Устройство для контроля осевой нагрузки на буровом долоте Советский патент 1993 года по МПК E21B45/00 

Изобретение относится к технологическим средствам контроля забойных параметров при бурении скважин.

Известен гидравлический индикатор забойной нагрузки, имеющий корпус, упругие элементы, полый шток, в нижней части которого выполнены каналы, суммарная площадь поперечного сечения которых уменьшается по квадратичной зависимости в направлении перемещения корпуса или штока.

Однако ему присущие следующие недостатки:

1. Использование в качестве упругого элемента колец из резины, у которой зависимость усилия (напряжения) и деформации

имеет нелинейный характер и, следовательно, прямолинейная зависимость Ni:Na « Pi:P2 не может быть соблюдена, т.е. текущая информацию о нагрузке на буровом долоте будет искажена.

2. Наличие в центральном штоке каналов, соединяющих внутритрубное пространство с затрубным, приводит к уменьшению количества промывочной жидкости, подводимой к забойному двигателю и забою скважины, в результате чего снижается мощностьтрубобура, имеющая зависимость NI f(0 ) и очистка забоя от шлама, что ухудшает показатели бурения.

Наиболее близким техническим решением является устройство для контроля заVJ

00

о ю ел о

бойных параметров по гидравлической линии связи, включающее соединенный с за- бойным двигателем редуктор, чувствительный элемент с силовой пружиной сжатия, узел фиксации и узел формирования гидравлических сигналов частоты вращения вала забойного двигателя и осевой нагрузки на долото,

Однако это устройство не способно формировать гидравлические сигналы осевой нагрузки на буровом долоте при роторном способе бурения скважин.

Цель изобретения - расширение области применения устройства.

Указанная цель достигается тем, что устройство снабжено насосом и равномерно размещенными по окружности узлами управления, узел фиксации снабжен втулкой, торец которой выполнен по винтовой линии с углом подъема, равным углу наклона линии характеристики пружины сжатия чувствительного элемента; каждый из улов управления содержит размещенные друг под другом клапан нагрузки, клапан последовательности с двумя входами, в один из которых включен обратный клапан, золотник, связанный с золотником гидроцилиндр двойного действия с прямым и обратным входами, связанный с гидроцилиндром двойного действия последнего узла управления клапан возврата с тремя выходами, золотник возврата с шестью входами, два из которых соединены с каналами нагнетания насоса, с третьего по пятый - с каналами всасывания насоса, а шестой - с выходом клапана последовательности последнего узла управления и двумя выходами, один из которых соединен с обратными входами гидроцилиндров двойного действия, а второй - с прямым входом гидроцилиндра двойного действия первого узла управления, входами клапанов нагрузки и входами клапанов последовательности, кроме последнего узла управления; вход и один из выходов клапана возврата соединены соот- ветственно с каналами нагнетания и всасывания насоса, два других его выхода - с входами клапана последовательности последнего узла управления; выход клапана нагрузки соединен с входом золотника, один из выходов которого соединен с узлом формирования гидравлических сигналов, второй - с каналами всасывания насоса; выход клапана последовательности предыдущего узла управления соединен с прямым входом гидроцилиндра двойного действия последующего узла управления, причем клапаны нагрузки узлов управления размещены в одной горизонтальной плоскости и установлены с возможностью взаимодействия с торцем втулки узла фиксации.

На фиг. 1-4 изображено предлагаемое устройство, продольный разрез; на фиг. 5 - 5 сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 6 - вариант регулируемого штуцера; на фиг. 7 и 8 - принципиальная схема устройства; на фиг. 9 - диаграмма регистрации гидравлических сигналов.

0 Устройство включает трубный корпус 1, состоящий из скрепленных между собой резьбовым соединением верхней 2 и нижней 3 частей. Верх корпуса 1 через переводник 4 соединяется с колонной бурильных

5 труб (не показана). К нижней части 3 корпуса 1 присоединена полумуфта 5, которая через шлицевое соединение 6 с возможностью осевого перемещения соединена с патрубком 7, к которому крепится забойный двига0 тель (не показан) или буровое долото 8. Между упорным буртом полумуфты 5 и шли- цевым соединением 6 в кольцевом зазоре между полумуфтой 5 и патрубком 7 размещены силовая пружина 9 и опорное кольцо

5 10, образующие чувствительный элемент (фиг. 4), воспринимающий вес подвижных частей и гидравлическое усилие, возникающее при прокачке промывочной жидкости, В корпусе 1 соосно с ним с возможно0 стью осевого перемещения и соединенные с чувствительным элементом, размещены узел фиксации 11 (фиг. 1) и гидравлический блок 12, состоящий из группы управления 13 (фиг. 2) и насос 14 (фиг, 3).

