гидравлический бурильный яс

Формула изобретения

1. Гидравлический бурильный яс, состоящий из трубчатого корпуса и оправки, подвижно соединенных без вращения между собой, при этом корпус содержит шлицы на внутренней поверхности, внутренние выступы-наковальни, первый уплотнитель со стороны первого торца, а оправка содержит шлицы на наружной поверхности под шлицы корпуса, поясок увеличенного диаметра, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями корпуса, а также второй уплотнитель, размещенный в ударнике со стороны второго торца корпуса, образующие камеру рабочей жидкости, а также содержащий кольцевой клапан, имеющий круглую боковую сторону, два торца, наружную поверхность и внутреннюю поверхность, ограниченную внутренней полостью, установленный в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость, и расположенный внутри корпуса, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана плотно контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двух упоров, выступающих от внутренней поверхности корпуса, а также содержащий ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с одной из секций камеры рабочей жидкости, включающий, по меньшей мере, один перепускной клапан, размещенный в кольцевом клапане, который ограничивает течение рабочей жидкости внутри одной из секций камеры в одном направлении, отличающийся тем, что продольный ход кольцевого клапана в камере рабочей жидкости, равен, по меньшей мере, разности радиусов его наружной и внутренней поверхностей, а упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону ударника оправки с размещенным в нем вторым уплотнителем, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен второй уплотнитель ударника оправки, при этом, по меньшей мере, один ударник оправки, расположенный в камере рабочей жидкости, содержит собственный уплотнитель, а диаметр каждой из внутренних поверхностей корпуса, образующих подвижное соединение с соответствующим уплотнителем и (или) ударником оправки, выполнен равным диаметру оправки, образующей подвижное соединение с размещенным в корпусе первым уплотнителем, например, в пределах поля допуска диаметра оправки.

2. Гидравлический бурильный яс по п.1, отличающийся тем, что внутри камеры рабочей жидкости между ударниками установлен подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, при этом механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы, большей предельной.

3. Гидравлический бурильный яс по п.2, отличающийся тем, что продольный ход подпружиненного механизма защелки, блокирующего продольный ход оправки относительно корпуса, например, от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение, не превышает продольного хода кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, а именно к устройствам для создания ударных нагрузок, направленных вверх или вниз, для освобождения прихваченной части бурильной колонны в нефтяной или газовой скважине.

Известен гидравлический яс для нанесения ударов снизу вверх и сверху вниз на застрявший в скважине предмет, состоящий из наружного корпуса и полого внутреннего шпинделя, соединенных без взаимного вращения между собой, при этом на внутреннем шпинделе образованы верхний и нижний упорные бурты, между которыми установлен, по меньшей мере, один поршень, внутренняя часть наружного корпуса выполнена в виде кольцевого цилиндра с расточками различного диаметра для взаимодействия с поршнем, между наружным корпусом и внутренним шпинделем установлены уплотнения подвижных и неподвижных соединений и образованы напорная и демпферная камеры, заполненные рабочей жидкостью, в наружном корпусе со стороны демпферной камеры образована буферная полость, а в демпферной камере установлено с возможностью скольжения поршневое кольцо, изолирующее демпферную камеру от буферной полости, при этом наружный корпус или внутренний шпиндель образует в напорной или демпферной камере дроссельный канал и содержит ограничивающее устройство, например, из колец, установленных между верхним и нижним упорными буртами шпинделя, совершающих возвратно-поступательные перемещения на длине этого канала, а также содержит дозирующее устройство, пропускающее ограниченный объем рабочей жидкости при передвижении колец в дроссельном канале [1].

В известной конструкции наружный корпус создает в кольцевой полости дроссельный участок, в пределах которого внутренний шпиндель имеет продольные канавки, ограниченные верхним и нижним упорными буртами, при этом благодаря промежуточным соединительным звеньям кольцо, выходящее из этого участка, вновь возвращается в него раньше, чем другое кольцо входит в этот участок. Дозирующие гильзы имеют внутренние камеры, уравновешенные с окружающей средой с помощью отверстий 32, 39 в корпусе, а при перемещении арретира вверх или вниз яс обеспечивает соответственно направленные удары по прихваченной в скважине бурильной колонне.

Недостатком известной конструкции является сложность контроля нагрузки, направленной вниз (при сжатии колонны), для освобождения от прихвата бурильной колонны и (или) долота в скважине, что объясняется потерей устойчивости (с изменением знака) и трением изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине, а также неожиданная активизация и нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны из-за отсутствия механизма блокировки продольного хода внутреннего шпинделя относительно корпуса, вследствие чего не уменьшается также износ внутренних деталей.

Недостатком известной конструкции является также неполное использование возможности повышения ее надежности и ресурса, например, вследствие того, что отверстия 32, 39 в корпусе создают места, подверженные усталостным разрушениям, обусловленным циклическими напряжениями в процессе изгибающего вращения. При этом тупиковые буферные полости, сообщающиеся сквозными отверстиями 32, 39 с полостью скважины, при выполнении спусков и подъемов в процессе бурения скважин засасывают и накапливают мелкие твердые частицы выбуренной породы (шлама). В течение некоторого времени в буферных полостях шлам цементируется и приводит известный гидравлический яс к отказу работы в скважине.

