ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЯС Российский патент 2007 года по МПК E21B31/113 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для создания ударных нагрузок, направленных вверх и вниз, с целью освобождения прихваченной части бурильной колонны в вертикальных, наклонно направленных и горизонтальных участках скважин.

Известен гидравлический бурильный яс двойного действия, включающий трубчатый корпус и оправку, телескопически соединенные между собой, корпус содержит шлицы на внутренней поверхности, внутренние выступы-наковальни, первый уплотнитель со стороны первого торца, а оправка содержит шлицы на наружной поверхности под шлицы корпуса, поясок увеличенного диаметра, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями корпуса, а также второй уплотнитель, размещенный в ударнике со стороны второго торца корпуса, образующие камеру рабочей жидкости, а также содержащий кольцевой клапан, установленный в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость и расположенной внутри корпуса, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана плотно контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двух упоров, выступающих от внутренней поверхности корпуса, а также содержащий ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с одной из секций камеры рабочей жидкости, включающий, по меньшей мере, один перепускной клапан, размещенный в кольцевом клапане, который ограничивает течение рабочей жидкости внутри одной из секций камеры в одном направлении [1].

Недостатком известной конструкции является сложность контроля нагрузки, направленной вниз, для освобождения оставшегося в скважине долота или освобождения от прихвата части бурильной колонны в наклонно направленных или горизонтальных участках скважины, что объясняется потерей устойчивости (с изменением знака) и трением колонны бурильных труб в местах изменения кривизны скважины, а также неожиданная активизация и самопроизвольное нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны вследствие низкой точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, из-за отсутствия механизма блокировки продольного хода оправки относительно корпуса, вследствие чего повышается также износ внутренних деталей.

Известен гидравлический бурильный яс, состоящий из телескопически установленных друг относительно друга корпуса с уплотнениями у верхнего торца, внутренними выступами-наковальнями и шлицами на внутренней поверхности, и оправки, образующей с корпусом кольцевую полость, заполненную рабочей жидкостью, а также имеющей шлицы на наружной поверхности под шлицы корпуса, кольцевые буртики с цилиндрическими наружными поверхностями и наружный ударный выступ, размещенный между внутренними выступами-наковальнями корпуса, нижний дозирующий механизм, установленный в кольцевой полости между оправкой и корпусом для ограничения потока рабочей жидкости через дозирующий механизм при осевом перемещении оправки, и установленный под нижним дозирующим механизмом в кольцевой полости между оправкой и корпусом "плавающий" поршень с уплотнением [2].

Известный гидравлический яс снабжен верхним дозирующим механизмом, который размещен в кольцевой полости между оправкой и корпусом над нижним дозирующим механизмом, и дополнительными поршнями с уплотнениями, оправка выполнена с дополнительным кольцевым выступом с уплотнением, размещенным между дозирующими механизмами и разделяющим кольцевую полость между ними на нижнюю и верхнюю камеры высокого давления, и кольцевой ступенью с радиальным каналом, размещенной над верхним дозирующим механизмом, при этом дополнительные кольцевые поршни размещены по обе стороны от кольцевой ступени и подпружинены относительно нее.

При этом верхний конец компенсирующей камеры 38 определяется "плавающим" поршнем 37, нижний конец компенсирующей камеры 53 - другим "плавающим" поршнем 56, который смещается вверх с помощью пружины 57 и кольца 58, которые в свою очередь опираются на оправку 54 с помощью втулки 59 и запорного кольца 60. Внутреннее 61 и наружное 62 уплотнительные кольца предотвращают утечку жидкости. Нижняя поверхность поршня 56 сообщается с отверстием 30 оправки с помощью открытой зоны 63. Поршни 56, 31 и 37 обеспечивают выравнивание давления и изменение объема вследствие теплового воздействия, предотвращая при этом разрушение уплотнений высокого давления буровым раствором и загрязнение жидкости в камерах.

Недостатком известной конструкции является сложность контроля нагрузки, направленной вниз (при сжатии колонны), для освобождения от прихвата части бурильной колонны и (или) долота в скважине, что объясняется потерей устойчивости (с изменением знака) и трением изогнутой колонны бурильных труб в местах изменения кривизны наклонно направленной и горизонтальной скважины, а также неожиданная активизация и самопроизвольное нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны из-за отсутствия механизма блокировки продольного хода оправки относительно корпуса, вследствие чего не уменьшается также износ внутренних деталей.

Недостатком известной конструкции является также неполное использование возможности повышения надежности, а также повышения точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, при использовании в составе изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине, например, путем снижения потерь давления жидкости и уменьшения износа поверхностей скольжения при перетекании жидкости через перепускные отверстия в дозирующей гильзе 67, а также в верхнем и нижнем дозирующих узлах 49, 50.

Известен механизм яса, включающий части внешнего элемента (2, 4, 9, 10, 14, 17), части внутреннего элемента (1, 5, 11), закрепляемого на внешнем элементе (2, 4, 9, 10, 14, 17), камеру рабочей жидкости (35, 37, 42), разделяемую частями внутреннего элемента (1, 5, 11) и внешнего элемента (2, 4, 9, 10, 14, 17), и ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) сообщения жидкости с камерой для жидкости (35, 37, 42), при этом внутренние (1, 5, 11) и внешние элементы корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), подвижные относительно друга между первой конструкцией, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), и второй конструкцией, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) в меньшей степени ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), чем в первой конструкции, а ограничивающий механизм содержит два клапанных устройства (58), каждое из которых ограничивает движение жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, при этом клапанные устройства (58) расположены таким образом, чтобы ограничивать движение жидкости в противоположных направлениях [3].

