ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ УДАРНЫЙ МЕХАНИЗМ ДВОЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к буровой технике, а именно, к устройствам для создания ударных нагрузок, направленных либо вверх, либо вниз, либо в ту и другую сторону, с целью освобождения прихваченной части бурильной и обсадной колонны, забойного двигателя, пакера и другого инструмента в нефтяной или газовой скважине.
Известен гидравлический ясс двойного действия, включающий корпус с узкой и широкими основной и дополнительной камерами, установленными соответственно ниже и выше узкой камеры, полый шток с поршнем, расположенным в исходном положении в узкой камере корпуса, причем внутреннее пространство корпуса заполнено рабочей жидкостью, а поршень снабжен дросселирующими каналами, при этом шток установлен в корпусе с возможностью ограниченного возвратно- поступательного перемещения без вращения шлицевым соединением внизу корпуса (патент РФ на полезную модель №52077, МПК Е21В 31/113, публ. 10.03.2006 г.).
Недостатком известной конструкции является возможность случайного срабатывания ясса из-за отсутствия осевой фиксации полого штока в корпусе, сохраняемой до определенной величины натяжения труб, что снижает надежность работы механизма. Также неожиданная активизация и нанесение ударов гидравлического ясса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны приводит к увеличению износа внутренних деталей.
Недостатком известного гидравлического ясса является и то, что шлицевое соединение корпуса и полого штока не защищено от воздействия бурового раствора и от быстрого износа шлицев при трении в процессе эксплуатации изделия. В результате чего понижается срок службы данной конструкции.
Кроме того, использование поршня в качестве бойка понижает надежность известной конструкции, так как при ударах о торцы корпуса поршень может деформироваться, что приведет к нарушению процесса дросселирования и работы механизма в целом.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков является гидравлический ясс двойного действия, включающий полый цилиндрический корпус, в средней части которого образован рабочий цилиндр, телескопически установленный в корпусе и связанный с ним шлицевым соединением шток со сквозным осевым каналом и с поршнем в средней части, размещенным в рабочем цилиндре и имеющим дросселирующий канал, соединяющий между собой надпоршневую и подпоршневую полости рабочего цилиндра, заполненные гидравлической жидкостью, кольцевые разделительные поршни, подвижно установленные выше и ниже рабочего цилиндра между корпусом и штоком, и разрывное устройство, удерживающее шток от перемещения относительно корпуса, причем рабочий цилиндр на длине хода поршня образован размещенной внутри корпуса цилиндровой гильзой, в средней части уплотненной относительно корпуса, а по обе стороны от уплотнения образующей с корпусом кольцевые полости, посредством торцевых зазоров сообщенные соответственно с надпоршневой и подпоршневой полостями рабочего цилиндра, и имеющей в стенке по разные стороны от уплотнения сквозные радиальные отверстия (патент РФ на изобретение №2230880, МПК Е21В 31/113, публ.20.06.2004 г.).
Недостатком известного гидравлического ясса является то, что шлицевое соединение полого цилиндрического корпуса и штока не защищено от разрушающего воздействия абразивной среды и от быстрого износа шлицев при трении в процессе эксплуатации изделия, в результате чего понижается срок его службы.
Недостатком является и то, что внутри полого цилиндрического корпуса размещена цилиндровая гильза, контактирующая с поршнем, за счет которой толщина стенок корпуса или штока значительно уменьшается, так как наружный диаметр корпуса ограничен диаметром скважины, внутренний диаметр штока ограничен размерами приборов телеметрии, спускаемых по его сквозному осевому каналу, а габариты поршня, соответствующие размеру рабочего цилиндра, установлены оптимальными для его надежной работы при резких перепадах давления. Вследствие этого показатель максимального крутящего момента, передаваемого шлицевым соединением, и величина максимальной осевой нагрузки на рабочий инструмент также значительно уменьшаются, что понижает надежность работы данного механизма.
Кроме того, существует вероятность, что острые кромки поршневых колец при движении поршня в процессе дросселирования будут цепляться за края радиальных отверстий в цилиндровой гильзе, частично разрушаясь и заполняя зазоры в этих кольцах, через которые перетекает рабочая жидкость, и это может привести к нарушению работы механизма.
Недостатком данного устройства является незащищенность кольцевых разделительных поршней от действия гидроудара, вызванного напором бурового раствора при срабатывании ясса, что со временем приводит к их деформации и разрушению, а, следовательно, к нарушению изоляции полости рабочего цилиндра от затрубного и внутритрубного пространства.
Следовательно, недостатком известного гидравлического ясса двойного действия является ненадежность конструкции, которая не может обеспечить длительный срок его службы.
Техническая задача заключается в повышении срока службы гидравлического ударного механизма двойного действия и надежности его работы.
