ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ БУРИЛЬНЫЙ ЯС ДВУХСТОРОННЕГО ДЕЙСТВИЯ
DUAL-ACTING HYDRAULIC JAR

Изобретение относится к устройствам для освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине, а именно к гидравлическим бурильным ясам для создания повторяющихся динамических ударов, направленных вверх и вниз, для освобождения застрявшей бурильной колонны в наклонных и горизонтальных участках нефтяной скважины.
Известен гидравлический бурильный яс двухстороннего действия, включающий трубчатый корпус и полый вал, телескопически соединенные между собой, трубчатый корпус содержит шлицы на внутренней поверхности, внутренние выступы-наковальни, первый уплотнитель со стороны первого торца, полый вал содержит шлицы на наружной поверхности для соединения со шлицами трубчатого корпуса, поясок увеличенного диаметра, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями трубчатого корпуса, а также второй уплотнитель, размещенный в ударнике со стороны второго торца трубчатого корпуса, образующие камеру рабочей жидкости, а также содержащий кольцевой клапан, установленный в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость и расположенным внутри трубчатого корпуса, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана плотно контактирует с пояском увеличенного диаметра полого вала, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двумя упорами, выступающими от внутренней поверхности трубчатого корпуса, а также содержащий ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с одной из секций камеры рабочей жидкости, включающий, по меньшей мере, один перепускной клапан, размещенный в кольцевом клапане, который ограничивает течение рабочей жидкости внутри одной из секций камеры в одном направлении (US 5647446 А, 15.07.1997).
В известной конструкции перепускной клапан 90, предназначенный для дросселирования рабочей жидкости и обеспечения заданного времени гидравлической "задержки", установленный в кольцевом клапане 10, расположен таким образом, что ограничивает течение рабочей жидкости в противоположном направлении относительно течения рабочей жидкости в перепускном клапане 92, установленном в упомянутом выше кольцевом клапане 10, показано на фиг.6.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности, что объясняется недостаточным запасом прочности от действия сверхвысокого давления рабочей жидкости (масла), преимущественно 150 МПа внутри яса, деформированием и смятием пояска 36 увеличенного диаметра полого вала 20 при плотном контакте кольцевого клапана 10 для создания повторяющихся динамических ударов, направленных вверх и вниз.
Основной причиной деформирования и смятия пояска 36 увеличенного диаметра полого вала 20 является превышение максимально допустимых нагрузок, прикладываемых к гидравлическому бурильному ясу во время эксплуатации, преимущественно при бурении бокового ствола скважины через прорезанное фрезером-райбером окно в колонне обсадных труб, при этом происходит превышение допустимого давления рабочей жидкости за время дросселирования рабочей жидкости через перепускные клапаны 84, 90, 92, размещенные в кольцевом клапане 10, которые ограничивают течение рабочей жидкости внутри одной из секций камеры рабочей жидкости в одном направлении, происходит прихват кольцевого клапана 10 на пояске 36 увеличенного диаметра полого вала 20, прекращается циркуляция рабочей жидкости через перепускные клапаны 84, 90, 92, что приводит к отказу в работе гидравлического бурильного яса и потере компоновки низа бурильной колонны с долотом в скважине.
Недостатком известной конструкции является также сложность, высокая стоимость изготовления и ремонта, что объясняется тем, что внутренние поверхности ("зеркало" цилиндров) частей трубчатого корпуса с износостойким покрытием, например, хромом, 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 тупиковыми, по существу, с выступающими от внутренней поверхности частей трубчатого корпуса буртами или выступами.
В эксплуатации при взаимодействии с буровым раствором слой износостойкого покрытия разрушается, под покрытием возникает коррозия, части трубчатого корпуса не подлежат ремонту, при этом сложно контролировать состояние покрытия в частях трубчатого корпуса ("зеркала" цилиндра) со стороны буртов и торцов (резьбы ниппеля), которые непосредственно контактируют с буровым раствором.
Недостатком известной конструкции является также недостаточный ресурс уплотнения 34 поршня, скрепленного резьбой с полым валом 20, при этом уплотнение 34 поршня расположено на границе раздела камеры 40 высокого давления для масла и полости 29 для бурового раствора и подвергается сверхвысокому давлению масла, преимущественно 150 МПа, вследствие этого происходят утечки масла из камеры 40 высокого давления в полость 29 для бурового раствора, проникновение бурового раствора в камеру 40 высокого давления для масла и повреждение уплотнения 34 абразивными частицами бурового раствора.