5 Гидравлический блок 12 размещен и закреплен гайкой 15 в корпусе 16, который соединен резьбой с патрубком 7 и зафиксирован штифтом 17.

Соединение узла фиксации 11 и гидрав0 лического блока 12 выполнено с помощью патрубка 18, который имеет фланец 19, пазы 20 и который соединен с гидравлическим блоком 12 и зафиксирован болтом 21. В пазах 20 патрубка 18 размещены с возможно5 стью относительного перемещения шпонки 22, посредством которых, крепежа 23 и шпилек 24 к узлу фиксации 11 своей верхней частью прикреплена втулка 25, нижний торец которой с внешней стороны имеет скошенный уступ, выполненный по винтовой

0 линии, угол подъема которой равен углу наклона линии характеристики силовой пружины 9 и которая ориентирована относительно гидравлического блока 12. Узел фиксации 11 (фиг. 1) состоит из

0 корпуса 26, состоящего из двух частей, в которые вмонтированы идентичные верхний 27 и нижний 28 фиксаторы, включающие замыкатели 29, опорные сухари 30 и штанги 31. Замыкатели 29 и штанги 31 снабжены соответственно пружинами 32 и 33, В средней части корпуса 26 установлены опорное кольцо 34 и возвратная пружина 35, удерживающая узел фиксации 11 в верхнем (исходном) положении. Опорное коль- цо 34 закреплено между втулками 36 и 37, которые соосно установлены в верхней части 2 корпуса 1 и закреплены в нем переводником 4с упором в торцы последнего, и верхней части 3 корпуса 1, Обе части корпу- са 26 соединены между собой полукольцами 38 и винтами 39. Между корпусом 26 и втулкой 18 смонтирован кольцевой поршень 40, имеющий пружину 41 и фланец 42, сквозь отверстия которого пропущены шпильки 24 и который взаимодействует с нижними фиксаторами 28. Усилие пружины 24 достаточно для преодоления веса кольцевого поршня 40, но меньше усилия, развиваемого перепадом давления при прокачке про- мывочной жидкости к забою скважины,

Группа управления 13 (фиг. 2) состоит из равномерно расположенных по окружности узлов управления 42 (42-1 - 42-к), каждый из которых включает размещенные друг под другом подпружиненный клапан нагрузки

43. ось которого расположена в перпендикулярной оси устройстве плоскости, подпружиненный клапан последовательности

44. золотник 45 и гидроцилиндр 46 двойного действия, на штоке 47 поршня которого с возможностью осевого перемещения размещены детали золотника 45 - поршень 48, блок поршней 49 и расположенная между ними пружина 50.

Клапан нагрузки 43 взаимодействует с нижней частью втулки 25 и перемещается ею в радиальном направлении. Клапан последовательности 44 и золотник 45 перемещается штоком 47 гидроцилиндра 46 двойного действия.

Клапан нагрузки 43 имеет один вход, соединенный с кольцевым коллектором 51, и один выход, соединенный каналом 52 с входом золотника 45, один из выходов кото- рого соединен с кольцевым коллектором 53, а второй через коллектор 54 соединен с каналом 55.

Клапан последовательности 44 имеет два входа, в один из которых включен обрат- ный клапан 56, соединенный с каналом 57, связывающий кольцевой коллектор 51 с кольцевым каналом 58, и один выход, соединенный каналом 59 с каналом 60, являющийся прямым входом гидроцилиндра 46 следующего узла управления 42. Прямой вход (подпоршневая полость) гидроцилиндра 46-1 первого узла управления 42-1 соединен с каналом 57, а обратные входы (надпоршневая полость) всех гидроцилиндров 46 группы управления 13 соединены с кольцевым коллектором 61, который каналом 62 соединен с кольцевым каналом 63.

Последний узел управления 42-к дополнительно имеет подпружиненный клапан возврата 64, шток которого взаимодействует с поршнем цилиндра , защелку 65, фиксирующую клапан возврата 64 в исходном положении; в канал бО-к-1, соединенный с прямым входом гидроцилиндра 46-к, включен регулируемый штуцер (на фиг. 6 приведен пример его исполнения), пропускающий отработанную жидкость в обратном направлении с дополнительным сопротивлением, что обеспечивает возврат последнего узла управления 42-к в исходное положение последним.

Клапан возврата 64 имеет один вход, соединенный с каналом нагнетания 66 насоса 14, и три выхода, два из которых соединены с каналом 67, а третий - с каналом 68 всасывания насоса 14, Канал 67 соединяет два входа, в один из которых включен обратный клапан 56 клапана последовательности 44-к (последнего узла управления 42-к), выход которого каналами 69-71 соединен с шестым входом подпружиненного золотника возврата 72, имеющего еще пять входов, из которых два соединены с каналом нагнетания 66, а три остальных - с каналом всасывания 73 насоса 14. Канал всасывания 73 соединен с кольцевым каналом 74 и каналом 68. Золотник возврата 72 снабжен двумя выходами, один из которых каналом 75 соединен с кольцевым коллектором 63, а другой каналом 76 - с кольцевым каналом 58.

Над- и подпоршневые полости клапанов нагрузки 43, клапанов последовательности 44, золотников 45 и клапана возврата 64 с целью предотвращения сопротивления их перемещению сообщены между собой уравнительными каналами соответственно 77-79.

Насос 14 (фиг. 3) включает два расположенных друг под другом кольцевых цилиндра - верхний 80 и нижний 81, которые поршнем 82 разделены на полости 83 и 84, заполняемые соответственно рабочей, например машинным маслом, и промывочной жидкостями. Промывочная жидкость прокачивается к забою скважины по каналу 85 через седло 86, который делит канал 85 на зону 87 высокого давления и зону 88 низкого давления; подпружиненный золотник 89, имеющий пять входов, из которых два каналом 90 соединены с зоной 87 высокого давления , два каналом 91 соединены с зоной 88 низкого давления, а пятый каналом 92 соединен с кольцевым каналом 93, и два

выхода, один из которых кольцевым каналом 94 и каналом 95 соединен с полостью 84 верхнего цилиндра 80, а другой каналом 96 соединен с полостью 84 нижнего цилиндра 81; подпружиненные клапаны переключе- ния 97 и 98, штоки которых взаимодействуют с поршнями 82 соответственно верхнего 80 и нижнего 81 цилиндров. Клапан переключения 97 имеет один вход, соединенный каналом 99 с кольцевым каналом 93, и один выход, соединенный каналом 100 с кольцевым каналом 101. Клапан переключения 98 имеет один вход, соединенный каналом 102 с полостью 83 нижнего цилиндра 81, и один выход, в который включен обратный клапан 103 и который каналом 104 соединен с кольцевым каналом 93,

Полость 83 нижнего цилиндра 81 каналом 105 соединена с выходами обратных клапанов 106 и 107, а также с одним из входов клапана ИЛИ 108, второй вход которого соединен с полостью 83 верхнего ци- линдра 80, а его выход - с каналом нагнетания 66. Полость 83 верхнего цилиндра 80 дополнительно соединена с выхо- дом обратного клапана 109. Входы обратных клапанов 107 и 109 соединены между собой и с каналом всасывания 73. Вход обратного клапана 106 соединен с кольцевым каналом 101.

Цилиндры 80 и 81 снабжены запорными иглами 110 и пробками 111, предназначенными для заполнения гидравлического блока 12 рабочей жидкостью. Клапаны переключения 97 и 98 имеют уравнительные каналы 112, способствующие беспрепятственному их перемещению.

Гидравлический блок 12 включает узел 113 (фиг. 3) формирования гидравлического сигнала, содержащий клапан 114, гидроуси- литель 115 с исполнительным клапаном и седло 86, Подпоршневая полость управляющего клапана 114 каналами 116, 117 и 55 соединена с кольцевым коллектором 54. Блок 12 снабжен соответствующими уплот- нительными элементами, обеспечивающими надежность герметизации и защиту от абразивного износа его узлов и деталей.

Устройство работает следующим образом,

Буровой инструмент спускают в скважину без упора бурового долота на забой скважины. Промывочная жидкость при прокачке ее к забою скважины по каналу 85, проходя через седло 86, создает перепад давления, под действием которого гидравлический блок 12 вместе с патрубком 7, забойным двигателем и буровым долотом 8 перемещается вниз, сжимая силовую пружину 9, при этом патрубок 18, воздействуя своим фланцем 19 на штанги 31 верхнего фиксатора 27 и кольцевой поршень 40, перемещает вниз узел фиксации 11, сжимая возвратные пружины 35 и 41. Это перемещение осуществляется до тех пор, пока усилие, созданное перепадом давления промывочной жидкостью с учетом веса перемещаемых узлов, и усилие сжатия силовой пружины 9 не станут равными.

Одновременно с этим под действием созданного на седло 86 перепада давления включается насос 14, который работает следующим образом.

Промывочная жидкость из зоны 87 высокого давления по каналу 90 поступает на входы золотника 89, откуда по каналу 96 - в полость 84 нижнего цилиндра 81, перемещая поршень 82 вверх и вытесняя из полости 83 рабочую жидкость, которая по каналу 102 поступает на вход клапана переключения 98, по каналу 105- к выходам обратным клапанов 106 и 107 и на вход клапана ИЛИ 108, с выхода которого по каналу нагнетания 66 - к группе управления 13, т.е. на входы золотника возврата 72, клапана возврата 64 и далее - по каналам 76, 58 и 57 в прямой вход гидроцилиндра 46-1 первого узла управления 42-1, на входы всех клапанов последовательности 44, кроме последнего узла управления 42-к, и через кольцевой коллектор 51 на вход всех клапанов нагрузки 43.

Отработанная жидкость из группы управления 13 по каналам всасывания 68 и 73 через обратный клапан 109 поступает в полость 83 верхнего цилиндра 80, полость 84 которого каналами 95 и 94, золотником 89 и каналом 91 соединена с зоной 88 низкого давления, т.е. происходит переток рабочей жидкости с давлением, равным перепаду давления на седло 86, из полости 83 нижнего цилиндра 81 к группе управления 13 и от нее - в полость 83 верхнего цилиндра 80, Этот переток происходит до тех пор, пока поршень 82 нижнего цилиндра 81 включит клапан переключения 98 и рабочая жидкость, пройдя через него и обратный клапан 103, каналы 104, 93 и 92, поступит в пятый вход золотника 89 и переместит его в другое положение, при котором полость 84 верхнего цилиндра 80 каналами 95, 94 и 90 соединится с зоной 87 высокого давления, а полость 84 нижнего цилиндра 81 - каналами 96 и 91 с зоной низкого давления. В результате этого промывочная жидкость поступает в полость 84 верхнего цилиндра 80, перемещая его поршень 82 вниз и вытесняя из его полости 83 рабочую жидкость, которая через клапан ИЛИ 108 и канал нагнетания 66 поступает к группе управления 13. Отработайная жидкость из группы управления 13 по каналу 73 и обратный клапан 107 поступает в полость 83 нижнего цилиндра 81 до тех пор, пока поршень 82 верхнего цилиндра 80 включит клапан переключения 97, со- единив пятый вход золотника 89 каналами 92,93,99,100 и 101, обратным клапаном 106 и каналом 105 с полостью 83 нижнего цилиндра 81, полость 84 которого соединена с зоной 88 низкого давления - золотник 89 под действием возвратной пружины занимает исходное положение, т.е. насос 14 продолжает постоянно подавать рабочую жидкость в группу управления 13 в соответствии с вышеописанной схемой.

Работа группы управления 13 при отсутствии нагрузки на буровом долоте 8.

Рабочая жидкость, поступившая от насоса 14 по каналу 57 в прямой вход цилиндра 46-1 первого узла управления 42-1, перемещает его поршень вверх, шток 47 которого вначале перемещает до упора блок поршней 49 золотника 45, а затем, сжав пружину 50, включает клапан последовательности 44-1, при этом жидкость, находя- щаяся в надпоршневой полости гидроцилиндра 46-1 по каналам 62, 63, 75 через золотник возврата 72 поступает в канал 73 всасывания насоса 14; осуществляется сообщение каналов 116, 117, 55 и кольцевого коллектора 54 с каналом 52 во времени, в течение которого нижний поршень блока поршней 49 займет положение верхнего, после чего происходит сообщение каналов 116, 117, 55, кольцевых коллекто- ров 54 и 53 с каналами всасывания 68 и 73 насоса 14; затем одновременно поршень 48 золотника 45 занимает место нижнего поршня блока поршней 49, перекрыв вход золотника 45, соединенный с кольцевым коллектором 53, и включается клапан последовательности 44-1, соединяющий каналы 57,59 и 60 с прямым входом гидроцилиндра 46-2 второго узла управления 42-2, работающий аналогично первому узлу управления 42-1 и открывающий доступ рабочей жидкости к прямому входу гидроцилиндра 46-3 третьего узла управления 42-3, и т.д. до аналогичного срабатывания последнего узла управления 42-к.

Вместе с перемещением ранее описанных элементов узла 42-к под действием пружины перемещается в другое крайнее положение клапан возврата 64, при этом гидравлическая связь канала 67 с каналом нагнетания 66 открывается, а с каналом 68 всасывания перекрывается. Клапан 44-к, заняв свое другое крайнее положение, пропускает рабочую жидкость из канала 67 по каналам 69-71 на вход золотника возврата

72, который занимает другое крайнее положение, при этом канал 76, ранее соединенный с каналом нагнетания 66, соединяется с каналом всасывания 73, а канал 75, ранее соединенный с каналом всасывания 73, соединяется с каналом нагнетания 66 - рабочая жидкость по каналам 75, 63, 62 и кольцевому коллектору 61 поступает в обратные входы гидроцилиндров 46 всех узлов управления 42, возвращая их в исходное положение. В силу того, что в канале бО-к-1, соединенном с обратным входом последнего гидроцилиндра 46-к, встроен регулируемый штуцер (фиг. 6), возврат узла 42-к в исходное положение происходит в последнюю очередь.

Поршень гидроцилиндра 46-к, возвращаясь в исходное положение, возвращает в это положение клапан возврата 64, сжимая его пружину, усилие которой воспринимается защелкой 65, при этом вход золотника 72 соединяется с каналом всасывания 73 насоса 14 - золотник возврата 72 своей пружиной возвращается в исходное положение и узлы управления 42 начинают новый цикл работы в соответствии с вышеописанной схемой.

При создании осевой нагрузки на буровом долоте 8 весом колонны бурильных труб корпус 1 вместе с узлом фиксации 11 и втулкой 25 перемещается к забою скважины, разгружая силовую пружину 9. Крутящий момент, возникающий при разрушении горной породы, воспринимается шлицевым соединением 6.

Втулка 25, перемещаясь вниз вместе с колонной бурильных труб и узлом фиксации 11 в зависимости от осевой нагрузки на буровом долоте 8, своим скошенным уступом включает клапаны нагрузки 43, которые пропускают рабочую жидкость из кольцевого коллектора 51 к золотнику 45, откуда после его срабатывания по кольцевому коллектору 54, каналам 55, 116 и 117 - под поршень управляющего клапана 114, который перемещаясь в сторону гидроусилителя 115, перекрывает его нижнее седло. Исполнительный клапан гидроусилителя, перемещаясь в сторону седла 86, создает кратковременное повышение давления - импульс давления, который по каналу бурильных труб поступает на дневную поверхность, где улавливается приемной аппаратурой с последующей фильтрацией, усилением и поступлением на показывающий и регистрирующий приборы.

После получения импульса каналы 116, 117 и 55 соединяются золотником 45 во времени, в течение которого поршень 48 перемещается из своего исходного положения

до занятия им места нижнего поршня блока поршней 49, с кольцевым коллектором 53 и каналами всасывания 68, 74 и 73 насоса 14 - управляющий и усилительный клапаны возвращаются в исходное положение, пода- ча гидравлического импульса прекращается. Вслед за этим аналогично первому узлу управления 42-1 срабатывает второй узел управления 42-2 и т.д.

Количество одновременно включенных клапанов нагрузки 43 и, следовательно, количество формируемых и поступающих друг за другом в приемную аппаратуру гидравлических сигналов зависит от осевой нагрузки на буровом долоте 8, т.е., чем больше на- грузка, тем больше в количественном отношении поступает в приемную аппаратуру гидравлических сигналов, представляющих собой серию сигналов, разделенных друг от друга временем Тв (фиг. 9), необходимым для возвращения узлов управления 42 в исходное положение.

По окончании бурения долото 8 отрывают от забоя скважины и прекращают подачу промывочной жидкости, при этом п рекра- щается работа насоса 14; пружина 41 перемещает в исходное положение кольцевой поршень 40 - выключается нижний фиксатор 28, гидравлический блок 12 и узел фиксации 11 пружинами соответственно 9 и 35 возвращается в исходное положение,

Таким образом устройство способно формировать гидравлические сигналы, пропорциональные осевой нагрузки на буровом долоте, как при роторном способе бурения, так и при использовании забойного двигателя.

Формула изобретения

Устройство для контроля осевой нагрузки на буровом долоте по гидравлическому каналу связи, включающее чувствительный элемент с пружиной сжатия, связанный b чувствительным элементом узел фиксации и узел формирования гидравлических сигналов, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения устройства, оно снабжено насосом и равномерно размещенными по окружности узлами управления, узел фиксации снабжен втулкой, торец которой выполнен по винтовой линии с углом подъема, равным углу наклона линии характеристики пружины сжатия чувствительного элемента, каждый из узлов управления содержит размещенные друг под другом клапан нагрузки, клапан последовательности с двумя выходами, в один из которых включен обратный клапан, золотник, связанный с золотником гидроцилиндр двойного действия с прямым и обратным входами, связанный с гидроцилиндром двойного действия последнего узла управления, клапан возврата с тремя выходами, золотник возврата с шестью входами, два из которых соединены с каналами нагнетания насоса, с третьего по пятый с каналами всасывания насоса, а шестой - с выходом клапана последовательности последнего узла управления, и двумя выходами, из которых один соединен с обратными входами гидро- цилиЛдров двойного действия, а второй - с прямым входом гидроцилиндра двойного действия первого узла управления, входами клапанов нагрузки и входами клапанов последовательности, кроме последнего узла управления, вход и один из выходов клапана возврата соединены соответственно с каналами нагнетания и всасывания насоса, два других его входа соединены с входами клапана последовательности последнего узла управления, выход клапана нагрузки соединен с входом золотника, один из выходов которого соединен с узлом формирования гидравлических сигналов,второй - с каналами всасывания насоса, выход клапана последовательности предыдущего узла управления соединен с прямым входом гидроцилиндра двойного действия последующего узла управления, причем клапаны нагрузки узлов управления размещены в одной горизонтальной плоскости и установлены с возможностью взаимодействия с торцем втулки узла фиксации.

9W/

AiA

43-S 43-7 Јj ttj №

Изобретение относится к технологическим средствам контроля забойных параметров при бурении скважин. Цель - расширении области применения устройства. Устройство включает с возможностью осевого перемещения соединенный с узлом фиксации чувствительный элемент, содержащий полумуфту, шлицевое соединение 6, патрубок и силовую пружину, и гидравлический блок, состоящий из гидравлически связанных между собой группы управления, насоса и узла формирования гидравлических сигналов. Группа управления содержит равномерно расположенные по окружности уз; лы управления, каждый из которых включает размещенные друг под другом клапан нагрузки с одним входом и одним выходом, ось которого расположена в перпендикулярной оси устройства плоскости и который включается нижней частью втулки, торец которой с внешней стороны имеет скошенный уступ, выполненный по винтовой линии, угол подъема которой равен углу наклона линии характеристики силовой пружины чувствительного элемента, верхняя часть втулки закреплена на узле фиксации и ориентирована относительно первого клапана нагрузки и клапан, последовательности с двумя входами. 9 ил. ел с

l :iite ii г

Фиг. 9