ГИДРОПРИВОД Российский патент 1995 года по МПК F04B9/10 E21B23/00 F15B15/00 

Изобретение относится к скважинному оборудованию нефтегазовой промышленности, в частности к гидравлическим и гидромеханическим объемным машинам.

Наиболее близким по технической сущности является гидропривод, содержащий корпус с перегородкой и каналами подвода рабочей среды и слива, нагруженный полый плунжер, установленный с возможностью периодического взаимодействия с подпружиненным относительно перегородки корпуса штоком, выполненным со сквозным каналом, и снабженный клапанным затвором [1]
Конструкция гидропривода обеспечивает работу только при больших расходах рабочей среды, т.е. на гидрооборудовании, применяемом при бурении скважины, которое отсутствует во всех других периодах работ на скважине. Рабочий цикл устройства сопровождается созданием в системе запитки гидравлических ударов, что отрицательно влияет на долговечность и надежность скважинного оборудования.

Цель изобретения устойчивая и надежная работа гидропривода в загрязненных средах.

Цель достигается гидроприводом, содержащим корпус с перегородкой и каналами подвода рабочей среды и слива, нагруженный полый плунжер, установленный с возможностью периодического взаимодействия с подпружиненным относительно перегородки корпуса штоком, выполненным со сквозным каналом, и снабженный клапанным затвором, в котором, согласно изобретению, шток выполнен ступенчатым, а клапанный затвор гидравлически неуравновешенным, корпус выполнен со ступенчатой торцовой расточкой для размещения штока, при этом меньшая ступень расточки сообщена со сливом, канал подвода рабочей среды выполнен в боковой стенке большей ступени расточки, глубина которой меньше свободного хода штока до начала взаимодействия с пружиной, а длину ступени штока, взаимодействующей с большей ступенью расточки, выбирают из условия сохранения перекрытия ею канала подвода рабочей среды в крайнем положении штока.

В выходной части большей ступени расточки может быть поставлено плавающее дроссельное кольцо. В большей ступени расточки с обеих сторон от канала запитки могут быть установлены плавающие дроссельные кольца. Большая ступень расточки со стороны ее дна может быть сообщена с источником рабочей среды через сбросовый клапан. В канале запитки рабочей средой может быть установлен нормально открытый клапан, а большая ступень расточки со стороны ее дна может быть сообщена с источником рабочей среды через нормально закрытый клапан. Канал запитки рабочей средой может быть сообщен со сливом через регулируемый нормально закрытый сбросово-отсечной клапан, а большая ступень расточки со стороны ее дна может быть сообщена с источником рабочей среды через нормально закрытый клапан.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема гидропривода; на фиг.2 изображен фрагмент системы распределения рабочей среды, поступающей в гидропривод, т.е. в сопряжение большей ступени штока с расточкой; на фиг.3 фрагмент системы распределения рабочей среды, снабженный плавающим дроссельным кольцом; на фиг. 4 фрагмент системы распределения рабочей среды, включающей плавающие дроссельные кольца, установленные с обеих сторон от канала запитки рабочей средой; на фиг.5 фрагмент системы распределения рабочей среды гидропривода, в котором большая ступень расточки со стороны ее дна сообщена с источником рабочей среды через сбросовый клапан; на фиг.6 фрагмент системы распределения рабочей среды, включающий нормально открытый клапан в канале запитки гидропривода и канал сообщения через нормально закрытый клапан большей ступени расточки с источником рабочей среды; на фиг.7 фрагмент системы распределения рабочей среды гидропривода, в котором канал запитки рабочей средой сообщен со сливом через регулируемый нормально закрытый сбросово-отсечной клапан, а большая ступень расточки со стороны ее дна сообщена с источником рабочей среды через нормально закрытый клапан.