3
Абразивные частицы бурового раствора, например, до 2% песка с размерами 0,15÷0,95 мм и до 5% нефтепродуктов полимер - глинистого бурового раствора плотностью 1,16÷1,26 г/см, прокачиваемого при гидростатическом давлении, преимущественно 25÷40 МПа, загрязняют масло в камере 40 высокого давления, перекрывают проходное сечение жиклеров для циркуляции масла в клапанах 90, 92, установленных в кольцевом клапане 10, что приводит к аварийной остановке гидравлического бурильного яса.
Другим недостатком известной конструкции является сложность контроля нагрузки, направленной вниз, для освобождения от прихвата бурильной колонны в наклонных и горизонтальных участках изогнутой скважины, что объясняется потерей устойчивости (с изменением знака) и трением колонны бурильных труб в местах изменения кривизны скважины, а также неожиданная активизация и самопроизвольное нанесение ударов гидравлического яса при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны вследствие шламования и перекрытия проходного сечения жиклеров клапанов 84, 90, 92 в кольцевом клапане 10 абразивными частицами бурового раствора, низкой точности времени гидравлической "задержки".
Вследствие этого не обеспечивается заданное время "задержки", создаваемое гидравликой, для нанесения динамических ударов вверх, при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, а это не позволяет оператору на буровой изменять допустимое силовое усилие натяжения бурильной колонны, после чего включать тормоз буровой лебедки, при этом усилие при освобождении прихвата трудно контролировать, что вызывает повреждение подъемного оборудования.
Известен гидромеханический яс, состоящий из трубчатого корпуса и полой оправки, телескопически соединенных между собой, при этом корпус выполнен из частей, содержит первый уплотнитель и шлицы на внутренней поверхности со стороны первого края, в средней части корпус содержит внутренние выступы-наковальни, а со стороны второго края содержит внутреннюю резьбу, например, для соединения с колонной бурильных труб, при этом оправка выполнена из частей, содержит резьбовой хвостовик и шлицы на наружной поверхности со стороны первого края корпуса, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями корпуса, по меньшей мере, один поршень со вторым уплотнителем со стороны второго края корпуса, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью, а также содержащий, по меньшей мере, один ограничивающий механизм сообщения рабочей жидкости с камерой для жидкости, по существу, в виде пояска увеличенного диаметра оправки и кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости с оправкой, проходящей через внутреннюю полость, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана контактирует с пояском увеличенного диаметра оправки, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двумя упорами, выступающими от внутренней поверхности корпуса, а в кольцевом клапане установлен, по меньшей мере, один перепускной клапан, ограничивающий течение рабочей жидкости в одном направлении, при этом между первым и вторым уплотнителями размещены, по меньшей мере, два уплотнителя, которые разделяют камеру для жидкости на три отсека, а также содержащий внутри камеры рабочей жидкости подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход оправки относительно корпуса, при этом механизм защелки освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы больше предельной, при этом кольцевой клапан, установленный в камере, заполненной рабочей жидкостью, выполнен с продольным ходом, по меньшей мере, равным продольному ходу оправки относительно подпружиненного механизма защелки от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение, а упор, ограничивающий продольный ход кольцевого клапана в сторону второго края корпуса с внутренней резьбой, образован выступом от уменьшенного диаметра внутренней поверхности корпуса, с которой подвижно соединен один из уплотнителей, разделяющих камеру рабочей жидкости на отсеки, поршень с уплотнителем со стороны второго края корпуса с внутренней резьбой выполнен с возможностью скольжения относительно оправки, а также снабжен собственным уплотнителем, контактирующим с оправкой (RU 2307917 С1, 10.10.2007).
В известной конструкции внутри корпуса со стороны второго края с внутренней резьбой установлена трубчатая гильза, поршень с уплотнителем размещен в гильзе, а подпружиненный механизм защелки контактирует с гильзой и, по меньшей мере, с одним торцовым кольцом, регулирующим усилие механизма защелки для освобождения или установки в рабочее положение, при этом между торцами шлицов оправки и направленным к шлицам ударником оправки установлено ударное кольцо, второй край корпуса соединен резьбой с низом верхней части колонны бурильных труб, резьбовой хвостовик оправки соединен с верхом нижней части колонны бурильных труб, а на краю оправки, расположенном внутри корпуса, закреплено защитное кольцо.
