гидравлическое устройство для присоединения в бурильной колонне

Формула изобретения

1. Устройство для присоединения в бурильной колонне, в частности в витом трубопроводе, для генерации в ней вибрации или ударов при закачивании текучей среды, например бурового раствора, через бурильную колонну, отличающееся тем, что оно выполнено в виде гидравлического цилиндра (1) двойного действия, имеющего автоматически смещаемые переключающиеся клапаны (18, 20) и содержащего корпус (4) цилиндра, поршень (6), разделяющий корпус цилиндра на две отдельные камеры (15, 17), и двойной трубчатый шток (8) поршня, сквозь который текучая среда во время работы устройства будет протекать через переключающиеся клапаны (18, 20) и камеры (15, 17) цилиндра, при этом цилиндр (1) по меньшей мере с одного конца выполнен с резьбой частью (14, 16) для присоединения к бурильной колонне.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что переключающиеся клапаны (18, 20) являются двумя качающимися клапанами, расположенными в поршне (6) с каждой стороны наклонной перегородки (34), которая делит внутренность штока поршня на два отдельных пространства, каждое из которых соединено с соответствующим качающимся клапаном (18, 20) для ограничения входного прохода (36) и выходного прохода (38) соответственно для протекания текучей среды через качающиеся клапана в камеры (15, 17) цилиндра и из них.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что качающиеся клапаны (18, 20) приспособлены для механического смещения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что каждый из качающихся клапанов (18, 20) выполнен в виде клапанного элемента, скользяще поддерживаемого в осевом направлении с помощью валов (19, 21) в двух клапанных отверстиях (22, 26 и 24, 28 соответственно), выполненных в концевых стенках (23, 25) поршня и открывающихся в соответствующую камеру (15, 17) цилиндра, причем качающиеся клапаны выполнены с возможностью смещения при столкновении с концевыми стенками (10, 11) цилиндра.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что ход поршня (6) находится в диапазоне 10-50 мм и частота перемещения поршня - в диапазоне 2-5 цикла в секунду.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к гидравлически действующему устройству, адаптированному для присоединения в бурильной колонне, в частности в витом трубопроводе, например, для того, чтобы облегчить вталкивание этой бурильной колонны в значительно наклоненные или горизонтальные скважины, в связи с операциями работы и обслуживания, такими как каротаж, сборка или разборка частей, смывание кислот и песка и т.п.

Ранее предлагалось оборудовать буровые колонны гидравлически действующими устройствами или "вибраторами" для облегчения продвижения колонны. Так, патент США N 4 384 625 предлагает подвергнуть бурильную колонну вибрации в виде резонансных колебаний, чтобы уменьшить трение между бурильной колонной и стенкой высверленного отверстия в наклонных скважинах для расширения предела досягаемости вращательного бурения. В качестве примера вибратора этот патент ссылается на работающий на жидкости эксцентриковый груз, осуществляющий существенно поперечную вибрацию.

Патент США N 3 235 014 описывает способ и аппаратуру для генерации осевой вибрации через буровой вертлюг для передачи ударного действия бурильному режущему элементу.

Кроме того, известны различные типы гидравлических молотов или ударных инструментов, которые предназначены для разрыхления породы при продвижении бурильных колонн, см., например, патент Норвегии N 171 379.

Витой трубопровод имеет существенно меньшую массу и диаметр, чем буровая колонна, и это означает, что поперечно действующий резонансный вибратор, который сопутствует гидравлическому двигателю, как предлагается в вышеупомянутом патенте США N 4 384 625, был бы недостаточно эффективен при использовании совместно с витым трубопроводом.

Главной целью настоящего изобретения является создание устройства, эффективно снижающего трение как у головки витого трубопровода (самая нижняя часть инструмента), так и выше вдоль самого витого трубопровода.

Согласно изобретению эта цель достигается с помощью устройства, определенного в прилагаемом пункте 1. Предпочтительные воплощения этого изобретения определены в остальных пунктах заявки.

Такое устройство, присоединенное к витому трубопроводу, через который течет сжатая текучая среда, будет непрерывно осуществлять телескопическое (осевое) распространение ударных или вибрационных колебаний вдоль всей нижней части витого трубопровода, включая головку витого трубопровода. Вибрация идет обратно вдоль витого трубопровода, и благодаря устойчивому изменению направления распространения вибрации, действующее сопротивление трения будет существенно снижено, что позволит протолкнуть витой трубопровод на значительное расстояние в значительно наклоненную и горизонтальную буровую скважину до того, как он согнется и застрянет. Расчеты, основанные на наклонной скважине в 80 градусов, показывают повышенный доступ до 3000 м.

Устройство согласно этому изобретению отличается от предыдущих вибраторов, предназначенных для использования в нефтяных скважинах, в первую очередь тем, что оно генерирует телескопическую (осевую) вибрацию с относительно высокой амплитудой. Существующие вибраторы, как обсуждалось выше, в первую очередь спроектированы так, чтобы обеспечивать короткие и сильные ударные импульсы во время бурения или для освобождения застрявших инструментов. Эти молотковые инструменты работают при значительно меньшей амплитуде вибрации, используя вибрацию существенно более короткого рабочего диапазона. Таким образом, они мало используются в усовершенствовании достижения витого трубопровода.

Конечно, хотя первой целью настоящего изобретения, как описано выше, является создание вибратора, пригодного для уменьшения сопротивления трения витого трубопровода, ничто не препятствует также его успешному применению в обычных вращательных бурильных колоннах. Более того, цель использования этого устройства заключается не только в обязательном уменьшении трения. Так, в некоторых случаях оно может быть успешно использовано в качестве ударного инструмента, предпочтительно установленного перед бурильной колонной.

Далее изобретение будет подробно описано со ссылкой на чертежи, на которых фигуры 1 - 3 являются схематическими поперечными разрезами устройства согласно настоящему изобретению и иллюстрацией его работы в трех разных фазах.

Устройство согласно настоящему изобретению построено по существу на хорошо известной технологии. Так, в принципе оно выполнено в виде гидравлического цилиндра двойного действия, имеющего автоматически действующие переключающиеся клапаны. Как показано на фигурах, оно содержит гидравлический цилиндр 1, включающий цилиндрический корпус 4 и поршень 6, имеющий трубчатый двойной шток 8 поршня, проходящий через концевые стенки 10, 11 соответственно корпуса цилиндра. Один конец корпуса цилиндра имеет трубчатое расширение 12, принимающее в себя часть штока 8 поршня и предпочтительно расположенное в осевом направлении на некотором расстоянии от этой части штока 8 поршня, когда последний находится в своем наружном конечном положении (фиг. 2). Расширение 12 заканчивается в имеющей резьбу части 14, предназначенной для соединения с соответствующей резьбовой частью элемента бурильной колонны, такой как витой трубопровод. Подобным образом, конец штока поршня, выступающий на противоположном конце корпуса цилиндра, также заканчивается в резьбовой части 16, приспособленной для соединения с элементом бурильной колонны. На чертежах резьбовые части 14, 16 показаны сужающимися к концу, но они также могут быть цилиндрическими, которые чаще всего используются для витого трубопровода. В показанном варианте выполнения концевая часть 14 цилиндра имеет наружную резьбу, а концевая часть 16 штока поршня - внутреннюю резьбу. Однако при желании это расположение может быть изменено на противоположное. Цилиндр 1, как показано в данном варианте, выполнен с возможностью присоединения к бурильной колонне своей цилиндрической нарезной частью 14, направленной "вперед", т. е. в направлении продвижения бурильной колонны. В дальнейшем, в последующем изложении, фразы, такие как вперед, назад, самый передний, самый задний, передний, задний, относятся к направлению движения бурильной колонны (слева направо на чертеже).

Поршень 6, который делит корпус 4 на переднюю и заднюю камеры цилиндра или кольца 15 и 17 соответственно, поддерживает множество, в показанном варианте два, качающихся клапана, выполненных в виде клапанных элементов 18 и 20, приспособленных перемещаться в осевом направлении между передним отверстием, 22 и 24 соответственно, и задним отверстием, 26 и 28 соответственно, выполненными в торцевых поверхностях 23, 25 поршня, и открывающиеся переднее кольцо 15 и заднее кольцо 17 соответственно. Смещение качающихся клапанов производится автоматически путем механического приведения в действие по мере того, как поршень достигает конечного положения. Два качающихся клапана 18, 20 действуют как входной клапан и выходной клапан соответственно, как подробнее объясняется ниже.

Наклонная перегородка 34 делит внутренность трубчатого штока поршня на заднюю часть или входной проход 36 и переднюю часть или выходной проход 38, которые через входное отверстие 40 позади перегородки и выходное отверстие 42 впереди перегородки, соединяются с входным клапаном 18 и выходным клапаном 20 соответственно.

Во время работы с цилиндром 1, установленным и ориентированным в бурильной колонне, как описано выше, устройство согласно изобретению будет выполнять последовательные фазы сжатия и расширения, приводимое в действие текучей средой, такой как буровой раствор, закачиваемый через бурильную колонну.

На фигуре 1 показано устройство в начале фазы сжатия или удара. Сжатая текучая среда втекает во входной проход 36 и через него, входное отверстие 40, открытое заднее входное отверстие 26 выходит в заднее кольцо 17 цилиндра. Давление текучей среды в заднем кольце 17 заставляет поршень двигаться вперед относительно корпуса цилиндра, в то время как входной и выходной клапанные элементы 18, 20 под воздействием давления текучей среды закрывают переднее входное отверстие 22 и заднее выходное отверстие 28 соответственно, чтобы предупредить вытекание текучей среды в переднее кольцо цилиндра 15, и текучая среда в переднем кольце течет через открытое выходное отверстие 24, через выходное отверстие 42, в выходной проход 38 штока поршня и затем далее вниз к элементам бурильной колонны.

Фигура 2 показывает цилиндр в конце фазы сжатия, когда два качающихся клапана 18, 20 автоматически смещаются по мере того, как они сталкиваются с передней концевой стенкой 10, толкающей их обратно к открытому переднему входному отверстию 22 и заднему выходному отверстию 28. Это заставляет сжатую текучую среду течь через отверстие 22 в переднее кольцо 15, чтобы заполнить последнее, в то время как текучая среда в заднем кольце 17 вытекает через заднее выходное отверстие 28 и отверстие 42, выходной проход 38 и далее через бурильную колонну. В этот момент входной и выходной клапанные элементы 18, 20 будут сдвинуты давлением текучей среды в переднем кольце так, чтобы закрыть заднее входное отверстие и переднее выходное отверстие соответственно, как показано на фигуре 3, чтобы начать фазу расширения, в которой поршень, подвергаемый действию давления текучей среды в переднем кольце, двигается назад относительно корпуса цилиндра, пока клапанные элементы снова не сместятся при их столкновении с задней концевой стенкой 11 корпуса цилиндра и начинается новый ход сжатия, как описано выше.

Когда устройство должно действовать как снижающий трение вибратор в витом трубопроводе, оно нормально устанавливается между этим трубопроводом и инструментальной колонной. Чтобы произвести оптимальное действие по уменьшению трения, вибрации должны иметь определенную амплитуду (типичный ход поршня 10-50 мм) и достаточно высокую частоту (типично 2 - 15 циклов в секунду), чтобы позволить инерции инструментальной колонны создать значительное количество вибраций вверх вдоль витого трубопровода. Если бы был выбран длинный ход поршня и соответственно низкая частота, тогда это устройство вело бы себя как функциональный механизм, отличающийся от описанного выше, поскольку в этом случае инструментальная колонна совершала бы возвратно-поступательное движение. Во время фазы сжатия инструментальная колонна будет служить как фрикционный анкер, причем это устройство будет тянуть колонну за собой.

Частота вибрации определяется объемом цилиндра, ходом поршня и скоростью течения. С другой стороны, при данных объеме цилиндра и ходе поршня, скорость течения определяется давлением текучей среды и действующими площадями отверстий клапанов 18, 20. Хотя на схематических чертежах показаны только два качающихся клапана, т.е. один входной клапан 18 и один выходной клапан 20, чтобы минимизировать потери давления в каждом клапане, потребуется множество клапанов, например шесть клапанов, т. е. три набора попеременно распределенных как входные клапаны 18 и выходные клапаны 20. Более того, следует отметить, что хотя перегородка 34 поршня схематически показана как твердая или наклонная непрерывная стенка, при желании она может быть адаптирована так, чтобы содержать различные клапаны. Например, могут быть установлены клапаны сброса давления и/или клапаны управления потоком, закрывающиеся при превышении определенного уровня скорости потока.

Как упоминалось ранее, вышеописанный вариант воплощения вибрационного устройства согласно этому изобретению схематически иллюстрируется на чертеже, поскольку он построен по существу из хорошо известных технических деталей, которые опытный специалист мог бы без труда выполнить приемлемым способом. В особенности, на практике качающиеся клапаны возможны во многих видах.

Однако, чтобы не оставлять никаких сомнений в практической выполнимости этого устройства, пример, показанный на чертеже, будет теперь описан более подробно. Так, на чертеже входной клапан 18 показан как цилиндрическое тело, скользяще поддерживаемое во входных отверстиях 22, 26 через два стержня или два вала 19 (фиг. 3), выступающие по оси с каждой стороны клапанного элемента. В схематических чертежах, которые в первую очередь предназначены проиллюстрировать принцип проектирования и работы вибратора согласно этому изобретению, эти валы 19 показаны как "плавающие" в отверстиях 22, 26. Практически, они должны, конечно, иметь скользяще подогнанный диаметр. Более того, они должны быть выполнены таким образом, чтобы позволить текучей среде свободно течь через открытое входное отверстие. Таким образом, валы 19 могут быть выполнены в виде перфорированных труб или перфорированной опорной муфты, которая могла бы быть установлена в отверстия. Расстояние между наружными концами валов 19 слегка большее, чем расстояние между поверхностями поршня 6, чтобы производить смещение клапана, когда наружные концы вала сталкиваются с концевыми стенками 10, 11 корпуса цилиндра.

Выходной клапан 20 показан как дископодобное тело на каждом конце промежуточного вала 21, проходящего через выходные отверстия 24, 28 и действующего в качестве поддержки для тела выходного клапана, таким же образом, как описано выше в связи с входным клапанным элементом, и расстояние между наружными концами дисков существенно равно расстоянию между концами валов входного клапана, т.е. несколько больше, чем расстояние между поверхностями поршня, чтобы вызвать смещение клапана при столкновении с концевыми стенками цилиндра 10, 11. Клапанные элементы 18, 20 могут быть, конечно, сферическими, скорее чем дискообразными. Более того, для оптимального функционирования может быть использована пружина некоторого вида, чтобы ускорить смещение клапана и/или надежнее удерживать клапан в конечных положениях. Нет необходимости объяснять эти и другие детали конструкции клапана в дальнейших подробностях, поскольку опытные специалисты поймут, что необходимо, чтобы получить удовлетворительную работу клапана.

Что касается основных размеров корпуса 4 цилиндра, то его наружный диаметр нормально должен быть равен или быть меньше, чем наружный диаметр бурильной колонны, к которой он присоединяется, в то время как длина корпуса цилиндра будет зависеть от желаемого хода поршня цилиндра 1.

При использовании вибрационного устройства согласно этому изобретению для осуществления операций с витым трубопроводом устройство, как упоминалось выше, обычно будет присоединено между витым трубопроводом и инструментальной колонной. Однако, как упоминалось предварительно, устройство согласно этому изобретению также рассматривается как ударный инструмент, установленный впереди бурильной колонны, и, возможно, с формой, отличающейся от резьбовой части переднего конца 14.

Хотя цилиндр 1 примера, как показано и описано, приспособлен так, чтобы присоединяться к бурильной колонне своей цилиндрической концевой частью 14, направленной вперед, что означает, что текучая среда будет течь в направлении слева направо на фигурах, он может также быть спроектирован для "реверсивного" соединения, что означает, что текучая среда будет течь справа налево, поскольку тогда два качающихся клапана 18, 20 взаимно меняются местами относительно перегородки 34 штока поршня.