ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК E21B17/07 

Изобретение относится к области бурения скважин, а точнее к гидроакустическим отражателям, которые предназначены для отражения и возвращения к забою распространяющихся по гидроканалу внутри бурильной колонны гидроакустических импульсов, генерируемых при работе долота на забое. Возвращение к забою гидроакустических импульсов позволяет использовать их энергию для повышения эффективности бурения, в частности для регулирования нагрузки на породоразрушающий инструмент.

Известен гидроакустический отражатель, представляющий собой соединение элементов бурильной колонны с различной площадью поперечного сечения гидроканала, например соединение корпуса турбобура с утяжеленными бурильными трубами [1] В этом гидроакустическом отражателе гидроакустические импульсы частично отражаются в месте перехода между гидроканалами с различной площадью поперечного сечения, так как волновое сопротивление гидроканала пропорционально площади его поперечного сечения, а, как известно, отражающим экраном является любая граница двух систем или элементов с различным волновым сопротивлением. Чем больше отношение площадей поперечного сечения гидроканалов, тем выше коэффициент отражения экрана, характеризующий его отражающую способность.

Однако коэффициент отражения известного гидроакустического отражателя относительно низкий, что является его недостатком. Более высокий коэффициент отражения обеспечивается при отражении гидроакустических импульсов от границы гидроканала с воздухом (газом).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является пневмогидравлический амортизатор, который может быть использован и в качестве гидроакустического отражателя. Он содержит корпус с верхним и нижним переводниками для связи с бурильной колонной, коаксиально расположенные наружную и внутреннюю стенки, жестко связанные с верхним переводником. Между стенками корпуса установлен плавающий кольцевой поршень, образующий с ними герметичную газовую камеру над верхним своим торцом. Полость под нижним торцом поршня гидравлически связана с гидроканалом корпуса [2]
Недостаток этого известного устройства заключается в следующем. В процессе работы долота на забое одновременно генерируются механические вибрации, которые распространяются по бурильной колонне, и пульсации промывочной жидкости, которые в виде гидроакустических импульсов распространяются по гидроканалу внутри бурильной колонны. Гидроакустические импульсы, распространяющиеся по гидроканалу, и вибрации бурильной колонны воспринимаются одним и тем же элементом нижним переводником, от которого они передаются плавающему кольцевому поршню и отражаются от границы поршня со сжатым газом. Отраженная волна представляет собой сумму гидроакустических импульсов и вибрации. Из-за разности скоростей распространения вибрации и гидроакустических импульсов сдвиг фаз между ними при отражении не остается постоянным. В результате отраженная волна в гидроканале имеет сложный, меняющийся во времени характер, что крайне затрудняет использование ее энергии для повышения эффективности бурения, например, путем регулирования динамической нагрузки на породоразрушающий инструмент.

Цель изобретения повышение эффективности бурения скважин за счет возвращения к забою по гидроканалу гидроакустических импульсов, не искаженных вибрацией бурильной колонны.

Поставленная цель достигается за счет того, что в гидроакустическом отражателе, включающем корпус с верхним и нижним переводниками для связи с бурильной колонной, коаксиально расположенные наружную и внутреннюю стенки, жестко связанные с верхним переводником, расположенный между стенками плавающий кольцевой поршень, образующий с ними герметичную газовую камеру над одним торцом поршня и полость под другим его торцом, гидравлически связанную с гидроканалом корпуса. Наружная стенка корпуса жестко связана с нижним переводником.

На чертеже показан гидроакустический отражатель, общий вид.

Гидроакустический отражатель включает в себя наружную стенку 1 корпуса, верхняя часть которого жестко скреплена с верхним переводником 2 для соединения с расположенной выше устройства частью бурильной колонны, а нижняя часть с нижним переводником 3 для соединения с расположенной ниже частью бурильной колонны. К верхнему переводнику 2 присоединена верхняя часть внутренней стенки 4 корпуса, расположенной коаксиально внутри наружной стенки 1. Между наружной стенкой 1 и внутренней стенкой 4 размещен плавающий кольцевой поршень 5 с уплотнительными элементами 6. Для ограничения хода плавающего кольцевого поршня 5 на нижней части внутренней стенки 4 установлено упорное кольцо 7 с каналом 8 для прохода промывочной жидкости, гидравлически связывающим подпоршневую полость с внутренней полостью корпуса. Наружная стенка 1, верхний переводник 2, внутренняя стенка 4 и поршень 5 образуют камеру 9, заполненную сжатым газом. Для отражения возможно большей части гидроакустических импульсов от поршня 5 и потери возможно меньшей части импульсов, уходящих через гидроканал внутренней стенки 4, поршень 5 и внутренняя стенка 4 конструктивно выполнены так, что величина отношения площади поперечного сечения поршня 5 к площади гидроканала во внутренней стенке 4 находится в диапазоне от 3 до 5. Для предотвращения утечки газа камера 9 заполнена слоем жидкой смазки 10, например дизельного масла. Для закачки в камеру 9 жидкой смазки 10 и сжатого газа в верхнем переводнике 2 выполнены специальный канал 11 с запорным устройством 12.