Величина хода приводного механизма определяется вблизи одного края задвинутым положением шпинделя, на промежуточном расстоянии от этого края - положением упора поршня, у противоположного края - выдвинутым положением шпинделя (шлицевого торца), что не позволяет более эффективно устанавливать соотношения между объемами напорной и демпферной камер с учетом хода шпинделя с поршнем, сжатия рабочей жидкости в напорной камере до момента сброса давления и объемом сжимаемой в напорной камере рабочей жидкости для создания в изогнутой колонне бурильных труб динамического удара с достаточным ударным импульсом и сверхвысокой ударной мощностью.

Недостатком известной конструкции является также неполное использование возможности повышения надежности, а также повышения точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, при использовании в составе изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине, нарушение и ухудшение, вследствие усталости материала, характеристик управляющих пружинных устройств поршней и клапанов, содержащих промежуточные соединительные звенья, при длительном воздействии импульсов удара рабочей жидкости, а также большие потери давления, приводящие к отказу работы в скважине.

Недостатком известной конструкции является также неполное использование возможности повышения надежности путем снижения потерь давления и уменьшения нагрева рабочей жидкости при перетекании через перепускные отверстия в поршнях из одного объема рабочей жидкости в другой, что требует времени для охлаждения рабочей жидкости с целью предотвращения разрушения и уменьшения износа поверхностей скольжения.

Это объясняется, тем, что диаметр оправки, образующей телескопическое соединение с кольцевыми уплотнениями, расположенными в трубчатом корпусе и ограничивающими первый край герметичной камеры, например, со стороны верхнего торца трубчатого корпуса или устья скважины, и диаметр внутреннего цилиндра трубчатого корпуса, образующего телескопическое соединение с кольцевыми уплотнениями, расположенными в кольцевом буртике оправки и ограничивающими второй край герметичной камеры, например, в нижней части трубчатого корпуса или со стороны забоя, выполнены различными, а при телескопическом перемещении шпинделя в корпусе происходит изменение объемов рабочей жидкости и ее нагрев в отсеках герметичной камеры.

В составе изогнутой колонны бурильных труб время работы яса в каждом цикле составляет, например, 90 секунд при 20 ударах в час, время непрерывной работы может составлять, например, 24 часа, при этом рабочая жидкость (трансмиссионное масло) нагревается, для чего требуется охлаждение после нанесения определенного цикла ударов, а время, необходимое для охлаждения, может составлять в процессе работы, например, 15 минут после определенного цикла ударов, что повышает стоимость простоя скважины.

Известен гидравлический яс, состоящий из телескопически установленных относительно друг друга корпуса с уплотнениями у верхнего торца, внутренними выступами-наковальнями и шлицами на внутренней поверхности, и оправки, образующей с трубчатым корпусом кольцевую полость, заполненную рабочей жидкостью, а также имеющей шлицы на наружной поверхности под шлицы корпуса, кольцевые буртики с цилиндрическими наружными поверхностями и наружный ударный выступ, размещенный между внутренними выступами-наковальнями корпуса, нижний дозирующий механизм, установленный в кольцевой полости между оправкой и корпусом для ограничения потока рабочей жидкости через дозирующий механизм при осевом перемещении оправки, и установленный под нижним дозирующим механизмом в кольцевой полости между оправкой и корпусом плавающий поршень с уплотнением [2].

Известный гидравлический яс снабжен верхним дозирующим механизмом, который размещен в кольцевой полости между оправкой и корпусом над нижним дозирующим механизмом, и дополнительными поршнями с уплотнениями, оправка выполнена с дополнительным кольцевым выступом с уплотнением, размещенным между дозирующими механизмами и разделяющим 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. При этом верхний конец компенсирующей камеры 38 определяется плавающим поршнем 37, нижний конец компенсирующей камеры 53 - другим плавающим поршнем 56, который смещается вверх с помощью пружины 57 и кольца 58, которые в свою очередь опираются 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 разрушение уплотнений высокого давления буровым раствором и загрязнение жидкости в камерах.

Недостатком известной конструкции является сложность контроля нагрузки, направленной вниз (при сжатии колонны), для освобождения от прихвата бурильной колонны и (или) долота в скважине, что объясняется потерей устойчивости (с изменением знака) и трением изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине, а также неожиданная активизация и нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны из-за отсутствия механизма блокировки продольного хода оправки относительно корпуса, вследствие чего не уменьшается также износ внутренних деталей.

Недостатком известной конструкции является также неполное использование возможности повышения надежности, а также повышения точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, при использовании в составе изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине, например, путем снижения потерь давления и уменьшения нагрева рабочей жидкости при перетекании ее через перепускные отверстия в дозирующей гильзе 67, а также в верхнем и нижнем дозирующих узлах 49, 50, что требует времени для охлаждения рабочей жидкости с целью предотвращения разрушения и уменьшения износа поверхностей скольжения.

Это объясняется тем, что диаметр оправки, образующей телескопическое соединение с кольцевыми уплотнениями, расположенными в трубчатом корпусе и ограничивающими первый край герметичной камеры, например, со стороны верхнего торца трубчатого корпуса (или устья скважины), и диаметр внутреннего цилиндра трубчатого корпуса, образующего телескопическое соединение с кольцевыми уплотнениями, расположенными в кольцевом буртике оправки и ограничивающими второй край герметичной камеры, например, в нижней части трубчатого корпуса (или со стороны забоя), выполнены различными, а при телескопическом перемещении шпинделя в корпусе происходит изменение объемов рабочей жидкости и ее нагрев в отсеках герметичной камеры.

