БУРОВОЙ АКСЕЛЕРАТОР ДЛЯ УСИЛЕНИЯ УДАРА БУРИЛЬНОГО ЯСА
DRILLING ACCELERATOR TO STRENGTHEN IMPACT OF DRILLING JAR

Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в нефтяных и газовых скважинах, в частности к буровым акселераторам, предназначенным для усиления ударного воздействия бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы.
Известен бурильный яс и усилитель яса такого типа, в котором ударник яса соединен резьбовым соединением с мандрелью, где конструктивное улучшение заключается в следующем: мандрель оптимизирована для соединения с ударником яса в бурильной колонне, цилиндр соединяет указанную мандрель с уплотнительными элементами для формирования в ней камеры для бурового раствора, динамометрическая втулка содержит внутренние шлицы на ее внутренней поверхности и витки на ее наружной поверхности, заключенной внутри указанной камеры, и взаимодействующее приспособление, сформированное на указанной мандрели для передачи энергии вращения к механизму яса (US 6543556 В1, 08.04.2003).
Недостатками известной конструкции являются недостаточные ресурс и надежность, высокая стоимость изготовления и обслуживания, а также неполная возможность ее использования в качестве бурового акселератора для бурильного яса, предназначенного для усиления ударного воздействия бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы, преимущественно при спускоподъемных операциях, в процессе расширения скважины и "расхаживания" труб, а также для разгрузки бурильной колонны и защиты привода бурового станка от износа при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Недостатки известной конструкции объясняются неполной возможностью повышения точности установки рабочего хода мандрели, соединенной резьбовым соединением с ударником яса, при определенном усилии продольного сжатия пружинного механизма, обеспечивающего оптимальную жесткость и позволяющего приложить высокую осевую нагрузку, например, 250000 кгс, для усиления ударного воздействия бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы, а также недостаточными прочностью и усталостной выносливостью динамометрической втулки, предназначенной для передачи вращающего момента при роторном бурении между динамометрической втулкой и наружным элементом трубчатого корпуса, а также недостаточными прочностью и усталостной выносливостью резьбового соединения мандрели с ударником яса и динамометрической втулки в процессе передачи энергии деформации, накопленной в бурильной колонне, инструменту-ясу, концентрирующему кинетическую энергию в точке прихвата бурильной колонны.
Известен амортизатор для бурильной колонны, содержащий трубчатый корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри трубчатого корпуса полую оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи вращающего момента между трубчатым корпусом и полой оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, через трубчатый корпус и полую оправку прокачивается буровой раствор под давлением, а также содержащий пружинный механизм между трубчатым корпусом и полой оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом трубчатого корпуса и пружинным механизмом, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях указанного пружинного механизма, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный механизм при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный механизм при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью трубчатого корпуса и наружной поверхностью полой оправки, реагирующий на давление бурового раствора, прокачиваемого внутри полой оправки и трубчатого корпуса, что способствует растяжению трубчатого корпуса и полой оправки относительно друг друга, а также содержащий уплотнения в верхней части между трубчатым корпусом и полой оправкой и камеру для рабочей жидкости, ограниченную уплотнениями в верхней части трубчатого корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между трубчатым корпусом и полой оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть полой оправки, при этом внутри трубчатого корпуса, между нижним упорным торцом трубчатого корпуса и нижним торцом пружинного механизма установлены упорная поршневая гильза с верхним и нижним упорными торцами и опорная пята с опорным торцом, опорный торец опорной пяты и нижний упорный торец полой оправки одновременно контактируют с нижним торцом пружинного механизма, наружные трубчатые элементы, в которых установлены упорная втулка, пружинный механизм, опорная пята и упорная поршневая гильза, выполнены в виде цельного модуля, а кольцевой поршень установлен с возможностью продольного перемещения внутри упорной поршневой гильзы, при этом вращательный привод для передачи момента между трубчатым корпусом и полой оправкой при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в полой оправке с возможностью продольного перемещения полой оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки (RU 2467150 С2, 20.11.2011).
Недостатком известной конструкции является неполная возможность ее использования в качестве бурового акселератора для усиления удара бурильного яса, предназначенного для усиления ударного воздействия бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы, преимущественно при спускоподъемных операциях, в процессе расширения скважины и "расхаживания" труб, а также для разгрузки бурильной колонны и защиты привода бурового станка от износа при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Вследствие того, что известная конструкция выполнена двухстороннего действия (как наддолотный амортизатор), а также из-за наличия резьбового соединения 11 внутренних трубчатых элементов 6 и 7 внутри наружного трубчатого элемента 3 и недостаточной толщины стенок не обеспечиваются прочность и усталостная выносливость упорной втулки 17 между верхним упорным торцом 18 трубчатого корпуса 1 (наружного трубчатого элемента 2) и пружинным механизмом 16, а также не обеспечиваются прочность и усталостная выносливость упорной поршневой гильзы 35 с верхним упорным торцом 36 и нижним упорным торцом 37 при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга.
