Гидравлические инструменты, содержащие удаляемые покрытия, буровые системы и способы изготовления и использования гидравлических инструментов - RU2677185C1

Чертежи

Описание

ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ

Данная заявка испрашивает приоритет даты подачи заявки на патент США, серийный № 14/965158, поданной 10 декабря 2015 года, для документа «ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ УДАЛЯЕМЫЕ ПОКРЫТИЯ, БУРОВЫЕ СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ»

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Варианты реализации данного изобретения относятся в целом к гидравлическим инструментам, таким как забойные двигатели и насосы, к буровым системам, которые содержат гидравлические инструменты, а также к способам изготовления и использования таких инструментов и систем.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Для получения из подземных пластов углеводородов, таких как нефть и газ, в подземные пласты пробуриваются стволы скважин путем вращения бурового долота, прикрепленного к концу бурильной колонны. Значительная часть выполняемых буровых работ включает в себя действия, называемые в данной области техники «направленным» бурением. Направленное бурение включает бурение отклоненных и/или горизонтальных стволов скважин. В современных системах направленного бурения, на конце бурильной колонны обычно имеется компоновка низа бурильной колонны (КНБК), которая содержит буровое долото и двигатель с гидравлическим приводом для управления вращением бурового долота. Буровое долото соединяется с приводным валом двигателя, как правило, через узел, выполненный с возможностью направления бурового долота, а буровой раствор, прокачиваемый через двигатель (и к буровому долоту) с поверхности, приводит в движение приводной вал, к которому прикреплено буровое долото. Такие гидравлические двигатели обычно называются в буровой промышленности: «забойными двигателями», «буровыми двигателями» или «двигателями Муано». Далее в данном документе такие двигатели будут называться «гидравлическими забойными двигателями».

Гидравлические забойные двигатели содержат силовую секцию, которая содержит статор, а также ротор, расположенный в статоре. Статор может содержать металлический корпус, который покрыт изнутри эластомерным материалом с винтовой формой или в виде винтовых зубьев. Ротор обычно изготавливается из подходящего металла, такого как сталь, и имеет внешнюю зубчатую поверхность. Буровая жидкость под давлением (обычно называемая «буровым раствором») закачивается в винтовую полость, образованную между ротором и зубьями статора. Сила жидкости под давлением, закачиваемой в полость и через нее, принуждает ротор совершать циклическое вращение. Подходящий вал и гибкая муфта компенсируют эксцентрическое перемещение ротора. Вал соединяется с подшипниковым узлом, имеющим приводной вал (также называемый «ведущим переходником»), который вращает буровое долото через упомянутый выше направляющий узел.

Поскольку буровой раствор течет через винтовую полость между ротором и статором, усилия на роторе и статоре, а также твердые частицы в буровом растворе могут повредить детали двигателя. Двигатель может содержать упругую часть (например, часть из эластомера или резины), обычно в качестве части статора, предназначенную для изнашивания. Эластомерная часть может быть заменена после определенного времени использования или при обнаружении определенной степени износа или повреждения.

Упругая часть обычно набухает в условиях, возникающих при бурении, например, вследствие химического взаимодействия с буровыми растворами, тепловых эффектов или других факторов. Такое набухание изменяет расстояние и прилегание ротора к статору. Металлические части двигателя также могут расширяться при повышении температуры, что еще больше изменяет расстояние и прилегание ротора к статору. Гидравлические забойные двигатели обычно могут изготавливаться с небольшими размерами роторов, чтобы обеспечить возможность набухания упругой части статора, а также двигатели могут работать при относительно низких давлениях и меньшей мощности до тех пор, пока упругая часть двигателя не набухнет в достаточной степени, чтобы образовать герметичное уплотнение при полном рабочем давлении. Например, перед работой в расчетных условиях, двигатель может работать в условиях приработки в течение времени от тридцати (30) до шестидесяти (60) минут при низком давлении. Внутрискважинное давление может несколько противодействовать эффекту набухания, сжимая упругую часть двигателя.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В некоторых вариантах реализации изобретения гидравлический инструмент содержит: статор, имеющий отверстие, выполненное в виде множества зубьев; ротор, имеющий по меньшей мере один зубец на наружной поверхности; и удаляемое покрытие. По меньшей мере один из статора и ротора содержит упругий материал. Ротор выполнен с возможностью вращения внутри статора в ответ на поток жидкости через статор. Удаляемое покрытие располагается на поверхности по меньшей мере одного из ротора и статора, причем состав удаляемого покрытия разработан с возможностью удаления во время работы гидравлического инструмента. Удаляемое покрытие имеет толщину, выбираемую таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере одно из ожидаемого набухания упругого материала во время операции бурения или ожидаемого уменьшения зазора между ротором и статором за счет теплового расширения ротора и статора.