Известный механизм содержит в корпусе первый уплотнитель и шлицы на внутренней поверхности со стороны первого края, в средней части корпус содержит внутренние выступы-наковальни, а со стороны второго края содержит внутреннюю резьбу, например, для соединения с колонной бурильных труб, при этом оправка содержит резьбовой хвостовик и шлицы на наружной поверхности со стороны первого края корпуса, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями корпуса, по меньшей мере, один поршень с вторым уплотнителем со стороны второго края корпуса, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью.

В известном механизме яса ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с камерой для жидкости выполнен в виде пояска увеличенного диаметра оправки и кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двух упоров, выступающих от внутренней поверхности корпуса, а в кольцевом клапане установлен, по меньшей мере, один перепускной клапан, ограничивающий течение рабочей жидкости в одном направлении, при этом между первым и вторым уплотнителями размещены, по меньшей мере, два уплотнителя, которые разделяют камеру для жидкости на три отсека, позволяя жидкости перетекать во все отсеки камеры, а также содержит внутри камеры рабочей жидкости подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, при этом механизм защелки освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы больше предельной.

Недостатком известной конструкции является сложность контроля нагрузки, направленной вниз, для освобождения застрявшего в скважине долота или освобождения от прихвата части бурильной колонны в наклонно направленной и горизонтальной скважине, что объясняется потерей устойчивости (с изменением знака) и трением изогнутой колонны бурильных труб в местах изменения кривизны скважины, а также неожиданная (самопроизвольная) активизация и нанесение ударов гидравлического яса при ударах вниз вследствие низкой точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой.

Недостатком известной конструкции является также неполное использование возможности создания сверхвысокой ударной мощности для возникновения ударных нагрузок, направленных вверх (при натяжении колонны), для освобождения от прихвата бурильной колонны и (или) бурового инструмента в скважине, что объясняется большими потерями давления во второй конструкции, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) в меньшей степени ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), чем в первой конструкции, а ограничивающий механизм содержит два клапанных устройства (58), каждое из которых ограничивает движение жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, при этом клапанные устройства (58) расположены таким образом, чтобы ограничивать движение жидкости в противоположных направлениях.

Сложность контроля нагрузки, направленной вниз, объясняется также малым продольным ходом (не превышающим величины выступов поясков увеличенного диаметра 13 части оправки 11) ограничивающего механизма (12, 13, 48, 50), который ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), и большим гидравлическим сопротивлением второй конструкции, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50), включающий два клапанных устройства 58, каждое из которых ограничивает движение жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, и клапанные устройства 58, расположенные таким образом, чтобы ограничивать движение жидкости в противоположных направлениях.

При этом величина продольного хода кольцевого клапана, например 13, между ограничительными частями 53, 63 частей корпуса 10, 14, по существу, на порядок меньше продольного хода внутренних частей 1, 5, 11 оправки 1 относительно внешних элементов (2, 4, 9, 10, 14, 17) корпуса 2, определяемого подпружиненным механизмом защелки, от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение.

Вследствие этого не обеспечивается повышение точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, для нанесения ударов при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, а это не позволяет оператору на буровой изменять допустимое силовое усилие натяжения бурильной колонны, после чего применять тормоз буровой лебедки, при этом усилие при освобождении прихвата трудно контролировать, что вызывает повреждение подъемного оборудования.

Вследствие жесткого (резьбового) крепления части 11 оправки 1 и поршня 15 с уплотнителем 40 происходит изменение объема и давления рабочей жидкости в полости 42, а также происходит нагрев рабочей жидкости в полости 42, что повышает потери давления рабочей жидкости в полости 42, а также увеличивает загрязнение рабочей жидкости абразивными частицами бурового раствора и снижает ресурс уплотнений ограничивающего механизма 12, 13, 48, 50.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение надежности и ресурса, образование сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх и вниз на место прихвата колонны, а также предотвращение неожиданной активизации и самопроизвольного нанесения ударов гидравлического яса при ударах вниз за счет повышения точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, и уменьшения потерь давления при "внезапном" расширении рабочей жидкости, сжатой в камере высокого давления.

Другой технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является дополнительное повышение точности контролируемой нагрузки, направленной вниз, с определенным ударным импульсом при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, уменьшение износа внутренних деталей, а также предотвращение разрушения и (или) прихвата долота в скважине.

