ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ БУРИЛЬНЫЙ ЯС ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ
TWO-WAY HYDRAULIC DRILLING JAR

Изобретение относится к устройствам для создания ударных нагрузок, направленных вверх и(или) вниз, для освобождения прихваченной части бурильной колонны в нефтяной скважине в результате реакции на продольное усилие, прилагаемое к бурильной колонне и ясу.
Известен механизм гидравлического яса двухстороннего действия, включающий части внешнего элемента (2, 4, 9, 10, 14, 17), части внутреннего элемента (1, 5, 11), закрепляемого на внешнем элементе (2, 4, 9, 10, 14, 17), камеру рабочей жидкости (35, 37, 42), разделяемую частями внутреннего элемента (1, 5, 11) и внешнего элемента (2, 4, 9, 10, 14, 17), и ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) сообщения жидкости с камерой для жидкости (35, 37, 42), при этом внутренние (1, 5, 11) и внешние элементы корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), подвижные относительно друг друга между первой конструкцией, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), и второй конструкцией, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) в меньшей степени ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), чем в первой конструкции, а ограничивающий механизм содержит два клапанных устройства (58), каждое из которых ограничивает движение жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, при этом клапанные устройства (58) расположены таким образом, чтобы ограничивать движение жидкости в противоположных направлениях (GB 2332921 А, 07.07.1999).
Недостатком известной конструкции является недостаточный ресурс уплотнения 38 части внутреннего элемента 11 и уплотнения 40 части внутреннего элемента 15, которые при движении относительно внешних элементов корпуса 9 и соответственно 14 образуют камеры 35 и соответственно 42 для рабочей жидкости (масла) под давлением, например, 130÷150 МПа.
3
Вследствие этого происходят утечки масла под давлением, например, 130÷150 МПа из камеры 35 в полость для масла и шлицевого вала 22, а также происходят утечки масла под давлением 130÷150 МПа из камеры 42 в полость частей внутренних элементов (1, 5, 11), заполненных буровым раствором, содержащим твердые абразивные частицы, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер-глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷4,26 г/см, прокачиваемого при гидростатическом давлении, например, 25÷40 МПа.
Другим недостатком известной конструкции является недостаточный ресурс подпружиненного механизма защелки (5, 8), который включает в себя первый элемент (8) защелки, расположенный на внутреннем элементе (1, 5, 11) или на внешнем элементе корпуса (2, 4, 9, 14, 17), и второй элемент защелки (5) на одном из элементов корпуса, подогнанные для фиксации элементов корпуса вместе, например, вследствие износа зубьев при наработке уменьшается усилие освобождения от блокировки, при максимальной твердости зубьев защелки технологически трудно обеспечить высокую (максимальную для стали) прочность зубьев, при максимальной прочности зубьев защелки технологически трудно обеспечить высокую (максимальную для стали) твердость зубьев, при наплавке поверхностного слоя, например, твердым сплавом, технологически трудно уменьшить хрупкость зубьев и обеспечить высокую (максимальную для стали) ударную прочность зубьев.
Другим недостатком известной конструкции является неполное использование возможности создания сверхвысокой ударной мощности для возникновения ударных нагрузок, направленных вверх (при натяжении бурильной колонны), для освобождения от прихвата бурильной колонны и (или) бурового инструмента в скважине, что объясняется большими потерями давления во второй конструкции, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) в меньшей степени ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), чем в первой конструкции, а ограничивающий механизм содержит два клапанных устройства (58), каждое из которых ограничивает движение жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, при этом клапанные устройства (58) расположены таким образом, чтобы ограничивать движение жидкости в противоположных направлениях.
Сложность контроля нагрузки, направленной вниз, объясняется малым продольным ходом (не превышающим величины выступов поясков увеличенного диаметра 13 части оправки 11) ограничивающего механизма (12, 13, 48, 50), который ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), и большим гидравлическим сопротивлением второй конструкции, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50), включающий два клапанных устройства 58, каждое из которых ограничивает движение жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, и клапанные устройства 58, расположенные таким образом, чтобы ограничивать движение жидкости в противоположных направлениях.
При этом величина продольного хода кольцевого клапана, например, 13 между ограничительными частями 53, 63 частей корпуса 10, 14 на порядок меньше продольного хода внутренних частей 1, 5, 11 оправки 1 относительно внешних элементов (2, 4, 9, 10, 14, 17) корпуса 2, определяемого подпружиненным механизмом защелки, от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение.
Вследствие этого не обеспечивается повышение точности времени "запаздывания", создаваемого гидравликой, для нанесения ударов при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, а это не позволяет оператору на буровой изменять допустимое силовое усилие натяжения бурильной колонны, после чего применять тормоз буровой лебедки, при этом усилие при освобождении прихвата трудно контролировать, что снижает возможность освобождения от прихвата застрявшей бурильной колонны в скважине.
Известен гидравлический бурильный яс двухстороннего действия, состоящий из трубчатого корпуса и полой оправки, телескопически соединенных между собой, трубчатый корпус выполнен из частей, содержит резьбу со стороны первого края, в средней части содержит внутренние выступы-наковальни, а со стороны второго края содержит шлицы на внутренней поверхности и уплотнитель, при этом полая оправка выполнена из частей, содержит со стороны первого края трубчатого корпуса первый поршень с первым уплотнителем, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями трубчатого корпуса, со второго края трубчатого корпуса содержит второй поршень со вторым уплотнителем, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью - маслом, резьбовой хвостовик и шлицы - на наружной поверхности, а также содержащий два ограничивающих механизма сообщения жидкости с камерой для жидкости, каждый из которых выполнен в виде пояска увеличенного диаметра полой оправки, а также первого и второго кольцевых клапанов, каждый из которых установлен в камере рабочей жидкости с полой оправкой, проходящей через внутреннюю полость, внутренняя поверхность каждого кольцевого клапана плотно контактирует с соответствующим пояском увеличенного диаметра полой оправки, при этом в каждом кольцевом клапане установлено, по меньшей мере, одно клапанное устройство, ограничивающее течение жидкости внутри камеры рабочей жидкости в одном направлении, а первое клапанное устройство первого кольцевого клапана расположено таким образом, что ограничивает течение жидкости в противоположном направлении относительно течения жидкости во втором клапанном устройстве второго кольцевого клапана, при этом гидравлический яс содержит центральный поршень, снабженный собственными кольцевыми уплотнителями, центральный поршень образован кольцевым буртом увеличенного диаметра полой оправки и размещен в камере рабочей жидкости, образованной внутренним диаметром полого корпуса, первым и вторым кольцевыми клапанами и полой оправкой, проходящей через камеру рабочей жидкости, первое клапанное устройство установлено в первом кольцевом клапане таким образом, что ограничивает течение рабочей жидкости из камеры, образованной центральным поршнем, снабженным собственными кольцевыми уплотнителями, внутренним диаметром полого корпуса, первым кольцевым клапаном и полой оправкой, проходящей через камеру рабочей жидкости в камеру, образованную первым поршнем с первым уплотнителем со стороны первого края полой оправки, внутренним диаметром полого корпуса, первым кольцевым клапаном и полой оправкой, проходящей через камеру рабочей жидкости, а второе клапанное устройство установлено во втором кольцевом клапане таким образом, что ограничивает течение рабочей жидкости из камеры, образованной центральным поршнем, снабженным собственными кольцевыми уплотнителями, внутренним диаметром полого корпуса, вторым кольцевым клапаном и полой оправкой, проходящей через камеру рабочей жидкости в камеру, образованную вторым поршнем с вторым уплотнителем со стороны второго края полой оправки, внутренним диаметром полого корпуса, вторым кольцевым клапаном и полой оправкой, проходящей через камеру рабочей жидкости (RU 2439284 С2, 10.01.2012).