В составе изогнутой колонны бурильных труб время работы яса в каждом цикле составляет, например, 90 секунд при 20 ударах в час, время непрерывной работы может составлять, например, 24 часа, при этом рабочая жидкость (трансмиссионное масло) нагревается, для чего требуется охлаждение после нанесения определенного цикла ударов, а время, необходимое для охлаждения, может составлять в процессе работы, например, 15 минут после определенного цикла ударов, что повышает стоимость простоя скважины.

Другим недостатком известной конструкции является снижение эффективности двухсторонних уплотнений высокого давления, которые более подвержены разрушению и износу, а также загрязнению буровым раствором в скважине, например, в "плавающих" поршнях поз.31, 37, имеющих внутренние 32 и наружные 33 уплотнения, а также создают места, подверженные перекосам и прихватам, обусловленные циклическими напряжениями трубчатого корпуса в процессе вращения изогнутой колонны бурильных труб.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является гидравлический бурильный яс, состоящий из трубчатого корпуса и оправки, подвижно соединенных без вращения между собой, при этом корпус содержит шлицы на внутренней поверхности, внутренние выступы-наковальни, первый уплотнитель со стороны первого торца, а оправка содержит шлицы на наружной поверхности под шлицы корпуса, поясок увеличенного диаметра, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями корпуса, а также второй уплотнитель, размещенный в ударнике со стороны второго торца корпуса, образующие камеру рабочей жидкости, а также содержащий кольцевой клапан, имеющий круглую боковую сторону, два торца, наружную поверхность и внутреннюю поверхность, ограниченную внутренней полостью, установленный в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость и расположенный внутри корпуса, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана плотно контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двух упоров, выступающих от внутренней поверхности корпуса, а также содержащий ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с одной из секций камеры рабочей жидкости, включающий, по меньшей мере, один перепускной клапан, размещенный в кольцевом клапане, который ограничивает течение рабочей жидкости внутри одной из секций камеры в одном направлении [3].

Недостатком известной конструкции является сложность контроля нагрузки, направленной вниз, для освобождения оставшегося в скважине инструмента или освобождения от прихвата части бурильной колонны в нефтяной или газовой скважине, что объясняется потерей устойчивости (с изменением знака) и трением изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине, а также неожиданная активизация и нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны вследствие низкой точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, а также отсутствие механизма блокировки продольного хода оправки относительно корпуса, вследствие чего не уменьшается износ внутренних деталей.

Недостатком известной конструкции является также неполное использование возможности создания сверхвысокой ударной мощности для возникновения ударных нагрузок, направленных вверх (при натяжении колонны), для освобождения от прихвата бурильной колонны и (или) бурового инструмента в скважине, что объясняется потерями высокого давления рабочей жидкости в щелевом кольцевом зазоре между ограничивающим буртом 16С корпуса 12 и оправкой 14, а также малым продольным ходом кольцевого клапана 10, по существу, менее величины выступа пояска 36 увеличенного диаметра оправки 14.

Другим недостатком известной конструкции является неполное использование возможности повышения надежности, а также повышения точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, путем уменьшения нагрева рабочей жидкости при перетекании ее через перепускные отверстия в дозирующей гильзе 10 для охлаждения рабочей жидкости с целью предотвращения разрушения и уменьшения износа поверхностей скольжения, что объясняется тем, что диаметр оправки, образующей телескопическое соединение с кольцевыми уплотнениями, расположенными в трубчатом корпусе и ограничивающими первый край герметичной камеры, например, со стороны верхнего торца трубчатого корпуса (или устья скважины), и диаметр внутреннего цилиндра трубчатого корпуса, образующего телескопическое соединение с кольцевыми уплотнениями, расположенными в кольцевом буртике оправки и ограничивающими второй край герметичной камеры, например, в нижней части трубчатого корпуса (со стороны забоя), выполнены различными, а при телескопическом перемещении оправки в корпусе происходит изменение объемов рабочей жидкости и ее нагрев в отсеках герметичной камеры.

В составе изогнутой колонны бурильных труб время работы яса в каждом цикле составляет, например, 90 секунд при 20 ударах в час, время непрерывной работы может составлять, например, 24 часа, при этом рабочая жидкость (трансмиссионное масло) нагревается, для чего требуется охлаждение после нанесения определенного цикла ударов, а время, необходимое для охлаждения, может составлять в процессе работы, например, 15 минут после определенного цикла ударов, что повышает стоимость простоя скважины.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и ресурса, образование сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх или вниз на место прихвата колонны, а также предотвращение неожиданной активизации и нанесения ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны вследствие низкой точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, за счет того, что продольный ход кольцевого клапана в камере рабочей жидкости равен по меньшей мере, разности радиусов его наружной и внутренней поверхностей, а упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону ударника оправки с размещенным в нем вторым уплотнителем, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен второй уплотнитель ударника оправки, при этом, по меньшей мере, один ударник оправки, расположенный в камере рабочей жидкости, содержит собственный уплотнитель, а диаметр каждой из внутренних поверхностей корпуса, образующих подвижное соединение с соответствующим уплотнителем и (или) ударником оправки, выполнен равным диаметру оправки, образующей подвижное соединение с размещенным в корпусе первым уплотнителем, например, в пределах поля допуска диаметра оправки.