В некоторых вариантах реализации изобретения способ управления гидравлическим инструментом включает соединение гидравлического инструмента с бурильной колонной. Гидравлический инструмент содержит: статор, образующий множество зубьев; ротор, образующий по меньшей мере один зубец и выполненный с возможностью вращения внутри статора; а также удаляемое покрытие. По меньшей мере один из статора и ротора содержит упругий материал. Удаляемое покрытие разработано с возможностью удаления во время работы гидравлического инструмента. Ротор выполнен с возможностью вращения внутри статора в ответ на поток жидкости через статор. Способ дополнительно включает пропускание жидкости через гидравлический инструмент во время вращения ротора внутри статора и удаление по меньшей мере части удаляемого покрытия в ответ на вращение ротора внутри статора, поскольку объем упругого материала увеличивается в ответ на контакт с жидкостью, проходящей через гидравлический инструмент. Удаляемое покрытие имеет толщину, выбираемую таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере одно из ожидаемого набухания упругого материала во время операции бурения или ожидаемого уменьшения зазора между ротором и статором за счет теплового расширения ротора и статора.

В некоторых вариантах реализации изобретения способ создания гидравлического инструмента включает прикрепление удаляемого покрытия к поверхности ротора и размещение ротора с прикрепленным к нему удаляемым покрытием внутри статора. Статор содержит упругий материал, образующий множество зубьев. Удаляемое покрытие имеет толщину, выбираемую таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере одно из ожидаемого набухания упругого материала во время операции бурения или ожидаемого уменьшения зазора между ротором и статором за счет теплового расширения ротора и статора. Удаляемое покрытие разработано с возможностью удаления во время работы гидравлического инструмента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Несмотря на то, что описание заканчивается пунктами формулы изобретения, конкретно указывающими и явно заявляющими то, что рассматривается в качестве вариантов реализации данного изобретения, различные признаки и преимущества вариантов реализации изобретения станут более понятны благодаря приведенному ниже описанию типовых вариантов реализации изобретения со ссылками на прилагаемые графические материалы, на которых:

На фиг. 1A и 1B показан упрощенный вид сбоку в разрезе, иллюстрирующий вариант реализации гидравлического инструмента в соответствии с данным изобретением;

На фиг. 2А приведен упрощенный вид в поперечном разрезе части гидравлического инструмента, показанного на фиг. 1A и 1B, взятом по линии сечения A-A;

На фиг. 2B приведен упрощенный вид в поперечном разрезе гидравлического инструмента, показанного на фиг. 1A и 1B, после того, как гидравлический инструмент проработал в течение определенного периода времени;

На фиг. 3A приведен упрощенный вид в поперечном разрезе части другого гидравлического инструмента; и

На фиг. 3B приведен упрощенный вид в поперечном разрезе гидравлического инструмента, показанного на фиг. 3A, после того, как гидравлический инструмент проработал в течение определенного периода времени.

ПРИНЦИП (ПРИНЦИПЫ) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Представленные в данном документе иллюстрации не являются фактическими видами любого конкретного гидравлического инструмента, ротора, статора, гидравлического забойного двигателя, гидравлического насоса или буровой системы, а являются просто идеализированными представлениями, которые используются для описания типовых вариантов реализации данного изобретения. Кроме того, одинаковые элементы на фигурах могут иметь одинаковые числовые обозначения.

Данное изобретение включает в себя гидравлические инструменты (например, забойные двигатели, винтовые насосы и т. д.), каждый из которых имеет статор и ротор. Используемый в данном документе термин «гидравлический инструмент» означает и включает в себя устройство, которое преобразует поток жидкости в механическую энергию, или которое прикладывает механическую энергию для создания потока жидкости. Статор может содержать упругий материал, разработанный и выполненный с возможностью набухания во время работы инструмента. Ротор может иметь покрытие, разработанное и выполненное с возможностью удаления во время работы инструмента. Наличие покрытия может позволить инструменту работать в расчетных условиях до того, как упругий материал набухнет, или до того, как металлические части инструмента расширятся из-за воздействия температуры. То есть, когда упругий материал набухает, покрытие может удаляться со скоростью, примерно равной скорости набухания и/или теплового расширения, в результате чего размер зазора между ротором и статором может оставаться примерно постоянным (измеряемый, например, как объем жидкости внутри статора, как максимальное расстояние между внешней поверхностью ротора и внутренней поверхностью статора в плоскости, перпендикулярной оси вращения, и т. д.). Кроме того, при внутрискважинных давлениях материалы двигателя могут в некоторой степени сжиматься, причем упругий материал обычно испытывает большее сжатие, чем металлические части двигателя. Баланс эффектов набухания, теплового расширения, сжатия и удаления покрытия может стремиться сохранять зазор или просвет между статором и ротором приблизительно постоянным в течение начального периода работы. Таким образом, двигатель может достигать полного рабочего давления и скорости потока без периода приработки при более низком давлении.

Как показано на фиг. 1 A и 1B, гидравлический забойный двигатель 10 содержит силовую секцию 1 и подшипниковый узел 2. Силовая секция 1 содержит удлиненный металлический корпус 4, заключающий внутри себя упругий материал 5, который имеет внутреннюю поверхность в виде винтовых зубьев 8. Упругий материал 5 закреплен внутри металлического корпуса 4, например, путем адгезионного соединения упругого материала 5 с внутренней частью металлического корпуса 4. Упругий материал 5 представляет собой материал, который проявляет упругие свойства и способен возвращаться к своей первоначальной форме после упругой деформации. Упругий материал 5 может состоять из, например, полимера, такого как: фторсиликоновый каучук (FVMQ, например, сополимер фторвинила и метилсилоксана), бутадиен-нитрильный каучук (NBR), фторэластомер (FKM, например, фторуглеродный сополимер, терполимер, пентамер и т. д.), гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (HNBR), фторированный этиленпропилен (FEP), винилметилполисилоксан (VMQ), карбоксилированный бутадиен-нитрильный каучук (XNBR), полиакрилатный акриловый каучук (ACM), перфторэластомер (FFKM), этиленпропиленовый каучук (EPM), этиленпропилендиеновый мономерный каучук (EPDM), или акриловый сополимер этилена (AEM). Упругий материал 5 и металлический корпус 4 вместе образуют статор 6.

Ротор 11 располагается с возможностью вращения внутри статора 6 и выполнен с возможностью вращения в нем в ответ на поток бурового раствора (например, жидкости или суспензии твердых частиц в жидкости) через гидравлический забойный двигатель 10. Ротор 11 может содержать удлиненный металлический сердечник 13, который имеет внешнюю поверхность в виде винтовых зубьев 12, выполненную с возможностью сцепления с внутренней поверхностью в виде винтовых зубьев 8 статора 6. Ротор 11 может содержать материал покрытия 14. Материал покрытия 14 может быть закреплен на металлическом сердечнике 13, например, путем адгезионного соединения материала покрытия 14 с наружной поверхностью металлического сердечника 13. Материал покрытия 14 может иметь прочность ниже, чем прочность упругого материала 5, в результате чего, когда зазор или просвет между ротором 11 и статором 6 изменяется из-за набухания упругого материала, теплового расширения металлических компонентов и/или сжатия из-за внутрискважинного давления, материал покрытия 14 может изнашиваться. Используемый в данном документе термин «прочность» означает и включает способность материала противостоять разрушению вследствие износа, например, вследствие механизмов истирания и эрозии. Когда два материала, имеющие разную прочность, контактируют друг с другом, материал, имеющий меньшую прочность, изнашивается быстрее (то есть, с более высокой скоростью, чем материал, имеющий большую прочность). И хотя на фиг. 1A и 1B материал покрытия изображен находящимся на металлическом сердечнике 13 ротора 11, в некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может располагаться на поверхности статора 6 в дополнение к или вместо ротора 11. В некоторых вариантах реализации изобретения ротор может содержать упругий материал, такой как упругий материал 5, описанный касательно статора 6.

В некоторых вариантах реализации изобретения, между материалом покрытия 14 и ротором 11 может располагаться упрочняющий материал, упругий материал или другой материал. Такие материалы могут иметь более высокую прочность, чем материал покрытия 14. Например, упрочняющий материал на роторе 11 может включать в себя хром, никель, кобальт, карбид вольфрама, алмаз, алмазоподобный углерод, карбид бора, кубический нитрид бора, нитриды, карбиды, оксиды, бориды, а также сплавы, которым придана твердость посредством азотирования, борирования, карбонизации, или любую комбинацию этих материалов. Упрочнение может наноситься в чистом виде или в качестве композита в связующей матрице. Упрочняющие материалы на роторах описаны в заявке на патент США № 2012/0018227, опубликованной 26 января 2012 г., под названием «Components and Motors for Downhole Tools and Methods of Applying Hardfacing to Surfaces Thereof», полное описание которой включено в данный документ посредством ссылки. В некоторых вариантах реализации изобретения упрочняющие материалы могут располагаться на поверхностях статора 6.

Внешняя поверхность 12 ротора 11 и внутренняя поверхность 8 статора 6 могут иметь подобные, но немного отличающиеся профили. Например, внешняя поверхность 12 ротора 11 может иметь на один зубец меньше, чем внутренняя поверхность 8 статора 6. Внешняя поверхность 12 ротора 11 и внутренняя поверхность 8 статора 6 могут быть выполнены таким образом, чтобы между ротором 11 и статором 6 образовывались герметичные уплотнения с дискретными интервалами вдоль и по окружности поверхности взаимодействия между ними, что приведет к созданию камер для жидкости или полостей 26 между внешней поверхностью 12 ротора 11 и внутренней поверхностью 8 статора 6. Полости 26 могут заполняться буровым раствором 40 под давлением (фиг. 1А).

