ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЯСС
HYDRAULIC JARS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для использования при бурении скважин в составе компоновки низа бурильной колонны (КНБК) для освобождения прихваченного инструмента и оборудования осевыми и крутильными ударами.
Известны гидравлические яссы [1], которые содержат цилиндр, связанный с освобождаемым объектом и заполненный рабочей жидкостью. В цилиндре размещен поршень, который через шток соединен с рабочей колонной труб, причем вход штока в цилиндр герметизирован сальником. Для нанесения удара натяжением колонны труб нагружают поршень, который сжимает рабочую жидкость в цилиндре, находящуюся выше него. При этом в результате утечек рабочей жидкости через пару «цилиндр-поршень» поршень перемещается вверх и достигает в цилиндре расточенного на больший диаметр участка. В результате на указанном участке перепад давления на поршне резко снимается и растянутая (деформированная) рабочая колонна резко сокращается под действием упругих сил, вследствие чего поршень наносит удар по верхней части цилиндра.
Недостатком этой конструкции ясса является низкая эффективность, что обусловлено тем, что в паре «поршень-цилиндр» приходится выполнять значительный зазор, в противном случае возврат поршня в исходное положение становится трудновыполнимой задачей. В результате чего такой ясс может работать только при сравнительно низких перепадах давления на поршень при ходе вверх, что ограничивает деформацию рабочей колонны, а следовательно, и силу удара.
В качестве прототипа принят гидравлический ясс [2], включающий цилиндр, поршень, соединенный с тяговым и компенсационным штоками, которые герметизированы сальниками, расположенными на торцах цилиндра. Полости цилиндра, разделенные поршнем, гидравлически связаны каналом, причем на указанном канале установлен обратный клапан. Канал, сообщающий полости цилиндра, разделенные поршнем, выполнен в виде кольцевого зазора между компенсационным штоком и поршнем. Над поршнем на компенсационном штоке установлена втулка с наружной фаской, образующая совместно с торцом поршня канавку. На дне канавки выполнен щелевой канал, сообщающийся с кольцевым зазором между поршнем и компенсационным штоком, причем в канавке расположено «О» образное кольцо из эластомера для перекрытия потока жидкости в обратном направлении.
Недостатком данной конструкции является то, что при использовании ясса в составе КНБК в процессе бурения скважин существует возможность несанкционированного (случайного) срабатывания ясса в результате приложения обычных осевых рабочих нагрузок, например, в процессе отрыва долота от забоя или в процессе спуско-подъемных операций. Данное обстоятельство достаточно часто наблюдается на практике и вызывает зачастую отказ электронных компонентов телесистемы КНБК в результате ударов, а также нагружает рабочую колонну нежелательными динамическими нагрузками.
С другой стороны, данная конструкция ясса не позволяет возбуждать наряду с осевыми и крутильные удары, которые позволяют существенно увеличить вероятность извлечения прихваченного в скважине оборудования.
Задачей изобретения является предотвращение несанкционированного срабатывания ясса и расширение его функциональных возможностей.
Указанная задача решается тем, что в гидравлическом яссе, содержащем связанные с рабочей колонной и освобождаемым объектом корпус и шпиндель, соединенные между собой подвижной шлицевой парой, цилиндр и поршень, соединенный с тяговым и компенсационным штоками, герметизированные сальники, канал, сообщающий полости цилиндра, разделенные поршнем и заполненные рабочей жидкостью, согласно изобретению цилиндр размещен внутри корпуса с радиальным зазором, на участке внутренней поверхности цилиндра, взаимодействующей с поршнем, выполнены продольные пазы, корпус жестко связан с нижним переводником, поршень снабжен разрезными упругими компрессионными кольцами, причем исходные зазоры в стыках компрессионных колец при размещении поршня внутри цилиндра выполнены равными или близкими к нулю, а для нанесения крутильных ударов шлицевое соединение корпуса и шпинделя выполнено по винтовой линии.
По вопросу соответствия отличий предлагаемого технического решения критерию «изобретательского уровня» сообщаем следующее.
Известно техническое решение [3], в котором фиксация подвижных частей ясса осуществляется с помощью разрушаемой втулки. Однако подобное техническое решение производит фиксацию подвижных частей ясса лишь только до первого его использования по назначению. В последующем, после ликвидации прихвата, необходим подъем ясса для замены разрушаемой втулки. В противном случае, в процессе бурения скважины после ликвидации прихвата указанный ясс получает возможность нанесения несанкционированных случайных ударов, что сокращает срок службы ясса и может создать неудобства при манипуляциях с бурильными трубами.
С другой стороны, известно также техническое решение, в котором шлицевое соединение корпуса и шпинделя выполнено по винтовой линии [4], придающее яссу способность нанесения как осевых, так и крутильных ударов. Однако данное техническое решение также не позволяет предотвратить случайное несанкционированное срабатывание устройства при приложении наряду с осевыми нагрузками и крутящих моментов, например, при роторном бурении, что также нагружает рабочую колонну нежелательными динамическими нагрузками.
Выполнение цилиндра внутри корпуса с радиальным зазором, а также выполнение исходных зазоров в стыках компрессионных колец равными нулю или близкими к нулю, придает заявленному техническому решению новые свойства:
- свойство фиксации подвижных частей ясса при приложении рабочих нагрузок к КНБК;
- свойство способности запускать ясс в работу лишь при необходимости, т.е. при возникновении прихвата, когда растягивающие нагрузки и (или) крутящие моменты достигнут предельных расчетных значений.
Когда произошел прихват КНБК, и крутящие моменты или растягивающие нагрузки на ясс превысят рабочие величины и достигнут предельных расчетных значений, подвижная часть ясса получит возможность осевого перемещения, т.е. произойдет запуск ясса в работу для отбивки прихваченного КНБК. Таким образом, вышеуказанные отличительные признаки придают яссу новое свойство - свойство фиксации подвижных частей ясса при работе КНБК в рабочих режимах и свойство способности запускать ясс в случае возникновения прихвата КНБК. Вместе с тем, после ликвидации прихвата, когда нагрузки на ясс снизятся до рабочих, происходит повторная фиксация подвижных частей ясса в исходном положении без извлечения ясса на поверхность. Из доступных источников нам не известна конструкция ясса, эквивалентная предложенной конструкции. По этим причинам, на наш взгляд, предложение может считаться соответствующим критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 изображен продольный разрез устройства; на фиг.2 - сечение I-I в положении фиксации подвижных его частей при работе в скважине; на фиг.3 - в сечении по тому же месту изображены те же части ясса в процессе его расцепления для нанесения ударов.
ц
к
п
Ясс состоит из корпуса 1, в котором с возможностью осевого перемещения установлен шпиндель 2, взаимодействующий с корпусом 1 через шлицевую пару 3 выполненную по винтовой линии. В корпусе 1 концентрично ему размещен цилиндр 4, в котором установлен с возможностью осевого перемещения поршень 5, соединенный со шпинделем 2 посредством тягового штока 6. Тяговый шток 6 уплотнен верхним сальником 7 и соединен со шпинделем 2, который жестко связан с рабочей колонной труб посредством муфты 8, причем на шпинделе 2 выполнен боек 9 для нанесения ударов по корпусу 1 ясса. Компенсационный шток 10, расположенный ниже поршня, уплотнен нижним сальником 11, установленным в нижнем переводнике 12, который в свою очередь жестко связан с корпусом 1. На поршне 5 установлены упругие разрезные компрессионные кольца 13. На части длины цилиндра 4 на его внутренней поверхности выполнены пазы 14, увеличивающие средний диаметр внутренней его полости. Поршень 5 снабжен обратным клапаном 15. Между корпусом 1 и цилиндром 4 выполнен зазор δ′, стыки упругих компрессионных колец 13 имеют исходные зазоры δ′, исходный зазор между поршнем 5 и цилиндром 4 составляет δ′.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
ц
ц
к
к
ц
к
к
ц
п
п
ц
При работе ясса в составе КНБК, когда рабочие нагрузки не превышают расчетных значений, ясс остается в сомкнутом состоянии. После достижения крутящего момента и (или) осевой нагрузки предельных расчетных значений шпиндель 2 начнет выворачиваться из корпуса 1 по винтовой шлицевой паре для последующего срабатывания ясса. При этом штоки 6 и 10 вместе с поршнем 5 начнут перемещаться вверх, в результате чего в полости «В» цилиндра 4 над поршнем 5 повышается давление. Внутреннее давление, возникающее в цилиндре 4, приводит к его упругому расширению, следовательно, происходит увеличение наружного и внутреннего диаметров цилиндра 4 на величину исходного зазора δ′ (фиг.2) между цилиндром 4 и корпусом 1. В таком положении зазор δ″ (фиг.3) становится равным нулю и в дальнейшем в восприятии внутреннего давления в цилиндре 4 участвует и корпус 1, который имеет большую толщину стенки в сравнении с цилиндром 4, и тем самым, ограничивает дальнейшее расширение цилиндра 4, предотвращая его разрушение. Вместе с тем, упругое расширение цилиндра 4 до момента касания им внутренней поверхности корпуса 1 приводит к увеличению зазоров δ′ в стыках упругих компрессионных колец 13. Если в начальный момент до приложения нагрузки исходные зазоры в стыках компрессионных колец составляли δ′, то в результате упругого расширения цилиндра 4 на величину δ′, зазоры в стыках компрессионных колец достигают δ″=(δ′+2πδ′). Вместе с тем зазор между поршнем 5 и цилиндром 4 также увеличивается до δ″=(δ′+δ′). В результате этого после указанной упругой деформации цилиндра 4 просветы в стыках компрессионных колец 13 примут следующие размеры:
п
п
ц
- в радиальном направлении δ″=(δ′+δ′);
к
к
ц
- по окружности δ″=(δ′+2πδ′).
Т.е., при заданном расчетном перепаде давления в полости «В» цилиндра 4 переток рабочей жидкости между поршнем 5 и цилиндром 4 резко увеличивается.
к
Выполнив исходный зазор δ′ между стыками упругих компрессионных колец 12 равным нулю или близким к нулю, получим возможность зафиксировать подвижные элементы ясса. Т.е. при небольших крутящих моментах и растягивающих нагрузках, действующих на шпиндель 2, подвижные части ясса будут оставаться практически неподвижными или их перемещение будет очень незначительно. Когда же крутящий момент и (или) растягивающие нагрузки достигнут значительных величин, например, в случае прихвата КНБК, и упругое расширение цилиндра 4 достигнет предельной величины до момента касания корпуса 1, произойдет срыв подвижных частей ясса из зафиксированного положения. В дальнейшем в процессе движения подвижных частей ясса поршень 5 достигает пазов 14, в результате чего перепад давления на поршне 5 резко снимается - происходят крутильный и осевой удары ясса через боек 9 шпинделя 2 по корпусу 1.
Описанные выше малые деформации цилиндра 4 и колец 13 происходят в пределах упругой деформации, поэтому после окончания удара они снова принимают первоначальные размеры. По этой причине после снятия давления и возврата поршня 5 вниз в исходное положение, когда переток жидкости через поршень 5 происходит через обратный клапан 15, ясс снова становится зафиксированным.
Как указывалось ранее, дальнейшее увеличение нагрузки расцепления не будет приводить к существенному увеличению площади просвета в стыках компрессионных колец за счет упругого расширения цилиндра 4, т.к. при этом цилиндр 4 упирается о внутреннюю поверхность корпуса 1, который имеет значительно большую толщину стенки. Значительная толщина стенки корпуса 1 обусловлена тем обстоятельством, что именно через него, минуя цилиндр 4, проходят крутильные и осевые нагрузки, создаваемые яссом. Таким образом, в предложенной конструкции ясса цилиндр 4 самостоятельно воспринимает только тот перепад давления на поршне 5, который установлен для расфиксации ясса.
Угол подъема винтовой шлицевой пары будет определять степень влияния осевой или крутящей компоненты нагрузок на поршень 5. Требуемый угол подъема винтовой шлицевой пары должен задаваться конкретными требованиями промысловой практики. Например, при роторном бурении, когда прихват скважинного оборудования приводит к скачкообразному повышению момента на рабочую колонну, целесообразнее выполнять небольшой угол подъема винтовой поверхности шлицев. В случае же бурения забойными двигателями, когда рабочая колонна труб испытывает в большей степени осевые нагрузки, угол подъема винтовой поверхности шлицев целесообразнее выполнять 45 градусов или более. Очевидно, что по аналогии с другими гидравлическими яссами, предложенный ясс легко выполнить для выполнения ударов, направленных вниз, в комбинации крутильных ударов правого или левого направления.
Нами были проведены предварительные расчеты, которые показали, что для наиболее реальных диаметров яссов, применяемых в бурении скважин в компоновках КНБК, вполне возможен подбор оптимальных зазоров между корпусом 1 и цилиндром 4, применяемых в общем машиностроении, которые позволят получить явление предварительной фиксации подвижных частей ясса.
Предложенный ясс позволит существенно повысить эффективность работы КНБК при бурении скважин, особенно если в составе КНБК находится телесистема, т.к. исключение несанкционированных случайных срабатываний ясса существенно снижают риск выхода из строя электронных компонентов телесистемы, делают процесс бурения более предсказуемым, а также увеличивают ресурс самого ясса. В случае же возникновения аварийной ситуации вероятность извлечения прихваченной компоновки будет несравненно выше, т.к. предложенный ясс позволяет наносить одновременно как осевые, так и крутильные удары.
Источники информации
1. Г.Кемп. Ловильные работы в нефтяных скважинах. М.: Недра, 1990 г., с.34.
2. Патент №RU 2272122 С2, заявка 2004115435/03 от 21.05.2004, МПК Е21В 31/113, опубл. 20.03.2006.
3. Ясс конструкции ВНИИБТ с фиксированной втулкой. Рекламная информация. http://www.vniibt.ru/vniibt_rus/catalog/gum/gum.htm
4. Патент №RU 2291275 С2, заявка 2005106656/03 от 09.03.2005, МПК Е21В 31/113, опубл. 20.08.2007.