Другим техническим результатом изобретения является обеспечение контролируемой нагрузки, направленной вниз, с определенным ударным импульсом, предотвращение неожиданной активизации и нанесения ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, уменьшение износа внутренних деталей, а также предотвращение разрушения долота в скважине за счет того, что внутри камеры рабочей жидкости, между ударниками, установлен подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, а механизм защелки освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы больше предельной, при этом продольный ход подпружиненного механизма защелки, блокирующего продольный ход оправки относительно корпуса, например, от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение, не превышает продольного хода кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости.

Сущность изобретения заключается в том, что в гидравлическом бурильном ясе, состоящем из трубчатого корпуса и оправки, подвижно соединенных без вращения между собой, при этом корпус содержит шлицы на внутренней поверхности, внутренние выступы-наковальни, первый уплотнитель со стороны первого торца, а оправка содержит шлицы на наружной поверхности под шлицы корпуса, поясок увеличенного диаметра, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями корпуса, а также второй уплотнитель, размещенный в ударнике со стороны второго торца корпуса, образующие камеру рабочей жидкости, а также содержащий кольцевой клапан, имеющий круглую боковую сторону, два торца, наружную поверхность и внутреннюю поверхность, ограниченную внутренней полостью, установленный в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость и расположенный внутри корпуса, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана плотно контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двух упоров, выступающих от внутренней поверхности корпуса, а также содержащем ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с одной из секций камеры рабочей жидкости, включающий, по меньшей мере, один перепускной клапан, размещенный в кольцевом клапане, который ограничивает течение рабочей жидкости внутри одной из секций камеры в одном направлении, согласно изобретению продольный ход кольцевого клапана в камере рабочей жидкости, равен, по меньшей мере, разности радиусов его наружной и внутренней поверхностей, а упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону ударника оправки с размещенным в нем вторым уплотнителем, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен второй уплотнитель ударника оправки, при этом, по меньшей мере, один ударник оправки, расположенный в камере рабочей жидкости, содержит собственный уплотнитель, а диаметр каждой из внутренних поверхностей корпуса, образующих подвижное соединение с соответствующим уплотнителем и (или) ударником оправки, выполнен равным диаметру оправки, образующей подвижное соединение с размещенным в корпусе первым уплотнителем, например, в пределах поля допуска диаметра оправки.

Внутри камеры рабочей жидкости, между ударниками, установлен подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, при этом механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы, больше предельной.

Продольный ход подпружиненного механизма защелки, блокирующего продольный ход оправки относительно корпуса, например, от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение, не превышает продольного хода кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости.

Выполнение гидравлического бурильного яса таким образом, что продольный ход кольцевого клапана в камере рабочей жидкости, равен, по меньшей мере, разности радиусов его наружной и внутренней поверхностей, а упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону ударника оправки с размещенным в нем вторым уплотнителем, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен второй уплотнитель ударника оправки, при этом, по меньшей мере, один ударник оправки, расположенный в камере рабочей жидкости, содержит собственный уплотнитель, а диаметр каждой из внутренних поверхностей корпуса, образующих подвижное соединение с соответствующим уплотнителем и (или) ударником оправки, выполнен равным диаметру оправки, образующей подвижное соединение с размещенным в корпусе первым уплотнителем, например, в пределах поля допуска диаметра оправки, обеспечивает повышение надежности и ресурса, а также предотвращает неожиданную активизацию и нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, а также образует сверхвысокую ударную мощность для возникновения ударных нагрузок направленных вверх (вследствие релаксации напряжений в растянутой бурильной колонне), для освобождения от прихвата бурильной колонны и (или) бурового инструмента в скважине, что объясняется снижением потерь давления и уменьшением времени "внезапного" расширения рабочей жидкости в демпферном отсеке герметичной камеры для получения динамического удара с определенным ударным импульсом за счет повышения точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой для нанесения ударов при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом.

Повышение точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой для нанесения ударов, при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, позволяет оператору на буровой изменять допустимое силовое усилие натяжения бурильной колонны, после чего применять тормоз буровой лебедки. Вследствие этого усилие при освобождении прихвата легко контролируется, предотвращается повреждение подъемного оборудования.

Кроме того, такое выполнение гидравлического бурильного яса повышает надежность за счет уменьшения нагрева рабочей жидкости при перетекании через перепускные отверстия в дозирующей гильзе, что уменьшает время охлаждения, предотвращает разрушение, например, хромового покрытия, снижает износ других поверхностей скольжения, а также уменьшает время простоя скважины.

Кроме того, такое выполнение гидравлического бурильного яса повышает эффективность уплотнений высокого давления, предотвращает загрязнение буровым раствором рабочей жидкости, а также обеспечивает гидродинамическое центрирование оправки в трубчатом корпусе, предотвращает перекосы и прихваты в поверхностях скольжения, обусловленные циклическими изгибными напряжениями трубчатого корпуса при вращении изогнутой колонны бурильных труб.

