ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ОТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 2000 года по МПК E21B17/07 

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к гидроакустическим отражателям, предназначенным для отражения и возвращения к забою распространяющихся по гидроканалу внутри бурильных труб гидроакустических импульсов, генерируемых при работе долота на забое. Возвращение к забою гидроакустических импульсов позволяет использовать их энергию для повышения эффективности бурения, в частности путем регулирования осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент.

Известен пневмогидравлический амортизатор [1], который может быть использован и в качестве гидроакустического отражателя. Он содержит корпус с верхним и нижним переводниками для связи с бурильной колонной, а между стенками корпуса установлен плавающий поршень, образующий с ними газовую камеру.

Недостатками известного устройства является то, что образующиеся при работе долота механические вибрации и пульсации промывочной жидкости в виде гидроакустических импульсов воспринимаются одним и тем же элементом - нижним переводником, от которого они передаются плавающему кольцевому поршню, в результате чего гидроакустические импульсы искажаются вибрацией бурильной колонны. Это затрудняет использование энергии отраженной волны для повышения эффективности бурения, например, путем регулирования динамической нагрузки на породоразрушающий инструмент.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является гидроакустический отражатель, включающий корпус с верхним и нижним переводниками для жесткой связи с бурильной колонной, коаксиально расположенную втулку с каналом для прохода промывочной жидкости и плавающий кольцевой поршень, образующий совместно с корпусом, верхним переводником и втулкой заполненную сжатым газом герметичную камеру, подпоршневая полость которой гидравлически связана с каналом втулки [2].

В описанном отражателе для герметизации газовой камеры используются уплотнительные элементы, закрепляемые на поршне, и жидкая смазка, например дизельное масло.

Недостатком этого устройства является следующее. В процессе работы в скважине абразивные частицы, имеющиеся в промывочной жидкости, попадают между наружной стенкой втулки, внутренней поверхностью корпуса и контактирующими с ними боковыми поверхностями поршня. Это может привести к заклиниванию поршня с последующим резким снижением КПД отражателя или образованию на наружной стенке втулки и внутренней поверхности корпуса микроканалов, по которым жидкая смазка и сжатый газ постепенно вытекают из напорной камеры. При этом давление в газовой камере понижается и на практике нередко наблюдаются случаи смятия корпуса. В результате гидроакустический отражатель не только не выполняет своего предназначения, но и может создать аварийную ситуацию.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение долговечности и надежности гидроакустического отражателя и как следствие этого - повышение эффективности бурения скважин за счет использования гидроакустических импульсов в течение всего времени работы породоразрушающего инструмента.

Указанный технический результат достигается тем, что в гидроакустическом отражателе, включающем корпус с верхним и нижним переводниками для жесткой связи с бурильной колонной, коаксиально расположенную втулку с каналом для прохода промывочной жидкости и плавающий кольцевой поршень, образующий совместно с корпусом, верхним переводником и втулкой заполненную сжатым газом герметичную камеру, подпоршневая полость которой гидравлически связана с каналом втулки, согласно изобретению, плавающий кольцевой поршень выполнен из вязкоупругого материала, например двойного сополимера, а гидравлическая связь между подпоршневой полостью и каналом втулки выполнена в виде радиальных отверстий в нижней части втулки, причем диаметр отверстий выбран из условия непроходимости через них вязкоупругого материала поршня.

Достижению указанного результата способствует также и то, что нижняя часть втулки размещена в полости нижнего переводника, при этом верхний торец последнего расположен ниже радиальных отверстий втулки.

На чертеже показан общий вид гидроакустического отражателя.

Гидроакустический отражатель включает трубчатый корпус 1, жестко соединенный с верхним и нижним переводниками 2 и 3, коаксиально расположенную втулку 4 и размещенный между корпусом 1 и втулкой 4 кольцевой поршень 5, выполненный из вязкоупругого материала, например двойного сополимера ССАНМА. Верхний конец втулки 4 соединен с переводником 2, а нижний - свободно размещен в полости переводника 3 и выполнен с радиальными отверстиями 6, расположенными по периметру над верхним торцом нижнего переводника 3. Диаметр отверстий 6 выбран из условия непроходимости через них вязкоупругого материала кольцевого поршня 5. Корпус 1, втулка 4 и кольцевой поршень 5 совместно с верхним и нижним переводниками 2 и 3 образуют две камеры, верхняя 7 из которых заполнена сжатым газом, а нижняя 8 - промывочной жидкостью. Закачка сжатого газа осуществляется через специальный канал 9, выполненный в верхнем переводнике 2 и оснащенный запорным устройством 10. При этом с целью повышения эффективности работы устройства за счет отражения большей части гидроакустических импульсов от кольцевого поршня 5 и уменьшения их потерь соотношение площадей поперечного сечения плавающего кольцевого поршня 5 и гидроканала 11 втулки 4 выбирается равным 3-5. Это обеспечивает отражение более 75 % гидроакустических импульсов, дошедших до отражателя. Для фиксации поршня 5 в нижнем положении может быть использовано любое стопорное устройство (не показано). Отражатель устанавливается в нижней части бурильной колонны вблизи породоразрушающего инструмента.

