от датчиков положения, расположенных внутри узла 200 управления направлением бурения, таких как датчики гравиметрического положения торца долота, которые могут указывать направление бурения. Секция 201b может включать элементы привода, включающие изменяемый канал протекания и приводной механизм, управляемый течением. Секция 201c может включать элементы управления направлением бурения, которые управляют углом бурения и ориентацией оси бурового долота, соединенного с валом 202 долота узла 200 управления направлением бурения.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления узел 200 управления направлением бурения может быть непосредственно или косвенно соединен с бурильной колонной, через которую во время выполнения буровых работ могут закачивать буровой раствор. Буровой раствор может протекать через одно или большее количество отверстий 204 в кольцевое пространство 205 вокруг модуля 206 управления течением. После попадания в кольцевое пространство 205 буровой раствор может течь либо во внутреннее кольцевое пространство 208, соединенное по текучей среде с приводным механизмом 209, управляемым текучей средой, либо может быть перенаправлен в обводное кольцевое пространство 207.

Как описано выше, узел 200 управления направлением бурения может включать приводной механизм 209, управляемый текучей средой, соединенный по текучей среде с изменяемым каналом 203 протекания текучей среды через внутреннее кольцевое пространство 208. В соответствии с показанным вариантом осуществления приводной механизм 209, управляемый текучей средой, включает турбину, но другие приводные механизмы, управляемые текучей средой, могут включать, без ограничения, гидравлический забойный двигатель. Приводной механизм 209, управляемый текучей средой, может включать множество роторов 209a и статоров 214a, которые создают вращательное движение под действием течения текучей среды во внутреннем кольцевом пространстве 208. Турбина 209 может создавать вращение на выходном валу 211, который может быть непосредственно или косвенно соединен с отклоняющей оправкой 212.

Выходной вал 211 может быть непосредственно или косвенно соединен с отклоняющей оправкой 212. Выходной вал 211 может передавать вращение от турбины 209 отклоняющей оправке 212 таким образом, что отклоняющая оправка 212 может вращаться независимо от корпуса 201. Отклоняющая оправка 212 может быть соединена с выходным валом 211 на первом конце и может включать эксцентриковое гнездо 217 на втором конце. Вал 216 долота может быть по меньшей мере частично расположен внутри эксцентрикового гнезда 217. Эксцентриковое гнездо 217 может быть применено для изменения или поддержания продольной оси 219 вала 216 долота и бурового долота (не показано), соединенного с валом 216 долота.

Вал 216 долота может быть соединен с возможностью вращения с корпусом 201 в точке 218 поворота. Как можно видеть, вал 216 долота может поворачиваться вокруг точки 218 поворота для изменения продольной оси 219 вала 216 долота. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления эксцентриковое гнездо 217 может вызывать поворот вала 216 долота вокруг точки 218 поворота, который может отклонять продольную ось 219 вала 216 долота относительно продольной оси 220 узла 200 управления направлением бурения. Помимо возможности поворота вала 216 долота относительно корпуса 201 точка 218 поворота также может быть применена для передачи крутящего момента от корпуса 201 к валу 216 долота. Крутящий момент может быть передан буровому долоту (не показано), которое соединено с валом 216 долота, и которое также может находиться на продольной оси 219 вала 216 долота. Продольная ось 219 вала 216 долота, следовательно, может соответствовать углу бурения узла 200 управления направлением бурения.