Сущность технического решения заключается в том, что в механизме яса, состоящем из трубчатого корпуса и полой оправки, телескопически соединенных между собой, при этом корпус выполнен из частей, содержит первый уплотнитель и шлицы на внутренней поверхности со стороны первого края, в средней части корпус содержит внутренние выступы-наковальни, а со стороны второго края содержит внутреннюю резьбу, например, для соединения с колонной бурильных труб, при этом оправка выполнена из частей, содержит резьбовой хвостовик и шлицы на наружной поверхности со стороны первого края корпуса, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями корпуса, по меньшей мере, один поршень с вторым уплотнителем со стороны второго края корпуса, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью, а также содержащий, по меньшей мере, один ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с камерой для жидкости, по существу, в виде пояска увеличенного диаметра оправки и кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двух упоров, выступающих от внутренней поверхности корпуса, а в кольцевом клапане установлен, по меньшей мере, один перепускной клапан, ограничивающий течение рабочей жидкости в одном направлении, при этом между первым и вторым уплотнителями размещены, по меньшей мере, два уплотнителя, которые разделяют камеру для жидкости на три отсека, а также содержащий внутри камеры рабочей жидкости подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, при этом механизм защелки освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы больше предельной, согласно изобретению кольцевой клапан, установленный в камере, заполненной рабочей жидкостью, выполнен с продольным ходом, по меньшей мере, равным продольному ходу оправки относительно подпружиненного механизма защелки от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение, а упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону второго края корпуса с внутренней резьбой, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен один из уплотнителей, разделяющих камеру рабочей жидкости на отсеки, при этом поршень с уплотнителем, со стороны второго края корпуса с внутренней резьбой, выполнен с возможностью скольжения относительно оправки, а также снабжен собственным уплотнителем, контактирующим с оправкой.

Кроме того, внутри корпуса, со стороны второго края с внутренней резьбой, установлена трубчатая гильза, поршень с уплотнителем размещен в гильзе, а подпружиненный механизм защелки контактирует с гильзой и (или), по меньшей мере, с одним торцовым кольцом, регулирующим усилие механизма защелки для освобождения или установки в рабочее положение.

Между торцами шлицов оправки и направленным к шлицам ударником оправки установлено ударное кольцо.

Второй край корпуса соединен резьбой с низом верхней части бурильной колонны, резьбовой хвостовик оправки соединен с верхом нижней части бурильной колонны, при этом на краю оправки, расположенном внутри корпуса, закреплено защитное кольцо.

Выполнение механизма яса таким образом, что кольцевой клапан, установленный в камере, заполненной рабочей жидкостью, выполнен с продольным ходом, по меньшей мере, равным продольному ходу оправки относительно подпружиненного механизма защелки от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение, а упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону второго края корпуса с внутренней резьбой, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен один из уплотнителей, разделяющих камеру рабочей жидкости на отсеки, при этом поршень с уплотнителем, со стороны второго края корпуса с внутренней резьбой, выполнен с возможностью скольжения относительно оправки, а также снабжен собственным уплотнителем, контактирующим с оправкой, повышает надежность и ресурс, а также предотвращает неожиданную активизацию и нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, а также образует сверхвысокую ударную мощность для возникновения ударных нагрузок, направленных вверх (вследствие релаксации напряжений в растянутой бурильной колонне), для освобождения от прихвата бурильной колонны и (или) бурового инструмента в скважине, что объясняется снижением потерь давления и уменьшением времени "внезапного" расширения рабочей жидкости в демпферной части герметичной камеры для получения динамического удара с определенным ударным импульсом за счет повышения точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой для нанесения ударов при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом.

Повышение точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой для нанесения ударов, при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, позволяет оператору на буровой изменять допустимое силовое усилие натяжения бурильной колонны, после чего применять тормоз буровой лебедки. Вследствие этого усилие при освобождении прихвата легко контролируется, предотвращается повреждение подъемного оборудования.

Кроме того, такое выполнение механизма яса повышает эффективность уплотнений при высоком давлении, предотвращает загрязнение буровым раствором и металлическими частицами (сколами и разрушениями хромового покрытия) рабочей жидкости, а также улучшает гидродинамическое центрирование полой оправки в трубчатом корпусе, предотвращает перекосы и прихваты в поверхностях скольжения, обусловленные циклическими изгибными напряжениями трубчатого корпуса при вращении изогнутой колонны бурильных труб.

Выполнение механизма яса таким образом, что внутри корпуса, со стороны второго края с внутренней резьбой, установлена трубчатая гильза, поршень с уплотнителем размещен в гильзе, а подпружиненный механизм защелки контактирует с гильзой и, по меньшей мере, с одним торцовым кольцом, регулирующим усилие механизма защелки для освобождения или установки в рабочее положение, дополнительно повышает точность контролируемой нагрузки, направленной вниз, с определенным ударным импульсом, предотвращает неожиданную активизацию и нанесение ударов гидромеханического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, уменьшает износ внутренних деталей, а также предотвращает разрушение и (или) прихват долота в скважине.

Выполнение механизма яса таким образом, что между торцами шлицов оправки и направленным к шлицам ударником оправки установлено ударное кольцо, дополнительно повышает точность контролируемой нагрузки, направленной вниз, с определенным ударным импульсом, предотвращает поломку и наклеп ударных торцов.

Выполнение яса таким образом, что второй край корпуса соединен резьбой с низом верхней части бурильной колонны, резьбовой хвостовик оправки соединен с верхом нижней части бурильной колонны, при этом на краю оправки, расположенном внутри корпуса, закреплено защитное кольцо, защищает от возможных повреждений поверхности скольжения полой оправки при захвате трубчатого корпуса в хомутах подъемного оборудования на буровой, дополнительно повышает точность контролируемой нагрузки, направленной вниз, с определенным ударным импульсом, предотвращает поломку (наклеп, сколы) ударных поверхностей, а также накапливание абразивных частиц (шлама) со стороны поршня с уплотнителем, со стороны второго края корпуса с внутренней резьбой, выполненного с возможностью скольжения относительно оправки, а также снабженного собственным уплотнителем, контактирующим с оправкой.