Когда буровой раствор под давлением 40 протекает от верхней части 30 к нижней части 32 силовой секции 1, как показано стрелкой-указателем направления потока 34, буровой раствор под давлением 40 принуждает ротор 11 вращаться внутри статора 6. Количество зубьев и геометрия внешней поверхности 12 ротора 11 и внутренней поверхности 8 статора 6 может изменяться согласно требованиям впуска-выпуска и в соответствии с различными операциями бурения. Ротор 11 может соединяться с гибким валом 50, а гибкий вал 50 может соединяться с приводным валом 52 в подшипниковом узле 2. Как описано выше, буровое долото может прикрепляться к приводному валу 52. Например, приводной вал 52 может содержать муфту с резьбой 54, а буровое долото может быть снабжено резьбовым штырем, который может входить в зацепление с муфтой с резьбой 54 приводного вала 52.

Фиг. 2А представляет собой вид в поперечном разрезе статора 6 и ротора 11 гидравлического забойного двигателя 10, взятом по линии сечения A-A по фиг. 1A. Как проиллюстрировано на фиг. 2А, внутренняя поверхность металлического корпуса 4 и внешняя поверхность упругого материала 5 могут иметь форму, близкую к цилиндрической или трубчатой. Внутренняя поверхность 8 статора 6, проиллюстрированная на фиг. 2А, содержит зубья 42 (шесть зубьев в варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 2А), которые могут быть выполнены с возможностью взаимодействия с зубьями 48 ротора 11 (пять зубьев в варианте реализации изобретения, показанном на фиг. 2А). Когда ротор 11 вращается, зубья 48 ротора 11 перемещаются в и из промежутков между зубьями 42 статора 6. Когда ротор 11 вращается, части статора 6 и/или ротора 11 испытывают напряжения. Если статор 6 содержит упругий материал 5, упругий материал 5 может быть выполнен с возможностью деформации и упругого восстановления после деформации по мере вращения ротора 11.

Фиг. 3А иллюстрирует поперечный разрез другого статора 6'. Статор 6' содержит металлический корпус 4' и упругий материал 5'. Как проиллюстрировано на фиг. 3А, внутренняя поверхность металлического корпуса 4' и внешняя поверхность упругого материала 5' могут иметь такую форму, чтобы она примерно соответствовала форме внутренней поверхности 8 статора 6', которая может иметь такую же форму, что и внутренняя поверхность 8 статора 6, показанная на фиг. 2A. То есть, толщина упругого материала 5' может быть примерно одинаковой, а форма внутренней поверхности 8 может зависеть от формы внутренней поверхности металлического корпуса 4'. Статор 6' может называться «предварительно контурированным», поскольку форма внутренней поверхности 8 статора 6' определяется еще до применения упругого материала 5'. Статор 6’ может использоваться в гидравлическом забойном двигателе 10 (фиг. 1А), как описано выше касательно статора 6 со ссылкой на фиг. 2A. То есть жидкость, протекающая через статор 6', может вызывать вращение ротора 11.

Другие конструкции ротора и статора, которые могут использоваться вместе с данным изобретением, описаны в заявке на патент США 2015/0192123 «Hydraulic Tools Including Inserts and Related Methods», опубликованной 9 июля 2015 года; заявке на патент США 2015/0122549, «Hydraulic Tools, Drilling Systems Including Hydraulic Tools, and Methods of Using Hydraulic Tools», опубликованной 7 мая 2015 года; и заявке на патент США 2014/0064997 «Asymmetric Lobes for Motors and Pumps», опубликованной 6 марта 2014 года, полное описание каждой из них включено в данный документ посредством этой ссылки.

Как проиллюстрировано на фиг. 2А и 3А, ротор 11 может содержать удаляемый материал покрытия 14 на металлическом сердечнике 13. Внешняя поверхность 12 ротора 11 может соответствовать внешней поверхности материала покрытия 14. Материал покрытия 14 может представлять собой материал, разработанный и выполненный с возможностью удаления во время работы гидравлического забойного двигателя 10 (например, во время операции бурения). Материал покрытия 14 может содержать керамику, металл, полимер (например, эластомер) или любой другой выбранный материал. Материал покрытия 14 может удаляться во время работы путем истирания, разрыва, отрывания, отслаивания, вспучивания, термического разложения, химического разложения, электрического разложения или любого другого способа или комбинации способов. Толщина материала покрытия 14 может выбираться в зависимости от ожидаемого набухания упругого материала 5 и расширения металлического сердечника 13 и металлического корпуса 4, 4'. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина материала покрытия 14 может быть примерно одинаковой. В других вариантах реализации изобретения толщина материала покрытия 14 может изменяться для придания упругому материалу 5 разной степени набухания (например, материал покрытия 14 может быть толще в местах, где материал покрытия 14 контактирует с зубьями 42 упругого материала 5).

В некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может содержать материал, разработанный для разложения под воздействием предварительно выбранных условий или под воздействием предварительно выбранных условий в течение определенного периода времени. Например, в некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может разлагаться под воздействием температуры по меньшей мере около 200 °С в течение периода времени по меньшей мере около 30 минут, температуры по меньшей мере около 150 °C в течение периода времени по меньшей мере около 45 минут или температуры по меньшей мере около 100 °C в течение периода времени по меньшей мере около 60 минут. В других вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может разлагаться при температуре меньше, чем 300 °С или даже при температуре меньше, чем 400 °С. В некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может разлагаться при воздействии конкретного растворителя или других химических веществ, или когда к материалу покрытия 14 прикладывается электрический заряд.

В некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может содержать материал, который разработан с возможностью удаления с ротора 11 механическим путем, например, посредством истирания, разрыва, отрывания, отслаивания или вспучивания. Например, когда ротор 11 вращается внутри статора 6, 6', ротор 11 может толкать материал покрытия 14 по упругому материалу 5, 5', вызывая напряжения на материале покрытия 14. Степень изнашивания материала покрытия 14 может зависеть от рабочих условий (например, давления, температуры, количества оборотов в минуту и т. д.), а также времени работы.

Материал покрытия 14 может содержать, например, масляную краску или краску на водной основе, нанесенную тонким слоем и высушенную. Материал покрытия 14 может содержать различные наполнительные и матричные материалы, чтобы иметь выбранную силу сцепления, прочность и т. д. Сила сцепления между материалом покрытия 14 и ротором 13 может быть измерена, как описано в ASTM D4541-09el, «Standard Test Method for Pull-Off Strength of Coatings Using Portable Adhesion Testers» (международный стандарт ASTM, 2009 год), или в ASTM D1062-08 «Standard Test Method for Cleavage Strength of Metal-to-Metal Adhesive Bonds»(международный стандарт ASTM, 2015 год). Например, материал покрытия 14 может иметь силу сцепления с ротором 13 от около 0,05 МПа (7,3 фунт/кв. дюйм) до около 20,0 МПа (2900 фунт/кв. дюйм), например, от около 0,1 МПа (14,5 фунт/кв. дюйм) до около 2 МПа (290 фунт/кв. дюйм), от около 0,5 МПа (72,5 фунт/кв. дюйм) до около 1,5 МПа (218 фунт/кв. дюйм) или от около 5 МПа (725 фунт/кв. дюйм) до около 10 МПа (1450 фунт/кв. дюйм).

В некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может быть проверен путем нанесения красителя на поверхность материала покрытия 14. Через некоторое время краситель можно удалить. Если материал покрытия 14 имеет трещины или другие дефекты, часть красителя может оставаться в них и может быть определена с помощью визуального осмотра. Методы испытаний и материалы описаны, например, в патенте США № 3028338, выданном 3 апреля 1962 года, под названием «Composition for Detecting Surface Discontinuities», полное описание которого включено в данный документ посредством ссылки. Материал покрытия 14 также может проверяться с помощью других методов, таких как микроскопия.

В некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может наноситься поверх другого материала (например, грунтовки).

В некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может содержать полимерный материал, такой как полиуретан, полиэфир, поликарбонат, полиамид, термопластик, эпоксидная смола, каучук (натуральный или синтетический) и т. д. Такие материалы могут иметь широкий спектр свойств и такие свойства могут быть выбраны в зависимости от конкретных условий, в которых, как ожидается, будет находиться материал покрытия 14. Например, свойства материала покрытия 14 могут изменяться в зависимости от типа полимерного материала, количества и идентичности добавок (например, пластификаторов, наполнителей, отвердителей и т. д.), толщины материала покрытия 14, условий отведения и т. д.

