Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия
DOUBLE-ACTING HYDRAULIC DRILL JAR

Изобретение относится к бурильной технике, в частности к бурильным устройствам двухстороннего действия. Оно предназначено для использования в конструкциях указанных устройств для бурения нефтяных и газовых скважин.
Из патентной документации известны аналогичные заявленному технические решения (GB 2332921 А, 07.07.1999. RU 2310061 C1, 10.11.2007. RU 2230880 С2, 20.06.2004. RU 2288344 С2, 27.11.2006. RU 2025567 C1, 30.12.1994. WO 0116460 A1, 08.03.2001. RU 2439284 C2, 10.01.2012. RU 2307917 C1, 10.07.2007. US 8230912 B1, 31.07.2012. RU 2521993 С1, 10.07.2014).
Из указанных известных решений, в близком аналоге - патенте RU 2439284 С2 раскрыт гидравлический бурильный яс двухстороннего действия, содержащий трубчатый корпус и полую оправку, телескопически соединенные 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.
Отличия конструкции по патенту RU 2439284 С2 от известной из прототипа известной конструкции по патенту RU 2307917 С1 заключаются в том, что гидравлический бурильный яс двухстороннего действия по патенту RU 2439284 С2 содержит центральный поршень, снабженный собственными кольцевыми уплотнителями, при этом 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.
В патенте RU 2439284 С2 диаметры первого и второго поршней, первого и второго кольцевых клапанов, а также выдвижной части полой оправки, контактирующей со вторым уплотнителем трубчатого корпуса со стороны второго края, выполнены равными диаметру центрального поршня, при этом диаметры двух поясов полой оправки, сопряженных с пояском увеличенного диаметра полой оправки и расположенных между центральным поршнем и первым поршнем с первым уплотнителем, выполнены равными диаметрам двух поясов полой оправки, сопряженных с пояском увеличенного диаметра полой оправки и расположенных между центральным поршнем и вторым поршнем с вторым уплотнителем.
В патенте RU 2439284 С2 собственные кольцевые уплотнители центрального поршня полой оправки выполнены в виде двух противоположно направленных кольцевых модулей, каждый из которых ограничивает течение жидкости в одном направлении, а оба кольцевых модуля ограничивают течение жидкости в полость между кольцевыми модулями, по существу, каждый кольцевой модуль выполнен в форме V-образного кольцевого элемента из эластомера и кольца круглого поперечного сечения, которое установлено в V-образной полости V-образного кольцевого элемента из эластомера. Части полого корпуса скреплены между собой резьбовыми соединениями, в каждом из которых размещен кольцевой уплотнитель из эластомера, установленный в кольцевой канавке перед входным витком наружной резьбы. Между торцами шлицов на наружной поверхности полой оправки и направленным к шлицам ударником полой оправки размещено ударное кольцо (RU 2439284 С2, 10.01.2012).
Из известных решений наиболее близким к представленному в данном описании решению является гидравлический бурильный яс двухстороннего действия, раскрытый в патенте RU 2521993С1, который содержит трубчатый корпус, полый вал, телескопически соединенные 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.
Отличия яса, раскрытого в патенте RU 2521993С1, от патента RU 2439284 С2 заключаются в том, что яс по патенту RU 2521993С1 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. Корпус клапанов и корпусной переходник снабжены уплотнителями из эластомера, установленными в кольцевых канавках перед входным витком наружной резьбы. Между торцами шлицов на наружной поверхности полого вала и направленным к шлицам ударником полого вала размещено ударное кольцо (RU 2521993 С1, 10.07.2014 - прототип).
В прототипе имеются клапанный модуль, включающий два корпуса двух клапанов и корпусной переходник, скрепленные между собой, внутри каждого 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. Два корпуса клапанного модуля и два кольцевых клапана с циркуляционными каналами, существенно усложняют конструкцию и отрицательно влияют на надежность работы гидравлического яса. В результате прототип имеет сравнительно сложную конструкцию, отрицательно влияющую как на надежность гидравлического яса, так и на его металлоемкость и трудоемкость изготовления.
Техническим результатом представленного в данном описании гидравлического яса двухстороннего действия является упрощение его конструкции.
Технический результат получен гидравлическим бурильным ясом двухстороннего действия, содержащим 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, причем яс оснащен охватывающем вал общим для дросселей кольцевым корпусом, в котором выполнена, по меньшей мере, одна 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. В ином исполнении в кольцевом корпусе отверстия расположены так, что, по меньшей мере, одно отверстие расположено в одном направлении и, по меньшей мере, два отверстия расположены в противоположном направлении.