Ниже представлен лучший вариант гидромеханического яса для создания ударных нагрузок, направленных вверх и вниз, с целью освобождения прихваченной бурильной колонны в наклонно направленной скважине глубиной 4400 метров, имеющей горизонтальный участок 450 метров.

На фиг.1 изображен гидромеханический яс в разрезе, верхняя, средняя и нижняя части, а также переводник для соединения верхней части с колонной бурильных труб.

На фиг.2 изображен элемент I на фиг.1 ограничивающего механизма сообщения рабочей жидкости с камерой для жидкости, выполненный в виде пояска увеличенного диаметра оправки, кольцевого клапана в камере рабочей жидкости, а также перепускного клапана, ограничивающего течение рабочей жидкости в одном направлении.

На фиг.3 изображен элемент II на фиг.1 подпружиненного механизма защелки, блокирующего продольный ход оправки относительно корпуса.

На фиг.4 изображен элемент III на фиг.1 ударника оправки с ударным кольцом в камере рабочей жидкости.

Гидромеханический яс состоит из трубчатого корпуса 1 и полой оправки 2, телескопически соединенных между собой, при этом корпус 1 выполнен из частей 3, 4, 5, 6, 7, содержит первый уплотнитель 8 и шлицы 9 на внутренней поверхности со стороны первого края 10, а часть 6 корпуса 1 содержит внутренний выступ-наковальню 11, часть 5 корпуса 1 содержит внутренний выступ-наковальню 12, а со стороны второго края 13 часть 3 корпуса 1 содержит внутреннюю резьбу 14 для соединения с переводником 15 для верхней колонны бурильных труб, показано на фиг.1, при этом верхняя колонна бурильных труб не показана.

Оправка 2 выполнена из частей 16, 17, 18, содержит резьбовой хвостовик 19 для соединения с нижней колонной бурильных труб и шлицы 20 на наружной поверхности части 18 оправки 2 со стороны первого края 10 корпуса 1, ударники 21, 22, размещенные между внутренними выступами-наковальнями 11, 12 корпуса 1, по меньшей мере, один поршень 23 с вторым уплотнителем 24 со стороны второго края 13 корпуса 1, образующие камеру 25, заполненную рабочей жидкостью 26, при этом поз.27 - шлицевой торец части 18 оправки 2, а поз.28 - ударное кольцо, установленное между торцом 22 части 17 оправки 2 и шлицевым торцом 27 части 18 оправки 2, показано на фиг.1, 4, при этом нижняя колонна бурильных труб не показана.

Гидромеханический яс содержит ограничивающий механизм 28 сообщения рабочей жидкости 26 с камерой 25 для жидкости, по существу, в виде пояска увеличенного диаметра 29 части 17 оправки 2 и кольцевого клапана 30, установленного в камере 25 рабочей жидкости с оправкой 2, проходящей через внутреннюю полость, при этом внутренняя поверхность 31 кольцевого клапана 30 контактирует с пояском увеличенного диаметра 29 части 17 оправки 2, продольный ход 32 кольцевого клапана 30 ограничен между двух упоров 33, 34, выступающих от внутренней поверхности 35 части 4 корпуса 1, а в кольцевом клапане 30 установлен, по меньшей мере, один перепускной клапан 36, ограничивающий течение рабочей жидкости 26 в одном направлении 37, при этом между первым уплотнителем 8 и вторым уплотнителем 24 размещены, по меньшей мере, два уплотнителя 38, 39, которые разделяют камеру 25 для жидкости на три отсека 40, 41, 42, позволяя жидкости 26 перетекать только в отсеке 41 камеры 25 через перепускной клапан 36, показано на фиг.1, 2.

Камера 25, заполненная рабочей жидкостью 26, между уплотнителем 39 и кольцевым клапаном 30, который контактирует с пояском увеличенного диаметра 29 оправки 2, является камерой высокого давления рабочей жидкости 26 только в отсеке 41, при вытягивании оправки 2 из корпуса 1 в направлении 37, показано на фиг.1, 2.

Гидромеханический яс содержит в отсеке 42 камеры 25 рабочей жидкости 26, подпружиненный тарельчатыми пружинами 43 и сжатый при помощи колец 44, 45 механизм защелки 46, блокирующий продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1 в направлении 37 и 47, при этом механизм защелки 46 освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы, больше предельной, показано на фиг.1, 3.

Механизм защелки 46 выполнен, например, из восьми сегментов 48, имеет кольцевые канавки 49 и расположен между частью 3 корпуса 1 и частью 16 оправки 2, которая имеет кольцевые зубья 50, при этом кольцевые канавки 49 и кольцевые зубья 50 выполнены разной ширины, поэтому механизм защелки 46 блокирует оправку 2 относительно корпуса 1 только в одном взаимном расположении кольцевых зубьев 50 относительно кольцевых канавок 49, показано на фиг.1, 3.