Гидропривод содержит корпус 1 с каналом 2 для запитки рабочей средой внутреннего пространства 3 гидропривода, в котором смонтированы полый плунжер 4, нагруженный пружиной, средой или собственным весом (на фиг. не показано), ступенчатый шток 5 и ступенчатая расточка 6 для штока. Для плунжера 4 и штока 5 место стыковки в зависимости от режима работы может быть фиксированным (например, в ударнике для ликвидации прихватов упор 7 наковальня, см. фиг.11 слева) или быть неопределенным (например, в устройствах для создания депрессии, см. фиг.1 справа). Шток 5 ступенчатый, так как снабжен в средней части ступенью 8 большего диаметра. Для стыковки с плунжером (торец 9 которого выполнен в виде клапанного седла) шток 5 снабжен гидравлически неуравновешенным затвором 10 и сквозным каналом 11. Шток меньшей ступенью 12 и ступенью 8 большего диаметра расположен в ступенчатой расточке 6, меньшая ступень которой сообщена со сливом 13, а большая ступень-полость 14 сообщена каналом 2 с источником рабочей среды (на фиг. не показан). С другой стороны штока установлена пружина 15 между перфорированной перегородкой 16 корпуса и выступом 17 на теле штока. Причем выступ 17 может быть совмещен с дном ступени 8 (см. фиг. 2-4). Перегородка 16 и расточка 6 являются направляющими штока. Длина большей ступени 14 расточки 6 (полости 14) меньше максимальной длины хода штока 5 до его взаимодействия с противоположно направленным упругим средством, т. е. когда ступень 8 перемещается от дна полости 14 до взаимодействия выступом 17 с пружиной 15. При этом затвор 10 располагается у седла на торце 9 плунжера, где между ними возникают силы гидравлического взаимодействия. Длина пружины 15 от перегородки 16 должна удовлетворять следующему: длина полости 14 (большей ступени 14 расточки 6) меньше максимального хода штока к взаимодействию с пружиной 15. При этом торец ступени 8 должен выйти из полости 14, а шток вступить во взаимодействие затвором 10 с торцом 9 (седлом) плунжера. Упругие средства (пружина 15 и рабочая среда), которыми снабжен шток, не исключают возможность периодического взаимодействия штока с плунжером. Соотношение для полости 14 и максимального хода штока 5 до его взаимодействия с пружиной 15 обеспечивает перемещение штока к взаимодействию с плунжером без сопротивления пружины и одновременно свободный выход рабочей среды в пространство 3 гидропривода. Канал 2 подведен в среднюю часть полости 14, вследствие чего часть полости 14 от канала в сторону дна выполняет функцию торможения, а выходная часть полости 14 от канала до торца расточки 6 выполняет функцию дросселя и предназначена для управления силой торможения и величиной нагрузки на шток при трогании с места.

По длине ступень 8 выполнена с возможностью перекрытия (не наглухо) канала 2, когда находится в контакте с дном полости 14. Это обеспечивает сохранение нагрузки на шток при условии, что контакт ступени 8 с дном полости не герметичен.

Конструкция гидропривода обладает широкими возможностями для регулирования его характеристик: скорость штока в направлении стыковки с плунжером можно значительно увеличить, если в выходной части (от канала 2 до торца 18 расточки 6) полости 14 расточки 6 установить плавающее дроссельное кольцо 19 (см. фиг.3); замедление скорости перемещения штока в состыкованное с плунжером положение достигается постановкой плавающих дроссельных колец 20 с обеих сторон от канала 2 (см. фиг.4); торможение штока, обладающего большей энергией, целесообразно осуществить посредством сбросового клапана 21, установленного со стороны дна полости 14 (см. фиг.5); в перерыве между работой в сопряжениях между элементами остается пленка грязи после испарения воды. Вследствие этого запуск устройства невозможен без переборки гидропривода. Запуск становится возможен, если в канале 2 установить нормально открытый клапан 22, а полость 14 расточки со стороны дна сообщить с источником рабочей среды через нормально закрытый клапан 23 (см. фиг.6); при наличии насоса, развиваемое давление которого значительно превосходит нужное для работы гидропривода, целесообразно иметь вариант, в котором канал 2 сообщен со сливом через регулируемый нормально закрытый сбросово-отсечной клапан 24, а полость 14 расточки со стороны ее дна сообщена с источником рабочей среды через нормально закрытый клапан 25.