Известный гидромеханический яс работает от движения колонны бурильных труб в направлении вверх или вниз, при этом величина динамической ударной силы, направленной вверх, прямо пропорциональна прилагаемому усилию натяжения.
В данном режиме, по мере того, как прилагаемое усилие натяжения начинает превышать параметр установки защелки 46 при ударе вверх, механическая защелка 46 освобождается от блокировки и наступает гидравлическая "задержка".
Спустя небольшой период времени оправка 2 яса освобождается и ускоряется до положения полного растяжения, при этом в режиме удара, направленного вниз, по мере того, как сила сжатия, действующая на оправку 2 яса, начинает превышать параметр установки защелки при ударе вниз, механическая защелка 46 освобождается от блокировки, позволяя оправке 2 вернуться в полностью закрытое положение.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность уменьшения стоимости изготовления, обслуживания и ремонта, а также недостаточный ресурс подпружиненного механизма защелки 46, например, вследствие износа зубьев при наработке уменьшается усилие освобождения от блокировки, при максимальной твердости зубьев защелки технологически трудно обеспечить высокую (максимальную для стали) прочность зубьев, при максимальной прочности зубьев защелки технологически трудно обеспечить высокую (максимальную для стали) твердость зубьев, при наплавке поверхностного слоя, например, твердым сплавом, технологически трудно уменьшить хрупкость зубьев и обеспечить высокую (максимальную для стали) ударную прочность.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является механизм гидравлического яса двухстороннего действия, включающий части внешнего элемента (2, 4, 9, 10, 14, 17), части внутреннего элемента (1, 5, 11), закрепляемого на внешнем элементе (2, 4, 9, 10, 14, 17), камеру рабочей жидкости (35, 37, 42), разделяемую частями внутреннего элемента (1, 5, 11) и внешнего элемента (2, 4, 9, 10, 14, 17), и ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) сообщения жидкости с камерой для жидкости (35, 37, 42), при этом внутренние (1, 5, 11) и внешние элементы корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), подвижные относительно друг друга между первой конструкцией, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), и второй конструкцией, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) в меньшей степени ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), чем в первой конструкции, а ограничивающий механизм содержит два клапанных устройства (58), каждое из которых ограничивает движение жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, при этом клапанные устройства (58) расположены таким образом, чтобы ограничивать движение жидкости в противоположных направлениях (GB 2332921 А, 07.07.1999).
Известный механизм яса содержит в трубчатом корпусе первый уплотнитель и шлицы на внутренней поверхности со стороны первого края, в средней части содержит внутренние выступы-наковальни, а со стороны второго края содержит внутреннюю резьбу для соединения с колонной бурильных труб, полый вал содержит резьбовой хвостовик и шлицы на наружной поверхности со стороны первого края трубчатого корпуса, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями трубчатого корпуса, по меньшей мере, один поршень со вторым уплотнителем со стороны второго края трубчатого корпуса, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью (маслом).
В известном механизме гидравлического яса ограничивающий механизм сообщения жидкости с камерой для жидкости выполнен в виде пояска увеличенного диаметра полого вала и кольцевого клапана, установленного в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость трубчатого корпуса, при этом внутренняя поверхность кольцевого клапана контактирует с пояском увеличенного диаметра полого вала, продольный ход кольцевого клапана ограничен между двумя упорами, выступающими от внутренней поверхности трубчатого корпуса, а в кольцевом клапане установлен, по меньшей мере, один перепускной клапан, ограничивающий течение жидкости в одном направлении, при этом между первым и вторым уплотнителями размещены, по меньшей мере, два уплотнителя, которые разделяют камеру рабочей жидкости на три отсека, позволяя жидкости перетекать во все отсеки камеры, а также содержит внутри камеры рабочей жидкости подпружиненный механизм защелки, блокирующий продольный ход полого вала относительно трубчатого корпуса, при этом механизм защелки освобождается или устанавливается в рабочее положение при приложении продольной силы больше предельной.
На рис.9 и 10 показан нижний клапан 12 с отверстием 58, в которое устанавливается ограничитель потока (не показан на схеме), блокирующий движение жидкости в одном из направлений, например, перепускной клапан для гидравлического бурильного яса. На верхнем клапане 12 расположен ряд обходных каналов жидкости 60, верхний край которого 62 упирается в плечо 52 на верхнем гидравлическом корпусе, когда верхний клапан 12 двигается вверх.
При этом гидравлическая жидкость проходит через ограничитель потока. Обходные каналы 60 потока жидкости имеют форму полуокружности в поперечном разрезе, что увеличивает пропускную способность верхнего клапана 12.
Нижний клапан 13 изображен на рис.11 и 12, имеет аналогичное расположение отверстия 58 и обходных каналов 60 потока жидкости, как и верхний клапан 12. Для различения верхнего и нижнего клапанов 12, 13, внутренний диаметр нижнего клапана 13 меньше внутреннего клапана нижнего клапана 12. Соответствующий нижний участок 50 увеличенного диаметра внутреннего элемента (полого вала) 11 также имеет меньший наружный диаметр, чем верхний участок 48 увеличенного диаметра.
Благодаря этому, при ошибочном определении верхнего и нижнего клапана 12, 13, и их установке внутри бурильного яса, данную ошибку можно заметить, когда полый вал 11 устанавливают внутрь яса. Меньший внутренний диаметр нижнего клапана 13 делает возможной установку полого вала 11 в бурильном ясе. Если один из клапанов 12, 13 отказывает, другой клапан 12, 13 все еще позволяет работать ясом в соответствующем направлении, благодаря тому, что клапаны находятся на расстоянии. Соответственно, разнесенные клапаны 12, 13 обеспечивают дублирование функции.
Недостатком известной конструкции является неполная возможность повышения ресурса и надежности, что объясняется недостаточным запасом прочности от действия сверхвысокого давления рабочей жидкости (масла) внутри яса, преимущественно 150 МПа, деформированием и смятием поясков 50 и 48 увеличенного диаметра полого вала 11, которые подвергаются повторяющемуся давлению рабочей жидкости внутри яса, в первую очередь нижнего пояска 50 увеличенного диаметра внутреннего элемента (полого вала) 11, который имеет меньший наружный диаметр, чем верхний участок 48 увеличенного диаметра упомянутого полого вала 11, при плотном контакте кольцевых клапанов 13 и, соответственно 12, для создания повторяющихся динамических ударов, направленных вверх и вниз.
Недостатком известной конструкции является также ее сложность, высокая стоимость изготовления, эксплуатации и ремонта, что объясняется тем, что внутренние поверхности частей трубчатого корпуса, предназначенные для установки первого поршня с первым уплотнителем и, соответственно, второго поршня со вторым уплотнителем, образующие с частями полого вала камеры, заполненные маслом, выполнены с выступающими от внутренней поверхности (от "зеркала" цилиндра) трубчатого корпуса торцами или выступами.
При этом сложно контролировать состояние покрытия, преимущественно хромом, внутренних поверхностей частей трубчатого корпуса, предназначенных для установки первого поршня с первым уплотнителем и, соответственно, второго поршня со вторым уплотнителем, со стороны буртов и торцов (резьбы ниппеля).
Другим недостатком известной конструкции является сложность, высокая стоимость, а также недостаточный ресурс и надежность подпружиненного механизма защелки (5, 8), который включает в себя первый элемент (8) защелки, расположенный на внутреннем элементе (1, 5, 11) или на внешнем элементе корпуса (2, 4, 9, 14, 17), и второй элемент защелки (5) на одном из элементов корпуса, подогнанные для фиксации элементов корпуса вместе, например, вследствие износа зубьев при наработке уменьшается усилие освобождения от блокировки, при максимальной твердости зубьев защелки технологически трудно обеспечить высокую (максимальную для стали) прочность зубьев, при максимальной прочности зубьев защелки технологически трудно обеспечить высокую (максимальную для стали) твердость зубьев, при наплавке поверхностного слоя, например, твердым сплавом, технологически трудно уменьшить хрупкость зубьев и обеспечить высокую (максимальную для стали) ударную прочность зубьев.
Недостатком известной конструкции является также сложность контроля нагрузки, направленной вниз, для освобождения от прихвата бурильной колонны в наклонных и горизонтальных участках скважин, что объясняется потерей устойчивости (с изменением знака) и трением изогнутой колонны бурильных труб в местах изменения кривизны скважины, а также неожиданная (самопроизвольная) активизация и нанесение ударов гидравлического яса при ударах вниз, не обеспечивается заданное время "задержки", создаваемое гидравликой, по существу, время дросселирования рабочей жидкости через перепускные клапаны 58, размещенные в кольцевых клапанах 12 и 13.