Кольцевой клапан 30, по существу, отключающий механизм, установленный в камере 25, заполненной рабочей жидкостью 26, выполнен с продольным ходом 32, по меньшей мере, равным продольному ходу 51 оправки 2 относительно подпружиненного механизма защелки 46 от начала приложения силы в направлении 47, вдвигающей оправку 2 в корпус 1, до установки механизма защелки 46 в рабочее положение, а упор 34, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана 30 в направлении 47, в сторону второго края 13 корпуса 1 с внутренней резьбой 14, образован выступом 34 от уменьшенного диаметра 51 внутренней поверхности части 4 корпуса 1, с которой подвижно соединен уплотнитель 39, разделяющий камеру 25 рабочей жидкости 26 на отсеки 41, 42, показано на фиг.1, 2, 3.

Поршень 23 с уплотнителем 24, со стороны второго края 13 части 3 корпуса 1 с внутренней резьбой 14, выполнен с возможностью скольжения относительно поверхности 52 части 16 оправки 2, а также снабжен собственным уплотнителем 53, контактирующим с частью 16 оправки 2 оправки, что обеспечивает компенсацию давления и изменения объема рабочей жидкости в камере 42 вследствие теплового воздействия, предотвращая при этом разрушение уплотнений высокого давления буровым раствором и загрязнение жидкости в отсеках 41, 42, показано на фиг.1.

Внутри части 3 корпуса 1, со стороны второго края 13с внутренней резьбой 14, установлена трубчатая гильза 54, поршень 23 с уплотнителем 24 размещен в гильзе 54, а подпружиненный механизм защелки 46 контактирует с гильзой 54 и, по меньшей мере, с одним торцовым кольцом 55, регулирующим усилие механизма защелки 46 для освобождения или установки в рабочее положение, показано на фиг.1.

Второй край 13 части 3 корпуса 1 соединен резьбой 14 с низом верхней части бурильной колонны (на фиг. не показанной), резьбовой хвостовик 19 части 18 оправки 2 соединен с верхом нижней части бурильной колонны (на фиг. не показанной), при этом на краю 56 части 16 оправки 2, расположенном внутри корпуса 1, закреплено защитное кольцо 57, предотвращающее накопление шлама при скольжении поршня 23 с уплотнителем 24, контактирующим с гильзой 54, а также при скольжении уплотнителя 53, контактирующего с поверхностью 52 части 16 оправки 2, показано на фиг.1.

Кроме того, на фиг.1, 2, 3, 4 показано: поз.58 - резьбовые пробки для заливки и прокачки рабочей жидкости 26 в отсеках 40, 41, 42 камеры 25.

При этом поз. 59 на фиг.1 - направление потока бурового раствора внутри полой оправки 2 и трубчатого корпуса 1, поз.60 обозначен торец части 4 корпуса 1, а поз. 61 обозначен торец части 16 оправки 2, которые не контактируют между собой при нанесении ударов ясом в направлении вниз.

Отсеки 40, 41, 42 камеры 25 через резьбовые отверстия под пробки 58 заполняют рабочей жидкостью 26 (трансмиссионным маслом), производят прокачку рабочей жидкости 26 для удаления воздуха, затем производят затяжку пробок 58.

Производят регулирование (тарировку) подпружиненного тарельчатыми пружинами 43 усилия срабатывания механизма защелки 46, блокирующего продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1 в направлении 37 и 47, (установочного параметра защелки), а также время гидравлической задержки ударов гидромеханического яса в специальном стенде таким образом, чтобы продольные силы, действующие на яс во время бурения, не превышали, например, 50% усилия срабатывания механизма защелки 46, блокирующего продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, а усилие разблокирования защелки 46 для удара вниз составляло, например, 50% установочного параметра защелки 46 для удара вверх.

Определяют лучшее положение яса в сборке бурильной колонны, при этом учитывают многие факторы, часть из которых:

- ожидаемый тип прихвата; прихват за счет перепада давления или механический;

- состояние, траектория и угол наклона ствола скважины;

- конфигурация забойной компоновки;

- давление насоса;

- коэффициент плавучести бурового раствора;

- величина предельной нагрузки на долото;

- допустимое усилие натяжения бурильной колонны;

- предел прочности бурильной трубы;

- параметры срабатывания защелки на ясе.

Гидромеханический яс соединяют резьбой 14 корпуса 1 с переводником 15 и низом верхней части длинной упругой бурильной колонны, применяемой при бурении нефтяной скважины, а резьбовым хвостовиком 19 оправки 2 соединяют с верхом нижней части бурильной колонны, которая располагается ниже яса. Гидростатическое давление бурового раствора внутри полой оправки 2 и трубчатого корпуса 1, подаваемого от устья скважины к долоту в направлении 59, может достигать 50 МПа.

Движение яса на начальной стадии сдерживается гидравлической парой: полая оправка 2 - кольцевой клапан 30 - трубчатый корпус 1, и поддерживается до тех пор, пока в бурильной колонне не будут созданы достаточно высокие растягивающие напряжения. Стадия свободного вертикального перемещения деталей внутри яса предназначена для резкого снятия части растягивающих напряжений, накопленных в колонне бурильных труб.