Материал покрытия 14 может быть разработан и выполнен с возможностью разложения и удаления с ротора 11, когда упругий материал 5, 5' расширяется или набухает во время работы гидравлического забойного двигателя 10. Увеличение толщины упругого материала 5, 5' вследствие набухания может составлять вплоть до около 2% от начальной толщины упругого материала 5, 5', вплоть до около 5% от начальной толщины упругого материала 5, 5', вплоть до около 7% от начальной толщины упругого материала 5, 5' или даже вплоть до около 10% от начальной толщины упругого материала 5, 5'. Фиг. 2В и 3В иллюстрируют ротор 11 и статор 6, 6’ после работы в течение определенного периода времени. Как показано на фиг. 2В и 3В, материал покрытия 14 может по меньшей мере частично разлагаться и удаляться с ротора 11. Внешняя поверхность металлического сердечника 13 может быть внешней поверхностью 12’ ротора 11 после удаления материала покрытия 14. Упругий материал 5, 5' может расширяться таким образом, что расстояние (например, зазор или просвет) между ротором 11 и статором 6, 6' в выбранное время после начала операций примерно равно расстоянию между ротором 11 и статором 6, 6' в начале бурения (как на фиг. 2А и 3А). То есть, увеличение толщины упругого материала 5, 5' из-за набухания и расширение металлического сердечника 13 и металлического корпуса 4, 4' может быть примерно равно толщине удаляемого материала покрытия 14. Например, можно ожидать, что упругий материал 5, 5' может набухать вплоть до около 2 мм (0,08 дюйма), вплоть до около 1 мм (0,04 дюйма) или вплоть до около 0,7 мм (0,028 дюйма). В таких вариантах реализации изобретения гидравлический забойный двигатель 10 может работать примерно в одинаковых условиях (например, давлении, скорости потока жидкости, скорости вращения, крутящем моменте и т. д.), когда материал покрытия 14 присутствует (фиг. 2А и 3А), и когда материал покрытия 14 был удален (фиг. 2В и 3В). Таким образом, гидравлический забойный двигатель 10 может не нуждаться в периоде приработки, в течение которого известные гидравлические забойные двигатели работают при относительно низких давлениях, чтобы предотвратить просачивание между ротором и статором.

Например, в некоторых вариантах реализации изобретения жидкость может протекать через гидравлический забойный двигатель 10 при первой температуре, первом давлении и первой скорости потока в начале операций (т. е. до того, как упругий материал 5, 5' набухает и до того, как удаляется значительное количество материала покрытия 14). После этого жидкость может протекать через гидравлический забойный двигатель 10 при второй температуре, втором давлении и второй скорости потока (т. е. после того, как упругий материал 5, 5' набухает и после того, как удаляется весь или часть материала покрытия 14). Тем не менее, первая температура может быть примерно равна второй температуре, первое давление может быть примерно равно второму давлению, а первая скорость потока может быть примерно равна второй скорости потока, благодаря чему не требуется существенных изменений в работе или мощности двигателя. Например, вторая температура может находиться в пределах около ± 20% от первой температуры, в пределах около ± 10% от первой температуры, в пределах около ± 5% от первой температуры или даже в пределах около ± 2% от первой температуры (в значениях абсолютной температуры (Кельвины)). Второе давление может находиться в пределах около ± 20% от первого давления, в пределах около ± 10% от первого давления, в пределах около ± 5% от первого давления или даже в пределах около ± 2% от первого давления. Вторая скорость потока может находиться в пределах около ± 20% от первой скорости потока, в пределах около ± 10% от первой скорости потока, в пределах около ± 5% от первой скорости потока или даже в пределах около ± 2% от первой скорости потока.

Материалы покрытия 14, включая полимеры, могут быть особенно восприимчивы к термическому разложению, что может обеспечить контролируемое удаление материала покрытия 14 путем регулирования условий в гидравлическом забойном двигателе 10. Например, гидравлический забойный двигатель 10 может работать при температуре ниже температуры разложения полимерного материала покрытия 14 в течение определенного периода времени, пока набухает упругий материал 5, 5'. Когда упругий материал 5, 5' набухает до выбранной степени, температура гидравлического забойного двигателя может быть увеличена, чтобы увеличить скорость разложения материала покрытия 14.

В некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может подвергаться воздействию химических веществ для увеличения скорости разложения. Например, к буровому раствору, протекающему через гидравлический забойный двигатель 10, в выбранное время в ходе операции бурения может добавляться растворитель.

Разложение материала покрытия 14 под воздействием высоких температур или химических компонентов может действовать в сочетании с разрушением механическим путем (например, посредством истирания). Например, механические силы, приложенные к материалу покрытия 14, могут вызывать образование трещин или разломов, в которые могут затекать химические вещества.

Материал покрытия 14 может удаляться с ротора 11 по кусочкам или может отслаиваться с ротора 11 за одно действие. Когда материал покрытия 14 удаляется, он может вытекать из гидравлического забойного двигателя 10 как часть бурового раствора. Удаление материала покрытия 14 может ограничивать или предотвращать повреждение упругого материала 5, 5', которое может возникать в двигателях известного уровня техники, когда упругий материал набухает, а металлический сердечник 13 и металлический корпус 4, 4' расширяются.

