Автономная модификация частоты вращения участка бурильной колонны

Автономная модификация частоты вращения участка бурильной колонны

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящая заявка, в общем, относится к системам бурения в земной коре. Данная заявка дополнительно относится к устройствам, предназначенным для размещения в бурильной колонне, бурильным колоннам, буровым установкам и способам бурения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Бурение скважин для добычи углеводородов (нефти и газа), а также для других целей обычно осуществляют с использованием бурильной колонны, содержащей множество соединенных между собой трубчатых элементов (которые называют секциями бурильной трубы), содержащих бурильную компоновку, которая содержит буровое долото, закрепленное на нижнем конце колонны. Буровое долото приводится во вращение для срезания или измельчения горной породы в процессе бурения скважины. Бурильная колонна часто содержит инструменты или другие устройства, которые в процессе функционирования размещаются в скважине и, соответственно, во время бурения включаются и выключаются дистанционно. Такие инструменты и устройства содержат, например, расширители, стабилизаторы, отклоняющие инструменты, предназначенные для управления ориентацией долота, и устройства для испытания пластов.

Вращение бурильной колонны часто осуществляется с использованием привода посредством приложения наземным оборудованием крутящего момента и вращения, так чтобы стенка трубчатой бурильной колонны (также называется в настоящем документе бурильной трубой) вращалась с общей частотой вращения. Хотя для некоторых участков бурильной колонны часто требуется сравнительно высокая частота вращения (например, рядом с буровым долотом для перемешивания шлама для повышения эффективности удаления шлама), конструкционные характеристики других участков бурильной колонны часто ограничивают частоту вращения, при которой бурильная колонна может безопасно эксплуатироваться.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Некоторые варианты реализации изобретения проиллюстрированы примерами, не имеющими ограничительного характера, которые представлены на прилагаемых графических материалах.

Фиг. 1 иллюстрирует схематический вид в вертикальном разрезе буровой установки в соответствии с вариантом реализации изобретения, содержащей бурильную колонну, имеющую пару устройств переключения передач в соответствии с вариантом реализации изобретения, причем указанные устройства переключения передач имеют противоположную ориентацию для осуществления селективного вращения промежуточного участка бурильной колонны с пониженной частотой вращения.

Фиг. 2A-2B иллюстрируют соответствующие виды в продольном разрезе по линии A-A, указанной на фиг. 3, устройства переключения передач в соответствии с вариантом реализации изобретения, причем устройство переключения передач, проиллюстрированное на фиг. 2А, находится в режиме расцепления, а устройство переключения передач, проиллюстрированное на фиг. 2В, находится в режиме сцепления.

Фиг. 3 иллюстрирует схематический вид в разрезе по линии B-B варианта реализации устройства переключения передач, проиллюстрированного на фиг. 2A.

Фиг. 4 иллюстрирует другой схематический вид в разрезе по линии C-C варианта реализации устройства переключения передач, проиллюстрированного на фиг. 2A.

Фиг. 5 иллюстрирует вид в продольном разрезе по линии D-D, указанной на фиг. 4, устройства переключения передач в соответствии с вариантом реализации изобретения, проиллюстрированным на фиг. 1-4.

Фиг. 6 иллюстрирует схематический вид в вертикальном разрезе буровой системы в соответствии с другим вариантом реализации изобретения, содержащей бурильную колонну, имеющую ряд одинаково ориентированных устройств переключения передач, которые распределены с интервалами по длине бурильной колонны для осуществления селективного вращения компонентов бурильной колонны, размещенных под изогнутым участком скважины, с более низкой частотой вращения, чем частота вращения компонентов бурильной колонны, размещенных на изогнутом участке и по скважине выше изогнутого участка скважины.

Фиг. 7 иллюстрирует вид, соответствующий фиг. 6, на котором бурильная колонна перемещена далее в направлении низа скважины по сравнению с видом, указанным на фиг. 6.