Гидропривод работает следующим образом. В исходном положении под действием нагрузки (на фиг. не показана) плунжер 4 находится на упоре 7, а шток 5 выступом 17 взаимодействует с пружиной 15. Если выступ 17 не находится в контакте с пружиной 15, то при подаче рабочей среды шток 5 выходит ступенью 8 из полости 14 (большей ступени расточки 6) и взаимодействует с ней (пружиной 15), а рабочая среда поступает в пространство 3 (фиг.1). Величина силы взаимодействия между штоком и пружиной 15 может быть различной, но больше, чем гидравлическая нагрузка на некомпенсированную площадь затвора 10 при его взаимодействии с седлом. Рабочая среда поступает в пространство 3, которое при несостыкованных плунжере и штоке сообщено со сливом, и, следовательно, давление в ней не возрастает. Начало взаимодействия штока 5 с плунжером начинается с дросселирования среды между седлом и затвором. При этом реализуется гидравлическая некомпенсированность площади затвора: под действием давления среды на разность площадей затвора он хвостовиком ускоренно входит в седло. Со стыковкой штока с плунжером пространство 3 отсекается от слива 13, давление в ней продолжает возрастать и, воздействуя на торец 9, перемещает плунжер 4 совместно со штоком 5. При этом перемещении пружина 15 (через выступ 17) нагружает шток 5, в определенный момент отрывает шток от плунжера и забрасывает в расточку 6. Открывается канал 11, сообщенный со сливом, давление на обоих торцах плунжера выравнивается и плунжер под действием нагрузки возвращается на упор 7.

При движении ступени 8 в полость 14 расточки осуществляются торможение и остановка штока, при этом контакта с дном полости 14 может не быть ввиду возможности сообщения штоку различной величины энергии, зависящей от режима работы. Режим работы зависит от вязкости рабочей жидкости (техническая вода, эмульсия, буровой раствор и т.д.), от наличия загрязнений, от взаимодействия при обратном ходе с плунжером, от газодинамических проявлений в скважине в зоне работы, в том числе и от создаваемого разрежения в зоне обработки.

Под действием давления рабочей среды ступень 8 выходит из полости 14 и шток вступает во взаимодействие с пружиной 15 (выступом 17) и с седлом (затвором 10). Перетечка среды по каналу 11 сокращается, и под действием давления среды на некомпенсированную площадь затвора 10 его хвостовик ускоренно входит в седло на торце 9 плунжера. Пространство 3 отсекается от слива 13, и плунжер со штоком перемещаются вместе, при этом пружина 15 нагружает шток и т.д.

Для ряда устройств упор 7 не нужен. Например, в случае устройства для создания депрессии наличие жестко фиксированного положения плунжера нецелесо- образно из-за динамической нагрузки на пакеры. Ввиду того, что плунжер 4, перемещаясь в сторону штока 5, может иметь различную энергию, район стыковки растягивается. Надежность стыковки при этом не снижается (см. фиг.1 справа).

Возможность повышения нагрузки на шток (через повышение давления рабочей среды) до необходимой величины позволяет промыть устройство, не разбирая его. Для этого побуждают устройство некоторое время работать в чистой воде. В процессе этой работы чистая вода промывает сопряжения от грязи.

Гидропривод может работать в составе самых разных устройств (гидроударники для ликвидации прихватов, гидронасосы, устройства для очистки призабойной зоны скважины, устройства для создания депрессии на продуктивный слой скважины и др.) в широком диапазоне режимов. Поэтому от гидропривода требуются такие же широкие возможности по регулированию его параметров.

Сокращение времени возврата в состыкованное положение с плунжером (это достигается установкой плавающего дроссельного кольца 91 в выходной части от канала 2 до торца 18 расточки) полости 14 расточки 6. Дроссельное кольцо частично закрывает выход рабочей среды из полости 14, вследствие чего увеличивается давление на ступень 8 и возрастает скорость штока.

Уменьшение скорости штока для обеспечения стыковки с плунжером в момент возврата его в район стыковки достигается установкой пары дроссельных колец 20 по одному с каждой стороны от канала 2 (см. фиг.4). Дроссельные кольца снижают поступление рабочей среды, вследствие чего давление на торец ступени 8 уменьшается, обеспечивая соответствующее снижение скорости штока.