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса уплотнения 22 поршня 21, скрепленного резьбой с частью 18 полой оправки 2, по поверхности 57 части 3 трубчатого корпуса 1, которое расположено на границе раздела камеры 55 для жидкости - масла 28 с полостью для бурового раствора 88, которое подвергается при работе высокому давлению рабочей жидкости, преимущественно 150 МПа, и мгновенному сбросу указанного давления рабочей жидкости до уровня гидростатического давления, например, 30 МПа, бурового раствора 88 в колонне бурильных труб.
3
Абразивные частицы бурового раствора, например до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер-глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см, загрязняют масло в камере 28 для жидкости 27, засоряют фильтры 36 для масла в перепускных клапанах 31, 32, перекрывают проходное сечение жиклеров для циркуляции масла в перепускных клапанах 31, 32, установленных в кольцевых клапанах 34, 42, при этом происходят утечки масла из камеры 28 для жидкости в полость для бурового раствора 88 в скважине, повреждение уплотнения 22 абразивными частицами бурового раствора, что не обеспечивает повышения ресурса и надежности, снижает возможность освобождения от прихвата застрявшей бурильной колонны в скважине.
Известен гидравлический бурильный яс двухстороннего действия, содержащий трубчатый корпус, телескопически установленный в нем полый вал, имеющий возможность свободного перемещения в осевом направлении корпуса, при этом вал и корпус выполнены из соединенных частей и части корпуса соединены корпусными переходниками, в корпусе установлены первый и второй поршни, между которыми образована заполненная рабочей жидкостью камера под рабочую жидкость, расположенная между корпусом и валом, также между корпусом и валом образована полость, с которой сообщены встречно направленные в осевом направлении яса дроссели, сообщенные с указанной камерой, отличающийся тем, что яс оснащен охватывающим вал общим для дросселей кольцевым корпусом, в котором выполнена по меньшей мере пара диаметрально расположенных резьбовых отверстий с расположенными в них встречно направленными в осевом направлении дросселями, кольцевой корпус расположен между торцами корпусных переходников с возможностью взаимодействия своей внутренней поверхностью с утолщением вала при его перемещении между торцами переходников, а также возможностью взаимодействия его торцов с торцами корпусных переходников, в стенке кольцевого корпуса на его противоположных торцовых сторонах выполнены сообщенные с резьбовыми отверстиями наклонные отверстия, сообщенные с полостью, образованной корпусом, валом и торцами переходников (RU 2726689 С1, 15.07.2020).
Недостатком известного гидравлического бурильного яса двухстороннего действия является то, что он при работе (при перезарядке) поочередно создает удары в направлении вверх и вниз, в нем невозможно создавать удары только в одну сторону.
Для гидравлического бурильного яса двухстороннего действия определяющим является создание повторяющихся ударных нагрузок, направленных в одну сторону, по существу, только вверх, которые необходимы для возникновения определенного уровня релаксации растягивающих напряжений, волнообразно перемещающихся по длине колонны труб в изогнутой скважине, и получения оптимального соотношения между ударной нагрузкой и ударным импульсом, приложенным к месту прихвата колонны.
На практике, для освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине при проходке сложных искривленных скважин с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки яса осевое усилие, например, для освобождения от прихвата колонны бурильных труб в наклонно-направленной скважине, в интервале бурения 3500-4500 м, буровые компании работают преимущественно с допустимым ("дозированным") усилием натяжения бурильной колонны и срабатывания яса повторяющимися ударами вверх, например, 600 ударов вверх и 45 ударов вниз.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является гидравлический бурильный яс двухстороннего действия, состоящий из трубчатого корпуса и полого вала, телескопически соединенных между собой, трубчатый корпус выполнен из частей, содержит резьбу со стороны первого края, в средней части содержит внутренние выступы-наковальни, со стороны второго края содержит шлицы на внутренней поверхности и уплотнитель, полый вал выполнен из частей, содержит со стороны первого края трубчатого корпуса первый поршень с первым уплотнителем, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями трубчатого корпуса, со второго края трубчатого корпуса содержит второй поршень со вторым уплотнителем, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью - маслом, резьбовой хвостовик и шлицы - на наружной поверхности, а также содержащий два ограничивающих механизма сообщения жидкости с камерой для жидкости, каждый из которых выполнен в виде пояска увеличенного диаметра полого вала, а также первого и второго кольцевых клапанов, каждый из которых установлен в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость, внутренняя поверхность каждого кольцевого клапана плотно контактирует с соответствующим пояском увеличенного диаметра полого вала, при этом в каждом кольцевом клапане установлено, по меньшей мере, одно клапанное устройство, ограничивающее течение жидкости внутри камеры рабочей жидкости в одном направлении, а первое клапанное устройство первого кольцевого клапана расположено таким образом, что ограничивает течение жидкости в противоположном направлении относительно течения жидкости во втором клапанном устройстве второго кольцевого клапана, при этом гидравлический бурильный яс содержит клапанный модуль, включающий корпус клапанов и корпусной переходник, скрепленные между собой, внутри корпуса клапанов размещены клапанное седло, распорная втулка, а также упомянутые выше первый и второй кольцевые клапаны, при этом клапанный модуль скреплен с частями трубчатого корпуса, внутри которых установлены первый поршень с первым уплотнителем и, соответственно, второй поршень со вторым уплотнителем, а в каждом кольцевом клапане установлено, по меньшей мере, одно упомянутое выше клапанное устройство, ограничивающее течение жидкости внутри камеры рабочей жидкости в одном направлении, а первое клапанное устройство первого кольцевого клапана расположено таким образом, что ограничивает течение жидкости в противоположном направлении относительно течения жидкости во втором клапанном устройстве второго кольцевого клапана, и образует с полым валом, проходящим через внутреннюю полость клапанного модуля, центральную часть камеры, заполненной рабочей жидкостью - маслом, при этом корпус клапанов выполнен с внутренним кольцевым поясом, торец внутреннего кольцевого пояса направлен в сторону торца корпусного переходника, распорная втулка установлена с осевым люфтом между упомянутыми выше первым и вторым кольцевыми клапанами, клапанное седло выполнено с собственным уплотнителем, контактирующим с внутренней поверхностью корпуса клапанов, и установлено между торцом внутреннего кольцевого пояса корпуса клапанов и вторым кольцевым клапаном, между внутренней поверхностью распорной втулки и наружной поверхностью пояска увеличенного диаметра полого вала образован сквозной кольцевой канал, между внутренней поверхностью клапанного седла и наружной поверхностью пояска увеличенного диаметра полого вала образован сквозной щелевой канал, торец первого кольцевого клапана плотно контактирует при действии давления рабочей жидкости с направленным к нему торцом корпусного переходника, торец второго кольцевого клапана плотно контактирует при действии давления рабочей жидкости с направленным к нему торцом клапанного седла, при этом части трубчатого корпуса, предназначенные для установки первого поршня с первым уплотнителем и, соответственно, второго поршня со вторым уплотнителем, образующие с частями полого вала камеры, заполненные рабочей жидкостью, выполнены с гладкой бесступенчатой полостью (RU 2521993 С1, 10.07.2014).
Недостатком известного гидравлического яса двухстороннего действия является неполная возможность повышения его ресурса и надежности, образования сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх и вниз на место прихвата бурильной колонны, а также неполная возможность обеспечения времени гидравлической задержки перепускных клапанов в процессе сборки и испытания гидравлического яса, а в составе бурильной колонны - неполная возможность повышения надежности освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине при проходке сложных искривленных скважин с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки яса осевое усилие, преимущественно для работы с допустимым ("дозированным") усилием натяжения бурильной колонны и срабатывания яса повторяющимися ударами только вверх.
Другим недостатком известного гидравлического яса двухстороннего действия является неполное использование возможности регулирования динамики сброса давления рабочей жидкости из камеры высокого давления, преимущественно 150 МПа, и мгновенному сбросу указанного высокого давления рабочей жидкости до уровня давления, например 30 МПа, в демпферную камеру при создании ударных нагрузок, направленных вверх, необходимых для возникновения определенного уровня релаксации растягивающих напряжений, волнообразно перемещающихся по длине колонны труб в скважине, получения оптимального соотношения между ударной нагрузкой и ударным импульсом, приложенным к месту прихвата колонны.