Фиг. 8 иллюстрирует схематический вид в вертикальном разрезе буровой системы в соответствии с еще одним вариантом реализации изобретения, содержащей пару устройств переключения передач, которые установлены в бурильной колонне по скважине выше компоновки низа бурильной колонны, содержащей буровое долото.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В представленном далее подробном описании изобретения рассмотрены варианты реализации изобретения со ссылкой на прилагаемые фигуры, иллюстрирующие различные детали вариантов реализации, указывающие возможные примеры осуществления изобретения. В данном описании представлены различные примеры новых способов, систем и устройств со ссылкой на указанные фигуры, и содержится информация относительно проиллюстрированных вариантов реализации изобретения достаточно подробная, чтобы специалисты в данной области техники могли осуществить раскрытый предмет изобретения. Для осуществления указанных способов могут использоваться различные варианты реализации изобретения, отличающихся от описанных в настоящем документе иллюстративных примеров. В варианты реализации изобретения, описанные в настоящем документе, могут быть внесены конструктивные и функциональные изменения без выхода за пределы объема изобретения.

В настоящем описании ссылки на «один из вариантов» или «вариант» либо «один из примеров» или «пример» не обязательно касаются одного варианта или примера реализации; однако указанные варианты реализации не являются также взаимоисключающими, если это явно не указано или очевидно для специалистов в данной области техники, использующих настоящее описание изобретения. Таким образом, могут быть использованы различные комбинации и (или) сочетания описанных в настоящем документе вариантов и примеров реализации изобретения, а также дополнительные варианты и примеры, определенные в пределах объема формулы изобретения, а также всех юридически значимых эквивалентов указанной формулы изобретения.

Один аспект настоящего изобретения касается способа, включающего автономную модификацию частоты вращения участка бурильной колонны, размещенного в скважине, относительно частоты вращения других участков бурильной колонны, размещенных в скважине, причем каждый из указанных участков содержит множество секций бурильных труб. Автономная модификация частоты вращения означает, что изменение частоты вращения применяется ко всей бурильной колонне (например, посредством изменения частоты, с которой бурильная колонна вращается наземным оборудованием), но изменение частоты вращения участка бурильной колонны, размещенного в скважине, осуществляется отдельно от общего изменения частоты вращения бурильной колонны.

В некоторых вариантах реализации изобретения участок бурильной колонны, имеющий измененную частоту вращения, представляет собой нижний участок бурильной колонны, расположенный между нижним концом бурильной колонны и переходной точкой, удаленной от обоих концов бурильной колонны. Указанный нижний участок может вращаться с повышенной частотой вращения относительно частоты вращения верхнего участка бурильной колонны, расположенного по скважине выше переходной точки. В одном из вариантов реализации изобретения переходная точка расположена в месте размещения нижнего конца изогнутого участка скважины или рядом с указанным нижним концом, так чтобы по меньшей мере часть верхнего участка бурильной колонны являлась изогнутой, а нижний участок мог быть, по существу, прямолинейным. В таких случаях сравнительно высокая частота вращения нижнего участка может способствовать повышению эффективности бурения и перемешивания бурового раствора в скважине для удаления шлама. Сравнительно низкая частота вращения верхнего участка бурильной колонны обеспечивает уменьшение износа бурильной колонны вследствие снижения нагрузки, обусловленной вращением в изогнутом состоянии.

В других случаях участок, имеющий пониженную частоту вращения, может представлять собой промежуточный участок бурильной колонны, и в этом случае автономная модификация частоты вращения промежуточного участка обеспечивает вращение промежуточного участка с частотой вращения, отличающейся от частоты вращения смежных участков бурильной колонны, расположенных на противоположных концах промежуточного участка, при этом указанные смежные участки могут иметь одинаковую частоту вращения. В одном из вариантов реализации изобретения промежуточный участок может представлять собой изогнутый участок бурильной колонны, и в этом случае промежуточный участок может иметь пониженную частоту вращения относительно частоты вращения участков бурильной колонны, расположенных по скважине выше изогнутого участка и по скважине ниже указанного участка. В других вариантах реализации изобретения промежуточный участок может иметь повышенную частоту вращения относительно частоты вращения участков бурильной колонны, расположенных на противоположных концах промежуточного участка.