Работа в скважинах с газодинамическими явлениями связана с передачей штоку от плунжера больших импульсов энергии. Для эффективного торможения штока полость 14 расточки 6 сообщена с источником рабочей среды через сбросовый клапан. Движущийся с повышенной скоростью шток сжимает рабочую среду, давление растет выше насосного и тогда часть среды сбрасывается через клапан 21 (см. фиг.5). В результате выдерживается запланированный путь торможения и, следовательно, обратный путь до стыковки с плунжером.

Если в канале 2 гидропривода установлен нормально открытый клапан 22, а полость 14 расточки сообщена с источником рабочей среды через нормально зарытый клапан 23, то обеспечивается запуск его.

С устья скважины подают импульс давления. Нормально открытый клапан 22 закрывается, но открывается нормально закрытый клапан 23. Импульс давления воздействует на торец ступени 8, страгивает шток 5 с места и т.д. уже при обычном давлении жидкости.

В случае, если имеющийся насос развивает давление, значительно превышающее оптимальное для работы устройства, целесообразно иметь гидропривод, в котором канал 2 сообщен со сливом через регулируемый нормально закрытый сбросово-отсечной клапан 24, а полость 14 расточки со стороны ее дна сообщена с источником рабочей среды через нормально закрытый клапан 25. В таком гидроприводе часть жидкости, поступающей под повышенным давлением, уходит на слив. Устройство же работает при том давлении жидкости, на которое оно рассчитано. Режим использования рабочей среды неэффективный, поэтому используется в полевых условиях эксплуатации устройства, так как обеспечивается его работа имеющимся оборудованием.

Широкие возможности по регулированию гидропривода осуществляются при помощи сменных узлов.

Использование: в гидравлических и гидромеханических объемных машинах. Сущность изобретения: нагруженный полый плунжер установлен с возможностью периодического взаимодействия с подпружиненным относительно перегородки корпуса штоком, выполненным со сквозным каналом и снабженным клапанным затвором. Шток выполнен ступенчатым, клапанный затвор - гидравлически неуравновешенным. Корпус выполнен со ступенчатой торцовой расточкой для размещения штока. Меньшая ступень расточки сообщена со сливом. Канал подвода рабочей среды выполнен в боковой стенке большей ступени расточки, глубина которой меньше свободного хода штока до начала взаимодействия с пружиной. Длину ступени штока, взаимодействующей с большей ступенью расточки, выбирают из условий сохранения перекрытия ею начала подвода среды в крайнем положении штока. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. ГИДРОПРИВОД, содержащий корпус с перегородкой и каналами подвода рабочей среды и слива, нагруженный полый плунжер, установленный с возможностью периодического взаимодействия с подпружиненным относительно перегородки корпуса штоком, выполненным со сквозным каналом и снабженным клапанным затвором, отличающийся тем, что шток выполнен ступенчатым, а клапанный затвор гидравлически неуравновешенным, корпус выполнен со ступенчатой торцевой расточкой для размещения штока, при этом меньшая ступень расточки сообщена со сливом, канал подвода рабочей среды выполнен в боковой стенке большей ступени расточки, глубина которой меньше свободного хода штока до начала взаимодействия с пружиной, а длину ступени штока, взаимодействующей с большей ступенью расточки, выбирают из условий сохранения перекрытия ею канала подвода рабочей среды в крайнем положении штока. 2. Гидропривод по п.1, отличающийся тем, что в выходной части большей ступени расточки смонтировано "плавающее" дроссельное кольцо. 3. Гидропривод по п.1, отличающийся тем, что в большей ступени расточки с обеих сторон канала запитки установлены "плавающие" дроссельные кольца. 4. Гидропривод по п.1, отличающийся тем, что большая ступень расточки со стороны ее дна сообщена с источником рабочей среды через сбросовый клапан. 5. Гидропривод по п.1, отличающийся тем, что в канале запитки рабочей средой установлен нормально открытый клапан, а большая ступень расточки со стороны ее дна сообщена с источником рабочей среды через нормально закрытый клапан. 6. Гидропривод по п.1, отличающийся тем, что канал запитки сообщен со сливом через регулируемый нормально закрытый сбросово-отсечной клапан, а большая ступень расточки со стороны ее дна сообщена с источником рабочей среды через нормально закрытый клапан.