Исполнительный механизм, действующий с постоянной силой

Исполнительный механизм, действующий с постоянной силой

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область применения изобретения

Настоящее изобретение относится к механизмам, в которых применяют силу, прилагаемую в одном направлении для подъема или удержания нагрузки в направлении, перпендикулярном направлению прилагаемой силы. Такие механизмы находят применение во многих областях и могут быть использованы, например, в инструментах, предназначенных для работы в скважинах или трубах, как централизаторы, каверномеры, устройства, обеспечивающие зацепление, и тяговые устройства. Изобретение, в частности, может быть применено в области тяговых устройств, предназначенных для доставки каротажных и сервисных инструментов в наклонных или горизонтальных нефтяных или газовых скважинах, либо в трубопроводах, в которых такие инструменты не могут быть легко перемещены под действием силы тяжести. Изобретение также может быть применено в подъемных устройствах.

Описание родственных технических решений

После того как пробурена нефтяная или газовая скважина, часто необходимо провести каротаж скважины с помощью различных измерительных инструментов. Это обычно выполняют посредством каротажных инструментов с проводами, опускаемых внутрь скважины на каротажном тросе. Также может потребоваться проведение осмотра трубопроводов и, следовательно, перемещение различных измерительных инструментов вдоль трубы.

Некоторые каротажные инструменты могут действовать надлежащим образом только в том случае, если они расположены по центру скважины или трубы. Это обычно обеспечивают посредством централизатора. Все централизаторы действуют по одному и тому же общему принципу. Большое количество отстоящих друг от друга на равном расстоянии дугообразных пружин или рычажных механизмов различных типов выдвигается в радиальном направлении от центрального башмака к стенке буровой скважины или трубы. Эти пружины или рычажные механизмы входят в контакт со стенкой буровой скважины или трубы и оказывают радиальное усилие на нее, которое стремится переместить корпус инструмента в сторону от стенки. Поскольку дугообразные пружины и рычажные механизмы обычно симметричны по отношению к центральному башмаку, они стремятся расположить инструмент по центру скважины. Поэтому радиальные силы, оказываемые этими устройствами, часто называют централизующими силами.

Обычно централизаторы остаются раскрытыми на всем протяжении их работы. Другими словами, их рычажные механизмы всегда смещены к стенке буровой скважины, и они всегда остаются в контакте с этой стенкой. Большинство централизаторов конструируют таким образом, чтобы они могли действовать в большом диапазоне размеров буровых скважин. Когда централизаторы расширяются или сжимаются в радиальном направлении для приспосабливания к изменениям размера буровой скважины, силы их централизации могут изменяться. В скважинах, которые проходят почти вертикально, изменение радиальной силы не представляет собой проблему, поскольку радиальный компонент веса инструмента невелик и даже слабые централизаторы могут справиться с ним. Кроме того, сила централизации и сопротивление трения, к которому она приводит, представляют собой настолько малую часть полного натяжения каротажного троса, что их изменение может оказаться незначительным для всех практических целей.

Однако скважины, которые имеют горизонтальные или значительно наклоненные участки, представляют собой проблему. В горизонтальном участке скважины централизатор должен быть достаточно прочным, чтобы приподнимать полный вес инструмента со стенки буровой скважины. С одной стороны, минимальный уровень силы централизации должен быть равным весу инструмента, чтобы обеспечить надлежащую работу при всех размерах буровой скважины. С другой стороны, при ином размере буровой скважины сила, оказываемая централизатором, может быть чрезмерной, вызывая избыточное сопротивление трения, которое замедляет движение инструментов вдоль скважины. Эта ситуация привела к разработке централизаторов, действующих с постоянной силой, которые раскрыты ранее и поставляются промышленностью. Однако в настоящем изобретении предложен новый подход к созданию таких централизаторов, действующих с постоянной силой.