Выполнение гидравлического бурильного яса таким образом, что внутри камеры рабочей жидкости, между ударниками, установлен подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, при этом механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы больше предельной, обеспечивает контролируемую нагрузку, направленную вниз, с определенным ударным импульсом, предотвращает неожиданную активизацию и нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, уменьшает износ внутренних деталей и предотвращает поломки долота в скважине.

При этом поломки долота в скважине предотвращаются дополнительно за счет того, что продольный ход подпружиненного механизма защелки, блокирующего продольный ход оправки относительно корпуса, например, от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение, не превышает продольного хода кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости.

Ниже представлен лучший вариант выполнения гидравлического бурильного яса для освобождения прихваченной бурильной колонны в наклонно направленной скважине длиной 3900 метров, имеющей горизонтальный участок 350 метров.

На фиг.1 изображен гидравлический бурильный яс в разрезе, условно соединены верхняя, средняя и нижняя части.

На фиг.2 изображен элемент I на фиг.1 кольцевого клапана в камере рабочей жидкости при натяжении бурильной колонны.

На фиг.3 изображен элемент I на фиг.1 кольцевого клапана в камере рабочей жидкости при создании ударной нагрузки, направленной вверх.

На фиг.4 изображен элемент II на фиг.1 ударника оправки в камере рабочей жидкости, содержащего собственный уплотнитель.

На фиг.5 изображен элемент III на фиг.1 соединения частей оправки.

Гидравлический бурильный яс состоит из трубчатого корпуса 1 и полой оправки 2, соединенных без взаимного вращения, шлицевым соединением 3 между собой, при этом резьбовое отверстие 4 оправки 2 предназначено для соединения с верхней бурильной трубой, а резьбовой хвостовик 5 корпуса 1 предназначен для соединения с нижней бурильной трубой, показано на фиг.1, при этом верхняя и нижняя бурильные трубы не изображены.

Трубчатый корпус 1 выполнен составным из частей 6, 7, 8, 9, 10, 11 и содержит внутренние выступы-наковальни 12, 13, первый уплотнитель 14 со стороны первого торца 15, а оправка 2 выполнена составной из частей 16, 17, 18 и содержит поясок увеличенного диаметра 19, ударники 20, 21 направленные в сторону внутренних выступов-наковален 12 и 13 корпуса 1, а также второй уплотнитель 22, размещенный в ударнике 23 со стороны второго торца 24 корпуса 1, образующие герметичную камеру рабочей жидкости 25, а также содержит кольцевой клапан 26, имеющий круглую боковую сторону 27, два торца 28 и 29, наружную поверхность 30 и внутреннюю поверхность 31, ограниченную внутренней полостью 32, установленный в камере рабочей жидкости 25 с оправкой 2, 18, проходящей через внутреннюю полость 32, и расположенный внутри корпуса 1, показано на фиг.1, 2, 4, 5.

При этом внутренняя поверхность 31 кольцевого клапана 26 плотно контактирует с пояском увеличенного диаметра 19 оправки 2, 18, а продольный ход по стрелке 33 кольцевого клапана 26 ограничен упором 34, выступающим от внутренней поверхности 32 корпуса 1, 10, показано на фиг.2.

Кольцевой клапан 26 содержит ограничивающий механизм 35 сообщения рабочей жидкости 36 из секции 37 камеры 25 рабочей жидкости 36 в секцию 38 этой камеры 25 рабочей жидкости 36, например, выполненный в виде перепускного клапана 39, размещенного в кольцевом клапане 26, блокирующего движение жидкости 36 в одном направлении, например, блокирующий движение рабочей жидкости 36, сжатой в секции 37 камеры 25, показано на фиг.1, 2.

Продольный ход 40 кольцевого клапана 26 в камере 25 рабочей жидкости 36 равен, по меньшей мере, разности радиусов 41 его наружной 30 и внутренней 31 поверхностей, а упор, ограничивающий продольный ход 40 кольцевого клапана 26 в сторону ударника 23 части 18 оправки 2 с размещенным в нем вторым уплотнителем 22, образован выступом 42 от уменьшенного диаметра 43 внутренней поверхности (43) части 10 корпуса 1, с которой подвижно соединен второй уплотнитель 22 ударника 23 части оправки 2, показано на фиг.1, 2.

Ударник 20 части 18 оправки 2, расположенный в камере 25 рабочей жидкости 36, содержит собственный уплотнитель 44, показано на фиг.4.

Диаметры 43, 45, 46 каждой из внутренних поверхностей корпуса 1, по существу, частей корпуса 10, 9, 7, образующих подвижное соединение с соответствующим уплотнителем 22, 44, и ударником 21 части 17 оправки 2, выполнены равными диаметру 47 оправки 2, по существу, части 16 оправки 2, образующей подвижное соединение с размещенным в корпусе 1, в части 6 корпуса 1, первым уплотнителем 14, например, в пределах поля допуска диаметра 47 части оправки 2, 16, показано на фиг.1, 2, 3, 4, 5.

В ударнике 21 части 17 оправки 2 размещены кольца 48, не препятствующие течению рабочей жидкости 36 через продольные пазы 49 ударника 21 оправки 2, при этом полость 50 герметичной рабочей камеры 25 ограничена с одной стороны первым уплотнителем 14 части 6 оправки 2, а с другой стороны - собственным уплотнителем 44, размещенным в ударнике 20 части 18 оправки 2, показано на фиг.1, 4, 5.