Такое снятие напряжений колонны бурильных труб используют для ускорения утяжеленных бурильных труб и (или) всей массы бурильной колонны и создания ударного импульса в глубине скважины в пределах ударной секции данного гидромеханического яса.

Обычно для сосредоточения большой массы непосредственно над ясами, т.е. там, где достигается максимальная скорость при высвобождении яса или завершении стадии его свободного перемещения, используют утяжеленные бурильные трубы (УБТ).

Волна напряжения в колонне бурильных труб возникает в результате резкой остановки движущейся массы муфт и УБТ, при этом кинетическая энергия переходит в энергию напряженного состояния. Волна напряжения одновременно движется вверх к муфтам и УБТ и вниз к точке прихвата. Волна напряжения, которая передается вверх к муфтам или тяжелому весу, будет двигаться вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например перехода от муфты к тяжелому весу и УБТ. Тогда она будет отражена вниз. Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает место прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки. Обычно, чем больше ударный импульс, приложенный к месту прихвата, тем меньше ударная нагрузка. При этом, чем сильнее динамический удар, тем меньше ударный импульс. Необходимы и удар и импульс.

Для мгновенного высвобождения места прихвата требуется определенная ударная сила. В то время, когда ударная сила превосходит силу прихватывания, импульс удара вызывает проскальзывание места прихвата. Ударная сила является главным фактором. В наилучшем соотношении необходим определенный динамический удар с достаточным ударным импульсом, по существу, со сверхвысокой ударной мощностью.

Оптимальное местоположение гидромеханического яса - над переходной зоной, однако яс можно опустить и ниже переходной зоны.

Гидромеханический яс спускают в скважину с заблокированной защелкой 46 с таким количеством УБТ, которое обеспечивает необходимую нагрузку на долото и обеспечивает расположение яса над переходной зоной.

Нагрузку на долото подбирают, добавляя или удаляя УБТ под гидромеханическим ясом, и при этом сохраняя над ясом вес, достаточный для обеспечения эффективного удара ясом.

Гидромеханический яс работает от движения бурильной колонны в направлении вверх или вниз. Величина ударной силы, направленной вверх, прямо пропорциональна прилагаемому усилию натяжения.

В данном режиме, по мере того, как прилагаемое усилие натяжения начинает превышать параметр установки защелки 46 при ударе вверх, механическая защелка 46 резко освобождается от блокировки и наступает гидравлическая задержка. Спустя небольшой период времени оправка 2 яса резко освобождается и ускоряется до положения полного растяжения.

В режиме удара, направленного вниз, по мере того, как сила сжатия, действующая на оправку 2 яса, начинает превышать параметр установки защелки при ударе вниз, механическая защелка 46 резко освобождается от блокировки, позволяя оправке 2 вернуться в полностью закрытое положение.

Если при освобождении прихвата в скважине идет циркуляция бурового раствора, перепад давления на долоте создает усилие, растягивающее яс, при этом учитывают силу запуска насоса, так как это сокращает усилие, необходимое для нанесения удара ясом вверх и увеличивает требуемое усилие для нанесения удара в направлении вниз.

Чтобы компенсировать потери трения о стенки скважины изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине, необходимо дополнительное усилие натяжения колонны бурильных труб.

Величину компенсации учитывают показаниями индикатора нагрузки на долото во время спусков и подъемов до прихвата бурильной колонны. При этом вес свободной колонны - это вес части колонны, расположенной над ясом.

Нанесение ударов ясом в направлении вверх

Сила, прилагаемая к ясу, должна превышать установочный параметр защелки 46, но быть меньше рекомендуемой величины максимальной нагрузки при гидравлической задержке, при этом величина нагрузки над свободной колонной высчитывается как разница между установочными параметрами защелки 46 при ударе ясом вверх и силой запуска насоса.

Для удара вверх прикладывают нагрузку вычисленной величины и затем устанавливают тормоз буровой лебедки. Оправка 2 вытягивается из корпуса 1 в направлении 37, при этом механизм защелки 46, подпружиненный тарельчатыми пружинами 43 и сжатый при помощи колец 44, 45, освобождает блокировку кольцевых зубьев 50 части 16 оправки 2 в кольцевых канавках 49 и обеспечивает продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, установленной внутри камеры 25 рабочей жидкости 26, по существу, в отсеке 41 рабочей камеры 25.

При вытягивании оправки 2 из корпуса 1, камера 25, заполненная рабочей жидкостью 26, между уплотнителем 39 и кольцевым клапаном 30, который контактирует с пояском увеличенного диаметра 29 оправки 2, образует высокое давление рабочей жидкости 26 в отсеке 41.

Рабочая жидкость 26 сжимается уплотнителем 39 и кольцевым клапаном 30, который контактирует с пояском увеличенного диаметра 29 оправки 2, в отсеке 41 рабочей камеры 25 и частично перетекает в зазоре между пояском увеличенного диаметра 29 части 17 оправки 2 и внутренней поверхностью 31 кольцевого клапана 30, который содержит ограничивающий механизм 36 сообщения рабочей жидкости 26 из отсека 41 камеры 25 в другой отсек 41 этой камеры 25 рабочей жидкости 26, ограниченный уплотнителем 38, при этом ограничивающий механизм 36 выполнен, по существу, в виде перепускного клапана 36, размещенного в кольцевом клапане 30.