Подобно централизаторам, каверномеры выдвигают плечи или рычажные механизмы от корпуса инструмента к стенке буровой скважины. Одно из различий централизаторов и каверномеров заключается в том, что плечи каверномера могут быть приведены в действие по отдельности и могут не раскрываться на одну и ту же величину. Другое различие заключается в том, что плечи каверномера обычно избирательно раскрываются и смыкаются к корпусу инструмента посредством некоторых механических средств. Таким образом, плечи каверномера необязательно остаются в контакте со стенкой буровой скважины в течение всего времени. На плечах каверномера часто крепят различные измерительные инструменты. Для того чтобы обеспечить надлежащую работу некоторых из этих измерительных инструментов, часто необходимо сохранить заданный диапазон величины радиального усилия, с которым плечи каверномера прижимают к стенке скважины. Это требование иногда трудно выполнить в горизонтальных участках скважины и при изменяемых размерах скважины. Причина заключается в том, что подобно централизаторам выигрыш в силе рычажных механизмов каверномера изменяется с размером буровой скважины. Таким образом, механические устройства, ответственные за раскрытие и смыкание каверномера, должны обеспечивать переменное выходное усилие. Это обычно приводит к невысокой эффективности механического устройства и к его недостаточному использованию в большом диапазоне размеров буровой скважины. Поэтому полезно разработать рычажные механизмы каверномера, которые позволяют приложить фактически постоянные радиальные силы при наличии постоянной механической входной мощности от приводного устройства. В настоящем изобретении создан такой механизм.

Для горизонтальных и значительно наклоненных скважин характерна еще одна проблема. Каротажные инструменты не могут быть эффективно перемещены в таких скважинах под действием силы тяжести. Это привело к необходимости разработки альтернативных способов перемещения. Один из таких способов основан на использовании тянущего устройства в нисходящей скважине, которое тянет или толкает каротажные инструменты вдоль стенки.

В тяговых устройствах для нисходящих скважин, например, в таких устройствах, которые описаны в патентах США 5954131 и 6179055 В1, используют различные механизмы, расширяющиеся в радиальном направлении, чтобы принудительно подавать колеса или устройства, обеспечивающие зацепление, к стенке буровой скважины. Независимо от принципа, посредством которого обеспечивают движение по отношению к стенке буровой скважины, сила тяги, которую может создавать тяговое устройство, прямо пропорциональна радиальной силе, прилагаемой механизмом. Подобно централизаторам и каверномерам, тяговые устройства для нисходящих скважин конструируют таким образом, чтобы они действовали в широком диапазоне размеров буровых скважин. Как и для централизаторов, для них также характерна проблема изменения радиальной силы как функции размера буровой скважины. Обычно для данного механизма расширения сила тяги ослабевает в зависимости от размера буровой скважины. Предпочтительно, чтобы радиальная сила, которую развивает тяговое устройство, была постоянной. Однако удовлетворительного решения этой проблемы до сих пор не предложено.

В некоторых тяговых устройствах используют несколько групп рычажных механизмов разного размера, чтобы обеспечить относительно постоянную силу тяги в широком диапазоне размеров буровой скважины, однако замена этих механизмов должна быть осуществлена на поверхности, что весьма неудобно. Кроме того, некоторые скважины бурят так, что они будут иметь разнообразные размеры, так что придется манипулировать не одним механизмом. Согласно настоящему изобретению создан механизм, который может быть использован при всех известных концепциях создания тяги, чтобы обеспечить постоянную радиальную силу и, следовательно, соответствующую тягу в весьма широком диапазоне размеров буровой скважины.

Для выполнения своих функций централизаторы, каверномеры и тяговые устройства основаны на механизмах, расширяемых в радиальном направлении. Эти механизмы могут быть активными или пассивными. К активным механизмам энергию подводят посредством гидравлических или электрических приводных устройств. Их выполняют нормально замкнутыми и приводят в действие только в течение эксплуатации. Пассивные механизмы обычно основаны на пружинах, предназначенных для создания радиальной силы, действующей в наружном направлении. В то время как пассивные механизмы, развивающие постоянное усилие, поставляет промышленность, активные механизмы, действующие с постоянной силой, не были предложены.

В настоящем изобретении может быть использован как пассивный, так и активный механизм, который может создавать по существу постоянную радиальную силу.