Другой аспект настоящего изобретения касается устройства переключения передач, выполненного с возможностью размещения в бурильной колонне для передачи крутящего момента и вращения стенки трубчатой бурильной колонны смежным участкам бурильной колонны, причем устройство переключения передач выполнено с возможностью переключения между режимом расцепления, в котором указанное устройство обеспечивает передачу крутящего момента и вращения бурильной колонны без изменения, и режимом сцепления, в котором устройство переключения передач обеспечивает передачу крутящего момента и вращения бурильной колонны с выходной частотой вращения, измененной относительно входной частоты вращения устройства переключения передач.

Устройство переключения передач может содержать передаточный механизм, который соединяет входной элемент и выходной элемент с возможностью передачи приводного усилия и обеспечивает селективное изменение частоты вращения. Передаточный механизм может содержать планетарную передачу. В таких случаях указанное устройство может быть выполнено с возможностью переключения в режим сцепления посредством вращательного сцепления коронной шестерни планетарного механизма со стенкой скважины и одновременного обеспечения возможности вращения солнечной шестерни и несущего вала планетарной передачи относительно коронной шестерни. Анкерный механизм, предназначенный для вращательного сцепления коронной шестерни со стенкой скважины, может быть выполнен с учетом сохранения возможности продольного перемещения указанного устройства по направлению к устью и низу скважины, когда устройство находится в режиме сцепления. Таким образом, указанное устройство может быть выполнено с возможностью продольного перемещения в скважине, когда вращение коронной шестерни относительно стенки скважины застопорено. Указанное устройство может быть дополнительно выполнено с возможностью переключения в режим расцепления посредством высвобождения от вращательного сцепления коронной шестерни со стенкой скважины и посредством вращательного закрепления по меньшей мере солнечной шестерни или несущего вала планетарной передачи к коронной шестерне. Указанное устройство может дополнительно содержать переключающий элемент, выполненный с возможностью перемещения под воздействием привода в положение сцепления, в котором указанный элемент осуществляет (a) вращательного сцепления коронной шестерни со стенкой скважины и (b) высвобождение от вращательного сцепления по меньшей мере солнечной шестерни или несущего вала планетарной передачи относительно коронной шестерни.

Другой аспект настоящего изобретения касается бурильной колонны, содержащей множество установленных в бурильную колонну устройств переключения передач. В одном из вариантов реализации изобретения по меньшей мере два устройства переключения передач распределены с интервалами по длине бурильной колонны и ограничивают расположенный между ними промежуточный участок, длина которого в продольном направлении составляет по меньшей мере несколько секций бурильной колонны.

Дополнительный аспект настоящего изобретения касается способа бурения, включающего присоединение к бурильной колонне двух или более устройств переключения передач и переключение по меньшей мере одного устройства переключения передач между режимом сцепления и режимом расцепления, когда устройство переключения передач располагается на нижнем участке скважины, в которой находится бурильная колонна.

Указанный способ может дополнительно включать установку двух или более устройств переключения передач в соответствующие режимы сцепления, так чтобы изогнутый участок бурильной колонны вращался с более низкой частотой вращения, чем, по существу, прямолинейный участок бурильной колонны. В одном из вариантов реализации изобретения указанный способ включает: присоединение к бурильной колонне ряда размещенных с интервалом в продольном направлении устройств переключения передач, причем каждое устройство переключения передач выполнено с возможностью получения повышенной частоты вращения бурильной колонны на выходе устройства; и переключение конкретного устройства переключения передач из режима расцепления в режим сцепления, когда конкретное устройство переключения передач располагается ниже участка скважины, требующего ограничения частоты вращения, так чтобы компоненты бурильной колонны, размещенные выше указанного конкретного устройства переключения передач (в том числе участки бурильной колонны, расположенные на участке, требующем ограничения частоты вращения), имели пониженную частоту вращения относительно компонентов бурильной колонны, расположенных ниже указанного конкретного устройства переключения передач. В одном из вариантов реализации изобретения участок скважины, требующий ограничения частоты вращения, представляет собой изогнутый, наклонный или искривленный участок скважины, и в этом случае селективное сцепление и расцепление ряда устройств переключения передач может использоваться для согласованного вращения участков бурильной колонны на изогнутом участке со сравнительно низкой частотой вращения и вращения участков бурильной колонны, расположенных ниже искривленного участка (например, охватывающих, по существу, прямолинейный участок скважины), со сравнительно высокой частотой вращения.