Недостатком известной конструкции является также выполнение ударного кольца 41 разъемным в меридианном направлении и установленным в кольцевой канавке между торцами наружных шлицов полой оправки, что не обеспечивает требуемой прочности и усталостной выносливости ударного кольца и торцов шлиц в указанной кольцевой канавке.
Другим недостатком известной конструкции является выполнение кольцевого поршня 23 с уплотнениями 24 на наружной поверхности 25 и уплотнениями 26 на внутренней поверхности 27, установленного между внутренней поверхностью трубчатого корпуса 1 и наружной поверхностью полой оправки 5, - "плавающим", по существу, реагирующим на давление бурового раствора 15, прокачиваемого внутри полой оправки 5 и трубчатого корпуса 1, что способствует растяжению трубчатого корпуса 1 и полой оправки 5 относительно друг друга, вследствие этого поршень 23 и рабочая жидкость 31 в камере 30 рабочей жидкости смягчают (демпфируют) удары, снижая эффективность работы, при этом не обеспечивается возможность усиления ударной нагрузки и ударного импульса бурильного яса для отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является ударный усиливающий инструмент для усиления удара бурильного яса, имеющий центральную продольную ось и включающий внешний корпус, мандрель, перемещающуюся по оси внутри внешнего корпуса, кольцевой зазор, сформированный между мандрелью и внешним корпусом, пружинное устройство, расположенное между внешним корпусом и мандрелью в кольцевом зазоре, так что движение мандрели в любом осевом направлении относительно внешнего корпуса вызывает накопление энергии в пружинном устройстве, так чтобы эта энергия высвобождалась для усиления удара бурильного яса, при этом энергия аккумулируется только в пружинном устройстве независимо от направления движения корпуса и мандрели (US 6328101 В1, 11.12.2001).
В известной конструкции пружинное устройство включает тарельчатые пружины, при этом энергия аккумулируется в пружинном устройстве за счет его сжатия, а пружинное устройство включает два сжимающих приспособления, при этом перемещение внутреннего корпуса внутри внешнего корпуса смещает верхнее сжимающее приспособление, в то время как нижнее сжимающее приспособление остается неподвижным относительно внешнего корпуса, или перемещение внутреннего корпуса из внешнего корпуса смещает нижнее сжимающее приспособление относительно внешнего корпуса, в то время как верхнее сжимающее приспособление остается неподвижным относительно внешнего корпуса.
В известной конструкции внешний корпус включает верхнюю и нижнюю посадочные поверхности, на которые соответствующие верхнее и нижнее сжимающие приспособления опираются для предотвращения смещения относительно внешнего корпуса, при этом кольцевой зазор ограничен с одного конца уравновешивающим поршнем, в кольцевом зазоре расположено пружинное устройство, а также содержится смазывающая жидкость настолько, насколько это необходимо, чтобы уравновешивающий поршень обеспечивал выравнивание давления между жидкостью, находящейся за пределами кольцевого зазора, и смазывающей жидкостью в кольцевом зазоре.
Недостатками известного ударного усиливающего инструмента для усиления удара бурильного яса являются недостаточные ресурс и надежность, высокая стоимость изготовления и обслуживания, а также неполная возможность его использования для усиления ударного воздействия (ударной нагрузки и ударного импульса) бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы, преимущественно при спускоподъемных операциях, в процессе расширения скважины и "расхаживания" труб, а также для разгрузки бурильной колонны и защиты привода бурового станка от износа при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Осевая растягивающая нагрузка при натяжении бурильной колонны диаметром 195 мм в изогнутой скважине с вертикальным интервалом 900 м, проектной глубиной 3700 м и длиной горизонтального участка 1600 м составляет, например, 290000 кгс.
Вследствие того, что известный ударный усиливающий инструмент для усиления удара бурильного яса выполнен как механизм двухстороннего действия, из-за недостаточной толщины стенок трубчатых элементов 35A и 35B не обеспечиваются прочность и усталостная выносливость трубчатых элементов 35A и 35B при продольном перемещении внешнего корпуса и мандрели относительно друг друга и сжатии тарельчатых пружин усилием натяжения бурильной колонны.
Недостатком известного усиливающего инструмента для усиления удара бурильного яса является также выполнение упорного кольца 37 разъемным и установленным в кольцевой канавке между торцами наружных шлицов мандрели 21, что не обеспечивает требуемой прочности и усталостной выносливости упорного кольца 37 и торцов шлиц в кольцевой канавке мандрели 21, изображено на фиг. 11, 16а, 16в.
Недостатком известного усиливающего инструмента для усиления удара бурильного яса является также то, что кольцевой зазор между внутренней поверхностью внешнего корпуса (части 15) и наружной поверхностью мандрели (части 25) ограничен с одного края уравновешивающим поршнем 43, который поджимается давлением жидкости, находящейся за пределами кольцевого зазора (бурового раствора), и пружинным устройством 40, расположенным в указанном кольцевом зазоре, а также содержит смазывающую жидкость (масло) настолько, насколько это необходимо, чтобы уравновешивающий поршень 43 обеспечивал выравнивание давления между жидкостью, находящейся за пределами кольцевого зазора, и смазывающей жидкостью в полости пружинного механизма 40.