Во время выполнения буровых работ бурильную колонну, соединенную с корпусом 201, могут вращать, в результате чего корпус 201 вращается вокруг продольной оси 220. Вращение корпуса 201 может быть передано валу 216 долота в виде крутящего момента через точку 218 поворота с помощью шаров 290. Крутящий момент может вызвать вращение вала 216 долота вокруг своей продольной оси 219, а также продольной оси 220 узла 200 управления направлением бурения. Когда продольная ось 219 вала 216 долота отклоняется относительно продольной оси 220 узла 200 управления направлением бурения, это может вызвать вращение конца вала 216 долота относительно продольной оси 220 с изменением углового направления вала 216 долота и соответствующего долота относительно окружающей формации.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления отклоняющая оправка 212 может вращаться в направлении, обратном по отношению к направлению вращения корпуса 201, для поддержания угловой ориентации вала 216 долота. Например, бурильную колонну могут вращать в первом направлении с первой скоростью, в результате чего узел 200 управления направлением бурения будет поворачиваться в первом направлении с первой скоростью. Для поддержания угловой ориентации вала 216 долота относительно окружающей формации изменяемый канал 203 протекания может быть управляемым для обеспечения возможности протекания бурового раствора через приводной механизм 209, управляемый текучей средой, так, что отклоняющая оправка 212 вращается во втором направлении, противоположном первому направлению, со второй скоростью, такой же, как первая скорость. Следует отметить, что при вращении отклоняющей оправки 212 в направлении, противоположном направлению вращения корпуса 201, с той же скоростью, что и корпус, эксцентриковый конец 217 отклоняющей оправки 212 может оставаться неподвижным относительно окружающей формации (геостационарным), поддерживая угловую ориентацию вала 216 долота по отношению к формации, при этом вал 216 долота может вращаться вокруг своей продольной оси 219. Подобным образом угловая ориентация вала 216 долота может быть изменена по отношению к окружающей формации путем вращения отклоняющей оправки 212 с любой скоростью, отличной от скорости вращения корпуса 201.

В некоторых случаях может быть необходимо или желательно управлять скоростью приводного механизма 209, управляемого текучей средой, путем изменения входного или изменения заданного выходного значения. Например, течение текучей среды, проходящей через отверстие 204, может быть колеблющимся, и может быть желательно поддерживать скорость приводного механизма 209, управляемого текучей средой, постоянной. Вышеизложенное представляет собой лишь один из примеров, однако не предназначено для ограничения.

В связи с вышеизложенным в модуле 206 управления течением может быть применен клапан 210 управления расходом. Клапан 210 управления расходом может управлять количеством/расходом бурового раствора, который поступает во внутреннее кольцевое пространство 208 для приведения в движение приводного механизма 209, управляемого текучей средой. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления канал протекания от отверстия 204 до внутреннего кольцевого пространства 208 может включать изменяемый канал 203 протекания текучей среды, причем приводной механизм 209, управляемый текучей средой, соединен по текучей среде с изменяемым каналом 203 протекания текучей среды через внутреннее кольцевое пространство 208. Клапан 210 управления расходом может быть расположен внутри изменяемого канала 203 протекания текучей среды и выполнен с возможностью изменения расхода текучей среды через изменяемый канал 203 протекания текучей среды. В соответствии с аспектами настоящего изобретения частоту вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, можно регулировать, управляя массовым расходом бурового раствора, который втекает во внутреннее кольцевое пространство 208. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления клапан 210 управления расходом, следовательно, может быть применен для управления скоростью вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, путем изменения массового расхода бурового раствора, который втекает во внутреннее кольцевое пространство 208. Для среднего специалиста в данной области техники, который ознакомится с данным раскрытием, будет очевидно, что могут быть применены и другие изменяемые каналы протекания текучей среды с клапанами, имеющими различные конфигурации, которые могут дозировать расход бурового раствора через приводной механизм, управляемый текучей средой. Например, клапан 210 управления расходом может представлять собой срезной клапан, тарельчатый клапан, шаровой клапан, проходной клапан или механические устройства любого другого типа, которые способны управлять расходом бурового раствора, но клапан 210 управления расходом, раскрытый в данном документе, не предназначен для ограничения описания вышеуказанными примерами.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления приводной механизм 209, управляемый текучей средой, может включать датчик скорости вращения (не показан). Датчик скорости вращения может быть выполнен с возможностью непрерывно контролировать скорость вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой. Заданную скорость вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, т. е. уставку, могут непрерывно сравнивать с фактической скоростью вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой. Датчик скорости вращения может быть соединен с электронным оборудованием (не показано), расположенным на поверхности, внутри скважины или в удаленном месте. Электронное оборудование (не показано), связанное с датчиком скорости вращения, может выдавать сигналы ошибок, которые могут быть обработаны для установления взаимосвязи скорости вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, и изменения положения клапана 210 управления расходом с целью достижения уставки. Клапан 210 управления расходом может затем изменять положение, таким образом изменяя расход текучей среды, проходящей через приводной механизм 209, управляемый текучей средой, что приводит к изменению скорости вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой. Этот способ могут повторять до тех пор, пока скорость вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, не будет соответствовать уставке (или находиться в пределах допустимого интервала ошибок).