Устройства переключения передач могут представлять собой подобные или идентичные модульные блоки, выполненные с возможностью размещения в любом месте бурильной колонны и имеющие элементы соединения, совместимые с секциями бурильных труб, составляющими бурильную колонну, так чтобы множество устройств переключения передач образовывало модульный комплект, обеспечивающий динамическую адаптацию характеристик вращения различных участков бурильной колонны по длине колонны.

Далее представлено описание варианта реализации устройства переключения передач, бурильной колонны, содержащей устройство переключения передач, и способа бурения с использованием устройства переключения передач со ссылкой на фиг. 1, на котором позиция 100, в общем, указывает буровую установку, содержащую буровую систему 102 в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Буровая установка 100 содержит подземную скважину 104, в которой находится бурильная колонна 108. Бурильная колонна 108 может содержать свинченные секции бурильной колонны, подвешенные на буровой вышке 112, установленной над устьем скважины, которые соединены между собой для передачи крутящего момента и вращения от вышки 112 к буровому долоту 116. Большая часть бурильной колонны 108 может состоять из секций 109 бурильных труб, каждая из которых содержит в данном варианте реализации отрезок бурильной трубы, имеющий цельную конструкцию и стандартную длину (далее называется в настоящем документе секцией бурильной колонны). Забойная компоновка или компоновка 151 низа бурильной колонны (КНБК), находящаяся на нижнем конце бурильной колонны 108, может содержать буровое долото 116, предназначенное для измельчения породы и определения направления бурения скважины 104, и может содержать один или более узлов расширителей, расположенных над буровым долотом 116 и предназначенных для расширения скважины 104 посредством селективного применения режущих элементов. Узел 120 измерения и управления может быть включен в КНБК 151, которая содержит также измерительные приборы, предназначенные для измерения параметров скважины, производительности бурения и аналогичных параметров.

Таким образом, скважина 104 представляет собой удлиненную полость, по существу, имеющую цилиндрическую форму и, по существу, круговой контур в поперечном сечении, который остается более или менее неизменным по длине скважины 104. Скважина 104 может быть в некоторых случаях прямолинейной, но часто может содержать один или более изогнутых, криволинейных, искривленных или наклонных участков по длине скважины. В варианте, проиллюстрированном на фиг. 1, скважина 104 содержит изогнутый участок 105. При использовании со ссылкой на скважину 104 и ее компоненты термин «ось» скважины 104 (и, следовательно, главная ось бурильной колонны 108 или ее участки) означает продольную центральную линию цилиндрической скважины 104 (соответствующую, например, продольной оси 248 на фиг. 2).

Таким образом, «осевое» или «продольное» направление означает направление вдоль линии, по существу, параллельной продольному направлению скважины 104 в соответствующей точке или на рассматриваемом участке скважины 104; «радиальное» направление означает направление, по существу, вдоль линии, пересекающей ось скважины и расположенной в плоскости, перпендикулярной оси скважины; «поперечное» направление означает направление, по существу, вдоль линии, не пересекающей ось скважины и расположенной в плоскости, перпендикулярной оси скважины; и «тангенциальная» или «касательная» траектория означает, по существу, дуговую или круговую траекторию, описываемую при вращении поперечного вектора вокруг оси скважины. Термин «вращение» и его производные означают не только непрерывное или повторяющееся вращение на 360° или больший угол, но также охватывают угловое или круговое перемещение на угол менее 360°.