Вследствие этого уравновешивающий ("плавающий") поршень 43 и смазывающая жидкость в полости пружинного механизма 40 смягчают (демпфируют) удары, снижая эффективность работы, при этом не обеспечивается возможность усиления ударной нагрузки и ударного импульса бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ресурса, надежности и безопасности работы конструкции, снижение стоимости изготовления и обслуживания за счет упрощения конструкции, увеличения прочности и усталостной выносливости элементов, нагружающих пружинный механизм, повышения точности установки рабочего хода бурового акселератора при определенном усилии сжатия пружинного механизма, обеспечивающего оптимальную жесткость и позволяющего приложить к нему более высокую внутрискважинную нагрузку в процессе передачи энергии деформации, накопленной в бурильной колонне, инструменту-ясу для усиления ударного воздействия бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин.
Сущность технического решения заключается в том, что в буровом акселераторе для усиления удара бурильного яса, содержащем трубчатый корпус и полую оправку, телескопически соединенные между собой, элементы для передачи вращающего момента между трубчатым корпусом и полой оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, трубчатый корпус выполнен из частей, содержит резьбу со стороны первого края, в средней части содержит внутренние кольцевые выступы, со стороны второго края содержит внутренние шлицы и первый уплотнитель, контактирующий с полой оправкой, а также содержит резьбовой переводник, скрепленный с частью трубчатого корпуса со стороны первого края, выполненный с поясом пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки уменьшенной толщиной, при этом полая оправка выполнена из частей, содержит наружные шлицы под внутренние шлицы трубчатого корпуса, резьбу со стороны шлицевого края, в средней части содержит наружные кольцевые выступы, а также содержащем поршень со вторым уплотнителем, контактирующим с внутренней поверхностью трубчатого корпуса, расположенный со стороны резьбового переводника между трубчатым корпусом и полой оправкой, и пружинный механизм, расположенный между трубчатым корпусом и полой оправкой в кольцевом зазоре, предназначенный для накопления энергии при продольном движении трубчатого корпуса относительно полой оправки и высвобождения этой энергии для усиления удара бурильного яса, а также содержащем камеру для смазывающей жидкости-масла, образованную внутренней поверхностью трубчатого корпуса, первым уплотнителем в части трубчатого корпуса, содержащей внутренние шлицы, вторым уплотнителем в поршне, расположенном между трубчатым корпусом и полой оправкой, и наружной поверхностью полой оправки, согласно изобретению поршень со вторым уплотнителем, контактирующим с внутренней поверхностью части трубчатого корпуса, расположенной со стороны резьбового переводника, и полая оправка жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы с возможностью обеспечения натяга по контактирующим между собой торцам поршня и полой оправки, между торцом наружного кольцевого выступа полой оправки, направленным к торцу внутренних шлиц трубчатого корпуса, и торцом наружных шлиц полой оправки, направленным к торцу указанного наружного кольцевого выступа полой оправки, размещена ударная втулка, при этом минимальная толщина внутреннего кольцевого выступа трубчатого корпуса, а также минимальная толщина наружного кольцевого выступа полой оправки, между которыми расположен пружинный механизм, равны толщине стенки ударной втулки, а внутренний диаметр части трубчатого корпуса, содержащей первый уплотнитель, контактирующий с полой оправкой, выполнен равным внутреннему диаметру части трубчатого корпуса, контактирующей со вторым уплотнителем в поршне, скрепленном с полой оправкой.
На торце ударной втулки, направленном к торцу наружного кольцевого выступа полой оправки, выполнены радиально направленные пазы, на наружной поверхности ударной втулки выполнены продольные пазы, при этом каждый радиально направленный паз на торце ударной втулки соединен с продольным пазом на ее наружной поверхности.
Пружинный механизм выполнен в виде множества модулей из четырех тарельчатых пружин, в каждом модуле две тарельчатые пружины оппозитно направлены к двум другим тарельчатым пружинам с контактом по внутренним кромкам.
Буровой акселератор расположен в бурильной колонне над бурильным ясом и утяжеленной бурильной трубой, при этом резьбовой переводник трубчатого корпуса скреплен с низом верхней части бурильной колонны, а резьбовой хвостовик оправки скреплен с верхом нижней части бурильной колонны.
Отношение уменьшенной толщины стенки резьбового переводника к его наружному диаметру составляет 0,07÷0,08, а момент инерции поперечного сечения пояса пониженной жесткости в резьбовом переводнике составляет 0,85÷1,15 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскости наименьшего наружного диаметра полного витка внутренней резьбы части трубчатого корпуса, находящегося в зацеплении с полным витком наружной резьбы резьбового переводника и/или в плоскости наибольшего внутреннего диаметра полного витка наружной резьбы резьбового переводника, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней резьбы части трубчатого корпуса.
Выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса таким образом, что поршень со вторым уплотнителем, контактирующим с внутренней поверхностью части трубчатого корпуса, расположенной со стороны резьбового переводника, и полая оправка жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы с возможностью обеспечения натяга по контактирующим между собой торцам поршня и полой оправки, между торцом наружного кольцевого выступа полой оправки, направленным к торцу внутренних шлиц трубчатого корпуса, и торцом наружных шлиц полой оправки, направленным к торцу указанного наружного кольцевого выступа полой оправки, размещена ударная втулка, при этом минимальная толщина внутреннего кольцевого выступа трубчатого корпуса, а также минимальная толщина наружного кольцевого выступа полой оправки, между которыми расположен пружинный механизм, равны толщине стенки ударной втулки, а внутренний диаметр части трубчатого корпуса, содержащей первый уплотнитель, контактирующий с полой оправкой, выполнен равным внутреннему диаметру части трубчатого корпуса, контактирующей со вторым уплотнителем в поршне, скрепленном с полой оправкой, повышает ресурс, надежность и безопасность работы конструкции, снижает стоимость изготовления и обслуживания за счет упрощения конструкции, увеличения прочности и усталостной выносливости элементов, нагружающих пружинный механизм, повышения точности установки рабочего хода бурового акселератора при определенном усилии сжатия пружинного механизма, обеспечивающего оптимальную жесткость и позволяющего приложить к нему более высокую внутрискважинную нагрузку в процессе передачи энергии деформации, накопленной в бурильной колонне, инструменту-ясу для усиления ударного воздействия бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а также для разгрузки бурильной колонны и защиты привода бурового станка от повреждений и износа.
Выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса таким образом, что на торце ударной втулки, направленном к торцу наружного кольцевого выступа полой оправки, выполнены радиально направленные пазы, на наружной поверхности ударной втулки выполнены продольные пазы, при этом каждый радиально направленный паз на торце ударной втулки соединен с продольным пазом на ее наружной поверхности, повышает ресурс и надежность, обеспечивает наиболее эффективную работу пружинного механизма вследствие устранения демпфирования смазывающей жидкости, повышает точность регулировки рабочего хода бурового акселератора при определенном усилии продольного сжатия пружинного механизма, при этом движение трубчатого корпуса при выдвижении его из полой оправки (в натянутой бурильной колонне) вызывает накопление энергии только в пружинном механизме, так чтобы эта энергия высвобождалась для усиления удара бурильного яса для освобождения прихваченной части трубы.
Такое выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса обеспечивает также заданную величину продольного хода бурового акселератора (в натянутой бурильной колонне) при заданном усилии продольного сжатия пружинного механизма и при оптимальном ("наилучшем") соотношении между продольным ходом бурового акселератора и продольным ходом бурильного яса, обеспечивающим оптимальную жесткость и позволяющего приложить высокую внутрискважинную нагрузку для отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны.
Такое выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса уменьшает также нагрев смазывающей жидкости, обусловленный изменением циркуляции объема жидкости, повышает надежность уплотнений при высоком давлении, например 30÷50 МПа, уменьшает длину акселератора, улучшает гидродинамическое центрирование полой оправки в трубчатом корпусе, предотвращает перекосы и прихваты в поверхностях скольжения, обусловленные циклическими изгибными напряжениями трубчатого корпуса и гибкого резьбового переводника при вращении изогнутой колонны бурильных труб в скважине при роторном бурении.
Вследствие этого усилие для освобождения от прихвата контролируется с повышенной точностью, предотвращается повреждение подъемного оборудования и резьбовых соединений бурильных труб, обеспечивается возможность освобождения от прихвата бурильной колонны в сложной искривленной скважине с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки бурильного яса осевое усилие, по существу, в компоновке бурильной колонны с героторным гидравлическим двигателем для роторного бурения горизонтального участка наклонно-направленной скважины.
Выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса таким образом, что пружинный механизм выполнен в виде множества модулей из четырех тарельчатых пружин, в каждом модуле две тарельчатые пружины оппозитно направлены к двум другим тарельчатым пружинам с контактом по внутренним кромкам, обеспечивает повышение ресурса и надежности за счет увеличения предельных эквивалентных напряжений тарельчатых пружин (по Мизесу), а также за счет улучшенной (линейной) характеристики сжатия пружинного механизма, обеспечивающей повышение точности установки рабочего хода при выдвижении трубчатого корпуса из полой оправки при определенном усилии сжатия пружинного механизма для усиления ударного воздействия бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны.
Выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса таким образом, что буровой акселератор расположен в бурильной колонне над бурильным ясом и утяжеленной бурильной трубой, при этом резьбовой переводник трубчатого корпуса скреплен с низом верхней части бурильной колонны, а резьбовой хвостовик оправки скреплен с верхом нижней части бурильной колонны, обеспечивает наиболее эффективную работу ясом вследствие того, что потенциальная энергия, накопленная и высвобожденная буровым акселератором, ускоряет рабочую массу над ясом намного эффективнее, чем энергия, накопленная в бурильной колонне, поскольку ее не тормозит трение и сопротивление, создаваемое сотнями метров бурильной колонны.
Такое выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса обеспечивает наиболее эффективную работу ясом, когда она осуществляется в направлении, обратном тому, в котором двигалась бурильная труба до прихвата, по существу, работа ясом вверх наиболее эффективна, если прихват произошел при спуске бурильной колонны в скважину, а работа ясом вниз - если прихват произошел при подъеме трубы из скважины.
Выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса таким образом, что отношение уменьшенной толщины стенки резьбового переводника к его наружному диаметру составляет 0,07÷0,08, а момент инерции поперечного сечения пояса пониженной жесткости в резьбовом переводнике составляет 0,85÷4,15 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскости наименьшего наружного диаметра полного витка внутренней резьбы части трубчатого корпуса, находящегося в зацеплении с полным витком наружной резьбы резьбового переводника и/или в плоскости наибольшего внутреннего диаметра полного витка наружной резьбы резьбового переводника, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней резьбы части трубчатого корпуса, обеспечивает равнопрочные и герметичные резьбовые соединения трубчатого корпуса в условиях интенсивного трения и вращения в стволе скважины с ударными нагрузками в результате реакции на продольное усилие, прилагаемое к буровому акселератору и бурильному ясу, повышает точность проходки скважин и темп набора параметров кривизны, а также улучшает проходимость, т.е. уменьшает сопротивления и напряжения в компоновке низа бурильной колонны за счет изгиба резьбового переводника при прохождении через радиусные участки ствола скважины, имеющие участки малого и среднего радиуса 30…300 м.
Ниже представлен буровой акселератор для усиления удара бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы.
На фиг. 1 изображен буровой акселератор для усиления удара бурильного яса (в продольном разрезе).
На фиг. 2 изображен элемент I на фиг. 1: первый поршень со вторым уплотнителем и полая оправка, жестко скрепленные между собой с помощью общей резьбы с возможностью обеспечения натяга по торцам, а также скрепленные резьбой трубчатый корпус и резьбовой переводник.
На фиг. 3 изображен элемент II на фиг. 1 частей трубчатого корпуса и полой оправки, скрепленных резьбами, а также один из модулей пружинного механизма, расположенного между трубчатым корпусом и полой оправкой.
На фиг. 4 изображен элемент III на фиг. 1 частей трубчатого корпуса, а также частей полой оправки, скрепленных резьбами, между торцом наружного кольцевого выступа полой оправки, направленным к торцу внутренних шлиц трубчатого корпуса, и торцом наружных шлиц полой оправки размещена ударная втулка.
На фиг. 5 изображен элемент IV на фиг. 1 частей трубчатого корпуса, скрепленных резьбой, расположенная внутри трубчатого корпуса полая оправка с наружными шлицами под внутренние шлицы трубчатого корпуса.
На фиг. 6 изображен элемент V на фиг. 1 шлицевой части трубчатого корпуса с первым уплотнителем, контактирующим с полой оправкой.
На фиг. 7 изображен разрез Α-A на фиг. 4 поперек трубчатого корпуса, полой оправки и ударной втулки, на наружной поверхности ударной втулки показаны продольные пазы.
На фиг. 8 изображен разрез Б-Б на фиг. 5 поперек шлицевого соединения трубчатого корпуса и полой оправки.
На фиг. 9 - изометрическое изображение ударной втулки с радиально направленными пазами на торце и продольными пазами на ее наружной поверхности.
На фиг. 10 изображен тот же элемент III на фиг. 1, но в выдвинутом положении трубчатого корпуса из полой оправки (в натянутой бурильной колонне), пружинный механизм сжат до упора, ограниченного ударной втулкой, расположенной между торцом наружного кольцевого выступа полой оправки и торцом внутренних шлиц трубчатого корпуса.
Буровой акселератор для усиления удара бурильного яса содержит трубчатый корпус 1 и полую оправку 2, телескопически соединенные между собой, элементы для передачи вращающего момента между трубчатым корпусом 1 и полой оправкой 2: внутренние шлицы 3 внутри нижней части трубчатого корпуса 1 и соответствующие им наружные шлицы 4 на нижней части полой оправки 2 при продольном перемещении относительно друг друга, изображено на фиг. 1, 5, 8.
Трубчатый корпус 1 выполнен из частей 5, 6, 7, 8, 9, содержит резьбу 10 со стороны первого края 11, в средней части содержит внутренние кольцевые выступы 12, 13, 14, 15, 16, со стороны второго края 17 содержит внутренние шлицы 3 и первый уплотнитель 18, контактирующий с полой оправкой 2, а также содержит резьбовой переводник 19, скрепленный резьбой с частью трубчатого корпуса 5 со стороны первого края 11, выполненный с поясом 20 пониженной жесткости, характеризующимся выполнением стенки 21 уменьшенной толщиной, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 8.
Полая оправка 2 выполнена из частей 22, 23, 24, содержит на части 24 полой оправки 2 наружные шлицы 4 под внутренние шлицы 3 части 9 трубчатого корпуса 1, резьбу 25 в части 24 полой оправки 2, со стороны второго (шлицевого) края 17 трубчатого корпуса 1, в средней части содержит наружные кольцевые выступы 26, 27, 28, 29, а также содержит поршень 30 со вторым уплотнителем 31, контактирующим с внутренней поверхностью 32 части 5 трубчатого корпуса 1, расположенный со стороны резьбового переводника 19 между трубчатым корпусом 1 и полой оправкой 2, изображено на фиг. 1, 2.