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления для управления частотой вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, могут быть применены электромагнитные элементы. Электромагнитные элементы могут быть применены либо отдельно, либо в сочетании с клапаном 210 управления расходом таким образом, что скоростью вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, может управлять два или большее количество механизмов. Это может быть целесообразно, поскольку, хотя клапан 210 управления расходом может быть выполнен с возможностью управлять скоростью в широком диапазоне, его воздействие может проявляться с задержкой. С другой стороны, электромагнитные элементы могут быть применены для более точной регулировки скорости вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, но воздействие на текучую среду может происходить быстро. Применение механических элементов, таких как клапан 210 управления расходом, в сочетании с электромагнитными элементами может позволить оператору быстро выполнять грубую и точную регулировку скорости вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой. Электромагнитные элементы могут представлять собой, но без ограничения, электрореологическую (ER) и/или магнитореологическую (MR) текучую среду или электромагниты.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления генератор (не показан) может быть соединен с приводным механизмом 209, управляемым текучей средой. В некоторых случаях генератор может производить изменение электрических нагрузок, и/или текучая среда во внутреннем кольцевом пространстве 208 может проходить с переменной скоростью. При наличии на генераторе более высоких электрических нагрузок скорость вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, может снижаться. Кроме того, при значительном снижении скорости вращения генератор не может вырабатывать требуемое напряжение, поскольку выходное напряжение генератора пропорционально скорости вращения генератора. Таким образом, один из способов управления скоростью вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой, представляет собой управление электрической нагрузкой на генераторе. В соответствии с вариантом осуществления, показанным на Фиг. 2B-2C, генератор может быть соединен с ротором 209a приводного механизма 209, управляемого текучей средой. Приводной механизм 209, управляемый текучей средой, может дополнительно включать статор 214. Статор 214a может быть соединен при помощи магнитной связи с ротором 209a посредством электромагнита 215, соединенного с ротором 209a. Поскольку приводной механизм 209, управляемый текучей средой, вращается, то же самое происходит с ротором 209a, что может обуславливать вращение электромагнита 215 вокруг статора 214. Это может обуславливать генерацию в генераторе электрического тока, который могут применять для питания различных механизмов управления и датчиков, расположенных внутри узла 200 управления направлением бурения, включая механизмы управления, расположенные внутри сегмента 201а. Путем регулирования сопротивления в электрической цепи генератора можно управлять током, протекающим через генератор и, соответственно, крутящим моментом приводного механизма 209, управляемого текучей средой. За счет этого осуществляют управление скоростью вращения приводного механизма 209, управляемого текучей средой.

В соответствии с другими вариантами осуществления электромагнитные элементы могут включать, например, без ограничения, электрореологические (ER) или магнитореологические (MR) текучие среды. На Фиг. 3А изображен вид наружных поверхностей узла 300 управления направлением бурения, а на Фиг. 3В показан вид в поперечном разрезе. Узел 300 управления направлением бурения может включать путь 302 протекания для обеспечения возможности протекания бурового раствора. Узел 300 управления направлением бурения может включать корпус 304 зонда для определения давления, расположенный в пути 302 протекания. Корпус 304 зонда для определения давления может включать статор 214, содержащий множество лопастей 306 статора, проходящих от статора 214 в путь 302 протекания. Корпус 304 зонда для определения давления также может включать рабочее колесо 224, содержащее множество лопастей 310 рабочего колеса, проходящих от рабочего колеса 224 в путь 302 протекания для преобразования энергии течения текучей среды, выходящей из статора 214, в энергию вращательного движения. Статор 214 может быть выполнен с возможностью ускорения и придания потоку текучей среды вращения с наиболее подходящей скоростью и углом наклона, когда поток текучей среды выходит из статора 214 и поступает в рабочее колесо 224. К статору 214 может быть прикреплен один или большее количество электромагнитов 215.

Рабочее колесо 224 может быть соединено с узлом 226 создания нагрузки посредством вала 328. Узел 226 создания нагрузки может включать источник генерирования энергии, такой как, без ограничения, электрический или гидравлический источник энергии, механизм управления поворотом или фрикционно-индукционный тормоз. Частота вращения рабочего колеса 224 может зависеть от геометрии рабочего колеса 224 и статора 214a, расхода текучей среды, а также от общей нагрузки, создаваемой узлом 226 создания нагрузки. Текучая среда может поступать в статор 214a и в рабочее колесо 224, в результате чего рабочее колесо будет вращаться за счет энергии, передаваемой от течения текучей среды. Для управления скоростью рабочего колеса 224 в системе 300 может быть реализована регулируемая нагрузка в виде узла 226 создания нагрузки. Регулируемую нагрузку могут изменять для регулирования скорости рабочего колеса 224.