При использовании в настоящем документе движение или положение «вперед» или «по скважине ниже» (и связанные с ними термины) означают продольное перемещение или относительное положение на осевой линии по направлению от поверхности земли к буровому долоту 116. И наоборот, выражения «назад», «в обратном направлении» или «по скважине выше» означают перемещение в продольном направлении или относительное положение на осевой линии вдоль скважины 104 по направлению от бурового долота 116 к поверхности земли. Следует отметить, что на фиг. 2 и 5 направление вниз по стволу скважины для бурильной колонны 108 соответствует направлению слева-направо.

Промывочная жидкость (например, «буровой раствор» или другие жидкости, которые могут быть в скважине) подается из емкости для промывочной жидкости, например, амбара для хранения жидкости, расположенного на поверхности земли (и соединенного с устьем скважины), насосной системой 132, которая прокачивает промывочную жидкость вниз по внутреннему каналу 128, образованному внутренней полостью бурильной колонны 108, так что промывочная жидкость под сравнительно высоким давлением выходит через буровое долото 116. После выхода из бурильной колонны 108 промывочная жидкость поступает в обратном направлении вверх по скважине 104 в затрубном пространстве 134 скважины, образованном между бурильной колонной 108 и стенкой скважины 104. Хотя с системой 102 могут быть связаны различные другие затрубные пространства, ссылки на давление в затрубном пространстве, кольцевой зазор и аналогичные параметры касаются характеристик затрубного пространства 134 скважины, если не указано иное или если контекст явно не указывает иное.

Следует отметить, что промывочная жидкость прокачивается вдоль внутренней стенки (то есть по каналу 128) бурильной колонны 108, причем расход жидкости, протекающей по каналу 128, ограничивается у бурового долота 116. Далее промывочная жидкость поступает вверх по затрубному пространству 134, унося шлам из забоя скважины 104 к устью скважины, где шлам удаляется, и промывочная жидкость может быть возвращена в емкость для промывочной жидкости, являющуюся составной частью насосной системы 132. Следовательно, давление жидкости в канале 128 выше давления жидкости в затрубном пространстве 134. Если контекст не указывает иное, термин «перепад давления» означает разность между общим давлением жидкости в канале 128 и давлением в затрубном пространстве 134.

В некоторых случаях буровое долото 116 приводится во вращение в результате вращения бурильной колонны 108 оборудованием буровой вышки 112. Передача крутящего момента и вращения буровой колонны осуществляется при помощи стенки составной трубчатой конструкции, которая также называется в настоящем документе стенкой 217 бурильной трубы (см. фиг. 2A и 2B), представленной соответствующими стенками трубчатых секций 109 бурильных труб, составляющих бурильную колонну 108. Указанное вращение бурильной колонны (в результате которого вращается составная бурильная труба, образованная бурильной колонной 108) следует отличать от вращения относительно стенки 217 бурильной трубы в результате действия привода компонентов бурильной колонны, например, вращения в результате действия привода бурового долота 116 или вращения приводной передачи бурового долота от забойного двигателя, который может входить в состав бурильной колонны 108. В данном варианте реализации изобретения буровое долото 116 может приводить во вращение забойный двигатель (такой как, например, так называемый гидравлический забойный двигатель или турбинный забойный двигатель), установленный в бурильной колонне 108 и в этом случае входящий в состав КНБК 151. В этом варианте реализации изобретения участки бурильной колонны 108, размещенные по скважине выше гидравлического забойного двигателя, предусмотренного в КНБК 151, приводятся во вращение наземным оборудованием, которое прикладывает крутящий момент и приводит во вращение самую верхнюю секцию 109 бурильной трубы, размещенную вблизи буровой вышки 112.

