Гидравлический бурильный ясс - RU2025567C1
Код документа: RU2025567C1
Чертежи
Описание
Изобретение касается в основном яссов, использующихся для освобождения предметов, застрявших в стволе скважины, в частности нового и улучшенного гидравлического бурильного ясса, который может приводиться в действие для передачи на бурильную колонну повторяющихся направленных вверх и вниз динамических ударов в случаев, если колонна застревает в буровой скважине в процессе бурения.
В известном гидравлическом бурильном яссе используется дозирующая гильза снаружи оправки в качестве отключающего механизма. Гильза проталкивается через уменьшенного диаметра секцию корпуса и в его увеличенного диаметра секцию, когда рабочая жидкость течет через полость небольшого зазора между наружной поверхностью гильзы и внутренней стенкой этой уменьшенного диаметра секции. Медленное протекание замедляет продольное перемещение оправки, чтобы дать возможность растягивающему усилию быть принятому колонной труб. Когда дозирующая гильза достигает увеличенного диаметра, то возникает перепуск с большим проходным сечением, который допускает свободное перемещение оправки до тех пор, пока не войдут во взаимодействие ударные поверхности.
В процессе обратного перемещения оправки нижний конец гильзы движется в сторону из седла на оправке для обеспечения неограниченного перемещения в поднятое положение.
Хотя яссы, включающие такие дозирующие гильзы, широко используются, однако поверхности скольжения подвержены износу, который снижает их эффективность в качестве уплотнений высокого давления. Гильзы являются также очень дорогими в изготовлении, поскольку необходимо выдерживать допуски в узких пределах.
Другие известные яссы имеют уплотнения высокого давления, которые подвержены загрязнению буровым раствором в скважине, что снижает срок их службы.
Известны конструкции дозирующих гильз имеют внутренние камеры, уравновешенные с окружающей средой с помощью отверстий в корпусе. Такие отверстия создают слабые места, подверженные усталостным разрушениям, обусловленным циклическими напряжениями в процессе изгибающего вращения.
Целью изобретения является повышение надежности ясса в работе и увеличение срока его службы.
Это достигается с помощью гидравлического бурильного ясса, состоящего из телескопически установленных друг относительно друга корпуса и оправки, при этом ясс снабжен верхним дозирующим механизмом, который размещен в кольцевой полости между оправкой и корпусом над нижним дозирующим механизмом, и дополнительным кольцевым выступом с уплотнением, размещенными между дозирующими механизмами и разделяющими 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.
Верхний и нижний дозирующие механизмы выполнены в виде жестко связанной с корпусом цилиндрической гильзы с уплотнениями, имеющей перепускные каналы, полое седло с цилиндрической внутренней поверхностью, и клапана, установленного в седле. Клапан выполнен в виде подпружиненного в сторону седла цилиндрического пальца с прорезями на нижнем торце, образующей с внутренней поверхностью седла переточные каналы, гидравлически связанные с перепускными каналами гильзы.
На фиг.1 изображена бурильная колонна с предлагаемым яссом; на фиг.2-6 - правая сторона ясса, находящегося в поднятом положении, продольное сечение (каждый последующий чертеж является нижним продолжением предыдущего); на фиг. 7 - частичный вид в увеличенном масштабе поперечного сечения дозирующей системы; на фиг.8 - то же, вариант.
Скважина 1 бурится в земле с помощью буровой головки 2, используя типичный процесс вращения. Отрезок из утяжеленных бурильных труб (УТБ) прикреплен выше головки 2 для обеспечения необходимого веса, благодаря которому головка будет образовывать скважину. Ясс 3 встраивается в колонну УБТ 4 возле верхнего ее конца, выше нейтральной точки, другие УБТ могут соединяться выше ясса.
Бурильная колонна 5, состоящая из соединений бурильных труб, направлена вверх до верхней части скважины. Буровой раствор циркулирует с помощью насоса вниз через бурильную колонну 5 и УБТ 4, где она выходит через сопла в головке 2 и возвращается на поверхность через кольцевое пространство или зазор между бурильной колонной и стенкой буровой скважины. Раствор имеет гидравлический напор расположенный выше, чем пластовое давление жидкости для предотвращения выброса из скважины, и раствор очищает головку 2 и выносит шлам вверх по стволу скважины.