Технический результат достигается за счет того, что в гидравлическом ударном механизме двойного действия, включающем полый цилиндрический корпус, в средней части которого образован рабочий цилиндр, телескопически установленный в полом цилиндрическом корпусе и связанный с ним шлицевым соединением шток со сквозным осевым каналом и с поршнем, размещенным в рабочем цилиндре и имеющим дросселирующий канал, соединяющий между собой надпоршневую и подпоршневую полости рабочего цилиндра, заполненные гидравлической жидкостью, разрывное устройство, согласно полезной модели, внутренняя поверхность рабочего цилиндра, являющегося составной деталью полого цилиндрического корпуса, в средней части выполнена гладкой, а по обоим концам - с продольными пазами, между полым цилиндрическим корпусом и штоком образована маслонаполненная камера в месте шлицевого соединения, полый цилиндрический корпус снабжен защитными комбинированными уплотнениями.
Кроме того, боек для ударов вниз образован торцевой поверхностью верхней части штока.
Выполнение полезной модели таким образом, что внутренняя поверхность рабочего цилиндра, являющегося составной деталью полого цилиндрического корпуса, в средней части выполнена гладкой, а по обоим концам - с продольными пазами, дает возможность выполнения стенок полого цилиндрического корпуса и штока максимальной для данной конструкции толщины, так как между этими деталями не будут размещены дополнительные элементы цилиндропоршневой группы, а размер полости рабочего цилиндра определяется только размерами поршня. Следовательно, увеличиваются показатель максимального крутящего момента, передаваемого шлицевым соединением, и величина максимальной осевой нагрузки на рабочий инструмент, что повышает надежность работы данного механизма. Кроме того, поршень, передвигаясь по поверхности рабочего цилиндра, не подвергается деформации и разрушению, причем конструкция поршня в предлагаемом изделии предусматривает выполнение в нем не трех, как в прототипе, а пяти канавок для установки дополнительных поршневых колец и увеличения времени дросселирования.
Преимуществом предлагаемой полезной модели по отношению к прототипу является наличие маслонаполненной камеры, образованной между полым цилиндрическим корпусом и штоком в месте шлицевого соединения. Это обеспечивает защиту шлицевого соединения от износа и от воздействия абразивной среды, так как, в отличие от прототипа, в данной конструкции при максимальном ходе штока относительно полого цилиндрического корпуса рабочая поверхность шлицев на штоке не контактирует с затрубным пространством, контакту с буровым раствором подвергается только верхняя часть штока с хорошо защищенной, например, карбидно-вольфрамовой поверхностью, что приводит к повышению срока службы изделия.
В отличие от прототипа, у которого для изоляции полости рабочего цилиндра от затрубного и внутритрубного пространства введены кольцевые разделительные поршни, подвергающиеся деформации от гидроудара буровым раствором при срабатывании механизма, в предлагаемой полезной модели полый цилиндрический корпус снабжен защитными комбинированными уплотнениями, выполненными в виде комбинации двух разрезных медных колец, двух защитных медных колец и установленного между ними резинового кольца, которое под защитой медных опор не подвергается ни износу, ни деформации. Помимо изоляции полости рабочего цилиндра от затрубного и внутритрубного пространства, введение защитных комбинированных уплотнений обеспечивает надежную центрацию штока относительно полого цилиндрического корпуса и соосность движущихся друг относительно друга рабочих деталей.
Преимуществом предлагаемой конструкции является то, что боек для ударов вниз образован торцевой поверхностью верхней части штока. В прототипе бойком для ударов вниз служит нижний торец муфтового переводника, навинченного на верхний конец штока, что может послужить причиной слома этой детали в месте резьбового соединения, так как она подвергается большим знакопеременным нагрузкам. Для предотвращения слома во время удара верхняя часть штока в предлагаемой конструкции, торцевая поверхность которой служит бойком, выполнена цельной.
Выполнение полезной модели с указанными отличительными признаками в совокупности с известными признаками позволяет получить гидравлический ударный механизм двойного действия с повышенным сроком службы и надежный в работе.
На фиг.1 и фиг.2 показан продольный разрез гидравлического ударного механизма двойного действия.
Гидравлический ударный механизм двойного действия состоит из полого цилиндрического корпуса 1 (фиг.1) и штока 2 со сквозным осевым каналом 3, телескопически соединенных без вращения между собой шлицевым соединением 4. Полый цилиндрический корпус 1 выполнен составным из части 5 с верхним торцем 6 и нижним торцем 7, частей 8, 9, 10 (фиг.2), 11 и рабочего цилиндра 12. Шток 2 выполнен составным из верхней части 13 с торцевой поверхностью 14, которая служит бойком при ударах сверху вниз, частей 15, 16. На нижний конец верхней части 13 штока 2 навинчен боек 17, взаимодействующий при ударах снизу вверх с нижним торцем 7 части 5 полого цилиндрического корпуса 1. На части 15 штока 2 установлен поршень 18, на котором размещены поршневые кольца 19 с зазорами 20, выполняющими функцию дросселирующего канала, соединяющего надпоршневую 21 и подпоршневую 22 полости рабочего цилиндра 12, заполненные гидравлической жидкостью. Между полым цилиндрическим корпусом 1 и штоком 2 образована маслонаполненная камера 23 в месте шлицевого соединения 4.
Средняя часть рабочего цилиндра 12 имеет гладкую поверхность 24, а по обоим концам выполнены продольные пазы 25 для взаимодействия с кольцевым поршнем 18.
Полый цилиндрический корпус 1 снабжен защитными комбинированными уплотнениями А (фиг.2), выполненными в виде комбинации двух разрезных медных колец 26, двух защитных медных колец 27 и установленного между ними резинового кольца 28, а также уплотнительными кольцами 29 для герметичности конструкции. Заливка и прокачка гидравлической жидкости, например, масла Shell Torkula, позволяющего избежать резкого снижения его вязкости при высокой температуре, осуществляется через отверстия с пробками 30, размещенными в полом цилиндрическом корпусе 1.
Разрывное устройство 31, выполненное в виде разрывной втулки и соединенное резьбой со штоком 2, удерживает полый цилиндрический корпус 1 и шток 2 в исходном сомкнутом положении. Расположенное в части 11 полого цилиндрического корпуса 1 стопорное кольцо 32 предотвращает выпадение фрагментов разрывного устройства 31 внутрь колонны.
Устройство работает следующим образом.
Гидравлический ударный механизм двойного действия верхним концом штока 2 с помощью резьбы соединяется с утяжеленной бурильной трубой (не показана на чертеже), а нижним концом полого цилиндрического корпуса 1 с помощью резьбы соединяется с компоновкой низа бурильной колонны (не показана на чертеже). В ходе нормального бурения механизм остается в исходном положении, от самопроизвольного срабатывания он защищен разрывным устройством 31.
В случае возникновения прихвата в бурильной колонне создают высокие растягивающие напряжения, достаточные для разрушения разрывного устройства 31 и перемещения штока 2 с установленным на нем поршнем 18, в гладкую поверхность 24 рабочего цилиндра 12, а затем, в зависимости от требуемого направления удара, поступают следующим образом. Для нанесения удара, направленного снизу вверх, производят дальнейшее натяжение бурильной колонны (подъемным устройством на буровой), при этом скорость поршня 18, перемещающегося по гладкой поверхности 24 рабочего цилиндра 12 очень мала, так как перетекание гидравлической жидкости из надпоршневой полости 21 рабочего цилиндра 12 в подпоршневую полость 22 осуществляется только через зазоры 20 в поршневых кольцах 19, выполняющие функцию дросселирующего канала. Вследствие дросселирования жидкости скорость перемещения подъемного устройства значительно выше скорости перемещения штока 2, что позволяет создать вытяжку бурильной колонны, появляется сила упругости растянутой колонны труб. В надпоршневой полости 21 возникает давление, пропорциональное усилию растяжения. После того, как поршень 18 пройдет гладкую поверхность 24 рабочего цилиндра 12, жидкость получает возможность резкого перетока из надпоршневой полости 21 в подпоршневую 22 через продольные пазы 25 в верхней части рабочего цилиндра 12, в результате чего давление резко падает, гидравлическая сила, удерживающая трубы в растянутом состоянии, исчезает, бурильные трубы сжимаются, тем самым ускоряя утяжеленную бурильную трубу и шток 2, происходит удар бойка 17, направленный снизу вверх, по нижнему торцу 7 части 5 полого цилиндрического корпуса 1.
Для нанесения удара, направленного сверху вниз, поршень 18 сначала медленно, при малом усилии растяжения колонны, перемещают в верхнюю часть рабочего цилиндра 12 с продольными пазами 25, а затем быстро разгружают колонну труб до выбранной величины. Двигаясь вниз под действием собственной массы, трубы перемещают шток 2 с поршнем 18 из верхней части рабочего цилиндра 12 с продольными пазами 25 в гладкую поверхность 24, где происходит дросселирование гидравлической жидкости через зазоры 20 в поршневых кольцах 19. В подпоршневой полости 22 рабочего цилиндра 12 создается давление, пропорциональное усилию сжатия. После выхода поршня 18 в нижнюю часть рабочего цилиндра 12 гидравлическая жидкость получает возможность резкого перетока через продольные пазы 25, давление в подпоршневой полости 22 рабочего цилиндра 12 падает, шток 2 с поршнем 18 быстро перемещается вниз и наносит удар торцевой поверхностью 14 штока 2, служащей бойком при ударах сверху вниз, по верхнему торцу 6 части 5 полого цилиндрического корпуса 1 и, следовательно, по прихваченному инструменту.
Гидравлический ударный механизм наиболее эффективен при постоянном нахождении в составе компоновки бурильной колонны, так как успех ликвидации прихвата зависит, в первую очередь, от времени с момента его возникновения.