Система 102 может содержать систему 140 управления, расположенную на поверхности и предназначенную для приема сигналов от скважинных датчиков и телеметрического оборудования, причем указанные датчики и телеметрическое оборудование установлены в бурильной колонне 108, например, входят в состав узла 120 измерения и управления. Система 140 управления, расположенная на поверхности, может осуществлять отображение на дисплее или мониторе параметров бурения и другой информации, которая используется оператором для управления операциями бурения. Некоторые буровые установки могут быть частично или полностью автоматизированными, поэтому операции управления бурением могут выполняться в ручном, полуавтоматическом или автоматическом режиме. Система 140 управления, расположенная на поверхности, может содержать компьютерную систему, имеющую один или более процессоров для обработки данных и устройств запоминания данных. Система 140 управления, расположенная на поверхности, может обрабатывать данные, касающиеся операций бурения, данные, полученные от датчиков и устройств, расположенных на поверхности, данные, полученные из нижней части скважины, и может осуществлять управление одной или более операциями скважинных устройств и (или) устройств, расположенных на поверхности.

Обмен данными измерений и управления между системой 140 управления, расположенной на поверхности, и скважинными компонентами (например, узлом 120 измерения и управления и (или) устройствами управления соответствующих скважинных устройств, установленных в бурильной колонне 108) может осуществляться с использованием различных известных способов передачи данных, касающихся бурильной колонны, или их комбинаций. Таким образом, дистанционное управление размещением, включением или переключением режимов скважинных устройств может быть реализовано, среди прочего, при помощи управляющих сигналов, содержащих акустические сигналы, электромагнитные сигналы или гидравлические импульсы, передаваемые промывочной жидкостью, находящейся во внутреннем канале 128, при помощи акустических сигналов, передаваемых с использованием продольных или поперечных волн, распространяющихся в стенке 217 составной бурильной трубы, электрических сигналов, передаваемых по проводнику, предусмотренному в бурильной колонне и проходящему по колонне, и (или) электромагнитных сигналов, переданных по меньшей мере частично по геологическим пластам, в которых проходит скважина 104. Следует отметить, что указанные выше примеры способов передачи данных не являются исчерпывающими, и для управления функционированием компонентов бурильной колонны, например, переключения устройств переключения передач, как описано в настоящем документе, между режимами сцепления и расцепления, могут использоваться любые приемлемые механизмы передачи данных.

Система 102 дополнительно содержит устройства переключения передач, представленные в виде зубчатых механизмов 160, которые установлены в бурильную колонну и выполнены с возможностью селективного приведения в действие для изменения частоты вращения бурильной колонны, осуществляемого при помощи указанных устройств, и обратно пропорционального изменения крутящего момента бурильной колонны, передаваемого при помощи указанных устройств. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 1, зубчатые механизмы 160 содержат пару устройств переключения передач, представленную в виде верхнего зубчатого механизма 160a и нижнего зубчатого механизма 160b. Каждый зубчатый механизм 160 установлен соосно в бурильную колонну 108 для передачи крутящего момента и вращения бурильной колонны от соответствующей непосредственно примыкающей верхней секции 109 бурильной трубы к непосредственно примыкающей нижней секции 109 бурильной трубы. Следует отметить, что зубчатые механизмы 160 не обязательно должны быть соединены с секциями 109 бурильных труб, однако конкретный зубчатый механизм 160 в других вариантах реализации изобретения может быть с возможностью передачи приводного усилия соединен с любой другой секцией бурильной колонны и выполнен с возможностью получения или передачи крутящего момента или вращения бурильной колонны.

Верхний зубчатый механизм 160a и нижний зубчатый механизм 160b распределены с интервалами по длине бурильной колонны 108, ограничивая размещенный между ними промежуточный участок 163, состоящий по меньшей мере частично из множества секций бурильной колонны. В данном варианте реализации изобретения промежуточный участок 163 содержит множество секций 109 бурильных труб, и может, таким образом, представлять собой множество секций бурильных труб, проходящих в продольном направлении. Следует отметить, что в данном варианте реализации изобретения каждый зубчатый механизм 160 имеет меньшую длину, чем стандартная секция бурильной трубы. В других вариантах реализации изобретения длина устройств переключения передач, подобных или аналогичных зубчатым механизмам 160, может быть равной соответствующей стандартной длине секции бурильной трубы. Следует также отметить, что в настоящем документе термин «секция бурильной колонны» означает съемный элемент (составной или цельной конструкции), который является частью бурильной колонны 108 и передает крутящий момент и вращение бурильной колонны от одного конца колонны к другому концу колонны. Таким образом, в соответствии с терминологией настоящего описания изобретения каждый зубчатый механизм 160 представляет собой секцию бурильной колонны. Как указано ранее, секции бурильной колонны, составляющие промежуточный участок 163, могут, таким образом, включать не только цельные секции 109 бурильных труб, но также, например, один или более инструментов бурильной колонны, блоков управления телеметрическим оборудованием и (или) дополнительных зубчатых механизмов 160.