Гидроакустический отражатель работает следующим образом.

Перед спуском камера 9 через канал 11 заполняется жидкой смазкой 10 и сжатым газом, например азотом, давление которого равно среднему гидроакустическому давлению в скважине в интервале применения устройства, после чего гидроакустический отражатель в компоновке бурильной колонны спускается в скважину.

В процессе бурения вибрации бурильной колонны, распространяющиеся от долота, проходят через нижний переводник 3, наружную стенку 1 корпуса и верхний переводник 2, жестко соединенные между собой, и распространяются дальше по бурильной колонне, расположенной выше гидроакустического отражателя. Вибрации не достигают плавающего кольцевого поршня 5 и не отражаются в гидроканал. Одновременно гидроакустические импульсы по гидроканалу внутри бурильной колонны и гидроакустического отражателя распространяются от забоя до плавающего кольцевого поршня 5 и отражаются от границы со сжатым газом в камере 9 обратно в гидроканал, по которому возвращаются к забою.

Так как площадь поперечного сечения плавающего кольцевого поршня 5 в 3-5 раз больше площади поперечного сечения гидроканала внутри внутренней стенки 4, то в гидроканал отражается более 75% гидроакустических импульсов, дошедших до гидроакустического отражателя.

В результате по гидроканалу к забою возвращаются отраженные от границы со сжатым газом (т. е. максимальным коэффициентом отражения) гидроакустические импульсы, не искаженные вибрацией бурильной колонны, которые обеспечивают повышение эффективности бурения, например, за счет регулирования динамической нагрузки на долото известными способами. Кроме того, предлагаемая конструкция гидравлического отражателя может быть использована для решения других задач, где требуется экран, эффективно отражающий гидроакустические импульсы, генерируемые в промывочной жидкости, и одновременно пропускающий механические вибрации бурильной колонны.

Использование: при бурении глубоких скважин в компоновке нижней части бурильной колонны для отражения и возвращения к забою распространяющихся по гидроканалу внутри бурильной колонны гидроакустических импульсов, генерируемых при работе долота на забое. Сущность изобретения: гидроакустический отражатель включает корпус с наружной и внутренней коаксиально расположенными стенками, жестко связанными в верхней части с переводником бурильной колонны. Между стенками корпуса расположен кольцевой плавающий поршень, образующий с корпусом камеру, заполненную газом и полость, гидравлически связанную с внутренним гидроканалом корпуса. Наружная стенка корпуса жестко связана с нижним переводником. Вибрации, возникающие при бурении, распространяются от долота по бурильной колонне выше гидроакустического отражателя, не отражаясь в гидроканал. На внутренней стенке корпуса под плавающем поршнем установлено ограничительное кольцо с каналами для прохода промывочной жидкости. Гидроакустические импульсы по гидроканалу внутри бурильной колонны распостраняются от забоя до плавающего поршня и отражаются от границы раздела со сжатым газом обратного в гидроканал. Площадь поперечного сечения плавающего кольцевого поршня в 3 - 5 раз больше площади поперечного сечения гидроканала внутренней стенки корпуса, что обеспечивает отражение 75% гидроакустических импульсов, дошедших до гидроакустического отражателя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ОТРАЖАТЕЛЬ, включающий корпус с верхним и нижним переводниками для связи с бурильной колонной, коаксиальные наружную и внутреннюю стенки, жестко связанные с верхним переводником, расположенный между упомянутыми стенками плавающий кольцевой поршень, образующий с ними герметичную газовую камеру над одним торцом поршня и полость под другим его торцом, гидравлически связанную с гидроканалом корпуса, отличающийся тем, что наружная стенка корпуса жестко связана с нижним переводником. 2. Отражатель по п.1, отличающийся тем, что часть газовой камеры заполнена жидкой смазкой.