Как было описано выше, материал покрытия 14 на роторе 11 может иметь толщину, примерно соответствующую ожидаемому изменению толщины упругого материала 5, 5'. Например, материал покрытия 14 может иметь толщину вплоть до около 2 мм (0,08 дюйма), вплоть до около 1 мм (0,04 дюйма) или вплоть до около 0,7 мм (0,028 дюйма). В некоторых вариантах реализации изобретения материал покрытия 14 может иметь толщину около 0,5 мм (0,02 дюйма).

Хотя настоящее изобретение описано касательно гидравлических забойных двигателей, понятно, что подобные устройства могут работать в качестве гидравлических насосов, вращая приводной вал для прокачивания гидравлической жидкости через корпус насоса. Таким образом, варианты реализации изобретения также могут применяться к таким гидравлическим насосам, а также к системам и устройствам, содержащим такие гидравлические насосы.

Ниже приведено описание дополнительных, не имеющих ограничительного характера типовых вариантов реализации изобретения.

Вариант реализации изобретения 1: Гидравлический инструмент, содержащий статор, имеющий отверстие, выполненное в виде множества зубьев, ротор, имеющий по меньшей мере один зубец на наружной поверхности, и удаляемое покрытие. Ротор выполнен с возможностью вращения внутри статора в ответ на поток жидкости через статор. По меньшей мере один из статора и ротора содержит упругий материал. Удаляемое покрытие располагается на поверхности по меньшей мере одного из ротора и статора, причем состав удаляемого покрытия разработан с возможностью удаления во время работы гидравлического инструмента. Удаляемое покрытие имеет толщину, выбираемую таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере одно из ожидаемого набухания упругого материала во время операции бурения или ожидаемого уменьшения зазора между ротором и статором за счет теплового расширения ротора и статора.

Вариант реализации изобретения 2: Гидравлический инструмент по варианту реализации изобретения 1, в котором удаляемое покрытие содержит материал, разработанный для разложения при температуре меньше, чем около 300 °С.

Вариант реализации изобретения 3: Гидравлический инструмент по варианту реализации изобретения 1 или варианту реализации изобретения 2, в котором удаляемое покрытие имеет прочность ниже, чем прочность упругого материала.

Вариант реализации изобретения 4: Гидравлический инструмент по любому из вариантов реализации изобретения с 1 по 3, в котором удаляемое покрытие содержит материал, выбранный из группы, состоящей из керамик, металлов и полимеров.

Вариант реализации изобретения 5: Гидравлический инструмент по любому из вариантов реализации изобретения с 1 по 4, в котором удаляемое покрытие располагается на поверхности ротора. Статор содержит по меньшей мере часть упругого материала.

Вариант реализации изобретения 6: Гидравлический инструмент по любому из вариантов реализации изобретения с 1 по 5, в котором статор содержит металлический корпус, окружающий упругий материал.

Вариант реализации изобретения 7: Гидравлический инструмент по варианту реализации изобретения 6, в котором поверхность взаимодействия между металлическим корпусом и упругим материалом является в целом цилиндрической.

Вариант реализации изобретения 8: Гидравлический инструмент по варианту реализации изобретения 6, в котором поверхность взаимодействия между металлическим корпусом и упругим материалом образует множество зубьев.

Вариант реализации изобретения 9: Гидравлический инструмент по любому из вариантов реализации изобретения с 1 по 8, в котором упругий материал содержит материал, выбранный из группы, состоящей из фторсиликонового каучука, бутадиен-нитрильного каучука, фторэластомеров, гидрированного бутадиен-нитрильного каучука, фторированного этиленпропилена, винилметилполисилоксана, карбоксилированного бутадиен-нитрильного каучука, полиакрилатного акрилового каучука, перфтороэластомеров, этиленпропиленового каучука, этиленпропилендиенового мономерного каучука и акрилового сополимера этилена.

Вариант реализации изобретения 10: Гидравлический инструмент по любому из вариантов реализации изобретения с 1 по 9, дополнительно содержащий упрочняющий материал, расположенный на по меньшей мере одной из внешней поверхности ротора и внутренней поверхности статора, при этом упрочняющий материал содержит материал, выбранный из группы, состоящей из хрома, никеля, кобальта, карбида вольфрама, алмаза, алмазоподобного углерода, карбида бора, кубического нитрида бора, нитридов, карбидов, оксидов, боридов, а также сплавов, которым придана твердость посредством азотирования, борирования или карбонизации.

Вариант реализации изобретения 11: Способ управления гидравлическим инструментом, включающий соединение гидравлического инструмента с бурильной колонной. Гидравлический инструмент содержит статор, причем статор образует множество зубьев, ротор, образующий по меньшей мере один зубец и выполненный с возможностью вращения внутри статора, а также удаляемое покрытие. По меньшей мере один из статора и ротора содержит упругий материал. Удаляемое покрытие разработано с возможностью удаления во время работы гидравлического инструмента. Ротор выполнен с возможностью вращения внутри статора в ответ на поток жидкости через статор. Способ дополнительно включает пропускание жидкости через гидравлический инструмент во время вращения ротора внутри статора и удаление по меньшей мере части удаляемого покрытия в ответ на вращение ротора внутри статора, в ответ на контакт с жидкостью, проходящей через гидравлический инструмент. Удаляемое покрытие имеет толщину, выбираемую таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере одно из ожидаемого набухания упругого материала во время операции бурения или ожидаемого уменьшения зазора между ротором и статором за счет теплового расширения ротора и статора.