Далее со ссылкой на фиг. 2-5 представлено описание конструкции и функционирования зубчатых механизмов 160, осуществляющих функции селективного изменения частоты вращения. Каждый зубчатый механизм 160 выполнен с возможностью селективного переключения между режимом сцепления, в котором указанный механизм обеспечивает получение измененной частоты вращения бурильной колонны на выходе указанного механизма, и режимом расцепления, в котором указанный механизм без изменения передает крутящий момент и вращение от одного конца зубчатого механизма к другому. Фиг. 2A иллюстрирует вариант реализации зубчатого механизма 160a в режиме расцепления, а фиг. 2B иллюстрирует вариант реализации зубчатого механизма 160a в режиме сцепления.

Зубчатый механизм 160a содержит вращающийся входной элемент и вращающийся выходной элемент, представленные в виде пары соосных пустотелых приводных валов, расположенных встык. В данном варианте реализации изобретения указанные приводные валы содержат вал 202 солнечной шестерни и несущий вал 205 планетарной передачи (названный так по причинам, которые будут очевидными из последующего описания). Каждый из приводных валов 202, 205 имеет, в общем, трубчатую форму, и образует проточный канал 207, проходящий насквозь вдоль общей продольной оси. Когда зубчатый механизм 160a установлен в бурильную колонну 108, каждый проточный канал 207 соответствующих приводных валов 202, 205 образует часть внутреннего канала 128 бурильной колонны 108 вдоль ее длины. Проточные каналы 207 имеют одинаковый внутренний диаметр и гидравлически соединены встык. Таким образом, проточные каналы 207 совместно образуют составной непрерывный проточный канал, проходящий сквозь зубчатый механизм 160a, который является, по существу, свободным и имеет одинаковый профиль в поперечном сечении по всей длине. Следует отметить, что в других вариантах реализации изобретения аналогичные зубчатые механизмы могут образовывать непрерывный составной проточный канал, профиль которого в поперечном сечении изменяется по длине проточного канала.

На наружном конце каждого приводного вала 202, 205 (то есть, конце, удаленном от другого приводного вала 205, 202) предусмотрен элемент 209 соединения. В процессе эксплуатации каждый элемент 209 соединения обеспечивает соединение приводных валов 202, 205 со смежной секцией 109 бурильной трубы (или в других вариантах реализации изобретения - со смежной секцией бурильной колонны) для образования соединения, через которое может передаваться крутящий момент и вращение бурильной колонны. Следует отметить, что на фиг. 2A и 2B отдельно проиллюстрирован зубчатый механизм 160a, который, таким образом, обеспечивает возможность присоединения смежных верхней и нижней секций 109 бурильных труб к валу 202 солнечной шестерни и несущему валу 205 планетарной передачи, соответственно.

В данном варианте реализации изобретения элемент 209 соединения предусматривает применение резьбового муфтового соединения, в котором один элемент 209 соединения ввинчивается по принципу соединения муфта-ниппель в ответный элемент 209 соединения. Элемент 209 соединения зубчатого механизма 160a содержит пару сопряженных элементов 209 соединения (например, элементов с наружной и внутренней резьбой) для обеспечения совместимости и разъемного соосного размещения зубчатого механизма 160a в бурильную колонну 108. Возможность сопряжения элементов 209 соединения позволяет также выполнить стыковое соединение двух или более зубчатых механизмов 160, если для изменения частоты вращения требуется большее передаточное число, чем передаточное число, обеспечиваемое одним зубчатым механизмом 160. Кроме того, предполагается, что вращение приводных валов 202, 205 осуществляется по часовой стрелке при рассмотрении в направлении забоя скважины. Предполагается, что данное согласованное направление вращения сохраняется независимо от того, что зубчатый механизм 160 осуществляет повышение частоты вращения, снижение частоты вращения, находится в режиме сцепления или в режиме расцепления.