Внутри камеры 25 рабочей жидкости 36, в полости 50 рабочей камеры 25, между ударниками 20 и 21 частей оправки, соответственно, 18 и 17, установлен подпружиненный тарельчатыми пружинами 51 и сжатый при помощи колец 52, 53 механизм защелки 54, блокирующий продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, при этом механизм защелки 54, блокирующий продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, например, по стрелке 33 и в противоположном направлении 55, освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы больше предельной, показано на фиг.1.

Механизм защелки 54 выполнен, например, из восьми сегментов, имеет кольцевые канавки 56 и расположен между частью корпуса 8 и частью 17 оправки 2, которая имеет кольцевые зубья 57, при этом кольцевые канавки 56 и кольцевые зубья 57 выполнены разной ширины, поэтому механизм защелки 54 блокирует оправку 2 относительно корпуса 1 только в одном взаимном расположении кольцевых зубьев 57 относительно кольцевых канавок 56, показано на фиг.1.

Продольный ход 58 подпружиненного тарельчатыми пружинами 51 механизма защелки 54, блокирующего продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, например, от начала приложения силы в направлении 55, вдвигающей оправку 2 в корпус 1, до установки механизма защелки 54 в рабочее положение, не превышает продольного хода 40 кольцевого клапана 26, установленного в камере 25 рабочей жидкости 36, показано на фиг.1, 2.

Кроме того, на фиг.1, 2 показано: поз.59 - одна из резьбовых пробок для заливки и прокачки рабочей жидкости 36 в полости 37 с рабочим клапаном 26 и в полости 38, а также в полости 50 рабочей камеры 25, в которых размещены шлицы корпуса 1 и оправки 2, а также установлен подпружиненный механизм защелки 54, блокирующий продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, а поз.60 на фиг.1 - направление потока бурового раствора внутри полой оправки 2 и трубчатого корпуса 1.

Камеру 25 через отверстия под пробки 59 заполняют рабочей жидкостью 36 (трансмиссионным маслом), производят прокачку рабочей жидкости 36 для удаления воздуха в полости 37 с рабочим клапаном 26 и в полости 38, а также в полости 50 рабочей камеры 25, в которой размещены шлицы корпуса 1 и оправки 2, а также установлен подпружиненный механизм защелки 54, блокирующий продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, затем производят затяжку пробок 59.

Производят регулирование (тарировку) подпружиненного тарельчатыми пружинами 51 усилия срабатывания механизма защелки 54, блокирующего продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1 в направлении 33 и 55, (установочного параметра защелки), а также время гидравлической задержки ударов гидравлического бурильного яса в специальном стенде таким образом, чтобы осевые силы, действующие на гидравлический бурильный яс во время бурения, не превышали, например, 50% усилия срабатывания механизма защелки 54, блокирующего продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, а усилие разблокирования защелки 54 для удара вверх составляло, например, 50% установочного параметра защелки 54 для удара вниз.

Определяют лучшее положение яса в сборке оборудования нижней части бурильной колонны, при этом учитывают многие факторы, часть из которых:

- ожидаемый тип прихвата; прихват за счет перепада давления или механический,

- состояние, траектория и угол наклона ствола скважины,

- конфигурация забойной компоновки,

- давление насоса,

- коэффициент плавучести бурового раствора,

- величина предельной нагрузки на долото,

- допустимое усилие натяжения бурильной колонны,

- предел прочности бурильной трубы,

- параметры срабатывания защелки на ясе.

Гидравлический бурильный яс соединяют резьбовым отверстием 4 оправки 2 с нижней частью длинной упругой бурильной колонны, применяемой при бурении и эксплуатации нефтяной скважины, а резьбовым хвостовиком 5 корпуса 1 соединяют с верхней частью бурильной колонны, которая располагается ниже яса. Гидростатическое давление бурового раствора внутри полой оправки 2 и трубчатого корпуса 1, подаваемого от устья скважины к забою в направлении 60, может достигать 50 МПа.

Движение яса на начальной стадии сдерживается гидравлической парой оправка - поршень - трубчатый корпус, и поддерживается до тех пор, пока в бурильной трубчатой колонне не будут созданы достаточно высокие растягивающие напряжения. Стадия свободного вертикального перемещения деталей внутри яса предназначена для резкого снятия части растягивающих напряжений, накопленных в колонне бурильных труб.

Такое снятие напряжений или "растяжки" колонны бурильных труб используется для ускорения утяжеленных бурильных труб и (или) всей массы бурильной колонны и создания ударного импульса в глубине скважины в пределах ударной секции данного гидравлического яса.

Обычно для сосредоточения большой массы непосредственно над ясами, т.е. там, где достигается максимальная скорость при высвобождении яса или завершении стадии его свободного перемещения, используются утяжеленные бурильные трубы (У.Б.Т.).

Волна напряжения в колонне бурильных труб трубах возникает в результате резкой остановки движущейся массы муфт и (У.Б.Т.). В результате кинетическая энергия переходит в энергию напряженного состояния. Волна напряжения одновременно движется вверх к муфтам и (У.Б.Т.) и вниз к точке прихвата. Волна напряжения, которая передается вверх к муфтам или тяжелому весу, будет двигаться вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например, перехода от муфты к тяжелому весу и (У.Б.Т.). Тогда она будет отражена вниз. Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает место прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки. Обычно чем больше ударный импульс, приложенный к месту прихвата, тем меньше ударная нагрузка. При этом чем сильнее динамический удар, тем меньше ударный импульс. Необходимы и удар и импульс.