Гидроакустический отражатель работает следующим образом. Перед его спуском в скважину верхнюю камеру 7 через канал 9 заполняют сжатым газом, например азотом, давление которого выбирают в зависимости от интервала использования отражателя, т.е. в зависимости от давления находящейся в затрубном пространстве промывочной жидкости, сообщающейся с полостью газовой камеры 7 через запорное устройство 10, выполненное, например, в виде обратного клапана. В процессе работы породоразрушающий инструмент генерирует гидроакустические импульсы, которые распространяются по гидроканалу вверх. Дойдя до кольцевого поршня 5, значительная часть (более 75%) гидроакустических импульсов отражается от границы плавающего поршня 5 со сжатым газом и направляется обратно по гидроканалу 11 в сторону забоя скважины. При этом благодаря отсутствию жесткой связи поршня 5 с корпусом 1 исключается искажение гидроакустических импульсов вибрацией бурильной колонны, что позволяет использовать отраженную волну для повышения эффективности работы породоразрушающего инструмента путем регулирования динамической составляющей осевой нагрузки, создаваемой гидроакустическими импульсами. Кроме того, предложенная конструкция отражателя обеспечивает дополнительное повышение эффективности бурения за счет надежной герметизации газовой камеры 7 благодаря изготовлению плавающего поршня 5 из вязкоупругого материала, например, суспензионного сополимера акрилонитрила с метилакрилатом (ССАНМА), который плотно заполняет все образующиеся зазоры между поршнем 5 и контактирующими с ним стенками корпуса 1 и втулки 4. Это повышает надежность работы отражателя за счет исключения смятия корпуса 1, наблюдаемого в прототипе из-за утечек газа, и как следствие этого значительного перепада давления между полостью камеры 7 и затрубным пространством.

Повышению эффективности работы отражателя способствует также и увеличение полезной емкости газовой камеры 7 благодаря исключению слоя жидкой смазки, используемой в прототипе в качестве уплотнения и расположению радиальных отверстий 6 в нижней части втулки непосредственно над верхним торцом переводника 3. При этом за счет выполнения гидравлической связи между подпоршневой камерой 8 и каналом 11 втулки 4 в виде радиальных отверстий 6 малого сечения исключается вероятность затекания двойного сополимера в нижнюю камеру 8, что повышает долговечность и надежность работы отражателя.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 312038, кл. E 21 B 17/07, 1971.

2. Патент РФ N 2035584 C1, кл. E 21 B 17/07, 1995.

Использование: при бурении скважин для отражения и возвращения к забою по гидроканалу бурильной колонны гидроакустических импульсов, генерируемых в процессе работы породоразрушающим инструментом. Сущность изобретения: отражатель содержит корпус с верхним и нижним переводниками, коаксиально расположенную втулку и размещенный между корпусом и втулкой кольцевой поршень, выполненный из вязкоупругого материала, например двойного сополимера ССАНМА. Кольцевой поршень совместно с верхним переводником, корпусом и втулкой образуют две камеры, верхняя из которых заполнена сжатым газом, например азотом, а другая -промывочной жидкостью, поступающей туда через радиальные отверстия в нижней части втулки. Отверстия выполнены по периметру втулки и имеют диаметр, выбираемый из условия непроходимости через них вязкоупругого материала. В процессе работы породоразрушающий инструмент генерирует гидроакустические импульсы, которые по гидроканалу внутри бурильной колонны распространяются от забоя до плавающего поршня и отражаются обратно в сторону забоя, где они используются для регулирования осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Использование в качестве материала для кольцевого поршня вязкоупругого материла позволяет повысить надежность работы отражателя как за счет исключения утечек газа, так и за счет увеличения полезного объема устройства под газовую камеру. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Гидроакустический отражатель, включающий корпус с верхним и нижним переводниками для жесткой связи с бурильной колонной, коаксиально расположенную втулку с каналом для прохода промывочной жидкости и плавающей кольцевой поршень, образующий совместно с корпусом, верхним переводником и втулкой заполненную сжатым газом герметичную камеру, подпоршневая полость которой гидравлически связана с каналом втулки, отличающийся тем, что плавающий кольцевой поршень выполнен из вязкоупругого материала, например двойного сополимера, а гидравлическая связь между подпоршневой полостью и каналом втулки выполнена в виде радиальных отверстий в нижней части втулки, причем диаметр отверстий выбран из условия непроходимости через них вязкоупругого материала поршня. 2. Гидроакустический отражатель по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть втулки размещена в полости нижнего переводника, при этом верхний торец последнего расположен ниже радиальных отверстий втулки.