Гидравлический бурильный ясс 3 содержит узел оправки 6, телескопически установленный в корпусе 7 и имеющий резьбу 8, с помощью которой она может соединяться с трубой, идущей вверх к поверхности. Нижняя оправки 9 снабжена наружными шлицами 10, которые взаимодействуют с внутренними шлицами 11 на корпусе 12, обеспечивая скользящее и передающее крутящий момент соединение. Уплотнение 13 на верхнем конце корпуса 12 взаимодействует с наружной поверхностью оправки 6 для предотвращения попадания бурового раствора. Нижний конец оправки соединяется в помощью резьбы 14 с оправкой ударника 15 (фиг. 3). Контргайка 16 может использоваться для предотвращения раскручивания резьбы 14 и образует ударную поверхность, которая взаимодействует с поверхностью наковальни 17, образуемой нижним концом шлицом. Верхняя концевая часть 18 наружного ударного выступа оправки 15 имеет утолщенное поперечное сечение для образования обращенной вниз ударной поверхности 19. Последняя взаимодействует с поверхностью 20 наковальни на направленном внутрь буртике 21 корпуса 22 ударника, на верхнем конце которого имеется резьба 23, с помощью которой он крепится к нижнему концу корпуса 12.
Нижний конец оправки ударника 15 соединяется на резьбе 24 (фиг.4) с верхним концом 25 оправки. Направленная наружу кольцевая ступень 26, снабженная одним или более радиальными отверстиями 27, выполнена на верхнем конце оправки 25. Отверстия 27 соединяют кольцевые полости 28 и 29 непосредственно над и под ступенью 26 с внутренним отверстием 30 оправочного узла 6.
Кольцевой плавающий поршень 31, имеющий внутреннее 32 и наружное 33 уплотнения, взаимодействующие со стенками оправки ударника и компенсирующей корпусной камеры 34 соответственно, служит для уравновешивания давления в отверстие 30 с давлением в кольцевой зоне между оправкой ударника 15 и корпусами ударника 34 и 22, а также во внутренней области 35, в которой расположены шлицы. Кроме того, поршень 31 допускает изменение объема вследствие теплового расширения.
Плавающий поршень 31 смещается вверх под действием спиральной пружины 36, которая действует между нижней поверхностью плавающего поршня 31 и верхней поверхностью ступени 26. Второй плавающий поршень 37 установлен ниже ступени 26 и выравнивает внутреннее давление отверстия с давлением жидкости в кольцевой полости 38, расположенной между верхней частью оправки и верхним нагнетательным корпусом 34. Этот поршень 37 также снабжен внутренним 31 и наружным 39 уплотнениями для предотвращения утечки мимо них, а спиральная пружина 40 смещает плавающий поршень 37 вниз.
Участок высокого давления ясса 3 включает верхнюю 41 и нижнюю 42 секции оправки и секцию 43 нагнетательного корпуса. Выступающий наружу дополнительный кольцевой выступ 44 (фиг.5) на верхнем конце секции 42 оправки снабжен уплотнением 45 высокого давления для обеспечения поршня, скользящего относительно внутренней стенки 46 корпусной секции 43. Выступ 44 соединяется на резьбе 48 с нижним концом оправки. Верхний дозирующий узел 49 установлен на нижнем конце корпуса, а нижний дозирующий узел 50, являющийся зеркальным отражением верхнего узла 49, на верхнем конце нижнего корпусного элемента.
Кольцевая полость 51 между поршнем 44 и верхним дозирующим узлом 49 образует верхнюю камеру высокого давления, а кольцевая полость 52 между нижним дозирующим устройством 50 и поршнем 44 - нижнюю камеру высокого давления. Кольцевая полость 38 между элементами 41 и 34 образует компенсирующую камеру, взаимодействующую с камерой 51 высокого давления, а нижняя кольцевая полость 53 между элементами 54 и 55 - компенсирующую камеру, взаимодействующую с нижней камерой 52 высокого давления. Камеры высокого давления и компенсирующие камеры заполняются рабочей жидкостью соответствующей вязкости.