Для мгновенного высвобождения места прихвата требуется определенная ударная сила. В то время, когда ударная сила превосходит силу прихватывания, импульс удара вызывает проскальзывание места прихвата. Ударная сила является главным фактором. В наилучшем соотношении необходим определенный динамический удар с достаточным ударным импульсом, по существу, со сверхвысокой ударной мощностью.

Оптимальное местоположение гидравлического яса - над переходной зоной, однако гидравлический яс можно опустить и ниже переходной зоны. Гидравлический яс спускают в скважину с заблокированной защелкой 54, с таким количеством У.Б.Т., которое обеспечивает необходимую нагрузку на долото и обеспечивает расположение гидравлического яса над переходной зоной.

Нагрузку на долото подбирают, добавляя или удаляя У.Б.Т. под гидравлическим ясом, и при этом сохраняя над ясом вес, достаточный для обеспечения эффективного удара ясом.

Гидравлический бурильный яс работает от движения бурильной колонны в направлении вверх или вниз. Величина ударной силы, направленной вверх, прямо пропорциональна прилагаемому усилию натяжения. В данном режиме, по мере того, как прилагаемое усилие натяжения начинает превышать параметр установки защелки 54 при ударе вверх, механическая защелка резко освобождается от блокировки и наступает гидравлическая задержка. Спустя небольшой период времени оправка 2 яса резко освобождается и ускоряется до положения полного растяжения.

В режиме удара, направленного вниз, по мере того, как сила сжатия, действующая на яс, начинает превышать параметр установки защелки при ударе вниз, механическая защелка 54 резко освобождается от блокировки, позволяя оправке 2 вернуться в полностью закрытое положение.

Если при освобождении прихвата в скважине идет циркуляция бурового раствора, перепад давления на долоте создает усилие, растягивающее яс, при этом требуется учитывать силу запуска насоса, так как это сокращает усилие, необходимое для нанесения удара ясом вверх и увеличивает требуемое усилие для нанесения удара в направлении вниз.

Чтобы компенсировать потери трения о стенки скважины изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине, необходимо дополнительное усилие натяжения колонны бурильных труб.

Величина компенсации учитывается показаниями индикатора нагрузки на бурильный инструмент во время спусков и подъемов до прихвата бурильной колонны. При этом вес свободной колонны - это вес части колонны, расположенной над ясом.

Нанесение ударов ясом в направлении вверх.

Сила, прилагаемая к ясу, должна превышать установочный параметр защелки 54, но быть меньше рекомендуемой величины максимальной нагрузки при гидравлической задержке, при этом величина нагрузки над свободной колонной высчитывается как разница между установочными параметрами защелки 54 при ударе ясом вверх и силой запуска насоса. Для удара вверх нужно приложить нагрузку вычисленной величины и затем установить тормоз буровой лебедки. Оправка 2 вытягивается из корпуса 1 в направлении 33, при этом механизм защелки 54, подпружиненный тарельчатыми пружинами 51 и сжатый при помощи колец 52, 53, освобождает блокировку кольцевых зубьев 57 части 17 оправки 2 в кольцевых канавках 56 и обеспечивает продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, установленной внутри камеры 25 рабочей жидкости 36, по существу, в полости 50 рабочей камеры 25, между ударниками 20 и 21 частей оправки, соответственно, 18 и 17.

Рабочая жидкость 36 сжимается вторым уплотнителем 22 и ударником 23 в полости 37 рабочей камеры 25 и частично перетекает в зазоре между пояском увеличенного диаметра 19 части 18 оправки 2 и внутренней поверхностью 31 кольцевого клапана 26, который содержит ограничивающий механизм 35 сообщения рабочей жидкости 36 из секции 37 камеры 25 рабочей жидкости в секцию 38 этой камеры 25 рабочей жидкости, выполненный в виде перепускного клапана 39, размещенного в кольцевом клапане 26.

Внутренняя поверхность 31 кольцевого клапана 26 плотно контактирует с пояском увеличенного диаметра 19 оправки 2, 18, а продольный ход по стрелке 33 кольцевого клапана 26 ограничен упором 34, выступающим от внутренней поверхности 32 корпуса 1, 10, при этом давление рабочей жидкости 36 в полости 37 рабочей камеры 25 может составлять, например, 200 МПа.

При срыве края пояска увеличенного диаметра 19 с края внутренней поверхности 31 кольцевого клапана 26 происходит гидравлический удар рабочей жидкости с использованием эффекта "внезапного расширения", с минимальными потерями давления и образованием сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вниз на место прихвата колонны.

Растянутая колонна бурильных труб в течение времени, например, 30 мс теряет напряжения растяжения, а в трубах и соединениях труб возникает эффект релаксации напряжений. Волна напряжения одновременно движется вверх к муфтам и (У.Б.Т.) и вниз к точке прихвата. Волна напряжения, которая передается вверх к муфтам или тяжелому весу, двигается вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например перехода от муфты к тяжелому весу и (У.Б.Т.), затем она отражается вниз. Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает место прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки.