В известном техническом решении, имеющем отношение к принципу работы изобретения, раскрыты либо конструкция централизаторов, развивающих постоянную силу, либо использование клиньев в централизующих устройствах. Например, в патенте США 4615386 раскрыт централизатор, который создает приблизительно постоянную радиальную силу в диапазоне размеров буровой скважины. Постоянство силы обеспечивают посредством сочетания двух пружин, имеющих разные характеристики. Сумма сил двух пружин остается приблизительно постоянной в широком диапазоне перемещений плеч централизатора. Преимущество такого подхода заключается в его простоте. Недостаток этого подхода состоит в том, что он может быть использован только в централизаторах, но не в каверномерах и в устройствах, обеспечивающих зацепление, в случае которых требуется избирательное раскрытие и смыкание плеч. Другой недостаток состоит в том, что при таком принципе работы необходимо, чтобы централизатор был довольно длинным, а это в некоторых случаях может оказаться нежелательным. Подобным же образом, в патентах США 4557327 и 4830105 раскрыты централизующие устройства, которые обеспечивают по существу постоянную силу централизации посредством сочетания по меньшей мере двух пружин разного типа. Преимущества и недостатки этих устройств подобны обсуждавшимся выше преимуществам и недостаткам. В патенте США 5005642 раскрыт централизатор каротажного инструмента, который обеспечивает пониженную степень изменения силы централизации посредством перемещения точек крепления централизующих плеч на противоположных сторонах корпуса инструмента. При этом угол между плечом централизатора и корпусом инструмента никогда не сможет принимать нулевое значение, что является условием, которое делает неработоспособными большинство других централизующих устройств, основанных на приведении в действие только в осевом направлении. Недостаток этого подхода заключается в том, что он не решает проблему полностью, поскольку радиальная сила все еще изменяется в зависимости от размера буровой скважины. Это также делает конструкцию устройства трудновыполнимой, особенно в том случае, когда желательно использовать более двух централизующих плеч.

Во всех обсуждавшихся выше патентах расширение централизатора в радиальном направлении обеспечивают посредством механизма, который состоит из двух плеч, соединенных друг с другом одним из их концов и прикрепленных их другими концами к подвижным башмакам. Когда расстояние между башмаками изменяется, точка крепления двух плеч перемещается внутрь или наружу в радиальном направлении. Другой подход для получения устройства, расширяемого в радиальном направлении, основан на использовании сужающихся поверхностей или клиньев. Централизаторы, созданные на основе этого принципа, раскрыты в патентах США 5348091 и 5934378. Инструмент для бурения скважин, расширяемый в радиальном направлении, раскрыт в патенте США 4693328. Принцип расширения в радиальном направлении вновь основан на движущихся частях, которые скользят по наклонным поверхностям (клиньям). Преимущество этой концепции заключается в том, что создаваемые силы могут быть значительными. Основной недостаток заключается в относительно ограниченном диапазоне радиального расширения.

В настоящем изобретении устранены недостатки обоих типов механизмов, расширяемых в радиальном направлении, которые обсуждены выше, посредством кинематического объединения этих механизмов в одном устройстве, что позволяет получить другие результаты, содержащие признаки новизны, отличающиеся от признаков любого из упомянутых устройств.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения создан исполнительный механизм, действующий с постоянной силой, который может быть использован при всех известных концепциях получения тягового усилия в буровой скважине для обеспечения по существу постоянной радиальной силы и, следовательно, соответствующую силу тяги в широком диапазоне размеров буровой скважины.

Согласно другому аспекту изобретения создан исполнительный механизм, действующий с постоянной силой, который может быть использован в качестве пассивного или активного механизма, способного создавать по существу постоянную радиальную силу для ее приложения к противоположным поверхностям.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения создан исполнительный механизм, действующий с постоянной силой, который может быть эффективно использован в качестве операционного компонента централизатора, устройства, обеспечивающего зацепление, грузоподъемного устройства, либо других устройств, служащих для передачи силы, и может быть приведен в действие посредством пружин, гидравлических двигателей, пневматических двигателей, устройств, служащих для механического приведения в действие, и тому подобного.