Недостаток известного гидравлического яса двухстороннего действия -неполная возможность обеспечения времени гидравлической задержки перепускных клапанов в процессе эксплуатации гидравлического яса, объясняется "шламованием" металлических микрочастиц вследствие износа и сколов трущихся поверхностей - слоев покрытий хрома в парах трения, что вызывает засорение фильтров упомянутых перепускных клапанов.
Вследствие этого не обеспечивается требуемое время задержки, создаваемого гидравликой, для нанесения повторяющихся ударов вверх, при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, а это не позволяет оператору на буровой изменять допустимое усилие натяжения бурильной колонны, после чего применять тормоз буровой лебедки, при этом усилие при освобождении прихвата трудно контролировать, вследствие этого - неполная возможность освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине.
Перепускные клапаны для гидравлических ясов, патент US 5123493, Jum. 23, 1992, Valve used in a hydraulic drilling jar, Inventors: Wenzel; Kenneth H. (Edmonton, Alberta, CA), производятся для буровых компаний, преимущественно фирмой The Lee Company (US) под товарным знаком Lee Visco Jet, стр. 42, Lee JEVA, www.TheLeeCo.com.
Известны гидравлические ясы компании "Радиус-Сервис" (RU), входящей в состав "Шлюмберже" (US), например, RU 2544352 С2, RU 2540372 С2, RU 2521993 C1, RU 2537722 С2, RU 2439284 С2 (парк 900 ед.), которые более 10 лет надежно работают в скважинах на территории России и за рубежом, в которых используются перепускные клапаны фирмы The Lee Company (US), Lee Visco Jet, стр. 42, Lee JEVA, www.TheLeeCo.com.
При достижении наработки 750 часов с момента ввода в эксплуатацию или после последнего ремонта яс вывозят на ремонт. При нормальных условиях эксплуатации суммарное количество ударов ясом до проведения ремонта (ревизии) не должно превышать 800.
Возможные причины отказов гидравлического яса.
- Гидравлический яс не работает, возможные причины: Прихват бурильной колонны выше яса. Отказ работы гидравлического яса связан с неправильным размещением его в составе бурильной колонны.
- Не выдерживается время, необходимое для перетока в ясе рабочей жидкости (гидравлическая "задержка").
- При проведении удара, направленного вниз, не учитывают растягивающую нагрузку, действующую на гидравлический яс во время циркуляции промывочной жидкости-бурового раствора (нагрузка от работы бурового насоса). Отказ работы гидравлического яса связан с недостаточной разгрузкой бурильной колонны или вес бурильной колонны над ясом недостаточен для приложения необходимого сжимающего усилия.
- Гидравлический яс работал, но затем перестал работать, возможные причины:
После удара не провели перезарядку яса. Во время перезарядки яса участки скважины с возможными осложнениями (осыпи, обвалы горной породы, поглощение промывочной жидкости, "желобообразование") препятствуют передаче необходимой нагрузки. Сложность перезарядки может быть связана с неправильным размещением гидравлического яса в составе бурильной колонны.
- В результате интенсивной работы ясом произошел нагрев рабочей жидкости, которой гидравлический яс заполнен. При повышении температуры рабочей жидкости ее вязкость снижается, в результате чего возможен отказ работы гидравлической части яса, при этом гидравлическая задержка будет отсутствовать.
Механическая часть яса останется работоспособной, при этом сила удара будет соответствовать усилию разблокирования, но регулировать силу удара будет невозможно. Для того, чтобы восстановить работоспособность яса необходимо приостановить его работу для охлаждения рабочей жидкости, приблизительно, на 30 минут.
Техническим результатом представленного в данном описании гидравлического яса двухстороннего действия является повышение его ресурса и надежности, образование сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, повышение точности времени задержки, создаваемого гидравликой, и уменьшение потерь давления при мгновенном сбросе давления рабочей жидкости из камеры высокого давления, а в составе КНБК - повышение надежности освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине при проходке сложных искривленных скважин с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки яса осевое усилие, преимущественно для работы с допустимым усилием натяжения бурильной колонны и срабатывания яса повторяющимися ударами вверх.
d
р
d
р
d
p
d
p
Сущность технического результата, представленного в данном описании, заключается в том, что в гидравлическом бурильном ясе двухстороннего действия, состоящем из трубчатого корпуса и полого вала, телескопически соединенными между собой, трубчатый корпус выполнен из частей, содержит резьбу со стороны входа текучей среды, содержит выступы-наковальни, со стороны выхода текучей среды содержит шлицы на внутренней поверхности и уплотнитель, полый вал выполнен из частей, содержит со стороны входа текучей среды первый поршень с уплотнителем, ударники, размещенные между выступами-наковальнями трубчатого корпуса, со стороны выхода текучей среды содержит второй поршень с уплотнителем, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью - маслом, резьбовой хвостовик и шлицы - на наружной поверхности, а также содержащем два ограничивающих механизма сообщения жидкости с камерой для жидкости, каждый из которых выполнен в виде утолщения полого вала, а также первого и второго кольцевых клапанов, каждый из которых установлен в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость, внутренняя поверхность каждого кольцевого клапана плотно контактирует с утолщением полого вала, при этом в каждом кольцевом клапане установлено клапанное устройство, ограничивающее течение жидкости внутри камеры рабочей жидкости в одном направлении, а первое клапанное устройство первого кольцевого клапана расположено таким образом, что ограничивает течение жидкости в противоположном направлении относительно течения жидкости во втором клапанном устройстве второго кольцевого клапана, а также содержащем корпус клапанов, внутри которого размещены клапанное седло, распорная втулка, а также упомянутые выше первый и второй кольцевые клапаны, при этом корпус клапанов скреплен с частями трубчатого корпуса, внутри которых установлены первый поршень с уплотнителем и, соответственно, второй поршень с уплотнителем, в каждом кольцевом клапане установлено упомянутое выше клапанное устройство, ограничивающее течение жидкости внутри камеры рабочей жидкости в одном направлении, а первое клапанное устройство первого кольцевого клапана расположено таким образом, что ограничивает течение жидкости в противоположном направлении относительно течения жидкости во втором клапанном устройстве второго кольцевого клапана, при этом корпус клапанов выполнен с внутренним кольцевым поясом, распорная втулка установлена с осевым люфтом между упомянутыми выше первым и вторым кольцевыми клапанами, клапанное седло снабжено уплотнителем, контактирующим с внутренней поверхностью корпуса клапанов, согласно изобретению корпус клапанов установлен с направлением торца внутреннего кольцевого пояса в сторону выхода текучей среды из полого вала, клапанное седло размещено между торцом внутреннего кольцевого пояса корпуса клапанов и первым кольцевым клапаном, в первом кольцевом клапане, расположенном со стороны входа текучей среды в полый вал и размещенном в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, установлено нижнее дроссельное устройство, ограничивающее течение рабочей жидкости в одном направлении с первым клапанным устройством из камеры рабочей жидкости, образованной вторым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны выхода текучей среды из полого вала, внутренней поверхностью первого кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с торцом клапанного седла, а во втором кольцевом клапане, расположенном со стороны выхода текучей среды из полого вала и размещенном в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, установлено верхнее дроссельное устройство, ограничивающее течение рабочей жидкости в одном направлении со вторым клапанным устройством из камеры рабочей жидкости, образованной первым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны входа текучей среды в полый вал, внутренней поверхностью второго кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с направленным к нему торцом части трубчатого корпуса, при этом время Т гидравлической задержки гидравлического бурильного яса, время T гидравлической задержки первого клапанного устройства, расположенного в первом кольцевом клапане, и время Т гидравлической задержки нижнего дроссельного устройства, расположенного в первом кольцевом клапане, связаны соотношением: Т=(0,25÷0,75) (T+Т), а время N гидравлической задержки гидравлического бурильного яса, время Nгидравлической задержки второго клапанного устройства, расположенного во втором кольцевом клапане, и время N гидравлической задержки верхнего дроссельного устройства, расположенного во втором кольцевом клапане, связаны соотношением: N=(0,25÷0,75) (N+N).
p
d
p
d
Объем отсека V камеры для жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, образованного вторым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны выхода текучей среды из полого вала, внутренней поверхностью второго кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с торцом части трубчатого корпуса, и объем отсека V камеры рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, образованного первым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны входа текучей среды в полый вал, внутренней поверхностью второго кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с торцом части трубчатого корпуса при растяжении корпуса относительно полого вала, в момент срыва внутренней поверхности второго кольцевого клапана с пояска увеличенного диаметра полого вала, связаны соотношением: V=(0,85÷l,15) V Ф, где Ф=1,618 - постоянный коэффициент.
Трубчатый корпус со стороны входа текучей среды снабжен переводником, выполненным с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки переводника уменьшенной толщиной и уменьшенным наружным диаметром, образующим упорный торец с возможностью захвата и удержания колонны бурильных труб при спуске и подъеме из скважины.
Для мгновенного высвобождения места прихвата колонны бурильных труб требуется определенная ударная сила. Когда ударная сила превосходит силу прихватывания, импульс удара вызывает проскальзывание места прихвата колонны бурильных труб. Ударная сила является главным фактором. В наилучшем соотношении необходим определенный динамический удар с достаточным ударным импульсом, по существу, со сверхвысокой ударной мощностью.
d
р
d
р
d
p
d
P
Выполнение гидравлического бурильного яса двухстороннего действия таким образом, что корпус клапанов установлен с направлением торца внутреннего кольцевого пояса в сторону выхода текучей среды из полого вала, клапанное седло размещено между торцом внутреннего кольцевого пояса корпуса клапанов и первым кольцевым клапаном, в первом кольцевом клапане, расположенном со стороны входа текучей среды в полый вал и размещенном в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, установлено нижнее дроссельное устройство, ограничивающее течение рабочей жидкости в одном направлении с первым клапанным устройством из камеры рабочей жидкости, образованной вторым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны выхода текучей среды из полого вала, внутренней поверхностью первого кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с торцом клапанного седла, а во втором кольцевом клапане, расположенном со стороны выхода текучей среды из полого вала и размещенном в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, установлено верхнее дроссельное устройство, ограничивающее течение рабочей жидкости в одном направлении со вторым клапанным устройством из камеры рабочей жидкости, образованной первым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны входа текучей среды в полый вал, внутренней поверхностью второго кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с направленным к нему торцом части трубчатого корпуса, при этом время Т гидравлической задержки гидравлического бурильного яса, время T гидравлической задержки первого клапанного устройства, расположенного в первом кольцевом клапане, и время Т гидравлической задержки нижнего дроссельного устройства, расположенного в первом кольцевом клапане, связаны соотношением: T=(0,25÷0,75) (T+Т), а время N гидравлической задержки гидравлического бурильного яса, время N гидравлической задержки второго клапанного устройства, расположенного во втором кольцевом клапане, и время N гидравлической задержки верхнего дроссельного устройства, расположенного во втором кольцевом клапане, связаны соотношением: N=(0,25÷0,75) (N+N), обеспечивает повышение его ресурса и надежности, образование сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, повышение точности времени задержки, создаваемого гидравликой, а в составе КНБК - повышение надежности освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине при проходке сложных искривленных скважин с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки яса осевое усилие, преимущественно для работы с допустимым усилием натяжения бурильной колонны и срабатывания яса повторяющимися ударами вверх.
Такое выполнение гидравлического бурильного яса двухстороннего действия упрощает конструкцию, снижает стоимость изготовления, обслуживания и ремонта, повышает надежность (снижает "чувствительность" к загрязнению масла) клапанных и дроссельных устройств первого и второго кольцевых клапанов при повторном динамическом ударе и мгновенном сбросе давления рабочей жидкости из камеры (секции) высокого давления через щелевые каналы, образованные внутренними поверхностями первого и, соответственно, второго кольцевых клапанов и наружной поверхностью пояска увеличенного диаметра полого вала, улучшает гидродинамическое центрирование полого вала в трубчатом корпусе, предотвращает перекосы и прихваты в поверхностях трения, обусловленные циклическими изгибными напряжениями трубчатого корпуса при вращении изогнутой колонны бурильных труб (при роторном бурении).
p
d
p
d
Выполнение гидравлического бурильного яса двухстороннего действия таким образом, что объем отсека V камеры для жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, образованного вторым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны выхода текучей среды из полого вала, внутренней поверхностью второго кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с торцом части трубчатого корпуса, и объем отсека V камеры рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, образованного первым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны входа текучей среды в полый вал, внутренней поверхностью второго кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с торцом части трубчатого корпуса при растяжении корпуса относительно полого вала, в момент срыва внутренней поверхности второго кольцевого клапана с пояска увеличенного диаметра полого вала, связаны соотношением: V=(0,85÷4,15) V Ф, где Ф=1,618 - постоянный коэффициент (число Фибоначчи), обеспечивает образование сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном (наилучшем) соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх (например, 600 ударов непрерывно вверх) на место прихвата колонны бурильных труб, предотвращает неконтролируемую активизацию и самопроизвольное нанесение ударов в результате реакции на продольное усилие, прилагаемое к бурильной колонне и ясу, а также предотвращает задиры и прихваты в поверхностях скольжения оправки в корпусе, обусловленные циклическими изгибными напряжениями корпуса при вращении изогнутой колонны бурильных труб в скважине (при роторном бурении).
Повышение точности времени задержки срабатывания яса, создаваемого гидравликой, по существу, времени дросселирования ограниченного объема рабочей жидкости в первом кольцевом клапане, расположенном со стороны входа текучей среды в полый вал и размещенном в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, в котором установлено нижнее дроссельное устройство, ограничивающее течение рабочей жидкости в одном направлении с первым клапанным устройством из камеры рабочей жидкости, образованной вторым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны выхода текучей среды из полого вала, внутренней поверхностью первого кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с торцом клапанного седла, а также во втором кольцевом клапане, расположенном со стороны выхода текучей среды из полого вала и размещенном в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость камеры рабочей жидкости, в котором установлено верхнее дроссельное устройство, ограничивающее течение рабочей жидкости в одном направлении со вторым клапанным устройством из камеры рабочей жидкости, образованной первым поршнем с уплотнителем, расположенными со стороны входа текучей среды в полый вал, внутренней поверхностью второго кольцевого клапана, плотно контактирующей с утолщением полого вала и плотно контактирующим торцом упомянутого кольцевого клапана с направленным к нему торцом части трубчатого корпуса, для нанесения ударов при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, позволяет оператору на буровой устанавливать расчетное усилие натяжения бурильной колонны, после чего применять тормоз буровой лебедки.
Вследствие этого усилие для освобождения от прихвата контролируется с заданной точностью, предотвращается повреждение долота в забое скважины и резьбовых соединений компоновки низа бурильной колонны (КНБК), обеспечивается возможность освобождения от прихвата бурильной колонны в сложной искривленной скважине с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки яса осевое усилие, преимущественно для работы с допустимым (дозированным) усилием натяжения бурильной колонны и срабатывания яса повторяющимися ударами вверх, например, в КНБК с героторным гидравлическим двигателем для роторного бурения (с вращением бурильной колонны) наклонно-направленной скважины и горизонтального интервала скважины.
Выполнение гидравлического бурильного яса таким образом, что трубчатый корпус со стороны входа текучей среды снабжен переводником, выполненным с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки переводника уменьшенной толщиной и уменьшенным наружным диаметром, образующим упорный торец с возможностью захвата и удержания колонны бурильных труб при спуске и подъеме из скважины, обеспечивает надежное удержание колонны бурильных труб и предотвращает повреждение трубчатого корпуса хомутами (слайдерами) или кулачками элеватора буровой установки. Ниже представлен гидравлический бурильный яс двухстороннего действия RJ-2H-9.5.800 RS для освобождения от прихвата колонны бурильных труб в наклонно-направленной скважине, интервал бурения: 3500-4500 м.
На фиг. 1 изображен гидравлический бурильный яс двухстороннего действия (в продольном разрезе): переводник для соединения с колонной бурильных труб, часть трубчатого корпуса со стороны входа текучей среды, корпус клапанов, средняя и нижняя части трубчатого корпуса, полый вал, установленный внутри трубчатого корпуса и корпуса клапанов.
На фиг. 2 изображен элемент I на фиг. 1: корпус клапанов, клапанное седло, распорная втулка, первый и второй кольцевые клапаны, полый вал, проходящий через камеру для жидкости.
На фиг. 3 изображен элемент I на фиг. 1: корпус клапанов, клапанное седло, распорная втулка, первый и второй кольцевые клапаны, полый вал, проходящий через камеру для жидкости (при опускании бурильной колонны в скважину) в момент срыва внутренней поверхности первого кольцевого клапана с утолщения полого вала.
На фиг. 4 изображен элемент I на фиг. 1: корпус клапанов, клапанное седло, распорная втулка, первый и второй кольцевые клапаны, полый вал, проходящий через камеру для жидкости (при натяжении бурильной колонны) в момент срыва внутренней поверхности второго кольцевого клапана с утолщения полого вала.
На фиг. 5 изображен элемент II на фиг. 1 трубчатого корпуса и первого поршня с первым уплотнителем, скрепленного с верхней частью полого вала.
На фиг. 6 изображен элемент III на фиг. 1 трубчатого корпуса и второго поршня со вторым уплотнителем, выполненного за одно целое с полым валом, между торцами шлицов полого вала и ударником размещено ударное кольцо.
На фиг. 7 изображен элемент IV на фиг. 1 уплотнителя в нижней части трубчатого корпуса для полого вала.
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия состоит из трубчатого корпуса 1 и полого вала 2, телескопически соединенных между собой, трубчатый корпус 1 выполнен из частей 3, 4, 5, содержит резьбу 6 со стороны первого края 7, в средней части 5 трубчатого корпуса 1 содержит внутренний выступ-наковальню 8, а со стороны второго края 9 содержит шлицы 10 на внутренней поверхности части 5 трубчатого корпуса 1, а также содержит уплотнитель 11 части 5 трубчатого корпуса 1, при этом поз.12 - переводник для соединения с нижней частью верхней колонны бурильных труб (не показанной), изображено на фиг. 1, 6, 7.
Полый вал 2 выполнен из частей 13 и 14, содержит со стороны первого края 7 трубчатого корпуса 1 первый поршень 15 с первым уплотнителем 16, ударник 17, размещенный на части 13 полого вала 2, направленный к внутреннему выступу-наковальне 8 средней части 5 трубчатого корпуса 1, и ударник 18, по существу, торец 18 части 14 полого вала 2, направленный ко второму краю 9, по существу, к торцу 9 части 5 трубчатого корпуса 1, при этом торец 19 части 13 полого вала 2 не взаимодействует с внутренней конусной поверхностью 20 части 4 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 6, 7.
Со второго края 9 трубчатого корпуса 1 гидравлический бурильный яс содержит второй поршень 21, выполненный за одно целое с частью 13 полого вала 2, второй поршень 21 выполнен со вторым уплотнителем 22, образующие камеру 23, заполненную рабочей жидкостью-маслом 24, например, трансмиссионным маслом SAE 80W-140 (стандарт SAE J 306, США и Западная Европа), часть 14 полого вала 2 содержит резьбовой хвостовик 25 и шлицы 26 на наружной поверхности части 14 полого вала 2, при этом наружная поверхность части 14 полого вала 2 выполнена с покрытием из твердого сплава, изображено на фиг. 1, 6, 7.
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия содержит два ограничивающих механизма 27 и 28 сообщения рабочей жидкости-масла 24 с камерой 23 для жидкости 24, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6.
Ограничивающий механизм 27 сообщения жидкости 24 с камерой 23 для жидкости 24 выполнен в виде утолщения 29 части 13 полого вала 2, а также первого кольцевого клапана 30 (из бронзы БрА10Ж4Н4Л ГОСТ 493-79), который установлен в камере 23 рабочей жидкости 24 с частью 13 полого вала 2, проходящей через камеру 23 рабочей жидкости 24, внутренняя поверхность 31 первого кольцевого клапана 30 плотно контактирует с утолщением 29 части 13 полого вала 2, при этом в первом кольцевом клапане 30 установлено первое клапанное устройство 32, ограничивающее течение рабочей жидкости-масла 24 в одном направлении, по существу, в направлении по стрелке 33, изображено на фиг. 1, 2, 3.
В первом кольцевом клапане 30 выше по потоку 33 перед первым клапанным устройством 32 размещен фильтр 34 из "спеченного" бронзового порошка (из бронзы БрА10Ж4Н4Л ГОСТ 493-79), пористость 25-50%, полый винт 35 с внутренним шестигранником для циркуляции рабочей жидкости 24 в клапанном устройстве 32, изображено на фиг. 1, 2, 3.
Ограничивающий механизм 28 сообщения жидкости 24 с камерой 23 для жидкости 24 расположен в противоположном направлении (оппозитно) относительно ограничивающего механизма 27 сообщения рабочей жидкости 24 с камерой 23 для жидкости 24, по существу, в виде этого же утолщения 29 части 13 полого вала 2, а также второго кольцевого клапана 36 (из бронзы БрА10Ж4Н4Л ГОСТ 493-79), который установлен в камере 23 рабочей жидкости 24 с частью 13 полого вала 2, проходящего через внутреннюю полость, по существу, через камеру 23 рабочей жидкости 24, при этом внутренняя поверхность 37 второго кольцевого клапана 36 плотно контактирует с утолщением 29 части 13 полого вала 2, при этом во втором кольцевом клапане 36 установлено в противоположном направлении, оппозитно клапанному устройству 32 второе клапанное устройство 38, ограничивающее течение рабочей жидкости-масла 24 в направлении по стрелке 39, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
Во втором кольцевом клапане 36 выше по потоку 39 перед вторым клапанным устройством 38, также размещен фильтр 34 из "спеченного" бронзового порошка (из бронзы БрА10Ж4Н4Л ГОСТ 493-79), пористость 25-50%, полый винт 35 с внутренним шестигранником для циркуляции рабочей жидкости 24 в клапанном устройстве 38, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
Рабочая жидкость 24 может перетекать (при обратном ходе) через циркуляционные отверстия 40 кольцевого клапана 30, а также через циркуляционные отверстия 41 кольцевого клапана 36, для быстрого выравнивания давления жидкости 24 с разных сторон кольцевого клапана 30 и соответственно, кольцевого клапана 36, изображено на фиг. 1, 3, 4.
Первое клапанное устройство 32, расположенное в первом кольцевом клапане 30, ограничивает по расходу (дросселирует) течение рабочей жидкости 24 по стрелке 33 в противоположном направлении относительно течения жидкости 24 по стрелке 39 во втором клапанном устройстве 38, расположенном во втором кольцевом клапане 36, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия содержит корпус 42 клапанов, внутри которого размещены клапанное седло 43, распорная втулка 44, а также упомянутые выше первый и второй кольцевые клапаны, соответственно, 30 и 36, при этом корпус 42 клапанов скреплен резьбой 45 с частью 3 трубчатого корпуса 1, а также скреплен резьбой 46 с частью 4 трубчатого корпуса 1, внутри которых установлены первый поршень 15 с первым уплотнителем 16 и, соответственно, второй поршень 21 со вторым уплотнителем 22, в каждом кольцевом клапане 30, 36 установлено упомянутое выше клапанное устройство 32, 34, 35 и, соответственно, 38, 34, 35, ограничивающее течение жидкости 24 внутри камеры 23 рабочей жидкости 24 в одном направлении 33 или 38, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
Корпус 42 клапанов выполнен с внутренним кольцевым поясом 47, распорная втулка 44 установлена с осевым люфтом 48 (например, 5 мм), между первым кольцевым клапаном 30 и вторым кольцевым клапаном 36, клапанное седло 43 снабжено уплотнителем 49, контактирующим с внутренней поверхностью 50 корпуса 42 клапанов, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
Корпус 42 клапанов установлен с направлением торца 51 внутреннего кольцевого пояса 47 в сторону выхода 52 текучей среды 53 из полого вала 2, а клапанное седло 43 размещено между торцом 51 внутреннего кольцевого пояса 47 корпуса 42 клапанов и первым кольцевым клапаном 30, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4.
В первом кольцевом клапане 30, установленном в камере 23 рабочей жидкости 24 с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, расположенном со стороны входа 54 текучей среды 53 в полый вал 2, установлено нижнее дроссельное устройство 55 (производства Россия), ограничивающее течение рабочей жидкости 24 в одном направлении 33 с первым клапанным устройством 32, 34, 35 из отсека 56 камеры 23 рабочей жидкости 24, образованного вторым поршнем 21 с уплотнителем 22, расположенными со стороны выхода 52 текучей среды 53 из полого вала 2, внутренней поверхностью 31 первого кольцевого клапана 30, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 57 упомянутого кольцевого клапана 30 с торцом 58 клапанного седла 43, изображено на фиг. 1, 3, 6.
Во втором кольцевом клапане 36, установленном в камере 23 рабочей жидкости 24 с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, расположенном со стороны выхода 52 текучей среды 53 из полого вала 2, установлено верхнее дроссельное устройство 59 (производства Россия), ограничивающее течение рабочей жидкости 24 в одном направлении 39 со вторым клапанным устройством 38, 34, 35 из отсека 60 камеры 23 рабочей жидкости 24, образованного первым поршнем 15 с уплотнителем 16, расположенными со стороны входа 54 текучей среды 53 в полый вал 2, внутренней поверхностью 37 второго кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 61 упомянутого кольцевого клапана 36 с направленным к нему торцом 62 части 4 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 4, 5.
Часть 3 трубчатого корпуса 1, предназначенная для телескопического перемещения первого поршня 15 с первым уплотнителем 16, образующая с частью 13 полого вала 2 камеру 23, заполненную рабочей жидкостью - маслом 24, имеет покрытие в виде хрома и внутренний диаметр 63, Д, изображено на фиг. 1, 5.
Часть 4 трубчатого корпуса 1, предназначенная для телескопического перемещения второго поршня 21 со вторым уплотнителем 22, образующая с частью 13 полого вала 2 камеру 23, заполненную рабочей жидкостью - маслом 24, также имеет покрытие в виде хрома и одинаковый внутренний диаметр 63, Д, изображено на фиг. 1, 6.
Подъемным устройством на буровой установке создают усилие натяжения колонны бурильных труб и "бросают" ее вниз, сообщая колонне бурильных труб импульс удара, направленный сверху вниз.
d
d
р
Время Т гидравлической задержки гидравлического бурильного яса, по существу, для нанесения динамических ударов ясом в направлении вниз, время T гидравлической задержки первого клапанного устройства 32, 34, 35, расположенного в первом кольцевом клапане 30, и время Тр гидравлической задержки нижнего дроссельного устройства 55, расположенного в первом кольцевом клапане 30, связаны соотношением: Т=(0,25÷0,75) (T+Т), изображено на фиг. 1, 2, 3.
Для удара вверх прикладывают нагрузку вычисленной величины, а затем включают при помощи компьютера тормоз буровой лебедки.
d
p
d
P
Время N гидравлической задержки гидравлического бурильного яса, по существу, для нанесения динамических ударов ясом в направлении вверх, время N гидравлической задержки второго клапанного устройства 38, 34, 35, расположенного во втором кольцевом клапане 36, и время N гидравлической задержки верхнего дроссельного устройства 59, расположенного во втором кольцевом клапане 36, связаны соотношением: N=(0,25÷0,75) (N+N), изображено на фиг. 1, 2, 4.
Между торцами 64 шлицов 26 на наружной поверхности части 14 полого вала 2 и направленным к шлицам 26 ударником 17 части 13 полого вала 2 размещено ударное кольцо 65, где поз.66 - торец ударного кольца 65, изображено на фиг. 6.
Кроме того, поз.67 - шлицевая камера, расположенная между уплотнителем 11 части 5 трубчатого корпуса 1 и вторым уплотнителем 22 поршня 21, выполненного за одно целое с частью 13 полого вала 2, также заполненная рабочей жидкостью 24 - трансмиссионным маслом SAE 80W-140, изображено на фиг. 1, 6.
Кроме того, поз.68 - резьбовые пробки в местах с наибольшей толщиной стенки корпуса 1 для подачи рабочей жидкости 24 - трансмиссионного масла SAE 80W-140 в камеру 23, а также в шлицевую камеру 67, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4,7.
p
d
p
d
Объем 56, V камеры 23 рабочей жидкости 24, по существу, объем отсека 56 камеры 23 рабочей жидкости 24 с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, образованного вторым поршнем 21 с уплотнителем 22, расположенными со стороны выхода 52 текучей среды 53 из полого вала 2, внутренней поверхностью 37 второго кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 61 упомянутого кольцевого клапана 36 с торцом 62 части 4 трубчатого корпуса 1 при растяжении трубчатого корпуса 1 относительно полого вала 2 (при натяжении бурильной колонны), в момент срыва внутренней поверхности 37 второго кольцевого клапана 36 с утолщения 29 части 13 полого вала 2, и объем отсека 60, V камеры 23 рабочей жидкости 24 с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, образованной первым поршнем 15 с уплотнителем 16, расположенными со стороны входа 54 текучей среды 53 в полый вал 2, внутренней поверхностью 37 второго кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 61 упомянутого кольцевого клапана 36 с торцом 62 торцом части 4 трубчатого корпуса 1, связаны соотношением: V=(0,85÷1,15) V Ф, где Ф=1,618 - постоянный коэффициент (число Фибоначчи), изображено на фиг. 1, 4.
Трубчатый корпус 1 со стороны входа 7 текучей среды 53 снабжен переводником 12, предназначенным для соединения резьбой 70 с низом верхней части колонны бурильных труб (не показанной), выполненным с поясом 71 пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки переводника 12 уменьшенной толщиной 72 и уменьшенным наружным диаметром 73, образующим упорный торец 74 с возможностью захвата и удержания колонны бурильных труб при спуске и подъеме из скважины, изображено на фиг. 1.
Ниже представлены значения параметров гидравлического бурильного яса двухстороннего действия RJ-2H-9.5.800 RS, которые приведены в таблице 1, 2.
Камеры 23 для рабочей жидкости 24 через резьбовые отверстия под пробки 68 заполняют рабочей жидкостью 24 (трансмиссионным маслом SAE 80W-140), производят прокачку рабочей жидкости 24 для удаления воздуха, затем производят затяжку пробок 68.
Испытания гидравлического бурильного яса двухстороннего действия RJ-2H-9.5.800 RS производят в стенде, патент RU 2491528 С2 компании "Радиус-Сервис" (RU), входящей в состав "Шлюмберже" (US)
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия RJ-2H-9.5.800 RS отправляют на буровую установку.
Определяют лучшее положение яса в компоновке низа бурильной колонны, при этом учитывают технологические факторы, например, ожидаемый тип прихвата (за счет перепада давления или механический), траекторию и угол наклона ствола скважины, конфигурацию забойной компоновки, давление насоса, коэффициент плавучести бурового раствора, величину предельной нагрузки на долото, допустимое усилие натяжения бурильной колонны, предел прочности бурильной трубы.
Гидравлический бурильный яс соединяют резьбой 6 части 3 трубчатого корпуса 1 с переводником 12, переводник 12 соединяют с низом верхней части колонны бурильных труб, применяемой при бурении нефтяной скважины, а резьбовым хвостовиком 25 части 14 полого вала 2 соединяют с верхом нижней части колонны бурильных труб.
3
Буровым насосом, например, УНБ-600, через колонну бурильных труб осуществляют насосную подачу текучей среды, например, полимер-глинистого бурового раствора 17, плотностью 2,2 г/см, вязкостью 90 с, содержащего твердые фазы раствора - песка с размерами 0,15÷0,95 мм, содержание песка не более 1%, и до 5% нефтепродуктов, при этом гидростатическое давление бурового раствора внутри полого вала 2 и трубчатого корпуса 1, подаваемого от устья скважины к долоту в направлении 53, при роторном бурении (с вращением колонны бурильных труб) героторным гидравлическим двигателем составляет 35÷45 МПа.
Проходку скважины осуществляют вращением бурильной колонны ротором бурового станка 5000ЭУ с частотой вращения 20÷30 об/мин при работе героторного гидравлического двигателя, вращающего долото, при этом поток бурового раствора 53 обеспечивает промывку забоя скважины и вынос на поверхность выбуриваемой породы.
Гидравлический бурильный яс работает от движения бурильной колонны в направлении вверх и(или) вниз в результате реакции на продольное усилие, прилагаемое к бурильной колонне и ясу.
Величина ударной силы, направленной вверх, прямо пропорциональна прилагаемому усилию натяжения.
Движение яса на начальной стадии сдерживается гидравлической парой: ограничивающим механизмом 28 сообщения жидкости 24 с камерой 23 для жидкости 24, выполненным в виде пояска 29 увеличенного диаметра части 13 полого вала 2, второго кольцевого клапана 36, который установлен в камере 23 рабочей жидкости 24 с частью 13 полого вала 2, проходящей через камеру 23 рабочей жидкости 24, внутренняя поверхность 37 второго кольцевого клапана 36 плотно контактирует с утолщением 29 части 13 полого вала 2, вторым клапанным устройством 38, ограничивающим течение рабочей жидкости-масла 24 в одном направлении, по существу, в направлении по стрелке 39, а также верхним дроссельным устройством 59, ограничивающим течение рабочей жидкости 24 в одном направлении 39 со вторым клапанным устройством 38 из отсека 60 камеры 23 рабочей жидкости 24, образованного первым поршнем 15 с уплотнителем 16, расположенными со стороны входа 7 текучей среды 53 в полый вал 2, внутренней поверхностью 37 второго кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 61 кольцевого клапана 36 с торцом 62 части 4 трубчатого корпуса 1, и поддерживается до тех пор, пока в колонне бурильных труб не будут созданы требуемые растягивающие напряжения (допустимые усилия натяжения бурильной колонны).
Стадия свободного перемещения деталей внутри яса предназначена для релаксации напряжений, по существу, для резкого снятия части растягивающих напряжений, накопленных в натянутой колонне бурильных труб, изображено на фиг. 1, 3, 6.
Такое снятие напряжений колонны бурильных труб используют для ускорения утяжеленных бурильных труб и (или) всей массы колонны бурильных труб и создания ударного импульса в глубине скважины в пределах ударной секции гидравлического бурильного яса.
Обычно для сосредоточения большой массы непосредственно над ясами, по существу, там, где достигается максимальная скорость при высвобождении яса или завершении стадии его свободного перемещения, используют утяжеленные бурильные трубы (УБТ).
Волна напряжения в колонне бурильных труб возникает в результате резкой остановки движущейся массы муфт и УБТ, при этом кинетическая энергия переходит в энергию напряженного состояния.
Волна напряжения одновременно движется вверх к муфтам и УБТ 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 УБТ. 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 удар и импульс.
Для мгновенного высвобождения 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 гидромеханического яса - над переходной зоной, однако яс опускают и ниже переходной зоны.
Гидравлический бурильный яс спускают в скважину с таким количеством УБТ, которое обеспечивает необходимую нагрузку на долото и обеспечивает расположение яса над переходной зоной.
Нагрузку на долото подбирают, добавляя или удаляя УБТ под гидравлическим бурильным ясом, и при этом сохраняя над ясом вес, достаточный для обеспечения эффективного удара ясом.
При освобождении прихвата в скважине идет циркуляция бурового раствора, перепад давления на долоте создает усилие, растягивающее яс, при этом учитывают силу запуска насоса, так как это сокращает усилие, необходимое для нанесения удара ясом вверх и увеличивает требуемое усилие для нанесения удара в направлении вниз.
Для компенсации потерь трения о стенки скважины изогнутой колонны бурильных труб в наклонно-направленной скважине создают дополнительное усилие натяжения колонны бурильных труб, величину компенсации учитывают показаниями индикатора нагрузки на долото во время спусков и подъемов до прихвата бурильной колонны, при этом вес свободной колонны - это вес части колонны, расположенной над ясом.
Нанесение динамических ударов ясом в направлении вверх:
Для удара вверх прикладывают нагрузку вычисленной величины, а затем включают при помощи компьютера тормоз буровой лебедки. Трубчатый корпус 1, соединенный с переходником 12 и верхней частью колонны бурильных труб, при натяжении верхней части колонны бурильных труб вытягивается из полого вала 2, который соединен с нижней частью колонны бурильных труб, застрявшей в наклонном и (или) горизонтальном участке нефтяной скважины.
Поршень 15 с уплотнителем 16 создает сверхвысокое давление, по существу 125 МПа, в отсеке 60 камеры 23 рабочей жидкости 24, заполненной трансмиссионным маслом SAE 80W-140, с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, образованного первым поршнем 15 с уплотнителем 16, расположенными со стороны входа 7 текучей среды 53 в полый вал 2, внутренней поверхностью 37 кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 61 кольцевого клапана 36 с торцом 62 части 4 трубчатого корпус 1 при вытягивании трубчатого корпуса 1 из полого вала 2 (при натяжении бурильной колонны), изображено на фиг. 1, 2, 4.
Торец 57 кольцевого клапана 30 не прижат давлением рабочей жидкости 24 к торцу 58 клапанного седла 43, рабочая жидкость 24 может свободно перетекать через циркуляционные отверстия 40 кольцевого клапана 30 для быстрого выравнивания давления рабочей жидкости 24 с разных сторон кольцевого клапана 30, а рабочая жидкость 24 во время вытягивания трубчатого корпуса 1 из полого вала 2 при натяжении верхней части колонны бурильных труб не может перетекать через циркуляционные отверстия 41 кольцевого клапана 36, изображено на фиг. 1, 2, 4.