Верхний конец компенсирующей камеры 38 определяется плавающим поршнем 37, нижний конец компенсирующей камеры 53 - другим плавающим поршнем 56 (фиг. 6), который смещается вверх с помощью пружины 57. Последняя опирается на кольцо 58, которое в свою очередь опирается 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 загрязнение жидкости в камерах и также уплотнений высокого давления буровым раствором.
Верхняя оправка снабжена секцией 64 небольшой длины (фиг.4), имеющей наружную поверхность 65 увеличенного диаметра. Поверхность 65 предназначена для герметичного взаимодействия с уплотнением высокого давления на внутренней поверхности дозирующего узла 49, когда узел оправки располагается в поднятом положении. Взаимодействие поверхности 65 с этим уплотнением диктуется тем, что любое перемещение вверх оправки и ее поршня должно сопровождаться дозированием рабочей жидкости через узел 49.
Аналогичным образом, когда нижняя клапанная головка 66 взаимодействует с уплотнением высокого давления в отверстие нижнего ограничивающего узла 50, то любое дальнейшее перемещение вниз оправки и поршня 44 должно сопровождаться дозированием жидкости через нижний ограничивающий узел 50.
Нижний дозирующей узел 50 содержит удлиненную гильзу 67, соединенную с помощью резьбы 68 с верхней концевой частью 69 корпуса и герметизированную относительно корпуса с помощью уплотнительного кольца 70. Осевое отверстие 71 выполнено в верхней части гильзы 67 и направлено вниз к уменьшенного диаметра дозирующему отверстию 72. Нижняя стенка отверстия 72 пересекается осевым отверстием 73, которое ведет вниз к поперечному отверстию 74, сообщающемуся с кольцевой полостью 75, расположенной между нагнетательным корпусом 43 и нижней частью гильзы 67. Пара поперечных отверстий 76 и 77 соединяет полость 75 с кольцевой полостью 78, расположенной между нагнетательной оправкой 54 и компенсирующим корпусом 55. Полость 78 ведет вниз к компенсирующей камере 53.
Палец 79 дозирующего клапана входит в отверстие 72 и смещается вниз с помощью спиральной пружины 80, которая удерживается с помощью крышки 81, в которой может быть выполнено сквозное отверстие 82 или радиальные отверстия могут быть выполнены в стенках верхней части гильзы 67 ниже крышки 81.
Нижний конец пальца 79 предпочтительно снабжается диаметральной канавкой 83 или другими средствами с целью гарантирования того, что все ограничение потока обеспечивается зазором 84 между наружной стенкой пальца 79 и внутренней стенкой отверстия 72. Зазор 84 делается достаточно маленьким для обеспечения оптимальных вибрационных характеристик с точки зрения температуры в забое скважины и вязкости рабочей жидкости, которая используется в системе.
Возле нижнего конца поверхности 85 отверстия дозирующей гильзы 67 установлен узел 86 уплотнения высокого давления, размещенный в кольцевом углублении 87 в гильзе 67. Нижний конец углубления 87 определяется верхней торцовой поверхности части 69 корпуса. Как только уплотнение 86 войдет во взаимодействие с наружной поверхностью 88 головки 66 оправки, оно предотвращает любые утечки жидкости через отверстие 86 дозирующей гильзы 67, когда оправка опускается. До тех пор пока уплотнение 86 взаимодействует с наружной поверхностью 88 головки 66 оправки, оно предотвращает любые утечки жидкости через отверстие 76 дозирующей гильзы 67, когда оправка движется дальше вниз. До тех пор пока уплотнение 86 взаимодействует с наружной поверхностью головки, перемещение вниз оправки должно сопровождаться дозированным потоком жидкости через палец 79 клапана из камеры 52 высокого давления в компенсирующую камеру 53. Как только верхний конец головки 66 освобождает уплотнение 86, сразу же образуется большой участок перепуска, в результате чего оправка может падать внутри корпуса и ударять поверхностью 19 о поверхность 20 наковальни.
Верхний дозирующий узел является зеркальным отражением нижнего узла и содержит сидящий сверху палец 89 клапана, установленный в осевом отверстии, выполненном в гильзе 90, прикрепленной к компенсирующему корпусу (фиг.4). На гильзе 90 возле ее верхнего конца установлено уплотнение 91 высокого давления, которое взаимодействует с клапанной головкой 64 на оправке таким образом, что как только верхняя торцовая поверхность головки 64 взаимодействует с уплотнением 91, то жидкость должна дозироваться за пальцем 89, направляясь из камеры высокого давления в компенсирующую камеру для осуществления любого дальнейшего перемещения вверх. Это приводит к задержке перемещения вверх узла оправки, в результате чего усилия могут быть переданы колонне труб на поверхности. Как только головка 64 освобождает уплотнение 91, оправка ускоряется вверх для создания вибрационного удара в верхнем направлении.
Детали собраны, а камеры высокого давления и компенсирующие камеры заполнены соответствующей рабочей жидкостью. Шлицевая камера тоже может быть заполнена рабочей жидкостью или же может использоваться масло, более пригодное для тяжелых режимов работы. Ясс в сборе встраивается в колонну утяжеленных бурильных труб возле ее верхнего конца, когда бурильная колонна опускается в скважину и первоначально выдвинута с гайкой 16, взаимодействующей с нижним концом шлицев 17. Ясс остается в натяжении в процессе бурения, если он установлен выше нейтральной точки в бурильной колонне. Когда буровой раствор нагнетается вниз через ясс, то растягивающее усилие создается за счет более высокого внутреннего давления выше сопл головки. Шлицы передают крутящий момент с оправки на корпус, соединенный с утяжеленными бурильными трубами.
Буровой раствор внутри оправки 60 не может загрязнять уплотнения высокого давления 86 и 91 или поршневое уплотнение 45, поскольку заполненные маслом камеры 38, 51, 52 и 53 изолированы от раствора плавающими поршнями 37 и 56. Шлицевая камера 35 также изолирована от раствора с помощью плавающего поршня 31. Шлицевая камера 35 и компенсирующие камеры 38 и 53 подвержены взаимодействию давления внутри оправки через отверстия 27 и поперечную полость 58. Таким образом, уплотнения и рабочая жидкость не подвержены воздействию бурового раствора в кольцевых полостях, содержащего шлам или другие обломки породы.
В том случае, если колонна утяжеленных бурильных труб ниже ясса или коронка застрянет в скважине, то ясс может приводиться в действие для создания направленных вверх ударов следующим образом. Оправка опускается в корпусе для расположения верхней головки 64 оправки и нижней головки 66 рядом с соответствующими дозирующими гильзами 90 и 67. Когда нижняя часть головки 64 взаимодействует с уплотнением 91 высокого давления, то пальчиковый клапан 89 открывается, обеспечивая прохождение потока рабочей жидкости из компенсирующей камеры 38 в нагнетательную камеру 51. Когда нижняя головка 66 взаимодействует с уплотнением 86 высокого давления, то будет наблюдаться на индикаторе веса буровой установки сопротивление перемещению вниз. Поскольку дальнейшего уменьшения веса нет, то труба поднимается. Поскольку головка 64 взаимодействует с уплотнением 91 высокого давления, то перемещение вверх оправки приводит к установке в седло пальчикового клапана 92 и ограничению потока рабочей жидкости из нагнетательной камеры 51 в компенсирующую камеру 38. Ограниченный поток дает время буровику для растяжения бурильной колонны и накопления потенциальной энергии. Как только головка 64 дозирует вверх и освобождает уплотнение 91 высокого давления, оправка ускоряется вверх для резкого подвода гайки 16 и нижнему концу шлицев 17, в результате чего к застрявшему предмету подается вибрационный удар. Труба может повторно опускаться и затем растягиваться для подачи серии ударов на предмет, пока он не освободится.
При работе яссом вниз оправка опускается в корпусе до тех пор, пока сопротивление дальнейшему опусканию не будет отражаться на индикаторе веса буровой установки, который показывает, что и нижняя головка 66 оправки достигла уплотнения 86 высокого давления на нижнем дозирующем узле 50. Верхняя головка 64 не задерживает перемещение вниз, так как пальчиковый клапан 89 открывается, когда достигается уплотнение 91. Затем бурильщик уменьшает вес на оправку, что приводит к медленному прохождению нижней головки 89 через гильзу 67, поскольку поршень 44 обеспечивает дозированное прохождение жидкости за пальчиковый клапан 79 в компенсирующую камеру 53. Когда верхняя наружная поверхность головки 66 освобождает уплотнение 86 высокого давления, то узел оправки резко падает вниз, в результате чего поверхность 19 молотка ударяет о поверхность 20 наковальни.
Создаваемый динамический удар передается корпусом на расположенный ниже застрявший предмет. Повторяющиеся вибрационные удары могут достигаться за счет подъема оправки до тех пор, пока не будет зафиксировано сопротивление, когда головка впервые начнет взаимодействовать с уплотнением, в результате чего нижняя головка 66 и гильза 67 поднимаются и затем за счет уменьшения веса на ясс последний отключается.
Плавающие поршни гарантируют, что давление в компенсирующей и шлицевой камерах по существу уравновешено с давлением в отверстии оправки и допускают незначительные изменения объема вследствие тепловых воздействий. Уравновешивание давления внутри, а не снаружи, дает ряд преимуществ. Отверстие в корпусе 7 создает слабые места, подвергающиеся циклическим напряжениям в процессе изгибающего вращения, которые могут привести к усталостным разрушениям. Когда ясс, имеющий наружную компенсацию, вытягивается из скважины, то буровой раствор направляется из полостей вниз и наружу из инструмента, что может создать впечатление, что инструмент течет. Более того, более высокое давление внутри ясса, чем в кольцевой полости, вследствие перепада давлений на соплах коронки, гарантирует, что любые утечки жидкости за уплотнения будут происходить наружу, предотвращая загрязнение уплотнений частицами из бурового раствора в кольцевой полости.
Другой предпочтительный вариант конструкции настоящего изобретения представлен на фиг.8. При бурении наклонно направленной скважины с большим наклоном может потребоваться уменьшить относительно большую величину веса для продвижения бурильной колонны до основания скважины. Возможно, что такой большой вес может привести к расцеплению ясса и его вибрированию. Если это должно произойти, то действие по освобождению веса происходит на поверхности и вероятно даже возможен направленный вниз удар. Таким образом, это не будет создавать никаких проблем на поверхности, поскольку труба находится под жестким контролем подъемников буровой установки. Однако, если ясс полностью закрыт и труба установлена в клиньях, например, при добавлении другого соединения или свечи бурильных труб, то утяжеленные бурильные трубы ниже ясса могут начать движение вниз. Затем ясс действует как скользящее соединение до тех пор, пока не будет достигнут конец свободного перемещения между корпусом и оправкой и ясс поднимается. Внезапная остановка забойного узла ниже ясса, когда ясс поднимается, может привести к тому, что через бурильную трубу на поверхность пойдет растягивающая ударная волна, которая возможно может выбить трубу из клиньев.
Для избежания этой потенциальной проблемы предусмотрены средства для ограничения свободного растяжения ясса, когда он направлен из закрытого положения и обеспечения относительно несдерживаемого перемещения, когда ясс закрывается из поднятого положения. Другими словами, демпфирование, обеспечивающееся улучшением, является направленно смешенным. Это достигается за счет наличия поверхности 92, имеющей форму усеченного конуса, на секции оправки, идущей на конус от верхнего наружного диаметра 88 нижней клапанной головки 66 до нормального диаметра 93 секции оправки.
Кольцевая полость 94, образованная между конической поверхностью 92 и поверхностью отверстия дозирующей гильзы 67, является перепускным каналом для жидкости, который постепенно уменьшается в размере до нуля, когда корпус 7 движется вниз относительно оправки 6 из поднятого положения, а уплотнение 86 высокого давления достигает поверхности 88 клапанной головки. С другой стороны, размер перепускного канала 94 постепенно увеличивается, когда оправка 6 движется вниз относительно корпуса 7 из поднятого положения в процессе направленной вниз вибрации. Движение вниз оправки ограничивается только в начале хода и действие быстро уменьшается, в результате чего удар происходит фактически с той же скоростью, как если бы ограничение перепуска отсутствовало. После отсекания жидкости в зоне перепуска поток целиком должен направлять через дозирующий канал, образуемый пальцем 79 в ограничивающей гильзе 67.
Аналогичный принцип демпфирования может достигаться и в механических бурильных яссах за счет обеспечения конической внутренней поверхности на нижней регулировочной гильзе, взаимодействующей со съемной гильзой на соседней наружной поверхности оправки. Коническая поверхность наклонена вверх и наружу и выполнена так, что меньший диаметр окружает гильзу с очень небольшим зазором в поднятом положении корпуса. Таким образом, если ясс закрыт и оправка начинает двигаться вниз, то проходное сечение перепуска между конической поверхностью и наружной поверхностью поршня гильзы будет постепенно уменьшаться почти до нуля с целью замедления этого движения вниз и предотвращения возникновения растягивающей ударной волны, когда ясс поднимается.
Пальчиковые клапана служат для задержки перемещения оправки и в качестве обратного клапана, зависящего от направления потока рабочей жидкости. Круглое окно труднее засоряется, чем отверстие. Пальчиковые (игольчатые) клапана являются самоочищающимися в том плане, что любая грязь, оставшаяся в круглом окне, вымывается при повторном подъеме ясса. Пальчиковые клапана легко заменяются другими пальцами другого размера с целью изменения рабочих характеристик ясса. Некоторые рабочие характеристики могут быть изменены путем простой замены рабочей жидкости, имеющей другую вязкость, что может быть осуществлено без разборки инструмента. По существу такой же дозирующий механизм может быть использован для обеих верхней и нижней ударных камер за исключением того, что пальчиковый клапан с меньшим наружным диаметром обычно используется в нижнем механизме. Увеличенный зазор обеспечивает расцепляющую нагрузку, которая составляет примерно одну треть от направленной вверх вибрационной нагрузки.
Поскольку имеются две независимо герметизированные камеры, то ясс может продолжать работать в одном направлении даже если другая камера не держит давления. Поскольку обычный скользящий поршень гильзы не используется в качестве расцепляющего устройства в изобретении, то износ от скольжения отсутствует. Описанные здесь пальчиковые клапана являются значительно дешевле в изготовлении, чем поршни гильзы, у которых необходимо выдерживать жесткие допуски. Ясс в соответствии с изобретением может быть или верхним или нижним ударным яссом, или может выполняться для создания удара в обоих направления.
Реферат
Гидравлический бурильный ясс используется для освобождения предметов, застрявших в стволе скважины. Для повышения надежности работы и увеличения срока службы ясс снабжен верхним дозирующим механизмом, который размещен в кольцевой полости между оправкой и корпусом над нижним дозирующим механизмом, и дополнительным кольцевым выступом с уплотнением, размещенными между дозирующими механизмами и разделяющими 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 надпружинены относительно нее. Верхний и нижний дозирующие механизмы выполнены в виде жестко связанной с корпусом цилиндрической гильзы с уплотнениями, имеющей перепускные каналы, полое седло с цилиндрической внутренней поверхностью, и клапана, установленного в седле. Клапан выполнен в виде подпружиненного в сторону седла цилиндрического пальца с прорезями на нижнем торце, образующего с внутренней поверхностью седла передаточные каналы, гидравлически связанные с перепускными каналами. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.