После нанесения удара в направлении вверх опускают бурильную колонну до тех пор, пока индикатор нагрузки не покажет величину меньше, чем вес свободной колонны. Это означает, что защелка 54 снова заблокировалось. Яс готов к следующему циклу или можно возобновить бурение.

Нанесение ударов ясом в направлении вниз.

Значение разгрузки колонны от веса свободной колонны высчитывают как сумму силы запуска насоса и установочного параметра защелки 54 при ударе вниз. Подъемным устройством на буровой натягивают колонну бурильных труб и "бросают" ее вниз, сообщая колонне импульс удара, направленный сверху вниз.

Оправка 2 вдвигается в корпус 1 в направлении 55, при этом механизм защелки 54, подпружиненный тарельчатыми пружинами 51 и сжатый при помощи колец 52, 53, освобождает блокировку кольцевых зубьев 57 части 17 оправки 2 в кольцевых канавках 56 и обеспечивает продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, установленной внутри камеры 25 рабочей жидкости 36, по существу, в полости 50 рабочей камеры 25, между ударниками 20 и 21 частей оправки, соответственно, 18 и 17.

Рабочая жидкость 36 в полости 38 камеры 25 рабочей жидкости сжимается собственным уплотнителем 44 ударника 20 части 18 оправки 2, расположенным в камере 25 рабочей жидкости 36. Повышение давления рабочей жидкости 36 в полости 38 камеры 25 рабочей жидкости производит перемещение, в направлении 55, кольцевого клапана 26, который содержит ограничивающий механизм 35 сообщения рабочей жидкости 36 из секции 37 камеры 25 рабочей жидкости в секцию 38 этой камеры 25 рабочей жидкости, выполненный в виде перепускного клапана 39, размещенного в кольцевом клапане 26.

Продольный ход 40 кольцевого клапана 26 в камере 25 рабочей жидкости 36, равен, по меньшей мере, разности радиусов 41 его наружной 30 и внутренней 31 поверхностей, а упор, ограничивающий продольный ход 40 кольцевого клапана 26 в сторону ударника 23 части 18 оправки 2 с размещенным в нем вторым уплотнителем 22, образован выступом 42 от уменьшенного диаметра 43 внутренней поверхности (43) части 10 корпуса 1, с которой подвижно соединен второй уплотнитель 22 ударника 23 части оправки 2.

Продольный ход 58 подпружиненного тарельчатыми пружинами 51 механизма защелки 54, блокирующего продольный ход оправки 2 относительно корпуса 1, от начала приложения силы, например, в направлении 55, вдвигающей оправку 2 в корпус 1, до установки механизма защелки 54 в рабочее положение, не превышает продольного хода 40 кольцевого клапана 26, установленного в камере 25 рабочей жидкости 36, вследствие этого механический удар ударника 20 о наковальню 12, а также удар ударника 21 о наковальню 13 происходит одновременно с гидравлическим ударом рабочей жидкости, с минимальными потерями давления и образованием сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вниз на место прихвата колонны.

Волна напряжения одновременно движется вниз к точке прихвата и вверх к муфтам и (У.Б.Т.). Волна напряжения, которая передается вверх к муфтам или тяжелому весу, двигается вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например перехода от муфты к тяжелому весу и (У.Б.Т.), затем она отражается вниз. Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает место прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки.

Для того чтобы снова произошло сцепление защелки 54 яса, поднимают бурильную колонну до тех пор, пока индикатор нагрузки не зафиксирует увеличение веса выше веса свободной колонны.

При движении оправки 2 относительно корпуса 1 в направлении 33 и 55 объем рабочей жидкости 36 в двух полостях 50 рабочей камеры 25, а также суммарный объем рабочей жидкости 36 в двух полостях 37 и 38 рабочей камеры 25, ограниченный уплотнителем 22 ударника 23 части оправки 18 и собственным уплотнителем 44 ударника 20 части оправки 18, не изменяется из-за того, что диаметры 43, 45, 46 каждой из внутренних частей корпуса 10, 9, 7, образующих подвижное соединение с соответствующим уплотнителем 22, 44, и ударником 21 части 17 оправки 2, выполнены равными диаметру 47 части 16 оправки 2, образующей подвижное соединение с размещенным в части 6 корпуса 1 первым уплотнителем 14, например, в пределах поля допуска диаметра 47 части оправки 16, вследствие чего уменьшается нагрев и время охлаждения рабочей жидкости при перетекании через кольцевой клапан 26, ограничивающий механизм 35 сообщения рабочей жидкости 36 из секции 37 камеры 25 рабочей жидкости 36 в секцию 38 этой камеры, а также перепускной клапан 39.

Предлагаемая конструкция гидравлического бурильного яса обеспечивает повышение надежности и ресурса, образует сверхвысокую ударную мощность в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх или вниз на место прихвата колонны, предотвращает неожиданную активизацию и нанесение ударов при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, обеспечивает контролируемую нагрузку, направленную вниз, уменьшает износ внутренних деталей, а также предотвращает разрушение долота в скважине.

Источники информации

1. US 5174393, Е21В 31/113, Dec. 29, 1992

2. US 5033557, Е21В 4/06, Jul. 23, 1991 (или RU 2025567, 30.12.1994)

3. US 5647446, Е21В 31/113, Jul. 15, 1997 - прототип