Как видно из представленного далее описания, один из приводных валов 202, 205 в процессе эксплуатации служит в качестве входного элемента или входного вала, а второй приводной вал 202, 205 служит в качестве выходного элемента или выходного вала. Выполнение зубчатым механизмом 160 функции повышающей передачи (предназначенной для увеличения частоты вращения) или понижающей передачи (предназначенной для уменьшения частоты вращения) определяется тем, какой из валов функционирует в качестве входного вала: вал 202 солнечной шестерни или несущий вал 205 планетарной передачи. Поскольку крутящий момент и вращение бурильной колонны обычно передаются по направлению к забою скважины, а создаются на буровой вышке 112, приводной вал 202, 205, размещенный на верхнем конце конкретного зубчатого механизма 160, обычно функционирует в качестве входного вала. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 1, зубчатые механизмы пары зубчатых механизмов 160 являются, по существу, подобными, но имеют противоположную ориентацию. Верхний зубчатый механизм 160a ориентирован с учетом выполнения функции понижающей (частоту вращения) передачи, а нижний зубчатый механизм 160b ориентирован с учетом выполнения функции передачи, повышающей частоту вращения бурильной колонны. Фиг. 2 иллюстрирует верхний зубчатый механизм 160a в рабочей ориентации понижающей передачи с валом 202 солнечной шестерни, расположенным на верхнем конце. В некоторых вариантах реализации изобретения зубчатые механизмы 160 могут быть реверсивными, так чтобы конкретный зубчатый механизм 160 мог использоваться в качестве повышающей или понижающей передачи в зависимости от выбора на месте ориентации, в которой он устанавливается в бурильной колонне 108.

Однако в данном варианте реализации изобретения каждый зубчатый механизм 160 выполнен с возможностью осуществления функции понижающей или повышающей передачи в зависимости от конструкции элементов 209 соединения. Например, верхний зубчатый механизм 160a выполнен с возможностью осуществления функции понижающей передачи, поскольку элемент 209 соединения на валу 202 солнечной шестерни имеет внутреннюю резьбу, а ответный элемент 209 соединения на несущем валу 205 планетарной передачи имеет наружную резьбу. Нижний зубчатый механизм 160b (отдельно не проиллюстрирован) по конструкции является идентичным верхнему зубчатому механизму 160a, за исключением того, что его несущий вал 205 планетарной передачи имеет элемент 209 соединения с внутренней резьбой (который, соответственно, предназначен для размещения в бурильную колонну 108 таким образом, что несущий вал 205 планетарной передачи находится на верхнем конце устройства), а вал 202 солнечной шестерни имеет элемент 209 соединения с наружной резьбой.

Каждый зубчатый механизм 160 содержит передаточный механизм, предназначенный для передачи крутящего момента и вращения от входного вала к выходному валу. Передаточный механизм содержит планетарную передачу, содержащую набор планетарных шестерен 211, установленных на несущем валу 205 планетарной передачи. Таким образом, несущий вал 205 планетарной передачи служит в качестве несущего вала планетарной передачи. Планетарные шестерни 211 установлены на верхнем конце несущего вала 205 планетарной передачи, распределены с интервалами по окружности на одинаковые расстояния и расположены вокруг главной продольной оси 248 зубчатого механизма 160 на одинаковом радиусе (см. фиг. 3). Каждая планетарная шестерня 211 выполнена с возможностью вращения относительно несущего вала 205 планетарной передачи на соответствующей оси 213 планетарной шестерни, проходящей в продольном направлении параллельно главной продольной оси 248. Ось кольца, описываемого осями 213 набора планетарных шестерен 211, совпадает с про