На Фиг. 4 изображена камера для текучей среды, в целом обозначенная позицией 400, которую могут применять для регулирования скорости приводного механизма, управляемого текучей средой, с помощью одного или большего количества электромагнитных элементов. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления узел 226 создания нагрузки, показанный на Фиг. 3B, может включать камеру 400 для текучей среды. Другими словами, в качестве регулируемой нагрузки могут применять камеру 400 для текучей среды. В соответствии с другими вариантами осуществления камера 400 для текучей среды может быть включена в узел 300 управления направлением бурения в области, обозначенной на Фиг. 3В символом «В». В соответствии с другими вариантами осуществления выполненный с возможностью вращения вал 404 камеры 400 для текучей среды может быть соединен с ротором 209a, показанным на Фиг. 2B. Камера 400 для текучей среды может содержать выполненный с возможностью вращения вал 404, расположенный внутри полости 402. Полость 402 может содержать электрореологическую (ER) или магнитореологическую (MR) текучую среду 406, и следовательно, выполненный с возможностью вращения вал 404 может быть погружен в электрореологическую (ER) или магнитореологическую (MR) текучую среду 406. Крутящий момент, необходимый для вращения выполненного с возможностью вращения вала 404, может быть отрегулирован путем приложения магнитного или электрического поля к электрореологической (ER) или магнитореологической (MR) текучей среде 406. Например, электромагнит 215 может быть соединен с полостью 402, которая содержит электрореологическую (ER) или магнитореологическую (MR) текучую среду. При протекании создаваемого тока через электромагнит 215 вязкость текучей среды, и, следовательно, нагрузка на выполненном с возможностью вращения валу 404 может изменяться. Чем выше напряженность магнитного или электрического поля, тем больший крутящий момент потребуется для вращения выполненного с возможностью вращения вала 404. Другими словами, напряженность магнитного/электрического поля и требуемый крутящий момент могут быть обратно пропорциональны.

Таким образом, настоящее изобретение идеально подходит для достижения целей и реализации преимуществ, указанных выше, а также присущих ему. Конкретные варианты осуществления, раскрытые выше, являются лишь иллюстрацией, поскольку настоящее изобретение может быть изменено и осуществлено различными, но эквивалентными способами, очевидными для специалистов в данной области техники, которые ознакомятся с настоящим описанием. Кроме того, ничто из вышеприведенного не предназначено для ограничения проиллюстрированных в данном документе особенностей конструкции, за исключением случаев, описанных ниже в формуле изобретения. Поэтому очевидно, что конкретные иллюстративные варианты осуществления, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие различные варианты рассматривают как находящиеся в пределах объема и сущности данного изобретения. К тому же, термины в формуле изобретения имеют свое общеупотребительное, обычное значение, если иное явно и однозначно не определено патентообладателем. Термины, применяемые, например, в формуле изобретения в единственном числе, предназначены для обозначения одного или большего количества элементов, которые они представляют. Кроме того, термины «соединять» или «соединяемый» или любые распространенные варианты, применяемые в подробном описании или формуле изобретения, не предназначены для ограничения лишь прямым соединением. Наоборот, два элемента могут быть соединены косвенно и по-прежнему рассматриваться как соединенные в рамках объема подробного описания и формулы изобретения.

Реферат

Группа изобретений относится к бурению скважин, в частности к управлению скоростью скважинной турбины. Система содержит корпус, изменяемый канал протекания текучей среды, расположенный внутри корпуса, электромагнит, соединенный с корпусом, приводной механизм, управляемый текучей средой, соединенный по текучей среде с изменяемым каналом протекания текучей среды, узел создания нагрузки, соединенный с приводным механизмом, управляемым текучей средой. Узел создания нагрузки содержит смешивающую лопасть и вал, соединенный со смешивающей лопастью. Вал расположен в одной из электрореологической текучей среды и магнитореологической текучей среды. Вязкость упомянутых сред может быть изменена с помощью электромагнита. Повышается надежность системы управления, повышается точность и скорость управления частотой вращения турбины. 3 н. и 15 з.п.ф-лы, 7 ил.

Формула