Рабочая жидкость 26, расположенная в отсеке 40, при вытягивании оправки 2 из корпуса 1 в направлении 37 совершает относительное перемещение при постоянном давлении в шлицевой части 18 оправки 2 относительно части 6 корпуса 1.

Рабочая жидкость 26, расположенная в полости 42, при вытягивании оправки 2 из корпуса 1 в направлении 37 не изменяет давления вследствие продольного перемещения "плавающего" поршня 23 с уплотнителями 24, 53, со стороны второго края 13 части 3 корпуса 1 с внутренней резьбой 14, выполненного с возможностью скольжения относительно поверхности 52 части 16 оправки 2.

Внутренняя поверхность 31 кольцевого клапана 30 плотно контактирует с пояском увеличенного диаметра 29 части 17 оправки 2, а продольный ход 32 кольцевого клапана 30 в направлении 47 или 37 ограничен упором 33 части 5 корпуса 1 и упором 34, выступающим от внутренней поверхности 51 части 4 корпуса 1, при этом давление рабочей жидкости 26 в отсеке 41 рабочей камеры 25 может составлять, например, 200 МПа.

При срыве края пояска увеличенного диаметра 29 с края внутренней поверхности 31 кольцевого клапана 30 происходит гидравлический удар рабочей жидкости с использованием эффекта "внезапного расширения", с минимальными потерями давления и образованием сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вниз на место прихвата колонны.

Растянутая колонна бурильных труб в течение времени, например 40 мс, теряет напряжения растяжения, а в трубах и соединениях труб возникает эффект релаксации напряжений.

Волна напряжения одновременно движется вверх к муфтам и УБТ и вниз к точке прихвата. Волна напряжения, которая передается вверх к муфтам или тяжелому весу, двигается вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например перехода от муфты к тяжелому весу и УБТ, затем она отражается вниз.

Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает место прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки.

После нанесения удара в направлении вверх опускают бурильную колонну до тех пор, пока индикатор нагрузки не покажет величину меньше, чем вес свободной колонны. Это означает, что защелка 46 снова заблокировалось. Яс готов к следующему циклу или можно возобновить бурение.

Нанесение ударов ясом в направлении вниз

Значение разгрузки колонны от веса свободной колонны высчитывают как сумму силы запуска насоса и установочного параметра защелки 46 при ударе вниз. Подъемным устройством на буровой натягивают колонну бурильных труб и "бросают" ее вниз, сообщая колонне импульс удара, направленный сверху вниз.

Оправка 2 вдвигается в корпус 1 в направлении 47, при этом механизм защелки 46, подпружиненный тарельчатыми пружинами 43 и сжатый при помощи гильзы 54, торцового кольца 55, колец 44, 45, освобождает блокировку кольцевых зубьев 50 части 16 оправки 2 в кольцевых канавках 49 и обеспечивает продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, установленной внутри камеры 25 рабочей жидкости 26, по существу, в отсеке 40 рабочей камеры 25, между ударником 22, ударным кольцом 28 и торцом 11 части 6 оправки 2.

Рабочая жидкость 26 в отсеке 41 камеры 25 рабочей жидкости сжимается уплотнителем 38 части 17 оправки 2, при этом повышение давления рабочей жидкости 26 в отсеке 41 камеры 25 рабочей жидкости производит перемещение в направлении 47 кольцевого клапана 30, который содержит ограничивающий механизм 36 сообщения рабочей жидкости 26 с камерой 25 для жидкости.

Кольцевой клапан 30, установленный в камере 25, заполненной рабочей жидкостью 26, выполнен с продольным ходом 32, по меньшей мере, равным продольному ходу 51 оправки 2 относительно подпружиненного механизма защелки 46 от начала приложения силы в направлении 47, вдвигающей оправку 2 в корпус 1, до установки механизма защелки в рабочее положение, а упор 34, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана 30 в направлении 47 или в сторону второго края 13 корпуса 1 с внутренней резьбой 14, образован выступом 34 от уменьшенного диаметра 51 внутренней поверхности части 4 корпуса 1, с которой подвижно соединен уплотнитель 39.

Вследствие этого происходит механический удар ударника 22 части 17 оправки 2 об ударное кольцо 28 и наковальню 11 части 6 корпуса 1 в направлении 37, с минимальным гидравлическим сопротивлением рабочей жидкости 26 и образованием сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины, при контролируемом соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вниз на место прихвата колонны и (или) на долото.

Волна напряжения одновременно движется вниз к точке прихвата и вверх к муфтам и УБТ. Волна напряжения, которая передается вверх к муфтам или тяжелому весу, двигается вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например перехода от муфты к тяжелому весу и УБТ, затем она отражается вниз.

Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает место прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки.

Для того, чтобы снова произошло сцепление защелки 46 яса, поднимают бурильную колонну до тех пор, пока индикатор нагрузки не зафиксирует увеличение веса выше веса свободной колонны.