В кольцевом клапане 36, установленном в камере 23 рабочей жидкости 24 с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, расположенном со стороны выхода 52 текучей среды 53 из полого вала 2, верхнее дроссельное устройство 59 ограничивает течение рабочей жидкости 24 в одном направлении 39 со вторым клапанным устройством 38, 34, 35 из отсека 60 камеры 23 рабочей жидкости 24, образованного первым поршнем 15 с уплотнителем 16, расположенными со стороны входа 54 текучей среды 53 в полый вал 2, внутренней поверхностью 37 второго кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 61 упомянутого кольцевого клапана 36 с направленным к нему торцом 62 части 4 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 4, 5.
p
При срыве края утолщения 29 части 13 полого вала 2 с края внутренней поверхности 37 кольцевого клапана 36 происходит гидравлический удар рабочей жидкости 24 в полость отсека 56, V камеры 23 рабочей жидкости 24 с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, образованной вторым поршнем 21 с уплотнителем 22, расположенными со стороны выхода 52 текучей среды 53 из полого вала 2, внутренней поверхностью 37 кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 62 части 4 трубчатого корпуса 1, 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 на место прихвата колонны, при этом ударник 18, по существу, торец 18 части 14 полого вала 2, наносит удар, направленный ко второму краю 9, по существу, к торцу 9 части 5 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 1, 4.
p
d
p
d
Объем 56, V камеры 23 рабочей жидкости 24, по существу, объем отсека 56 камеры 23 рабочей жидкости 24 с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, образованного вторым поршнем 21 с уплотнителем 22, расположенными со стороны выхода 52 текучей среды 53 из полого вала 2, внутренней поверхностью 37 второго кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с утолщением 29 части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 61 упомянутого кольцевого клапана 36 с торцом 62 части 4 трубчатого корпуса 1 при растяжении трубчатого корпуса 1 относительно полого вала 2 (при натяжении бурильной колонны) в момент срыва внутренней поверхности 37 второго кольцевого клапана 36 с утолщения 29 части 13 полого вала 2, и объем отсека 60, V камеры 23 рабочей жидкости 24 с полым валом 2, проходящим через внутреннюю полость камеры 23 рабочей жидкости 24, образованной первым поршнем 15 с уплотнителем 16, расположенными со стороны входа 54 текучей среды 53 в полый вал 2, внутренней поверхностью 37 второго кольцевого клапана 36, плотно контактирующей с пояском 29 увеличенного диаметра части 13 полого вала 2 и плотно контактирующим торцом 61 упомянутого кольцевого клапана 36 с торцом 62 торцом части 4 трубчатого корпуса 1, связаны соотношением: V=(0,85÷1,15) V Ф, где Ф=1,618 - постоянный коэффициент (число Фибоначчи), изображено на фиг. 1, 4.
d
p
d
P
Время N гидравлической задержки гидравлического бурильного яса, по существу, для нанесения динамических ударов ясом в направлении вверх, время N гидравлической задержки второго клапанного устройства 38, 34, 35, расположенного во втором кольцевом клапане 36, и время N гидравлической задержки верхнего дроссельного устройства 59, расположенного во втором кольцевом клапане 36, связаны соотношением: N=(0,25÷0,75) (N+N), изображено на фиг. 1, 2, 4.
Вследствие этого обеспечивается точное время "запаздывания", создаваемого гидравликой, для нанесения ударов при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, а это позволяет оператору на буровой изменять допустимое усилие натяжения бурильной колонны, после чего применять тормоз буровой лебедки, усилие освобождения от прихвата точно контролируется, обеспечивается полная возможность освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине.
Натянутая колонна бурильных труб в течение, например, 45 мс, теряет упругие напряжения растяжения, а в бурильных трубах и соединениях бурильных труб возникает эффект релаксации упругих напряжений растяжения.
Волна напряжения одновременно движется вверх к муфтам и УБТ 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 УБТ, 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.
Яс готов к следующему циклу нанесения ударов в результате реакции на продольное усилие, прилагаемое к бурильной колонне и ясу, или можно возобновить бурение.
Нанесение динамических ударов ясом в направлении вниз:
Подъемным устройством на буровой установке создают усилие натяжения колонны бурильных труб и "бросают" ее вниз, сообщая колонне бурильных труб импульс удара, направленный сверху вниз.
Трубчатый корпус 1, соединенный с переходником 12 и верхней частью колонны бурильных труб, при перемещении вниз верхней части колонны бурильных труб вдавливается в полый вал 2, который соединен с нижней частью колонны бурильных труб, застрявшей в наклонном и (или) горизонтальном участке нефтяной скважины.
Поршень 21 с уплотнителем 22, образующие камеру 23, заполненную рабочей жидкостью 24, трансмиссионным маслом SAE 80W-140, создают сверхвысокое давление, по существу 125 МПа, в камере 23 рабочей жидкости 24, расположенной перед первым кольцевым клапаном 30, по существу между кольцевым клапаном 30 и поршнем 21 с уплотнителем 22, при этом торец 57 кольцевого клапана 30 плотно прижимается под действием давления рабочей жидкости 24 к торцу 58 клапанного седла 43, изображено на фиг. 1, 2, 3, 6.
При этом торец 61 второго кольцевого клапана 36 не прижат давлением рабочей жидкости 24 к торцу 52 части 4 трубчатого корпус 1, рабочая жидкость 24 может свободно перетекать через циркуляционные отверстия 41 второго кольцевого клапана 36 для быстрого выравнивания давления рабочей жидкости 24 с разных сторон кольцевого клапана 36, а рабочая жидкость 24 во время движения трубчатого полого корпуса 1 при перемещении вниз верхней части колонны бурильных труб и вдавливания в полый вал 2, который соединен с нижней частью колонны бурильных труб, застрявшей в наклонном и (или) горизонтальном участке нефтяной скважины, не может перетекать через циркуляционные отверстия 40 первого кольцевого клапана 30.
При срыве края утолщения 29 части 13 полого вала 2 с края внутренней поверхности 31 кольцевого клапана 30 происходит гидравлический удар рабочей жидкости 24 в полость между кольцевым клапаном 30 и первым клапаном 15 части 13 полого вала 2 с уплотнениями 16, 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 на место прихвата колонны.
При этом ударник 17, размещенный на части 13 полого вала 2, направленный к внутреннему выступу-наковальне 8 средней части 5 трубчатого корпуса 1, а также ударное кольцо 65, размещенное между торцами 64 шлицов 26 на наружной поверхности части 14 полого вала 2 и направленным к шлицам 26 ударником 17 части 13 полого вала 2, наносят удар по внутреннему выступу-наковальне 8 средней части 5 трубчатого корпуса 1 при контролируемом соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вниз на место прихвата колонны и (или) на долото.
d
р
d
р
Время Т гидравлической задержки гидравлического бурильного яса, по существу, для нанесения динамических ударов ясом в направлении вниз, время T гидравлической задержки первого клапанного устройства 32, 34, 35, расположенного в первом кольцевом клапане 30, и время Т гидравлической задержки нижнего дроссельного устройства 55, расположенного в первом кольцевом клапане 30, связаны соотношением: Т=(0,25÷0,75) (T+Т), изображено на фиг. 1, 2, 3.
Волна напряжения одновременно движется вниз к точке прихвата и вверх к муфтам и УБТ. 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 УБТ, 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 нанесение динамического удара, поднимают бурильную колонну до тех пор, пока индикатор нагрузки не зафиксирует увеличение веса выше веса свободной колонны.
За все время эксплуатации гидравлических бурильных ясов двухстороннего действия RJ-2H-110.800 не зафиксировано случаев повреждения или отказа в работе, ресурс гидравлического бурильного яса составляет не менее 600 часов при проходке сложных искривленных скважин с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки яса осевое усилие, например, в наклонно-направленной скважине с отметкой 4500 метров, имеющей горизонтальный интервал 1550 метров (скважина в DE, 2020 г.) при этом прихваты в скважине ликвидировались, а максимальное время работы яса в КНБК составляло непрерывно 60 часов и за это время им производилось 600 ударов вверх и 45 ударов вниз.
Повышается ресурс и надежность самого мощного в России гидравлического бурильного яса двухстороннего действия (максимальный диаметр 260 мм, максимально допустимая растягивающая (сжимающая) нагрузка, передаваемая на детали яса, во время гидравлической задержки, - 140000 кгс, максимально допустимая растягивающая нагрузка, передаваемая на детали яса, - 800000 кгс), обеспечивается сверхвысокая ударная мощность в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, а в составе КНБК - повышается надежность освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине при проходке сложных искривленных скважин с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки яса осевое усилие, преимущественно для работы с допустимым усилием натяжения бурильной колонны и срабатывания яса повторяющимися ударами вверх.