Короче говоря, настоящее изобретение представляет собой механизм, в котором используют силу, прилагаемую в первом линейном направлении, чтобы поднимать или удерживать нагрузку, либо передавать усилие во втором линейном направлении, которое по существу перпендикулярно первому линейному направлению. Устройства и механизмы, создаваемые согласно принципам настоящего изобретения, конструируют таким образом, чтобы сила, которая требуется для удержания нагрузки, практически представляла собой постоянную величину и была независима от положения нагрузки во втором линейном направлении. В частности, изобретение относится к каротажным инструментам или другим устройствам для скважин, которые перемещают вдоль внутренних поверхностей буровой скважины или трубы, либо между отстоящими друг от друга поверхностями. Изобретение обычно может принимать форму централизатора, каверномера, устройства, обеспечивающего зацепление, либо тягового механизма для использования в скважинах, или может принимать форму подъемного устройства, либо устройства для удержания груза, когда оно осуществлено в виде домкратов или других устройств для подъема или удержания груза. Функция настоящего изобретения заключается в приложении радиальных сил к внутренней цилиндрической стенке буровой скважины, либо круглого канала, например трубы, или в воздействии на них, для централизации объектов внутри буровой скважины или трубы, чтобы выполнить функцию зацепления или создать механическое сопротивление, позволяющее обеспечить эффективную работу внутренних тяговых устройств для перемещения таких объектов, как каротажные инструменты. При использовании в качестве централизатора для каротажных инструментов большое количество подвижных в радиальном направлении приводных рычажных механизмов, с которыми выполнено настоящее изобретение, удерживает каротажные инструменты по центру буровой скважины и таким образом повышает точность каротажного процесса. Когда изобретение используют в качестве каверномера, в нем происходит выдвижение плеч или других рычажных механизмов к стенке буровой скважины и контролируемая радиальная сила оказывает воздействие на поверхность стенки. Когда изобретение используют в качестве устройства, обеспечивающего зацепление, может происходить приложение радиальных сил, которые создают достаточное трение, к стенке буровой скважины или трубы, или их воздействие на эту стенку, чтобы предотвратить какое-либо скольжение в точках контакта между устройством, обеспечивающим зацепление, и поверхностью стенки буровой скважины или трубы. Последнее необходимо для конструкции и работы в нисходящих скважинах таких тяговых инструментов, которые часто используют для перемещения других инструментов вдоль скважин, имеющих горизонтальные участки или участки со значительным наклоном. Основное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что величины радиальных сил, которые оно прилагает к стенке буровой скважины, фактически будет постоянным и не зависит от размера буровой скважины.

Основные элементы изобретения представляют собой детали для передачи силы или башмаки, колеса, оси и по меньшей мере одну пару рычажных плеч с встроенными клиньями или с направляющими поверхностями, имеющими заданную геометрию, определяемую рычажными плечами. В целях настоящего изобретения предполагается, что каждый из терминов "детали для передачи усилия" или "башмаки" определяет детали любой желаемой конфигурации, которые относительно линейно подвижны, при этом подвижна одна из деталей или подвижны обе детали и, если желательно, одна из деталей неподвижна. Рычажные плечи, детали для передачи силы или башмаки и колеса соединены посредством оси, чтобы образовать рачажный механизм, который может расширяться или сходиться в радиальном направлении, когда расстояние между башмаками изменяется в осевом направлении. Рычажные плечи соединены друг с другом посредством шарнирного элемента или оси у одного из их концов, за счет чего обеспечивается возможность только углового движения рычажных плеч. Своими вторыми концами рычажные плечи прикреплены к отдельным башмакам посредством осей или шарниров, которые могут как вращаться, так и скользить внутри удлиненной прорези, выполненной в корпусе башмака. Колеса или ролики, которые определяют перемещение управляющих элементов, с возможностью вращения крепят к башмакам, и когда они находятся в контакте с направляющими поверхностями рычажных плеч, то катятся по предназначенным для передачи усилия направляющим поверхностям клиньев или по направляющим поверхностям, которые встроены в рычажные плечи, образованы на рычажных плечах или прикреплены к рычажным плечам. Хотя в качестве элементов башмаков, служащих для передачи силы, или деталей, служащих для передачи силы, показаны колеса или ролики, в пределах объема и существа настоящего изобретения могут быть применены иные структуры, чем колеса или ролики, чтобы передавать силу от башмаков к направляющим поверхностям клиньев или рычажных плеч. Направляющие поверхности, предназначенные для передач силы, имеют заданную геометрию, так чтобы взаимодействовать со служащими для передачи силы поверхностями колес или роликов и создавать векторы результирующих сил на рычажных плечах, которые расположены под углом по отношению к направлению линейного перемещения одного или обоих башмаков. Такие расположенные под углом векторы сил вызывают поворотное перемещение рычажных плеч даже в том случае, когда рычажные механизмы полностью отведены. Этот отличительный признак обеспечивает возможность легкого начального перемещения рычажных механизмов из их отведенных положений.

В изобретении объединены два отдельных принципа, что позволяет обеспечить требуемое расширение в радиальном направлении. При небольших углах между плечами и башмаками радиальную силу создают посредством колес, которые катятся по служащим для передачи силы поверхностям клиньев или рычажных плеч. При больших углах движение расширения рычажных механизмов создают на основе принципа треугольного трехстержневого рычажного механизма. Переход от одного принципа к другому происходит при выбранном промежуточном угле рычажных плеч между положениями полного отведения и полного выдвижения. Посредством сочетания этих двух принципов и посредством выбора, расположения и формы служащих для передачи усилия направляющих поверхностей клиновых элементов можно обеспечить фактически постоянное входное усилие, что представляет собой основное преимущество настоящего изобретения и отличает его от других подобных устройств.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение может быть более четко понято при рассмотрении приведенного ниже описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

На фиг.1А-1F представлены виды первого приведенного в качестве примера варианта осуществления конструкции исполнительного механизма согласно изобретению, действующего с постоянной силой, при этом на них показаны различные положения упомянутого исполнительного механизма - от замкнутого или отведенного положения, показанного на фигуре 1А, до полностью раскрытого или выдвинутого положения, показанного на фигуре 1F;

на фиг.2 представлена диаграмма зависимости силы от перемещения, иллюстрирующая осевую силу, требуемую для удержания радиальной нагрузки, при этом на фигуре представлено небольшое угловое перемещение рычажного механизма клином исполнительного механизма и большее угловое перемещение рычажного механизма, после того как рычажный механизм отделился от обеспечивающей передачу усилия поверхности клина;

на фиг.3 представлен вид в сечении варианта осуществления конструкции централизатора со смещением пружинами, выполненного согласно настоящему изобретению, который может быть использован в скважинах или в других случаях применения с целью централизации, при этом он включает симметричные противоположные рычажные механизмы с роликом, входящим в зацепление с клиньями на всех рычажных плечах;

на фиг.4 представлен вид в сечении варианта осуществления конструкции централизатора со смещением пружинами, выполненного согласно настоящему изобретению, при этом он имеет асимметричные рычажные механизмы, содержащие колесо или ролик, входящие в зацепление с клиньями только на верхних участках рычажного плеча;

на фиг.5 представлен вид в сечении варианта осуществления конструкции централизатора со смещением пружинами, имеющего противоположно расположенные асимметричные рычажные механизмы;

на фиг.6 представлен вид в изометрии, показывающий вариант осуществления конструкции согласно настоящему изобретению в качестве зажима тягового инструмента нисходящей скважины;

на фиг.7А представлен вид в сечении верхней части зажима тягового инструмента для нисходящей скважины, в котором осуществлены принципы настоящего изобретения;

на фиг 7В представлен вид в сечении промежуточной части зажима согласно фигуре 7А;

на фиг.7С представлен вид в сечении нижней части зажима согласно фигурам 7А и 7 В;

на фиг.8 представлен вид в сечении тягового механизма для нисходящей скважины, в котором осуществлены принципы настоящего изобретения и который включает силовые тяговые колеса для обеспечивающего приведение в действие зацепления с противоположными поверхностями или противоположными сторонами буровой скважины;

на фиг.9 представлен вид в сечении тягового механизма для нисходящей скважины, сконструированного согласно настоящему изобретению и включающего силовые цепи для обеспечивающего приведение в действие зацепления с противоположными поверхностями или с противоположными сторонами буровой скважины;

на фиг.10 представлен вид в сечении тягового механизма для буровой скважины, сконструированного согласно настоящему изобретению и имеющего ролики и поворотные башмаки для обеспечивающего приведение в действие зацепления с противоположными поверхностями или с противоположными сторонами буровой скважины;

на фиг.11 представлен вид в сечении, показывающий подъемный механизм для подъема и опускания объекта, в котором осуществлены принципы настоящего изобретения и в котором обеспечено ручное приведение в действие противоположных рычажных механизмов посредством поворотного винта домкрата;

на фиг.12 представлены частичное сечение и частичный вид по высоте, иллюстрирующие ножничный механизм для подъема груза, имеющий группу ножничных плеч, образующих взаимодействующие рычажные механизмы с клиньями и передающими силу роликами для приведения ножниц в действие по существу с постоянной силой.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже описаны варианты осуществления изобретения, приведенные только в качестве примера. Понятно, что при разработке любого такого реального варианта конструкции должен быть обеспечен ряд внедрений - определенных решений, чтобы добиться конкретных целей, поставленных разработчиком, например согласование с ограничениями, налагаемыми на систему и на деловую активность, которые будут изменяться от одного внедрения к другому. Кроме того, очевидно, что такая попытка разработки может оказаться затруднительной и потребует затрат времени, но тем не менее будет представлять собой обычную работу квалифицированных специалистов в этой области, которые извлекли пользу из того, что здесь раскрыто.

Если теперь обратиться к фиг.1А-1F, то на них основные принципы настоящего изобретения представлены посредством иллюстраций, демонстрирующих выполнение операции, при этом рычажный механизм устройства, действующий по существу с постоянной силой, показан в его замкнутом или полностью отведенном состоянии на фигуре 1А и на различных стадиях перемещения в полностью раскрытое или полностью выдвинутое положение, показанное на фигуре 1F. Основные элементы и принцип работы изобретения схематически представлены на фигуре 1А-1F. Два плеча 2 рычажного механизма с клиньями 4, которые составляют единое целое с плечами рычажного механизма, соединены друг с другом у их первых концов посредством оси или шарнира 6. Ось 6 также может соединять с плечами рычажного механизма другие элементы в зависимости от желаемой функции сконструированного устройства. В иллюстративных целях на фигуре 1А-1F показаны колесо или ролик 8, также установленный на оси 6, при этом подразумевается, что в данном случае изобретение может быть использовано в качестве централизатора с колесами 8, предназначенными для контакта с противоположными поверхностями или для контакта с противоположными стенками буровой скважины. Вторые концы плеч 2 рычажного механизма крепят к башмакам 10 посредством поворотных пальцев 12, которые скользят и вращаются внутри удлиненных прорезей 14, выполненных в башмаках 10. Колеса 16 устанавливают совместно с осями 18 на кронштейнах 20, которые являются частями башмаков 10. Функция колес 16 заключается в том, чтобы катиться по направляющим поверхностям 22 клиньев 4 и взаимодействовать с направляющими поверхностями 22 для передачи векторных сил плечам 2 рычажного механизма и обеспечения перемещения плеч рычажного механизма. Движение башмаков 10 ограничено только линейным перемещением по отношению друг к другу посредством иных элементов или устройств, служащих для передачи силы (на фигуре 1А-1F не показаны). Все эти элементы изобретения объединены для образования рычажного механизма, обозначенного позицией 25.

На фигуре 1А-1F показано положение рычажного механизма 25 при различных степенях расширения в радиальном направлении. На фигуре 1А рычажный механизм 25 показан в его замкнутом или полностью отведенном положении, когда угол между плечами и башмаками равен нулю (на фигуре 1В-1F угол обозначен-α). Следует заметить, что в этом положении колеса 16, входящие в соприкосновение с клиновыми поверхностями 22, находятся вблизи их верхних концов. Также следует заметить, что шарнирные пальцы 12 находятся у передних концов соответствующих удлиненных прорезей 14.

Теперь представим, что башмаки 10 смещены по направлению друг к другу посредством осевых сил, обозначенных на фигурах 1А-1F символом F_a. Это приводит к тому, что колеса 16 будут катиться вниз по направляющим поверхностям 22 клиньев 4, тем самым развивая силу, вектор которой ориентирован для толкающего воздействия на плечи рычажного механизма вверх и их вращения вокруг шарнирных пальцев 12. Во время движения рычажного механизма плечи 2 скользят и поворачиваются у своих вторых концов, что приводит к получению конфигурации, показанной на фигуре 1В. Следует заметить, что угол α между плечами 2 и прямой линией, соединяющей башмаки 10, увеличивается от нулевого значения на фигуре 1А до некоторой положительной величины на фигуре 1В. В этом случае пальцы 12 будут находиться в удлиненных прорезях 14 в некотором промежуточном положении. Шарнирные пальцы 12 свободно перемещаются в осевом направлении и поэтому не могут удерживать какую-либо осевую нагрузку. Однако они препятствуют перемещению в радиальном направлении вторых концов плеч 2 рычажного механизма. Все эти взаимодействия вынуждают первые концы плеч 2 рычажного механизма и колеса 8 перемещаться наружу в радиальном направлении для выдвижения рычажного механизма 25 в радиальном направлении. Когда колесо 8 входит в контакт со стенкой буровой скважины, оно начинает оказывать на нее радиальное усилие, перемещая башмаки 10 от стенки к центру буровой скважины, тем самым создавая централизующий эффект.

Дальнейшее расширение рычажного механизма 25 в радиальном направлении на основе качения колес 16 по направляющим поверхностям 22 показано на фигурах 1С и 1D. На этих фигурах видно, что угол α продолжает увеличиваться и колесо 8 продолжает перемещение наружу в радиальном направлении. На фигурах 1А-1D представлен первый кинематический принцип, используемый в изобретении, который основан на взаимодействии между направляющими поверхностями 22 клиньев 4 и колесами или роликами 16, служащими для передачи усилия. Следует заметить, что на фигуре 1D колеса 16 достигли самого нижнего конца клиновых поверхностей 22. Эта ситуация указывает, что величина расширения в радиальном направлении, основанная на этом первом кинематическом принципе, уже исчерпана. Также следует заметить, что шарнирные пальцы 12 достигли задних концов удлиненных прорезей 14. Это положение пальцев 12 и колес 16 представляет собой точку перехода между двумя кинематическими принципами, используемыми в изобретении. По этой причине угол плеча рычажного механизма на фигуре 1D обозначен символом α_t (переход). При углах, меньших α_t, расширение рычажного механизма в радиальном направлении будет обеспечено посредством клиньев, в то время как при углах, больших α_t, расширение рычажного механизма в радиальном направлении будет обеспечено посредством эквивалента трехстержневого механизма. Второй кинематический принцип, на котором основано изобретение, представлен на фигурах 1D-1F. Два плеча 2 рычажного механизма и башмаки 10 формируют треугольный трехстержневой механизм с башмаками 10, представляющими собой стержень переменной длины. Когда расстояние между башмаками 10 уменьшается, треугольник изменяет форму при дальнейшем перемещении его вершины наружу в радиальном направлении. Следует заметить, что клинья 4 не принимают какое-либо участие в этом перемещении, поскольку, как показано на фигурах 1Е и 1F, направляющие поверхности 22 клиньев 4 отведены от колес или роликов 16.

Теперь вообразим, что направленная вниз радиальная сила F_r действует в течение всего процесса расширения. Также вообразим, что величина осевой силы F_a, которая необходима для преодоления F_r и продолжения расширения, будет записана и представлена в графическом виде. Такое графическое изображение представлено на фигуре 2. Точные значения величин и формы кривых, представленных на фигуре 2, будут изменяться в зависимости от местоположения клина 4 на плечах 2 рычажного механизма и от радиуса кривизны направляющих поверхностей 22 клина. Однако на фигуре 2 в достаточной степени представлено преимущество сочетания двух отдельных кинематических принципов в одном механизме. На фигуре 2 кривая, обозначенная символом F_a (без клина), иллюстрирует величину осевой силы F_a, которая потребуется для преодоления F_r,если используют только второй кинематический принцип трехстержневого рычажного механизма. Как следует из графика согласно фигуре 2, в этом случае F_a резко повышается при небольших значениях α. Это означает, что трехстержневой рычажный механизм, на котором основаны многие существующие устройства, испытывает реальные затруднения при удержании радиальных нагрузок при небольших углах. Фактически, при α равном нулю, осевая сила, требуемая для удержания нагрузки, должна быть бесконечно большой, а это означает, что для работы в таком диапазоне не может быть сконструировано устройство для практического использования. Вторая кривая на графике согласно фигуре 2 представляет собой возможные величины F_a, если объединены два кинематических принципа, что предложено в настоящем изобретении. Можно видеть, что удается избежать резкого увеличения F_a при небольших углах, и что F_a остается довольно постоянной в пределах значительного диапазона величин угла α. Следует заметить, что на фигуре 2 никоим образом не исчерпаны возможные значения F_a, которые могут быть достигнуты посредством настоящего изобретения. Ранее было указано, что посредством изменения местоположения клина 4 на плече 2 и посредством изменения радиуса кривизны 4 и геометрии направляющей поверхности 22, можно обеспечить почти любую форму кривизны в зависимости от функции, выполнение которой требуется от конкретного варианта осуществления изобретения.

Различные варианты осуществления изобретения более подробно обсуждены на фигурах 3-12. На фигуре 3 представлен один из вариантов осуществления изобретения, выполненный в виде централизатора инструмента. Минимум три рычажных механизма 25 (на фигуре 3 представлены только два противоположных рычажных механизма) объединены друг с другом посредством общих башмаков 10. Башмаки 10 скользят по направляющей части 24. За одно целое с направляющей частью 24 выполнен стопор 26 башмаков, который ограничивает линейное перемещение башмаков 10 по направляющей части 24. Направляющая часть 24 также подсоединена к верхней головной части 28 и к нижней головной части 30, которые используют для подсоединения централизатора к другим инструментам и устройствам в колонне инструментов (детали соединений с другими инструментами не существенны для настоящего изобретения и на фигуре 3 не показаны). Направляющая часть 24 также может содержать провода 32, проходящие через нее для электрической связи с другими инструментами в колонне инструментов. Осевую силу, которая вынуждает централизатор расширяться в радиальном направлении и размещать другие инструменты в колонне инструментов по центру буровой скважины, обеспечивают посредством пружин 34. Как видно из варианта конструкции, показанного на фигуре 3, для того, чтобы сконструировать централизатор с относительно постоянной силой централизации, необходим только один тип пружины.

Рычажный механизм 25, используемый для конструирования различных устройств, необязательно должен быть симметричным. Два устройства, которые сконструированы с асимметричными рычажными механизмами, действие которых основано на раскрытых выше принципах, показаны на фигурах 4 и 5. Согласно этим фигурам только одно из плеч, которые используют для создания рычажного механизма, имеет клин. Как вариант, клинья с направляющими поверхностями, имеющими различную геометрию, могут быть обеспечены на плечах, которые имеют неодинаковую длину.

Во всех обсуждавшихся выше вариантах осуществления изобретения представлены централизаторы для колонны инструментов. Централизаторы, обеспечивающие постоянное усилие, могут быть созданы с помощью средств, отличающихся от тех средств, которые обсуждались выше. В настоящем изобретении представлен новый способ, посредством которого могут быть сконструированы такие централизаторы.

Однако