Вариант реализации изобретения 12: Способ по варианту реализации изобретения 11, в котором удаление удаляемого покрытия с ротора включает по меньшей мере одно из следующего: химическое, термическое или электрическое разложение удаляемого покрытия.

Вариант реализации изобретения 13: Способ по варианту реализации изобретения 11 или варианту реализации изобретения 12, в котором удаление удаляемого покрытия с ротора включает удаление удаляемого покрытия с ротора посредством истирания.

Вариант реализации изобретения 14: Способ по любому из вариантов реализации изобретения с 11 по 13, в котором удаление удаляемого покрытия с ротора включает поддержание примерно постоянного зазора между статором и ротором.

Вариант реализации изобретения 15: Способ по любому из вариантов реализации изобретения с 11 по 14, в котором пропускание жидкости через гидравлический инструмент для вращения ротора внутри статора включает пропускание жидкости при первой температуре, первом давлении и первой скорости потока до увеличения объема упругого материала; и пропускание жидкости при второй температуре, втором давлении и второй скорости потока после увеличения объема упругого материала. Первая температура примерно равна второй температуре, первое давление примерно равно второму давлению, а первая скорость потока примерно равна второй скорости потока.

Вариант реализации изобретения 16: Способ по любому из вариантов реализации изобретения с 11 по 14, в котором пропускание жидкости через гидравлический инструмент для вращения ротора внутри статора включает пропускание жидкости при первом давлении до увеличения объема упругого материала и пропускание жидкости при втором давлении после увеличения объема упругого материала. Второе давление находится в пределах около ± 20% от первого давления.

Вариант реализации изобретения 17: Способ по варианту реализации изобретения 16, в котором второе давление находится в пределах около ± 5% от первого давления.

Вариант реализации изобретения 18: Способ создания гидравлического инструмента, включающий прикрепление удаляемого покрытия к поверхности ротора и размещение ротора с прикрепленным к нему удаляемым покрытием внутри статора. Статор содержит упругий материал, образующий множество зубьев. Удаляемое покрытие имеет толщину, выбираемую таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере одно из ожидаемого набухания упругого материала во время операции бурения или ожидаемого уменьшения зазора между ротором и статором за счет теплового расширения ротора и статора. Удаляемое покрытие разработано с возможностью удаления во время работы гидравлического инструмента.

Вариант реализации изобретения 19: Способ по варианту реализации изобретения 18, в котором прикрепление удаляемого покрытия к поверхности ротора включает прикрепление удаляемого покрытия к поверхности ротора с силой сцепления от около 0,05 МПа до около 20,0 МПа.

Вариант реализации изобретения 20: Способ по варианту реализации изобретения 18 или варианту реализации изобретения 19, в котором удаляемое покрытие содержит материал, разработанный для разложения при температуре меньше, чем около 300 °С.

Несмотря на то, что данное изобретение может подвергаться различным модификациям и альтернативным вариантам, конкретные варианты реализации изобретения были проиллюстрированы в качестве примера на графических материалах и подробно описаны в данном документе. Однако следует понимать, что изобретение не ограничивается конкретными раскрытыми формами. Наоборот, изобретение включает все модификации, эквиваленты, юридические эквиваленты и альтернативы, попадающие под объем изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, варианты реализации изобретения имеют эффективность при использовании с различными типами и конфигурациями гидравлических инструментов.

Реферат

Группа изобретений относится к области бурения скважин забойными двигателями. Гидравлический инструмент содержит статор, имеющий отверстие, выполненное в виде множества зубьев, ротор, имеющий по меньшей мере один зубец на наружной поверхности, причем ротор выполнен с возможностью вращения внутри статора в ответ на поток жидкости через статор, при этом по меньшей мере один из статора и ротора содержит упругий материал, и удаляемое покрытие, расположенное на поверхности по меньшей мере одного из ротора и статора, при этом удаляемое покрытие имеет толщину, выбираемую таким образом, чтобы компенсировать по меньшей мере одно из ожидаемого набухания упругого материала во время операции бурения или ожидаемого уменьшения зазора между ротором и статором за счет теплового расширения ротора и статора, причем удаляемое покрытие разработано с возможностью удаления во время работы гидравлического инструмента. Обеспечивается исключение периода приработки двигателя. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула