Магнитный виброгаситель (варианты) - RU2708532C1

Чертежи

Описание

Группа изобретений относится к машиностроению, в частности к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам для гашения колебаний бурового оборудования и инструмента.

Известно устройство для уменьшения вибраций скважинного оборудования, содержащее воспринимающую вибрацию компоновку низа бурильной колонны и установленную в ней систему в виде массы-электромагнита, поглощающей и рассеивающей часть вибрационной энергии основной системы (Публикация № WO 2014/134006 А1, МПК Е21В 17/07, дата приоритета 26.02.2013, дата публикации 04.09.2014, автор Carlos A. Prieto, US).

К недостаткам известного устройства относятся: низкая эффективность процесса виброгашения, особенно при больших амплитудах колебаний и ударных нагрузках, т.к. большая часть вибрационной энергии проходит вдоль основной системы; рассеивающая масса при возбуждении ее электромагнитами сама становится источником высокочастотных колебаний, что отрицательно влияет на другое скважинное оборудование, как то: шарошечные долота, телеметрические системы; необходимость подвода электроэнергии к электромагниту, что увеличивает затраты, а также вероятность отказа системы виброгашения вследствие повреждения кабеля; низкая надежность системы вследствие быстрого износа торцевой части рассеивающей массы в условиях трения без смазки, при этом работа системы напрямую зависит от работоспособности датчиков измерения параметров бурения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для виброгашения колебаний, содержащее верхнюю и нижнюю части цилиндрического полого корпуса, а также установленную в корпусе пару взаимодействующих друг с другом магнитов, расположенных вдоль оси колебаний, один из которых имеет возможность ограниченного осевого перемещения (Публикация № US 4101008 А, МПК F16F 13/00, дата приоритета 31.01.1976, дата публикации 18.07.1978, авторы: Albert Frosch; Walter Mannsdoerfer; Claus Scheuing, DE, прототип).

К недостаткам прототипа относятся: малая надежность системы, ввиду неустойчивости положения магнитов, взаимодействующих друг с другом и установленных на упруго закрепленных несущих частях корпуса, что ведет к возможности перехода системы в автоколебательный режим, быстрому износу креплений и непостоянству характеристик виброгасителя, а при разведении магнитов на большую величину зазора при больших амплитудах вибрации возможны либо слом крепления, либо соударение взаимодействующих магнитов при их обратном движении с ускорением; узкий диапазон рабочих характеристик и малая мощность виброгасителя при использовании лишь двух взаимодействующий магнитов; малая автономность системы при необходимости подвода электроэнергии к электромагниту, что увеличивает затраты, а также вероятность отказа системы виброгашения вследствие повреждения кабеля при возвратно-поступательных движениях магнита.

Технической проблемой, решаемой изобретениями, объединенными единым изобретательским замыслом, является создание более эффективного магнитного виброгасителя для гашения колебаний бурового оборудования и инструмента путем его конструктивного усовершенствования, расширяющего его эксплуатационные и функциональные возможности, а также увеличивающего его надежность.

Для решения технической проблемы предложен магнитный виброгаситель в первом варианте исполнения, содержащий верхнюю и нижнюю секции цилиндрического полого корпуса, а также соосно установленные в них вдоль оси колебаний и размещенные разноименными полюсами друг к другу верхний и нижний магниты, один из которых установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения. Новым является то, что верхняя секция корпуса выполнена с выступающими периферийным и центральным кольцевыми окончаниями и установлена со способностью возвратно-поступательного вибросмещения совместно с верхним магнитом посредством силового и геометрического замыканий с нижней секцией корпуса через, по меньшей мере, пару симметричных направляющих стержней, размещенных в соосных торцевых пазах верхней и нижней секций корпуса, при этом стержень с одной стороны фиксирован в пазу, а с другой - с возможностью возвратно-поступательно движения установлен в оппозитный паз на глубину h, являющуюся величиной максимального хода верхней секции при ее вибросмещении, замыкание также осуществлено посредством соединения периферийного кольцевого окончания с цилиндрическим стаканом, снабженным кольцевым донным выступом, имеющим сквозное центральное отверстие и примыкающим к внешней стенке нижней секции корпуса, на которой выполнен поперечный выступ, ограничивающий вибросмещение верхней секции корпуса посредством зацепления кольцевого донного выступа цилиндрического стакана при его смещении за поперечный выступ нижней секции корпуса с обеспечением расстояния ограничения, меньшего или равного величине h, на поперечном выступе нижней секции установлен нижний магнит, который зафиксирован торцом настроечной втулки, установленной на нижней секции корпуса и предотвращающей перемещение нижнего магнита, настроечная втулка снабжена наружным поперечным выступом, имеющим расположенную над нижним магнитом верхнюю плоскость, совпадающую с плоскостью верхнего торца цилиндрического стакана для обеспечения гарантированного воздушного зазора между верхним и нижним магнитами при установке подвижного верхнего магнита на эту плоскость, а в верхнем торце нижней секции корпуса выполнено уширение внутренней полости, стыкуемое с центральным кольцевым окончанием верхней секции корпуса.

Согласно изобретению, на торцах верхнего подвижного магнита расположены наборы упругих колец, чем обеспечено регулирование воздушного зазора.

Согласно изобретению, по меньшей мере, одно кольцо имеет сквозные сегментарные отверстия, расположенные равномерно между периферийной и центральной частями кольца.

Согласно изобретению, между уширенной стенкой верхнего торца нижней секции корпуса и центральным кольцевым окончанием верхней секции корпуса установлена уплотнительная гофра.

Согласно изобретению, на кольцевом донном выстуне цилиндрического стакана установлено тарельчатое уплотнение, примыкающее к внешней стенке нижней секции корпуса, с обеспечением расстояния от уплотнения до поперечного выступа нижней секции, меньшего или равного величине вибросмещения h.

Согласно изобретению, на тарельчатом уплотнении размещено утяжеляющее кольцо с обеспечением расстояния от него до поперечного выступа нижней секции корпуса, меньшего или равного длине вибросмещения h.

Согласно изобретению, нижний магнит выполнен в виде электромагнита.

Согласно изобретению, нижний и/или верхний магнит выполнен в виде скрепленной по конфигурации Хальбаха сборки магнитов с увеличением магнитного поля внутри сборки в сторону верхнего или нижнего магнита соответственно.

Согласно изобретению, направляющие стержни в оппозитных пазах установлены на тонкослойные резинометаллические элементы.

Согласно изобретению, на направляющие стрежни установлена резиновая цилиндрическая обкладка, причем нефиксированный конец направляющего стержня выполнен с уширением.

Согласно изобретению, магниты выполнены кольцевыми.

Согласно изобретению, нижний магнит выполнен с вытянутой в сторону верхнего магнита частью.

Согласно изобретению, элементы виброгасителя, взаимодействующие с магнитным полем верхнего и/или нижнего магнита, частично или полностью выполнены из немагнитного материала.

Для решения технической проблемы предложен магнитный виброгаситель во втором варианте исполнения, содержащий верхнюю и нижнюю секции цилиндрического полого корпуса, а также соосно установленные в них вдоль оси колебаний и размещенные разноименными полюсами друг к другу верхний и нижний магниты, один из которых установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения. Новым является то, что верхняя секция корпуса выполнена с выступающими периферийным и центральным кольцевыми окончаниями и установлена со способностью возвратно-поступательного вибросмещения совместно с верхним магнитом посредством силового и геометрического замыканий с нижней секцией корпуса через, по меньшей мере, пару симметричных направляющих стержней, размещенных в соосных торцевых пазах верхней и нижней секций корпуса, при этом стержень с одной стороны фиксирован в пазу, а с другой - с возможностью возвратно-поступательно движения установлен в оппозитный паз на глубину h, являющуюся величиной максимального хода верхней секции при ее вибросмещении, замыкание также осуществлено посредством соединения периферийного кольцевого окончания с цилиндрическим стаканом, снабженным кольцевым донным выступом, имеющим сквозное центральное отверстие и примыкающим к внешней стенке нижней секции корпуса, на которой выполнен поперечный выступ, ограничивающий вибросмещение верхней секции корпуса посредством зацепления кольцевого донного выступа цилиндрического стакана при его смещении за поперечный выступ нижней секции корпуса с обеспечением расстояния ограничения, меньшего или равного величине h, на поперечном выступе нижней секции корпуса установлен нижний магнит, который зафиксирован опирающимся на него фиксирующим кольцом, установленным на нижней секции корпуса с совпадающим по высоте расположением их верхних торцов, на которые установлена расположенная между секциями корпуса удерживающая втулка, снабженная снаружи поперечным выступом, на который установлен противоположными полюсами к верхнему и нижнему магнитам и с зазорами по отношению к ним промежуточный подвижный постоянный магнит, который зафиксирован опирающейся на него настроечной втулкой, установленной на удерживающей втулке и снабженной наружным поперечным выступом, имеющим расположенную над промежуточным магнитом верхнюю плоскость, совпадающую с плоскостью верхнего торца цилиндрического стакана для обеспечения гарантированного воздушного зазора между верхним и промежуточным магнитами при установке подвижного верхнего магнита на эту плоскость, кроме того, в удерживающей втулке выполнены сквозные отверстия, соосные пазам верхней и нижней секций корпуса, в которых расположены направляющие стержни, а в верхнем торце удерживающей втулки выполнено уширение внутренней полости, стыкуемое с центральным кольцевым окончанием верхней секции корпуса.

Согласно изобретению, промежуточный магнит выполнен кольцевым.

Согласно изобретению, промежуточный магнит выполнен со ступенчатыми торцами.

Согласно изобретению, нижний магнит выполнен кольцевым со ступенчатым верхним торцом, обращенным вытянутой частью в сторону промежуточного магнита.

Согласно изобретению, между фиксирующим кольцом и нижним магнитом установлена, по меньшей мере, одна упругая прокладка.

Согласно изобретению, между верхним торцом промежуточного магнита и настроечной втулкой установлена, по меньшей мере, одна упругая прокладка.

Согласно изобретению, между удерживающей втулкой и центральным кольцевым окончанием верхней секции корпуса установлена уплотнительная гофра.

Согласно изобретению, при помощи соединения паз-гребень удерживающая втулка выполнена с возможностью осевого входа в нижнюю секцию корпуса.

Согласно изобретению, элементы виброгасителя, взаимодействующие с магнитным полем верхнего, нижнего и/или промежуточного магнита, частично или полностью выполнены из немагнитного материала.

Согласно изобретению, нижний и/или верхний магнит выполнен в виде скрепленной по конфигурации Хальбаха сборки магнитов с увеличением магнитного поля внутри сборки в сторону промежуточного магнита.

Для решения технической проблемы предложен магнитный виброгаситель в третьем варианте исполнения, содержащий верхнюю и нижнюю секции цилиндрического полого корпуса, а также соосно установленные в них вдоль оси колебаний и размещенные разноименными полюсами друг к другу верхний и нижний магниты, один из которых установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения. Новым является то, что верхняя секция корпуса выполнена с выступающими периферийным и центральным кольцевыми окончаниями и установлена со способностью возвратно-поступательного вибросмещения совместно с верхним магнитом посредством силового и геометрического замыканий с нижней секцией корпуса через, по меньшей мере, пару симметричных направляющих стержней, размещенных в соосных торцевых пазах верхней и нижней секций корпуса, при этом стержень с одной стороны фиксирован в пазу, а с другой - с возможностью возвратно-поступательно движения установлен в оппозитный паз на глубину h, являющуюся величиной максимального хода верхней секции при ее вибросмещении, замыкание также осуществлено посредством соединения периферийного кольцевого окончания с цилиндрическим стаканом, снабженным кольцевым донным выступом, имеющим сквозное центральное отверстие и примыкающим к внешней стенке нижней секции корпуса, на которой выполнен поперечный выступ, ограничивающий вибросмещение верхней секции корпуса посредством зацепления кольцевого донного выступа цилиндрического стакана при его смещении за поперечный выступ нижней секции корпуса с обеспечением расстояния ограничения, меньшего или равного величине h, на поперечном выступе нижней секции корпуса установлен нижний магнит, который зафиксирован опирающимся на него фиксирующим кольцом, установленным на нижней секции корпуса с совпадающим по высоте расположением их верхних торцов, на которые установлен соосно расположенный ряд удерживающих колец, снабженных торцевыми выступами, на которых соосно размещен ряд подвижных промежуточных постоянных магнитов, последовательно установленных противоположными полюсами друг к другу и к верхнему и нижнему магнитам, а также с зазорами между ними, причем каждый промежуточный магнит, кроме верхнего, зафиксирован противоударным кольцом, установленным на соответствующем удерживающем кольце и ограничивающим совместно с ним самопроизвольное притяжение магнитов, на верхнее удерживающее кольцо установлена удерживающая втулка, снабженная снаружи поперечным выступом, на который установлен верхний промежуточный магнит, который зафиксирован опирающейся на него настроечной втулкой, установленной на удерживающей втулке и снабженной наружным поперечным выступом, имеющим верхнюю плоскость, совпадающую с плоскостью верхнего торца цилиндрического стакана для обеспечения гарантированного воздушного зазора между верхним и рядом промежуточных магнитов при установке подвижного верхнего магнита на эту плоскость, кроме того, в удерживающей втулке и в ряде удерживающих колец выполнены сквозные отверстия, соосные пазам верхней и нижней секций корпуса, в которых расположены направляющие стержни, а в верхнем торце удерживающей втулки выполнено уширение внутренней полости, стыкуемое с центральным кольцевым окончанием верхней секции корпуса.

Согласно изобретению, удерживающие кольца выполнены с возможностью осевого входа друг в друга и в удерживающую втулку при помощи соединения паз-гребень.

Согласно изобретению, нижнее удерживающее кольцо выполнено с возможностью осевого входа в нижнюю секцию корпуса при помощи соединения паз-гребень.

Согласно изобретению, между противоударными кольцами и промежуточными магнитами, установлены упругие прокладки.

Согласно изобретению, периферийное кольцевое окончание верхней секции корпуса соединено со стаканом посредством, по меньшей мере, одной промежуточной втулки.

Согласно изобретению, направляющий стержень выполнен составным, как минимум, из двух секций, собранных между собой при помощи резьбового соединения.

Согласно изобретению, секции стержня собраны при помощи быстроразъемного соединения.

Согласно изобретению, элементы виброгасителя, взаимодействующие с магнитным полем верхнего, нижнего и/или промежуточных магнитов, частично или полностью выполнены из немагнитного материала.

Сущность изобретений поясняется чертежами. На фиг. 1 представлено продольное сечение магнитного виброгасителя в первом варианте исполнения; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 представлено продольное сечение магнитного виброгасителя во втором варианте исполнения; на фиг. 4 и 5 представлено продольное сечение магнитного виброгасителя в третьем варианте исполнения; на фиг. 6 - выносной элемент Б на фиг. 4.

Магнитный виброгаситель во всех вариантах исполнения посредством переводников и муфт (не показаны) соединяют с колонной бурильных труб (или с другим оборудованием или инструментом по необходимости) и долотом (не показано), преимущественно над которым его устанавливают.

Магнитный виброгаситель в первом варианте исполнения (фиг. 1) содержит верхнюю секцию цилиндрического полого корпуса 1 - с периферийным и центральным кольцевыми окончаниями 2 и 3 соответственно - свободно поставленную на концентричную ей нижнюю секцию цилиндрического полого корпуса 4, имеющую на внешней стороне поперечный выступ 5. Секции корпуса 1 и 4 имеют силовое и геометрическое замыкания, обеспеченные через, по меньшей мере, пару симметричных направляющих стержней 6, установленных в соосных торцевых пазах 7 и 8 секций 1 и 4 соответственно, например, резьбовым соединением паза 7 и стержня 6, что также обеспечивает центровку секций 1 и 4. При этом стержни 6 входят в пазы 8 на глубину h, являющуюся величиной максимального хода (максимальной длиной вибросмещения) верхней секции 1. Замыкание секций 1 и 4 также обеспечено посредством соединения (преимущественно резьбового) периферийного окончания 2 с цилиндрическим стаканом 9, имеющим кольцевой донный выступ 10 со сквозным центральным отверстием, примыкающий к внешней стенке нижней секции корпуса 4, ограничивающей поперечным выступом 5 вибросмещение верхней секции корпуса 1 посредством зацепления донного выступа 10 цилиндрического стакана 9 при его смещении за поперечный выступ 5. Этим обеспечено расстояние ограничения между выступами 5 и 10, меньшее или равное максимальной величине хода h. На выступе 5 установлен кольцевой со ступенчатым верхним торцом нижний магнит 11, который зафиксирован поставленной на него настроечной втулкой 12, установленной на нижней секции корпуса 4, например, с помощью резьбового соединения. Настроечная втулка 12 имеет наружный поперечный выступ 13, плоскость верхнего торца которого совпадает с плоскостью верхнего торца стакана 9, на которую установлен кольцевой верхний магнит 14, причем магниты 11 и 14 установлены разноименными полюсами друг к другу и в общем случае с минимальным магнитным воздушным зазором. Плоскость установки верхнего магнита 14 расположена выше нижнего магнита 11, чем обеспечен гарантированный воздушный зазор Δ между ними. При этом на торцах верхнего магнита 14 могут быть установлены наборы упругих, например резиновых, колец 15, обеспечивающих дополнительный воздушный магнитный зазор Δ*, и которые могут иметь сквозные сегментарные отверстия, выполненные равномерно между периферийной и центральной частями кольца 15 (фиг. 2). В верхнем торце нижней секции корпуса 4 выполнено уширение 16 внутренней полости, стыкуемое с центральным кольцевым окончанием 3. а между ними установлена уплотнительная гофра 17. На выступ 10 может быть установлено тарельчатое, преимущественно резиновое уплотнение 18, размещенное между цилиндрическим стаканом 9 и нижней секцией корпуса 4, а сверху на него может быть поставлено утяжеляющее кольцо 19. При этом расстояние ограничения максимальной длины вибросмещения h образуется либо между поперечным выступом 5 и уплотнением 18, либо между поперечным выступом 5 и утяжеляющем кольцом 19. В пазах 8 могут быть установлены тонкослойные резинометаллические элементы 20. На направляющем стержне 6 может быть установлена резиновая цилиндрическая обкладка 21, причем нефиксированный конец стержня 6 выполнен с уширением для фиксации обкладки 21. Нижний магнит 11 может быть выполнен электромагнитом, провода (не показаны) от которого выведены между нижней секцией корпуса 4 и цилиндрическим стаканом 9, либо между тарельчатым уплотнением 18 и цилиндрическим стаканом 9. Питание электромагнита может осуществляться, например, от забойной телеметрической системы или другого источника энергии (не показаны). Нижний магнит 11 и/или верхний магнит 14 могут быть выполнены в виде скрепленной по конфигурации Хальбаха сборки магнитов с увеличением магнитного поля внутри сборки в сторону верхнего 14 или нижнего 11 магнита соответственно. Элементы виброгасителя, взаимодействующие с магнитным полем нижнего 11 и/или верхнего 14 магнита, могут быть частично (например, наплавкой) или полностью выполнены из немагнитного материала, например, из немагнитных: стали, чугуна, сплавов, цветных металлов. Магниты 11 и 14 могут помещаться в магнитопроницаемые кожухи (не показано), также на них может быть нанесено гидрофобное покрытие. Материал магнитов 11 и 14 выбирают преимущественно с высокой величиной энергии магнитного поля, например NdFeB.

Магнитный виброгаситель во втором варианте исполнения (фиг. 3) содержит верхнюю секцию цилиндрического полого корпуса 1 - с периферийным и центральным кольцевыми окончаниями 2 и 3 соответственно - свободно поставленную на концентричную ей удерживающую втулку 22, в свою очередь, свободно поставленную на концентричную им нижнюю секцию цилиндрического полого корпуса 4, имеющую на внешней стороне поперечный выступ 5. Секции 1 и 4 корпуса имеют силовое и геометрическое замыкания, обеспеченные через, по меньшей мере, пару симметричных направляющих стержней 6, установленных в соосных торцевых пазах 7 и 8 секций 1 и 4 соответственно, например, резьбовым соединением паза 7 и стержня 6, В удерживающей втулке 22 выполнено сквозное отверстие 23, соосное пазам 7 и 8, в которых расположены стержни 6 для центровки секций 1 и 4 и удерживающей втулки 22. В верхнем торце удерживающей втулки 22 выполнено уширение 16 внутренней полости, стыкуемое с центральным кольцевым окончанием 3, при этом между ними может быть установлена уплотнительная гофра 17. Стержни 6 входят в пазы 8 на глубину h, являющуюся величиной максимального хода (максимальной длиной вибросмещения) верхней секции 1. Замыкание секций 1 и 4 также обеспечено посредством соединения (преимущественно резьбового) периферийного окончания 2 с цилиндрическим стаканом 9, имеющим кольцевой донный выступ 10 со сквозным центральным отверстием, примыкающий к внешней стенке нижней секции корпуса 4, ограничивающей поперечным выступом 5 вибросмещение верхней секции корпуса 1 посредством зацепления донного выступа 10 цилиндрического стакана 9 при его смещении за поперечный выступ 5. Этим обеспечено расстояние ограничения между выступами 5 и 10, меньшее или равное максимальной величине хода h. На выступе 5 установлен кольцевой со ступенчатым верхним торцом нижний магнит 11, который зафиксирован поставленным на него фиксирующим кольцом 24, установленным (например, с помощью резьбового соединения) на нижней секции корпуса 4 с совпадающим по высоте расположением их верхних торцов, на которые поставлена удерживающая втулка 22, снабженная снаружи поперечным выступом 25, на который установлен промежуточный подвижный постоянный магнит 26, выполненный кольцевым со ступенчатыми торцами, причем магниты 11 и 26 установлены разноименными полюсами концентрично друг к другу с минимальным магнитным воздушным зазором. Промежуточный магнит 26 зафиксирован опирающейся на него настроечной втулкой 12, установленной например, с помощью резьбового соединения на удерживающей втулке 22 и снабженной наружным поперечным выступом 13, плоскость верхнего торца которого совпадает с плоскостью верхнего торца стакана 9, на которую установлен кольцевой верхний магнит 14, причем магниты 14 и 26 установлены разноименными полюсами концентрично друг к другу с минимальным магнитным воздушным зазором. Плоскость установки верхнего магнита 14 расположена выше промежуточного магнита 26, чем обеспечен гарантированный воздушный зазор Δ между ними. При этом на торцах верхнего магнита 14 могут быть установлены наборы упругих резиновых колец 15, обеспечивающих дополнительный воздушный магнитный зазор Δ*, и которые могут иметь сквозные сегментарные отверстия, выполненные равномерно между периферийной и центральной частями кольца 15. Между нижним магнитом 11 и фиксирующим кольцом 24, а также между промежуточным магнитом 26 и настроечной втулкой 12 может быть установлена, по меньшей мере, одна упругая прокладка 27. С целью дополнительного центрирования секций 1 и 4 и удерживающий втулки 22, а также герметизации рабочей полости виброгасителя с магнитами 11, 14 и 26 удерживающая втулка 22 может быть выполнена с возможностью осевого входа в нижнюю секцию корпуса 4 при помощи соединения паз-гребень. На выступ 10 может быть установлено тарельчатое резиновое уплотнение 18, размещенное между цилиндрическим стаканом 9 и нижней секцией корпуса 4, при этом расстояние ограничения максимальной длины вибросмещения h образуется между поперечным выступом 5 и уплотнением 18. В пазах 8 могут быть установлены тонкослойные резинометаллические элементы 20. На стержне 6 может быть установлена резиновая цилиндрическая обкладка 21, причем нефиксированный конец стержня 6 выполнен с уширением для фиксации обкладки 21. Нижний магнит 11 может быть выполнен электромагнитом, провода (не показаны) которого выведены между нижней секцией 4 корпуса и цилиндрическим стаканом 9, либо между тарельчатым уплотнением 18 и цилиндрическим стаканом 9. Питание электромагнита может осуществляться, например, от забойной телеметрической системы или другого источника энергии (не показаны). Нижний магнит 11 и/или верхний магнит 14 могут быть выполнены в виде скрепленной по конфигурации Хальбаха сборки магнитов с увеличением магнитного поля внутри сборки в сторону промежуточного магнита 26. Элементы виброгасителя, взаимодействующие с магнитным полем нижнего 11, верхнего 14 и/или промежуточного 26 магнита, могут быть частично (например, наплавкой) или полностью выполнены из немагнитного материала, например, из немагнитных: стали, чугуна, сплавов, цветных металлов. Магниты 11, 14 и 26 могут помещаться в магнитопроницаемые кожухи (не показано), также на них может быть нанесено гидрофобное покрытие. Материал магнитов 11, 14 и 26 выбирают преимущественно с высокой величиной энергии магнитного поля, например NdFeB.

Магнитный виброгаситель в третьем варианте исполнения (фиг. 4 и 5) содержит верхнюю секцию цилиндрического полого корпуса 1 - с периферийным и центральным кольцевыми окончаниями 2 и 3 соответственно - свободно поставленную на концентричную ей удерживающую втулку 22, в свою очередь, свободно поставленную на концентричный им ряд удерживающих колец 28, в свою очередь, свободно поставленный на концентричную им нижнюю секцию цилиндрического полого корпуса 4, имеющую на внешней стороне поперечный выступ 5. Секции 1 и 4 корпуса имеют силовое и геометрическое замыкания, обеспеченные через, по меньшей мере, пару симметричных направляющих стержней 6, установленных в соосных торцевых пазах 7 и 8 секций 1 и 4 соответственно, например, резьбовым соединением паза 7 и стержня 6, В удерживающей втулке 22 и ряде удерживающих колец 28 выполнены сквозные отверстия 23, соосные пазам 7 и 8, в которых расположены стержни 6 для центровки секций 1 и 4, удерживающей втулки 22 и ряда удерживающих колец 28. А в верхнем торце удерживающей втулки 22 выполнено уширение 16 внутренней полости, стыкуемое с центральным кольцевым окончанием 3, при этом между ними может быть установлена уплотнительная гофра 17. Стержни 6 входят в пазы 8 на глубину h, являющуюся величиной максимального хода (максимальной длиной вибросмещения) верхней секции 1. Замыкание секций 1 и 4 также обеспечено посредством соединения (преимущественно резьбового) периферийного окончания 2 с цилиндрическим стаканом 9, имеющим кольцевой донный выступ 10 со сквозным центральным отверстием, примыкающий к внешней стенке нижней секции корпуса 4, ограничивающей поперечным выступом 5 вибросмещение верхней секции корпуса 1 посредством зацепления донного выступа 10 цилиндрического стакана 9 при его смещении за поперечный выступ 5. Этим обеспечено расстояние ограничения между выступами 5 и 10, меньшее или равное максимальной величине хода h. На выступе 5 установлен кольцевой со ступенчатым верхним торцом нижний магнит 11, который зафиксирован поставленным на него фиксирующим кольцом 24, установленным (например, с помощью резьбового соединения) на нижней секции корпуса 4 с совпадающим по высоте расположением их верхних торцов, на которые установлен концентрично расположенный ряд удерживающих колец 28, снабженных торцевыми выступами 29, на которых концентрично размещен ряд подвижных промежуточных постоянных магнитов 30, выполненных кольцевыми со ступенчатыми торцами и последовательно установленных противоположными полюсами друг к другу, а также к нижнему магниту 11, причем каждый промежуточный магнит из ряда 30, кроме верхнего, зафиксирован противоударным кольцом 31, установленным (например, с помощью резьбового соединения) на соответствующем кольце из ряда удерживающих 28 (фиг. 6) и ограничивающим совместно с ним самопроизвольное притяжение магнитов 11 и 30. На верхнее кольцо из ряда удерживающих 28 установлена удерживающая втулка 22, снабженная снаружи поперечным выступом 25, на который установлен верхний магнит из ряда промежуточных 30, который зафиксирован опирающейся на него настроечной втулкой 12, установленной (например, с помощью резьбового соединения) на удерживающей втулке 22 и снабженной наружным поперечным выступом 13, плоскость верхнего торца которого совпадает с плоскостью верхнего торца стакана 9, на которую установлен кольцевой верхний магнит 14, причем магниты 14 и 30 установлены разноименными полюсами концентрично друг к другу с минимальным магнитным воздушным зазором. Плоскость установки верхнего магнита 14 расположена выше ряда промежуточных магнитов 30, чем обеспечен гарантированный воздушный зазор Δ между ними. При этом на торцах верхнего магнита 14 могут быть установлены наборы упругих резиновых колец 15, обеспечивающих дополнительный воздушный магнитный зазор Δ*, и которые могут иметь сквозные сегментарные отверстия, выполненные равномерно между периферийной и центральной частями кольца 15. Между нижним магнитом 11 и фиксирующим кольцом 24, между каждым промежуточным магнитом 30 и противоударным кольцом 31, а также между верхним магнитом из ряда промежуточных 30 и настроечной втулкой 12 может быть установлена, по меньшей мере, одна упругая прокладка 27 (рис. 6). С целью дополнительного центрирования секций 1 и 4, удерживающей втулки 22 и ряда удерживающих колец 28, а также герметизации рабочей полости виброгасителя с магнитами 11, 14 и 30 при помощи соединения паз-гребень удерживающие кольца 28 могут быть выполнены с возможностью осевого входа друг в друга и в удерживающую втулку 22, а нижнее кольцо из ряда удерживающих 28 выполнено с дополнительной возможностью осевого входа в нижнюю секцию корпуса 4. На выступ 10 может быть установлено тарельчатое резиновое уплотнение 18, размещенное между цилиндрическим стаканом 9 и нижней секцией 4 корпуса, при этом расстояние ограничения максимальной длины вибросмещения h образуется между поперечным выступом 5 и уплотнением 18. В пазах 8 могут быть установлены тонкослойные резинометаллические элементы 20. На стержне 6 может быть установлена цилиндрическая обкладка 21, причем нефиксированный конец стержня 6 выполнен с уширением для фиксации обкладки 21. Нижний магнит 11 может быть выполнен электромагнитом, провода (не показаны) которого выведены между нижней секцией 4 корпуса и цилиндрическим стаканом 9, либо между тарельчатым уплотнением 18 и цилиндрическим стаканом 9. Питание электромагнита может осуществляться, например, от забойной телеметрической системы или другого источника энергии (не показаны). Для увеличения количества магнитов в ряде промежуточных магнитов 30 стержень 6 может быть выполнен сплошным или составным, по меньшей мере, из двух секций, собранных между собой при помощи резьбового и/или быстроразъемного соединения, а периферийное кольцевое окончание 2 может быть соединено с цилиндрическим стаканом 9 посредством, по меньшей мере, одной промежуточной втулки 32 с помощью резьбового соединения (фиг. 5). Нижний магнит 11 и/или верхний магнит 14 могут быть выполнены в виде скрепленной по конфигурации Хальбаха сборки магнитов с увеличением магнитного поля внутри сборки в сторону ряда промежуточных магнитов 30. Элементы виброгасителя, взаимодействующие с магнитным полем нижнего 11, верхнего 14 и/или ряда промежуточных магнитов 30, могут быть частично (например, наплавкой) или полностью выполнены из немагнитного материала, например, из немагнитных: стали, чугуна, сплавов, цветных металлов. Магниты 11, 14 и 30 могут помещаться в магнитопроницаемые кожухи (не показано), также на них может быть нанесено гидрофобное покрытие. Материал магнитов 11, 14 и 30 выбирают преимущественно с высокой величиной энергии магнитного поля, например NdFeB.

Магнитный виброгаситель работает под действием динамических, в частности, вибрационных нагрузок от забойного бурового оборудования и инструмента, например долота, следующим образом.

При работе устройства в первом варианте исполнения воспринятое нижней секцией корпуса 4 внешнее возмущение вызывает вибросмещение верхней секции 1 ввиду их раздельного исполнения и передачи ей силового импульса. Учитывая, что на каждой секции корпуса 4 и 1 закреплены обращенные друг к другу разноименными полюсами магниты 11 и 14 соответственно, не имеющие возможности собственного независимого от секций 4 или 1 перемещения, то при смещении этих секций друг относительно друга сила введенных во взаимодействие магнитов 11 и 14 стремится вернуть смещаемый магнит и, соответственно, смещаемую секцию. Этому же возвращению одновременно способствует и сила тяжести верхней секции 1 с вышележащей бурильной колонной (не показана), а также сила трения при движении колонны.

Стержни 6 и стакан 9 выполняют функцию направляющих при вибросмещении секций 1 или 4 и препятствуют их поперечным смещениям друг относительно друга. А при достижении установленной величины максимального хода h верхней секции 1 при ее вибросмещении она посредством донного выступа 10 стакана 9 подцепляет нижнюю секцию корпуса 4 за поперечный выступ 5, ввиду установленного расстояния ограничения между выступами 5 и 10, меньшего, либо равного h. Часть энергии, возникающая при обратном движении верхней секции 1 с колонной, демпфируется в тонкослойных резинометаллических элементах 20 при постановке на них стержней 6.

Дополнительным зазором Δ*, созданным при помощи колец 15, возможно регулирование эксплуатационных характеристик виброгасителя путем перекладывания колец 15 по торцам верхнего магнита 14, что приводит к изменению начальной силы притяжения магнитов 11 и 14. В общем случае сила взаимного притяжения магнитов F_m обратно пропорциональна общему зазору в 4-ой степени:

При обычном режиме бурения передача крутящего момента и части осевой нагрузки на долото (не показано) через виброгаситель осуществляется при помощи стержней 6. При спускоподъемных операциях бурильной колонны стакан 9 донным выступом 10 зацепляется за поперечный выступ 5 нижней секции корпуса 4, и таким образом транспортируют нижележащую часть колонны. Этими приемами, в частности, обеспечивается работоспособность забойного оборудования и инструмента (не показаны) с магнитным виброгасителем.

При работе устройства во втором варианте исполнения воспринятое нижней секцией корпуса 4 внешнее возмущение вызывает вибросмещение удерживающей втулки 22 и далее верхней секции 1 ввиду их раздельного исполнения и передачи им силового импульса. Учитывая, что на каждой секции корпуса 4 и 1 закреплены магниты 11 и 14 соответственно, а между ними на втулке 22 установлен обращенный к этим магнитам противоположными полюсами промежуточный магнит 26, не имеющие возможности собственного независимого от секций 4 или 1, либо втулки 22 перемещения, то при смещении этих секций и втулки друг относительно друга сила введенных во взаимодействие магнитов 11, 26 и 14 стремится вернуть смещаемый магнит и, соответственно, смещаемую втулку или секцию. Этому же возвращению одновременно способствует и силы тяжести втулки 22 и верхней секции 1 с вышележащей бурильной колонной (не показана), а также сила трения при движении колонны.

Стержни 6 и стакан 9 выполняют функцию направляющих при вибросмещении секций 1 или 4, а также втулки 22 и препятствуют их поперечным смещениям друг относительно друга. А при достижении установленной величины максимального хода h верхней секции 1 при ее вибросмещении она посредством донного выступа 10 стакана 9 подцепляет нижнюю секцию корпуса 4 за поперечный выступ 5, ввиду установленного расстояния ограничения между выступами 5 и 10, меньшего, либо равного h. Часть энергии, возникающая при обратном движении верхней секции 1 с колонной, демпфируется в тонкослойных резинометаллических элементах 20 при постановке на них стержней 6.

Дополнительным зазором Δ*, созданным при помощи колец 15, возможно регулирование эксплуатационных характеристик виброгасителя путем перекладывания колец 15 по торцам верхнего магнита 14, что приводит к изменению начальной силы притяжения магнитов 26 и 14. В общем случае сила взаимного притяжения магнитов F_m обратно пропорциональна общему зазору в 4-ой степени:

При обычном режиме бурения передача крутящего момента и части осевой нагрузки на долото (не показано) через виброгаситель осуществляется при помощи стержней 6. При спускоподъемных операциях бурильной колонны стакан 9 донным выступом 10 зацепляется за поперечный выступ 5 нижней секции корпуса 4, и таким образом транспортируют нижележащую часть колонны. Этими приемами, в частности, обеспечивается работоспособность забойного оборудования и инструмента (не показаны) с магнитным виброгасителем.

При работе устройства в третьем варианте исполнения воспринятое нижней секцией корпуса 4 внешнее возмущение вызывает вибросмещение ряда удерживающих колец 28, удерживающей втулки 22 и далее верхней секции 1 ввиду их раздельного исполнения и передачи им силового импульса. Учитывая, что на каждой секции корпуса 4 и 1 закреплены магниты 11 и 14 соответственно, а между ними на кольцах 28 и втулке 22 установлен обращенный к этим магнитам и к друг другу противоположными полюсами ряд промежуточных магнитов 30, не имеющих возможности собственного независимого от секций 4 или 1, колец 28 или втулки 22 перемещения, то при смещении этих секций, колец и втулки друг относительно друга сила введенных во взаимодействие магнитов 11, 30 и 14 стремится вернуть смещаемый магнит и, соответственно, смещаемые кольца, втулку или секцию. Этому же возвращению одновременно способствует и силы тяжести колец 28, втулки 22 и верхней секции 1 с вышележащей бурильной колонной (не показана), а также сила трения при движении колонны.

Стержни 6 и стакан 9 выполняют функцию направляющих при вибросмещении секций 1 или 4, ряда колец 28, а также втулки 22 и препятствуют их поперечным смещениям друг относительно друга. А при достижении установленной величины максимального хода h верхней секции 1 при ее вибросмещении она посредством донного выступа 10 стакана 9 подцепляет нижнюю секцию корпуса 4 за поперечный выступ 5, ввиду установленного расстояния ограничения между выступами 5 и 10, меньшего, либо равного h. Часть энергии, возникающая при обратном движении верхней секции 1 с колонной, демпфируется в тонкослойных резинометаллических элементах 20 при постановке на них стержней 6.

Дополнительным зазором Δ*, созданным при помощи колец 15, возможно регулирование эксплуатационных характеристик виброгасителя путем перекладывания колец 15 по торцам верхнего магнита 14, что приводит к изменению начальной силы притяжения магнитов 26 и 14. В общем случае сила взаимного притяжения магнитов F_m обратно пропорциональна общему зазору в 4-ой степени:

При этом силу взаимного притяжения секций 1 и 4, колец 28 и втулки 22 можно регулировать путем изменения количества магнитов в ряду промежуточных 30.

При обычном режиме бурения передача крутящего момента и части осевой нагрузки на долото (не показано) через виброгаситель осуществляется при помощи стержней 6. При спускоподъемных операциях бурильной колонны стакан 9 донным выступом 10 зацепляется за поперечный выступ 5 нижней секции корпуса 4, и таким образом транспортируют нижележащую часть колонны. Этими приемами, в частности, обеспечивается работоспособность забойного оборудования и инструмента (не показаны) с магнитным виброгасителем.

Таким образом, результатом использования предлагаемой группы изобретений является создание эффективного магнитного виброгасителя для гашения колебаний бурового оборудования и инструмента путем его конструктивного усовершенствования, расширяющего его эксплуатационные и функциональные возможности, а также увеличивающего его надежность, в частности, за счет: исключения несущих нагрузку упругих связей; увеличения количества взаимодействующих магнитов, а также улучшения качества их взаимодействия; возможности регулирования изначальных параметров устройства; полной автономности и практически не требуемого технического обслуживания виброгасителя.

Реферат

Группа изобретений относится к машиностроению. Магнитный виброгаситель содержит верхнюю и нижнюю секции цилиндрического полого корпуса. Верхний и нижний магниты установлены соосно в корпусе вдоль оси колебаний и размещены разноименными полюсами друг к другу. Один из магнитов установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения. Верхняя секция корпуса выполнена с внутренним уступом и внешним фланцем. Секция установлена с возможностью возвратно-поступательного смещения совместно с верхним магнитом по направляющим стержням нижней секции корпуса. Стержень с одной стороны фиксирован в пазу, а с другой - с возможностью возвратно-поступательно движения установлен в оппозитный паз на глубину h. Стакан снабжен кольцевым донным выступом, имеющим сквозное центральное отверстие. Выступ примыкает к внешней стенке нижней секции корпуса, на которой выполнен поперечный выступ. Выступ ограничивает вибросмещение верхней секции корпуса посредством зацепления кольцевого донного выступа стакана при его смещении за поперечный выступ нижней секции корпуса с обеспечением расстояния ограничения, меньшего или равного величине h. На поперечном выступе нижней секции установлен нижний магнит. Настроечная втулка снабжена наружным поперечным выступом. Выступ имеет расположенную над нижним магнитом верхнюю плоскость, совпадающую с плоскостью верхнего торца цилиндрического стакана для обеспечения гарантированного воздушного зазора между верхним и нижним магнитами при установке подвижного верхнего магнита на эту плоскость. Изобретение по второму варианту отличается наличием одного, а по третьему варианту нескольких промежуточных подвижных постоянных магнитов и проставок для их крепления. Достигается более эффективная работа магнитного виброгасителя бурового оборудования. 3 н. и 28 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула