гидравлический ясс двойного действия

Формула изобретения

1. Гидравлический ясс двойного действия, включающий полый цилиндрический корпус, в средней части которого образован рабочий цилиндр, телескопически установленный в корпусе и связанный с ним шлицевым соединением шток со сквозным осевым каналом и с поршнем в средней части, размещенным в рабочем цилиндре и имеющим дросселирующий канал, соединяющий между собой надпоршневую и подпоршневую полости рабочего цилиндра, заполненные гидравлической жидкостью, кольцевые разделительные поршни, подвижно установленные выше и ниже рабочего цилиндра между корпусом и штоком, и разрывное устройство, удерживающее шток от перемещения относительно корпуса, отличающийся тем, что рабочий цилиндр на длине хода поршня образован размещенной внутри корпуса цилиндровой гильзой, в средней части уплотненной относительно корпуса, а по обе стороны от уплотнения образующей с корпусом кольцевые полости, посредством торцевых зазоров сообщенные соответственно с надпоршневой и подпоршневой полостями рабочего цилиндра, и имеющей в стенке по разные стороны от уплотнения сквозные радиальные отверстия.

2. Гидравлический ясс по п.1, отличающийся тем, что цилиндровая гильза установлена в корпусе с возможностью ограниченных осевых перемещений и наклона в любом направлении по образующей наружной цилиндрической поверхности относительно места контакта ее уплотнения с корпусом.

3. Гидравлический ясс по п.1 или 2, отличающийся тем, что разрывное устройство выполнено в виде разрывной дифференциальной втулки, стопорящейся за внутренний уступ корпуса, снабжено предохранительными втулками, жестко соединенными - одна со штоком и разрывной дифференциальной втулкой, а другая - с корпусом и контактирующими между собой торцами, отделяющими разрывную дифференциальную втулку от внутритрубного пространства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к гидравлическим яссам двойного действия, предназначенным для освобождения прихваченного в скважине оборудования при бурении и при испытании пластов.

Известен гидравлический ясс с автоматическим переключением направления ударов по прихваченным трубам, включающий корпус с кольцевыми выточками на внутренней поверхности, шток с подпружиненным поршнем, две жестко соединенные со штоком втулки, между которыми размещен подпружиненный золотник, на наружной поверхности которого между торцами втулок установлен упомянутый поршень, при этом выше и ниже золотника между штоком и втулками образованы полости, верхняя из которых сообщена с затрубным пространством, а нижняя - с внутренней полостью труб [1].

Для работы этого ясса в режиме нанесения ударов вниз требуется создание перепада давления между полостью труб и затрубным пространством, а это связано с дополнительным расходом энергии, приводит к увеличению механических напряжений в трубах и требует установки дополнительного насоса с регулируемой производительностью и соответствующей обвязки на устье скважины.

Указанных недостатков не имеет гидромеханический ясс, содержащий полый корпус, средняя часть которого выполнена в виде цилиндра, заполненного рабочей жидкостью, и полые штоки с уплотнениями, соединенные друг с другом поршнем, разделяющим цилиндр на надпоршневую и подпорпшевую полости [2]. Для предотвращения поворота узла штоков с поршнем относительно корпуса верхний шток снабжен тягой с фигурной наружной поверхностью, взаимодействующей с ответной внутренней фигурной поверхностью корпуса. Внутренняя поверхность цилиндра выполнена ступенчатой, при этом в местах перехода от одной ступени к другой выполнены продольные пазы. Поршень снабжен двумя перепускными каналами, в которых установлены встречно включенные обратные клапаны и выполнены гнезда под переставляемую дросселирующую насадку. Уплотнения поршня размещены на кольцевой вставке, установленной на поршне с возможностью ограниченного радиального перемещения. Вставка во взаимодействии с продольными пазами цилиндра предотвращает выброс уплотнений поршня из канавок при перемещении последнего со ступени меньшего диаметра на ступень большего диаметра.

Данной конструкции присущи другие серьезные недостатки, а именно:

1. Необходимость подъема ясса на поверхность и его разборки для изменения направления ударов, т.к. переключение осуществляется перестановкой дросселирующей насадки в гнездо другого перепускного канала поршня.

2. Быстрый износ уплотнений поршня вследствие их дополнительной деформации при переходе поршня в цилиндре со ступени большего диаметра на ступень меньшего диаметра.

3. Возникновение дополнительных механических напряжений в элементах цилиндропоршневой группы от действия внутритрубного и затрубного давлений вследствие того, что в гидравлической системе ясса не предусмотрена их компенсация, а это приводит к снижению надежности работы последнего.

4. Возможность срабатывания ясса (при включении его в пластоиспытательную компоновку) в нерасчетном режиме, например, при затяжке колонны, из-за отсутствия осевой фиксации штока в корпусе, сохраняемой до определенной величины натяжения труб.

Изобретение решает задачу создания гидравлического ясса двойного действия, который при сохранении положительных характеристик рассмотренного гидромеханического ясса обеспечивал бы возможность двустороннего воздействия на прихваченное в скважине оборудование без подъема на поверхность, при более благоприятных условиях работы поршневых уплотнений и других элементов цилиндропоршневой группы, и, при включении в состав пластоиспытательной компоновки, не допускал бы неконтролируемого срабатывания в отсутствие прихвата.

Сущность изобретения заключается в том, что в гидравлическом яссе двойного действия, содержащем полый цилиндрический корпус, в средней части которого образован рабочий цилиндр, телескопически установленный в корпусе и связанный с ним шлицевым соединением шток со сквозным осевым каналом и с поршнем в средней части, размещенным в рабочем цилиндре и имеющим дросселирующий канал, соединяющий между собой надпоршневую и подпоршневую полости рабочего цилиндра, заполненные гидравлической жидкостью, кольцевые разделительные поршни, подвижно установленные выше и ниже рабочего цилиндра между корпусом и штоком и разрывное устройство, удерживающее шток от перемещения относительно корпуса, а рабочий цилиндр на длине хода поршня образован размещенной внутри корпуса цилиндровой гильзой, в средней части уплотненной относительно корпуса, а по обе стороны от уплотнения образующей с корпусом кольцевые полости, посредством торцевых зазоров, сообщенные соответственно с надпоршневой и подпоршневой полостями рабочего цилиндра, и имеющей в стенке по разные стороны от уплотнения сквозные радиальные отверстия.

При этом цилиндровая гильза установлена в корпусе преимущественно с возможностью ограниченного осевого перемещения и ограниченного наклона в любом направлении по образующей наружной цилиндрической поверхности относительно места контакта ее уплотнения с корпусом.

Кроме того, разрывное устройство выполнено в виде разрывной дифференциальной втулки, стопорящейся за внутренний уступ корпуса, снабжено предохранительными втулками, жестко соединенными одна со штоком и разрывной дифференциальной втулкой, а другая - с корпусом, и контактирующими между собой торцами, отделяющими разрывную дифференциальную втулку от внутритрубного пространства.

На фиг.1, 2 изображен гидравлический ясс двойного действия, верхняя и нижняя части соответственно; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1.

Ясс включает полый цилиндрический корпус 1, для облегчения изготовления и сборки выполненный составным из нескольких деталей (отдельно на чертеже не обозначены), соединенных между собой с помощью резьб. Верхний конец корпуса усилен за счет внутреннего выступа 2, при этом верхний торец корпуса выполняет функцию наковальни для ударов вниз, а нижняя торцевая поверхность выступа - функцию наковальни для ударов вверх. В средней части корпуса образован рабочий цилиндр 3, а нижняя часть снабжена ниппельным переводником 4. Внутри корпуса телескопически установлен шток 5 со сквозным осевым каналом, связанный с ним шлицевым соединением 6. Для облегчения изготовления и сборки шток также выполнен составным из нескольких деталей (отдельно на чертеже не обозначены), соединенных между собой посредством резьб. Верхняя утолщенная часть штока имеет наружный выступ 7, верхняя торцевая поверхность которого служит бойком для ударов вверх. Бойком для ударов вниз служит нижний торец муфтового переводника 8, навинченного на верхний конец штока. В средней части на штоке 5 установлен поршень 9, размещенный в рабочем цилиндре 3, который на длине хода поршня образован размещенной внутри корпуса 1 цилиндровой гильзой 10, в средней части уплотненной относительно корпуса посредством уплотнения 11, а по обе стороны от уплотнения образующей с корпусом кольцевые полости 12 и 13, посредством торцевых зазоров, сообщенные соответственно с надпоршневой и подпоршневой полостями рабочего цилиндра 3, и имеющей в стенке по разные стороны от уплотнения сквозные радиальные отверстия 14 и 15. Поршневые кольца 16 на поршне 9 расположены таким образом, что их замки равномерно разнесены по окружности, в результате чего зазоры 17 в замках вместе с зазорами между поршнем и цилиндровой гильзой образуют лабиринт, выполняющий функцию дросселирующего канала, соединяющего между собой надпоршневую и подпоршневую полости рабочего цилиндра 3, заполненные гидравлической жидкостью. От затрубного и внутритрубного пространства рабочий цилиндр 3 изолирован посредством кольцевых разделительных поршней 18 и 19, подвижно установленных соответственно выше и ниже рабочего цилиндра между корпусом 1 и штоком 5. Благодаря этому в процессе бурения и испытания скважины в цилиндре 3 постоянно поддерживается давление, соответствующее давлению в затрубном пространстве или внутри труб (в зависимости от того, которое больше), в результате чего снижаются напряжения и уменьшается вероятность деформирования элементов цилиндропоршневой группы. Для заполнения полостей цилиндра гидравлической жидкостью корпус 1 имеет отверстия, закрываемые пробками 20. Для снижения вероятности задира цилиндровая гильза 10 в корпусе 1 установлена с возможностью ограниченного осевого перемещения и ограниченного поворота относительно места контакта ее уплотнения 11 с корпусом 1, благодаря чему поршень 9 с цилиндровой гильзой 10 получают возможность взаимно самоустанавливаться. Для поддержания рабочих органов ясса в исходном положении в отсутствие прихвата и предупреждения его неконтролируемого срабатывания он снабжен разрывной втулкой 21, соединяющей шток с корпусом, при этом последние снабжены жестко соединенными с ними и контактирующими между собой торцами предохранительными втулками соответственно 22 и 23, отделяющими разрывную втулку от внутритрубного пространства и предотвращающими выпадение внутрь колонны труб ее фрагментов.

Работает ясс следующим образом.

При положении рабочих органов, показанном на чертеже, и при заполненных гидравлической жидкостью надпоршневой и подпоршневой полостях рабочего цилиндра ясс устанавливается в компоновку бурильной колонны (не показана) согласно схеме и плану работ на бурение или испытание скважины. В ходе нормального бурения или испытания скважины ясс остается в исходном положении благодаря соединению штока 5 с корпусом 1 разрывной втулкой 21, что предупреждает его срабатывание в нерасчетном режиме, например, при затяжке колонны труб. В случае прихвата инструмента колонну труб растягивают и разрушают разрывную втулку 21, при этом предохранительные втулки 22 и 23 предотвращают выпадение ее фрагментов внутрь колонны. После этого переводник 8 со штоком 5 и с поршнем 9 получают возможность перемещаться вверх относительно корпуса 1, который удерживается на месте нижерасположенным прихваченным оборудованием. На участке L₁ узел штока с поршнем перемещается с большой скоростью, т.к. гидравлическая жидкость свободно перетекает из надпоршневой полости цилиндра в его подпоршневую полость через нижние отверстия 15 в цилиндровой гильзе 10 и нижнюю кольцевую полость 13. На участке L₂ скорость движения штока с поршнем мала, т.к. отверстия 15 перекрыты поршнем 9 и перетекание жидкости из верхней полости цилиндра в нижнюю осуществляется только через дросселирующий канал в поршне 9, обладающий большим гидравлическим сопротивлением. Это позволяет увеличивать натяжение вышерасположенной части бурильной колонны вплоть до его допустимого значения. Пройдя расстояние L₂, поршень 9 попадает на участок L₃ и открывает верхние отверстия 14 цилиндровой гильзы 10, через которые гидравлическая жидкость свободно перетекает из надпоршневой полости, проходя через верхнюю кольцевую полость 12, в подпоршневую. Давление жидкости в надпоршневой полости цилиндра резко падает, усилие, удерживающее бурильные трубы в растянутом состоянии, становится незначительным и узел штока с поршнем под воздействием упругого растяжения колонны бурильных труб резко перемещается в крайнее верхнее положение, при этом шток 5 своим наружным выступом 7 ударяет по внутреннему выступу 2 корпуса 1. Этот удар через корпусные детали ясса передается нижерасположенным узлам оборудования. Если при этом прихваченная часть оборудования не освободится, то на ясс снова передают сжимающее усилие (при медленном прохождении участка L₂ при перемещении вниз) с последующим его растяжением, как описано выше.

При необходимости нанесения удара вниз ясс заряжают, перемещая шток 5 вверх до упора во внутренний выступ 2 корпуса 1. Затем инструмент разгружают, в результате чего шток с поршнем перемещается вниз, быстро проходя участок L₃, т.к. гидравлическая жидкость из подпоршневой полости через верхние отверстия 14 и верхнюю кольцевую полость 12 свободно перетекает в надпоршневую полость. После перекрытия поршнем 9 верхних отверстий 14 цилиндровой гильзы 10 в процессе последующего перемещения его на участке L₂ гидравлическая жидкость в подпоршневой полости цилиндра 3 сжимается, т.к. полости над и под поршнем сообщаются только через дросселирующий канал в поршне, оказывающий перетоку жидкости большое сопротивление. В подпоршневой полости создается давление, пропорциональное сжимающему усилию. Усилие сжатия накапливается в виде энергии упругой деформации сжатия колонны бурильных труб. После выхода поршня 9 на участок L₁ и открытия нижних отверстий 15 цилиндровой гильзы 10 давление жидкости в подпоршневой полости резко падает, т.к. устанавливается ее сообщение с надпоршневой полостью через эти отверстия и нижнюю кольцевую полость 13. Шток с поршнем быстро перемещаются вниз, и энергия упругого сжатия колонны труб трансформируется в удар нижнего торца верхнего переводника 8 по верхнему торцу корпуса 1. При необходимости нанесения повторных ударов вниз описанные операции повторяются, при этом при зарядке ясса перемещение поршня вверх на участке L₂ осуществляют с небольшой скоростью.

Цикл работы ясса повторяют до освобождения прихваченного оборудования.

В сравнении с прототипом заявляемый ясс имеет следующие преимущества:

1. Для изменения направления ударов по прихваченному в скважине оборудованию не требуется его подъем на поверхность и разборка, т.к. для этого достаточно изменить направление внешней нагрузки на шток.

2. Большая надежность и более длительный срок службы вследствие лучших условий работы деталей цилиндропоршневой группы, обеспечиваемых отсутствием ступеней (участков разных диаметров) в цилиндре на длине хода поршня, возможностью самоустановки поршня в цилиндре благодаря подвижности цилиндровой гильзы в корпусе и меньшей величиной механических напряжений благодаря равенству давлений, действующих на цилиндровую гильзу снаружи и изнутри, а также благодаря компенсации внешних давлений использованием для герметизации цилиндра от внутритрубного и затрубного пространства подвижных разделительных поршней.

3. При использовании в составе пластоиспытательной компоновки, исключение самопроизвольного срабатывания в нерасчетном режиме за счет фиксации осевого положения штока в корпусе посредством невыпадающей разрывной втулки.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №655812, МПК Е 21 В 23/00, 1979.

2. Патент RU №2145659, МПК Е 21 В 31/113, 2000 (прототип).