Буровой акселератор для усиления удара бурильного яса расположен в бурильной колонне над бурильным ясом и утяжеленной бурильной трубой (не показанными), резьбовой переводник 19 трубчатого корпуса 1 предназначен для крепления при помощи резьбы 33 с низом верхней части бурильной колонны, а резьбовой хвостовик 25 оправки 2 предназначен для крепления с верхом нижней части бурильной колонны (не показанной), при этом через бурильную колонну, трубчатый корпус 1 и полую оправку 2 прокачивается буровой раствор 34 под давлением, например, 35÷55 МПа, для привода героторного винтового многозаходного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом, а также для охлаждения долота (не показанного) и выноса выбуриваемой породы к устью скважины, изображено на фиг. 1.
Буровой акселератор для усиления удара бурильного яса содержит пружинный механизм 35, расположенный между трубчатым корпусом 1 и полой оправкой 2 в кольцевом зазоре 36, предназначенный для накопления энергии при продольном движении трубчатого корпуса 1 относительно полой оправки 2 (в натянутой бурильной колонне) и высвобождения этой энергии для усиления удара бурильного яса (не показанного), изображено на фиг. 1.
Буровой акселератор содержит камеру 37 для смазывающей жидкости-масла 38, например, Mobilube 1 SUC 75W-90, образованную внутренней поверхностью 32 части 5 трубчатого корпуса 1, частью 6 трубчатого корпуса 1, внутренней поверхностью 39 части 7 трубчатого корпуса 1, внутренней поверхностью 40 части 8 трубчатого корпуса 1, внутренней поверхностью 41 части 9 трубчатого корпуса 1, включая шлицы 3 части 9 трубчатого корпуса 1 и шлицы 4 на части 9 полой оправки 2, первым уплотнителем 18 в части 9 трубчатого корпуса 1, вторым уплотнителем 31 в поршне 30, расположенном между частью 5 трубчатого корпуса 1 и частью 22 полой оправки 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 6.
Поршень 30 со вторым уплотнителем 31, контактирующим с внутренней поверхностью 32 части 5 трубчатого корпуса 1, расположенной со стороны резьбового переводника 19, и часть 22 полой оправки 2 жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы 42 с возможностью обеспечения натяга по торцу 43 поршня 30, контактирующего с торцом 44 части 22 полой оправки 2, изображено на фиг. 1, 2.
Между торцом 27 наружного кольцевого выступа части 23 полой оправки 2, направленным к торцу 45 внутренних шлиц 3 части 9 трубчатого корпуса 1, и торцом 46 наружных шлиц 4 части 24 полой оправки 2, направленным к торцу 27 указанного наружного кольцевого выступа 23 полой оправки 2, размещена ударная втулка 47, изображено на фиг. 1, 4, 5.
Ударная втулка 47 центрируется по внутренней поверхности 40 части 8 трубчатого корпуса 1 и установлена с возможностью свободного перемещения на величину осевого люфта 48, определяемого разностью расстояния 49 между торцом наружного кольцевого выступа 27 части 23 полой оправки 2 и торцами 46 наружных шлиц 4 части 24 полой оправки 2, и ширины 50 ударной втулки 47, изображено на фиг. 1, 4.
Минимальная толщина 51 внутреннего кольцевого выступа 14 части 8 трубчатого корпуса 1, а также минимальная толщина 52 наружного кольцевого выступа 29 части 22 полой оправки 2, между которыми расположен пружинный механизм 35, равна толщине 53 стенки ударной втулки 47, а диаметр внутренней поверхности 41 части 9 трубчатого корпуса 1, содержащей первый уплотнитель 18, контактирующий с частью 24 полой оправки 2, выполнен равным диаметру внутренней поверхности 32 части 5 трубчатого корпуса 1, контактирующей со вторым уплотнителем 31 в поршне 30, скрепленном с частью 22 полой оправки 2, изображено на фиг. 1, 2, 3, 4, 6, 9, 10.
На торце 54 ударной втулки 47, направленном к торцу 27 наружного кольцевого выступа части 23 полой оправки 2, выполнены радиально направленные пазы 55, на наружной поверхности 56 ударной втулки 47 выполнены продольные пазы 57, при этом каждый радиально направленный паз 55 на торце 54 ударной втулки 47 гидравлически соединен с продольным пазом 57 на ее наружной поверхности 56, изображено на фиг. 1, 4, 9, 10.
При этом поз. 58 - продольный ход бурового акселератора в выдвинутом положении трубчатого корпуса 1 из полой оправки 2 (в натянутой бурильной колонне), пружинный механизм 35 сжат до упора, ограниченного ударной втулкой 47, расположенной между торцом 27 наружного кольцевого выступа части 23 полой оправки 2, направленным к торцу 45 внутренних шлиц 3 части 9 трубчатого корпуса 1, и торцом 45 внутренних шлиц 3 части 9 трубчатого корпуса 1, расположенным в одной плоскости с торцом 15 указанной части 9 трубчатого корпуса 1, изображено на фиг. 10.
Пружинный механизм 35 выполнен в виде множества модулей 59 из четырех идентичных тарельчатых пружин 60, в каждом модуле 59 две тарельчатые пружины 60 оппозитно направлены к двум другим тарельчатым пружинам 60 с контактом по внутренним кромкам 61, 62, изображено на фиг. 1, 3.
Отношение уменьшенной толщины стенки 21 резьбового переводника 19 к его наружному диаметру 63 составляет 0,07÷0,08, изображено на фиг. 1, 3.
x
y
x
y
0
0
4
4
4
4
Момент инерции J, J (осевой) поперечного кольцевого сечения пояса пониженной жесткости 20 резьбового переводника 19 определяется по формуле: J=J=(πd/64)(1-e)=0,005d(1-c), где π=3,14159…, c=d/d, при этом d - внутренний диаметр 64 пояса пониженной жесткости 20, a d - наружный диаметр 65 пояса пониженной жесткости 20, показано на фиг. 1.
1
2
Момент инерции поперечного сечения пояса 20 пониженной жесткости в резьбовом переводнике 19 составляет 0,85÷1,15 от момента инерции поперечного кольцевого сечения в плоскости наименьшего наружного диаметра 66 полного витка внутренней резьбы 10 части 5 трубчатого корпуса 1, который обозначен J, находящегося в зацеплении с полным витком наружной резьбы 67 резьбового переводника 19 и/или в плоскости наибольшего внутреннего диаметра 68 полного витка наружной резьбы 67 резьбового переводника 19, находящегося в зацеплении с полным витком внутренней резьбы 10 части 5 трубчатого корпуса 1, который обозначен J, изображено на фиг. 1, 2.
1
2
Моменты инерции (осевые) поперечного кольцевого сечения в плоскостях, которые обозначены: J, J, являются опасными и определяющими коэффициенты напряжения при изгибе (Stress ratio, отношение изменяющейся амплитуды напряжения к среднему напряжению) в месте стыка 11 внутренней резьбы 10 части 5 трубчатого корпуса 1 с наружной резьбой 67 резьбового переводника 19.
При таком выполнении бурового акселератора значение коэффициента напряжения при изгибе в месте стыка 11 резьбового соединения части 5 трубчатого корпуса 1 с резьбовым переводником 19 существенно уменьшается и равно, по существу, 3,2÷4,2, что снижает вероятность поломки резьбового переводника и трубчатого корпуса при использовании бурового акселератора на участках изменения кривизны в наклонно-направленной скважине.
Определяют лучшее положение гидравлического бурильного яса и бурового акселератора для усиления удара бурильного яса в компоновке низа бурильной колонны (КНБК), 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.
На скважине одного из месторождений Сургутнефть в КНБК использовался гидравлический забойный двигатель и гидравлический яс (патенты RU 2515627, RU 2439284, Фирма "Радиус-Сервис11), а также заявляемый буровой акселератор для усиления удара яса для снижения потенциальных повреждений привода ротора бурового станка 5000ЭУ в результате применения яса, а также для повышения вероятности успешного освобождения бурильной трубы, которая могла быть прихвачена в процессе бурения в глинистом интервале наклонно-направленной скважины.
Буровой акселератор для усиления удара бурильного яса размещают в бурильной колонне над бурильным ясом и утяжеленной бурильной трубой (не показанными), резьбовой переводник 19 трубчатого корпуса 1 скрепляют при помощи резьбы 33 с низом верхней части бурильной колонны, а резьбовой хвостовик 25 оправки 2 скрепляют с верхом нижней части бурильной колонны (не показанной), при этом через бурильную колонну, трубчатый корпус 1 и полую оправку 2 буровым насосом, например, УНБ-600, прокачивают буровой раствор 34 под давлением, например, 35÷55 МПа, для привода героторного винтового многозаходного гидравлического двигателя со шпинделем и долотом, а также для охлаждения долота (не показанного) и выноса выбуриваемой породы к устью скважины, изображено на фиг. 1.
Проходку наклонного и горизонтального ствола скважины, имеющей участки малого и среднего радиуса 30÷300 метров, осуществляют с вращением бурильной колонны ротором бурового станка 5000ЭУ с частотой вращения 20÷30 об/мин, при совместной работе героторного гидравлического двигателя, вращающего долото, при этом поток бурового раствора 34 обеспечивает промывку забоя скважины и вынос на поверхность выбуриваемой породы.
После бурения вертикального интервала 850 м до проектной глубины с отметкой 3227 м с длиной горизонтального участка 1600 м произошла потеря циркуляции, вращения, а также движения бурильной трубы вверх и вниз, по существу, произошел прихват бурильной колонны.
Работу по освобождению от прихвата при помощи гидравлического бурильного яса и бурового акселератора для усиления удара бурильного яса начали незамедлительно.
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия и буровой акселератор для усиления удара бурильного яса работают от простого движения бурильной колонны в направлении вверх.
Величина ударной силы, направленной вверх, прямо пропорциональна прилагаемому усилию натяжения гидравлического бурильного яса, при этом при более сильном натяжении яс срабатывает быстрее и производит более мощный удар.
Для удара вверх прикладывают нагрузку вычисленной величины и затем устанавливают тормоз буровой лебедки.