На фиг.1 показаны условно разделенные части гидравлического яса двухстороннего действия, соединяемые по схеме справа-налево по  штрих-пунктирной линии в соответствии со стрелками.
На фиг. 2 – место А на фиг.1.
На фиг.3-5 положения утолщения вала в процессе работы яса.
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия (фиг.1) содержит трубчатый корпус 1 и телескопически установленный в нем полый вал 2, при этом корпус выполнен из соединенных частей и одна его часть 3 резьбовым соединением 4 соединена с переходником 5. Вал 2 выполнен из соединенных составных частей. Яс содержит первый поршень 6 и второй поршень 7, между которыми расположена заполненная рабочей жидкостью камера 8, образованная между корпусом и валом. Вал (фиг.2) выполнен с утолщением 9, образующим скошенные рабочие поверхности 10 и 11, при этом утолщение выполнено для исключения сообщения жидкости с нижней и верхней частями камеры 8. Между корпусом и валом образована камера 12 (фиг.1), заполненная рабочей жидкостью, которая предназначена для защиты от коррозии шлицевого соединения вала 2 и корпуса 1. Вал 2 имеет возможность свободно перемещаться в корпусе в осевом направлении.
Яс имеет кольцевой корпус 13 клапана двустороннего действия (фиг.2), при этом корпус 13 расположен в полости 14, образованной корпусом 1, валом 2 и торцами указанных ниже переходников. В корпусе 13 выполнены противоположно ориентированные относительно центральной оси кольцевого корпуса парные резьбовые отверстия, в которых расположены встречно направленные в противоположные стороны дроссели 15 и 16. Полость 14 расположена между торцом 17 одного корпусного переходника 18 и торцом 19 другого корпусного переходника 20. Корпус 13 клапана имеет возможность перемещаться в осевом направлении между торцами 17 и 19 переводников.
В стенке кольцевого корпуса 13 выполнены, по меньшей мере, два вертикально ориентированных резьбовых отверстия 21 и 22, каждое из которых параллельно центральной оси кольцевого корпуса 13. Пара отверстий расположена на противоположных сторонах корпуса 13, при этом каждое отверстие может быть направлено как вверх, так и вниз. При этом в стенке корпуса 13 могут быть выполнены другие дополнительные отверстия, как в одном продольном оси корпуса направлении, так и в другом, противоположном направлении. При любом количестве отверстий в корпусе, в них расположены в соответствующих направлениях дроссели, одна часть которых работает на сжатие при сжатии яса, а другая часть дросселей работает на растяжение при растяжении яса. На выходе отверстий 21 и 22 выполнены противоположно ориентированные наклонные отверстия 23 и 24, соответственно сообщенные с отверстиями 21 и 22. В отверстиях 21 и 22 расположены, соответственно, встречно направленные дроссели 15 и 16.
В отверстиях 21 и 22, кроме дросселей 15 и 16, расположены, соответственно, фильтры 25 и 26, а также винты 27 и 28, поджимающие фильтры к дросселям. Винты 27 и 28 имеют центральные отверстия 29 и 30 для прохода рабочей жидкости к фильтрам и дросселям.
В отличие от описанных выше пары отверстий, выполненных в кольцевом корпусе 13 под располагаемые в них дроссели,в другом исполнении яса отверстия в кольцевом корпусе расположены по иной схеме: по меньшей мере, одно отверстие расположено в одном вертикальном направлении и, по меньшей мере, два отверстия расположены в другом противоположном направлении. Соответственно такой схеме расположения отверстий в них расположены дроссели, число которых соответствует числу отверстий, и направление дросселей соответствует направлениям отверстий.
Поршень 7 (фиг.1) имеет торцы 31 и 32. Он расположен между торцами 33 и 34 корпусных переводников 35 и 36, соответственно, в частности в полости 37 между переводниками. Вал 2 установлен с возможностью его свободного перемещения в осевом направлении внутри полости 37 между торцами 33 и 34 переводников 35 и 36. Вал 2 и корпус 1 соединены шлицевым соединением 38, которое защищено от коррозии рабочей жидкостью, находящейся в камере 12. Между валом 2 и корпусом 1 образован кольцевой зазор 39.
Работает гидравлический бурильный яс двухстороннего действия следующим образом. Яс устанавливается в колонну бурильных труб ближе к его нижней части. Корпус 1 яса через переходник 5 соединяется с верхней частью колонны бурильных труб (не показана). Вал 2 яса соединяется с компоновкой низа буровой колонны, внизу которой привёрнуто буровое долото (не показано).