При этом камера 25, заполненная рабочей жидкостью 26, между уплотнителем 39 и кольцевым клапаном 30, который контактирует с пояском увеличенного диаметра 29 оправки 2, нагружается высоким давлением рабочей жидкости 26 только в отсеке 41, вследствие этого абразивные частицы бурового раствора, а также металлические частицы от износа механических частей шлицевого соединения корпуса с оправкой и подпружиненного механизма защелки дополнительно задерживаются рабочей жидкостью в камерах 40, 42, расположенных по краям корпуса 1, уменьшая износ и предотвращая разрушение уплотнителей 38 и 39 в отсеке 41.

Изобретение повышает надежность и ресурс, образует сверхвысокую ударную мощность в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх и вниз на место прихвата колонны, предотвращает неожиданную активизацию и нанесение ударов при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, повышает точность нагрузки, направленной вниз, уменьшает износ внутренних деталей, а также предотвращает разрушение и (или) прихват долота в скважине.

Источники информации

1. US 5647446, E21B 31/113, Jul. 15, 1997.

2. US 5033557, Е21В 4/06, Jul. 23, 1991.

3. GB 2332921 А, Е21В 31/113, 18.09.1997 - прототип.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для освобождения прихваченной части бурильной колонны в скважинах. Устройство включает трубчатый корпус, полую оправку, телескопически соединенные между собой. Корпус выполнен из частей, содержит первый уплотнитель и шлицы на внутренней поверхности со стороны первого края. В средней части корпус содержит внутренние выступы-наковальни, а со стороны второго края - внутреннюю резьбу. Оправка выполнена из частей, содержит резьбовой хвостовик и шлицы на наружной поверхности со стороны первого края корпуса, ударники между внутренними выступами-наковальнями корпуса, по меньшей мере, один поршень со вторым уплотнителем со стороны второго края корпуса. Ударники и поршень образуют камеру, заполненную рабочей жидкостью. Устройство содержит, по меньшей мере, один ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с камерой для жидкости в виде пояска увеличенного диаметра оправки и кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость. Внутренняя поверхность кольцевого клапана контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки. Продольный ход кольцевого клапана ограничен между двух упоров, выступающих от внутренней поверхности корпуса. Продольный ход равен, по меньшей мере, продольному ходу оправки относительно подпружиненного механизма защелки от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение. Между первым и вторым уплотнителями размещены, по меньшей мере, два уплотнителя, которые разделяют камеру для жидкости на три отсека. Внутри камеры рабочей жидкости содержится подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса. Упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону второго края корпуса с внутренней резьбой, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен один из уплотнителей, разделяющих камеру рабочей жидкости на отсеки. Поршень с уплотнителем со стороны второго края корпуса с внутренней резьбой выполнен с возможностью скольжения относительно оправки и снабжен собственным уплотнителем, контактирующим с оправкой. Повышается надежность и ресурс, предотвращается нежелательная активизация, разрушение или прихват долота. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гидромеханический яс, состоящий из трубчатого корпуса и полой оправки, телескопически соединенных между собой, при этом корпус выполнен из частей, содержит первый уплотнитель и шлицы на внутренней поверхности со стороны первого края, в средней части корпус содержит внутренние выступы-наковальни, а со стороны второго края содержит внутреннюю резьбу, например, для соединения с колонной бурильных труб, при этом оправка выполнена из частей, содержит резьбовой хвостовик и шлицы на наружной поверхности со стороны первого края корпуса, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями корпуса, по меньшей мере, один поршень с вторым уплотнителем со стороны второго края корпуса, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью, а также содержащий, по меньшей мере, один ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с камерой для жидкости, по существу, в виде пояска увеличенного диаметра оправки и кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двух упоров, выступающих от внутренней поверхности корпуса, а в кольцевом клапане установлен, по меньшей мере, один перепускной клапан, ограничивающий течение рабочей жидкости в одном направлении, при этом между первым и вторым уплотнителями размещены, по меньшей мере, два уплотнителя, которые разделяют камеру для жидкости на три отсека, а также содержащий внутри камеры рабочей жидкости подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, при этом механизм защелки освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы больше предельной, отличающийся тем, что кольцевой клапан, установленный в камере, заполненной рабочей жидкостью, выполнен с продольным ходом, по меньшей мере, равным продольному ходу оправки относительно подпружиненного механизма защелки от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение, а упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону второго края корпуса с внутренней резьбой, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен один из уплотнителей, разделяющих камеру рабочей жидкости на отсеки, при этом поршень с уплотнителем со стороны второго края корпуса с внутренней резьбой выполнен с возможностью скольжения относительно оправки, а также снабжен собственным уплотнителем, контактирующим с оправкой.2. Гидромеханический яс по п.1, отличающийся тем, что внутри корпуса со стороны второго края с внутренней резьбой установлена трубчатая гильза, поршень с уплотнителем размещен в гильзе, а подпружиненный механизм защелки контактирует с гильзой и, по меньшей мере, с одним торцовым кольцом, регулирующим усилие механизма защелки для освобождения или установки в рабочее положение.3. Гидромеханический яс по п.1, отличающийся тем, что между торцами шлицов оправки и направленным к шлицам ударником оправки установлено ударное кольцо.4. Гидромеханический яс по п.1, отличающийся тем, что второй край корпуса соединен резьбой с низом верхней части бурильной колонны, резьбовой хвостовик оправки соединен с верхом нижней части бурильной колонны, при этом на краю оправки, расположенном внутри корпуса, закреплено защитное кольцо.