При натяжении бурильной колонны пружинный механизм 35 сжимается до упора, ограниченного ударной втулкой 47, расположенной между торцом 27 наружного кольцевого выступа части 23 полой оправки 2, направленным к торцу 45 внутренних шлиц 3 части 9 трубчатого корпуса 1, и торцом 45 внутренних шлиц 3 части 9 трубчатого корпуса 1, расположенным в одной плоскости с торцом 15 указанной части 9 трубчатого корпуса 1, тем самым обеспечивая накопление в пружинном механизме 35 потенциальной энергии, при этом поз. 58 показан продольный ход бурового акселератора в выдвинутом положении трубчатого корпуса 1 из полой оправки 2 (в натянутой бурильной колонне), изображено на фиг. 10.
Гидравлический бурильный яс и буровой акселератор для усиления удара бурильного яса отрегулированы таким образом, что при высвобождении яса для удара накопленная потенциальная энергия в буровом акселераторе также высвобождается.
Движение гидравлического бурильного яса на начальной стадии сдерживается гидравлической парой: оправка - кольцевой клапан - корпус, и поддерживается до тех пор, пока в бурильной колонне не будут созданы достаточно высокие растягивающие напряжения. Стадия свободного вертикального перемещения деталей внутри яса предназначена для резкого снятия части растягивающих напряжений (релаксации напряжений), накопленных в растянутой упругой колонне бурильных труб.
Такое снятие напряжений растянутой упругой колонны бурильных труб используют для ускорения утяжеленных бурильных труб и (или) всей массы бурильной колонны и создания ударного импульса в глубине скважины в пределах ударной секции упомянутого гидравлического яса для отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны для освобождения прихваченной части трубы.
Для мгновенного высвобождения места прихвата требуется определенная ударная сила. В то время когда ударная сила превосходит силу прихватывания, импульс удара вызывает проскальзывание места прихвата. Ударная сила является главным фактором. В наилучшем соотношении необходим определенный динамический удар с достаточным ударным импульсом, по существу, со сверхвысокой ударной мощностью.
Буровой акселератор для усиления удара бурильного яса, размещенный в бурильной колонне над бурильным ясом и утяжеленной бурильной трубой (не показанными), резьбовой переводник 19 трубчатого корпуса 1, скрепленный при помощи резьбы 33 с низом верхней части бурильной колонны, а также резьбовой хвостовик 25 оправки 2, скрепленный с верхом нижней части бурильной колонны, ускоряет рабочую массу над ясом, при этом благодаря накопленной энергии буровым акселератором к накопленной энергии утяжеленной бурильной трубы ударное воздействие в точке прихвата увеличивается в 2,2÷3,2 раза по сравнению с тем, которое было бы оказано без бурового акселератора.
Установка бурового акселератора для усиления удара бурильного яса в конструкцию КНБК обеспечивает эффективную работу ясом вследствие того, что потенциальная энергия, накопленная и высвобожденная буровым акселератором, ускоряет рабочую массу над ясом намного эффективнее, чем энергия, накопленная в бурильной колонне, поскольку ее не тормозит трение и сопротивление, создаваемое сотнями метров бурильной колонны.
Выполнение бурового акселератора для усиления удара бурильного яса таким образом, что поршень 30 со вторым уплотнителем 31, контактирующим с внутренней поверхностью 32 части 5 трубчатого корпуса 1, расположенной со стороны резьбового переводника 19, и часть 22 полой оправки 2 жестко скреплены между собой с помощью общей резьбы 42 с возможностью обеспечения натяга по торцу 43 поршня 30, контактирующего с торцом 44 части 22 полой оправки 2, при этом между торцом 27 наружного кольцевого выступа части 23 полой оправки 2, направленным к торцу 45 внутренних шлиц 3 части 9 трубчатого корпуса 1, и торцом 46 наружных шлиц 4 части 24 полой оправки 2, направленным к торцу 27 указанного наружного кольцевого выступа 23 полой оправки 2, размещена ударная втулка 47, а минимальная толщина 51 внутреннего кольцевого выступа 14 части 8 трубчатого корпуса 1, а также минимальная толщина 52 наружного кольцевого выступа 29 части 22 полой оправки 2, между которыми расположен пружинный механизм 35, равны толщине 53 стенки ударной втулки 47, а диаметр внутренней поверхности 41 части 9 трубчатого корпуса 1, содержащей первый уплотнитель 18, контактирующий с частью 24 полой оправки 2, выполнен равным диаметру внутренней поверхности 32 части 5 трубчатого корпуса 1, контактирующей со вторым уплотнителем 31 в поршне 30, скрепленном с частью 22 полой оправки 2, повышает ресурс, надежность и безопасность работы, упрощает конструкцию, снижает стоимость изготовления и обслуживания, обеспечивает оптимальную жесткость при более высоких внутрискважинных нагрузках в процессе передачи энергии деформации, накопленной в бурильной колонне, инструменту-ясу для усиления ударного воздействия бурильного яса и отражения ударной волны в направлении точки прихвата бурильной колонны.
Прихват был успешно ликвидирован, время работы бурового акселератора для усиления удара бурильного яса составляло непрерывно 28 часов, за это время гидравлическим бурильным ясом было произведено 220 ударов вверх и 15 ударов вниз.