Вращение колонны бурильных труб через переходник 5 передаётся на сборный корпус 1 яса, затем через шлицевое соединение 38 передаётся на вал 2, затем через низ бурильной колонны вращение передаётся непосредственно на буровое долото.
Поскольку вал 2 имеет возможность свободного перемещения в осевом направлении внутри корпуса, то перемещение вала при сжатии яса происходит до упора торца 31 поршня 7 вала 2 в торец 33 корпусного переводника 35. Перемещение вала при растяжении яса происходит до упора торца 32 поршня 7 вала 2 в торец 34 корпусного переводника 36.
При прижатии корпуса 13 к торцу 19 переводника 20 происходит перекрытие отверстия 22, при этом осуществляется переток рабочей жидкости через отверстие 21.
При прижатии корпуса 13 к торцу 17 переводника 18 происходит перекрытие отверстия 21 и переток рабочей жидкости происходит через отверстие 22. Прижатие корпуса 13 клапана к торцу 17 происходит от воздействия утолщения 9 на валу 2 при растяжении яса.
При работе яса дроссели создают перепад давления при перетоке рабочей жидкости между верхней и нижней частями камеры 8, поскольку дроссели расположены встречно и один из них, дроссель 15 создаёт перепад давления при перетоке рабочей жидкости при растяжении яса, а другой дроссель 16 создаёт перепад давления при сжатии яса.
В процессе бурения яс находится в сжатом положении, вал 2 находится в корпусе 1 в крайнем верхнем положении, торец 31 поршня 7 упирается в торец 33 корпусного переводника 35.
В случае прихвата (заклинивания) низа буровой колонны необходимо создать направленный вверх удар. Для этого к переходнику 5 через верхнюю часть бурильных труб прикладывается растягивающее усилие и корпус 2 начинает вытягиваться вверх. Вал 2 свободно перемещается внутри корпуса, происходит свободный переток рабочей жидкости из верхней части полости 8 в нижнюю часть полости 8 (фиг.2,3) через зазор между валом 2 и корпусом 13. Указанное перемещение вала происходит до того момента, пока утолщение 9 на валу 2 не дойдёт до корпуса 13 двустороннего клапана и не перекроет кольцевой зазор 39 (фиг.4).
При этом корпус 13 клапана сдвигается вниз до упора в торец 19 переводника 20 (фиг.4) и канал 22 клапана перекрывается торцом 19 переводника 20. В этом случае рабочая жидкость перетекает через канал 21, винт 27, фильтр 25, дроссель 15 и отверстие 23. В верхней части камеры 8 создаётся высокое давление рабочей жидкости, и движение корпуса 1 яса вверх происходит исключительно под действием большой растягивающей нагрузки колонны бурильных труб. Когда утолщение вала 9 пройдёт насквозь через корпус 13 клапана, то кольцевой зазор 39 между корпусом 13 клапана и валом 2 откроется и давление в верхней части камеры 8 резко сбрасывается. В этом случае корпус 1 резко переместится вверх и нанесёт удар торцом 34 корпусного переводника 36 по торцу 32 поршня 7 вала 2. Далее энергия удара через вал 2 передаётся на низ буровой колонны.
Затем, при необходимости, для нанесения удара вниз по переходнику 5 яса через верхнюю часть бурильных труб прикладывается сжимающее усилие. Далее работа яса происходит в обратной последовательности, при этом утолщение вала 9 при движении в корпусе 1 переместит корпус 13 клапана до упора в торец 17 переводника 18 и переток рабочей жидкости будет происходить через противоположное отверстие 22, винт 28, фильтр 26, дроссель 16 и отверстие 24. В нижней части камеры 8 в этом случае создаётся высокое давление рабочей жидкости и движение корпуса 1 яса вниз происходит только под действием большой сжимающей нагрузки от колонны бурильных труб. Когда утолщение вала 9 пройдёт насквозь через корпус 13 клапана, кольцевой зазор 39 между корпусом 13 клапана и валом 2 откроется и давление в нижней части камеры 8 камере резко сбросится. Корпус 1 резко переместится вниз и нанесёт удар торцом 33 корпусного переводника 35 по торцу 31 поршня 7 вала 2. Далее энергия удара через вал 2 передаётся на низ буровой колонны.
Упрощение конструкции двухстороннего кольцевого клапана с двумя противоположно направленными дросселями в одном кольцевом корпусе, работающими как при растяжении яса, так и при его сжатии, существенно упрощена конструкция яса. При выполнении основных функций клапанного модуля, имеющего место в конструкции прототипа, описанная выше конструкция позволила исключить многие элементы клапанного модуля, что позволило существенно упростить конструкцию гидравлического яса двухстороннего действия и повысить надежность его работы.