Другим недостатком известной конструкции является неполное использование возможности создания сверхвысокой ударной мощности для возникновения ударных нагрузок, направленных вверх (при натяжении колонны), для освобождения от прихвата бурильной колонны в скважине, что объясняется большими потерями давления во второй конструкции, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50) в меньшей степени ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), чем в первой конструкции, а ограничивающий механизм содержит два клапанных устройства (58), каждое из которых ограничивает движение рабочей жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, при этом клапанные устройства (58) расположены таким образом, чтобы ограничивать движение рабочей жидкости в противоположных направлениях.
Сложность контроля нагрузки, направленной вниз, объясняется малым продольным ходом, не превышающим расстояния между поясками увеличенного диаметра 13 части оправки 11 ограничивающего механизма (12, 13, 48, 50), который ограничивает относительное движение между внутренними (1, 5, 11) и внешними элементами корпуса (2, 4, 9, 10, 14, 17), и большим гидравлическим сопротивлением второй конструкции, в которой ограничивающий механизм (12, 13, 48, 50), включающий два клапанных устройства 58, каждое из которых ограничивает движение рабочей жидкости внутри камеры (35, 37, 42) в одном направлении, и клапанные устройства 58, расположенные таким образом, чтобы ограничивать движение рабочей жидкости в противоположных направлениях.
При этом величина продольного хода кольцевого клапана, например, 13 между ограничительными частями 53, 63 частей корпуса 10, 14, на порядок меньше продольного хода внутренних частей 1, 5, 11 оправки 1 относительно внешних элементов (2, 4, 9, 10, 14, 17) корпуса 2, определяемого подпружиненным механизмом защелки, от начала приложения силы, вдвигающей оправку в корпус, до установки механизма защелки в рабочее положение.
Вследствие этого не обеспечивается повышение точности времени "задержки", создаваемого гидравликой, для нанесения ударов при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, а это не позволяет оператору на буровой изменять допустимое силовое усилие натяжения бурильной колонны, после чего применять тормоз буровой лебедки, при этом усилие при освобождении прихвата трудно контролировать, что вызывает повреждение подъемного оборудования.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение ресурса и надежности, образование сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх и вниз на место прихвата бурильной колонны, а также предотвращение неожиданной активизации и самопроизвольного нанесения ударов гидравлического яса при ударах вниз за счет повышения точности времени "задержки", создаваемого гидравликой, и уменьшения потерь давления при сбросе давления рабочей жидкости из камеры высокого давления за счет установки клапанного модуля, внутри которого размещены первый и второй кольцевые клапаны, клапанное седло и распорная втулка, в каждом кольцевом клапане установлено клапанное устройство, ограничивающее течение жидкости внутри камеры рабочей жидкости в одном направлении, путем увеличения рабочей площади первого и второго кольцевых клапанов и снижения сверхвысокого давления рабочей жидкости для предотвращения деформации и смятия поясков увеличенного диаметра полого вала, проходящего через внутреннюю полость клапанного модуля.
Другой технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение конструкции, снижение стоимости изготовления, обслуживания и ремонта, а также повышение надежности клапанных устройств первого и второго кольцевых клапанов за счет продувки и "самоочищения" жиклеров клапанных устройств при повторном динамическом ударе и сбросе давления рабочей жидкости из камеры высокого давления через щелевые каналы, образованные внутренними поверхностями клапанного седла, первого и, соответственно, второго кольцевых клапанов и наружной поверхностью пояска увеличенного диаметра полого вала.
Сущность технического решения заключается в том, что в гидравлическом бурильном ясе двухстороннего действия, состоящем из трубчатого корпуса и полого вала, телескопически соединенных между собой, трубчатый корпус выполнен из частей, содержит резьбу со стороны первого края, в средней части содержит внутренние выступы-наковальни, со стороны второго края содержит шлицы на внутренней поверхности и уплотнитель, полый вал выполнен из частей, содержит со стороны первого края трубчатого корпуса первый поршень с первым уплотнителем, ударники, размещенные между внутренними выступами-наковальнями трубчатого корпуса, со второго края трубчатого корпуса содержит второй поршень со вторым уплотнителем, образующие камеру, заполненную рабочей жидкостью - маслом, резьбовой хвостовик и шлицы - на наружной поверхности, а также содержащий два ограничивающих механизма сообщения жидкости с камерой для жидкости, каждый из которых выполнен в виде пояска увеличенного диаметра полого вала, а также первого и второго кольцевых клапанов, каждый из которых установлен в камере рабочей жидкости с полым валом, проходящим через внутреннюю полость, внутренняя поверхность каждого кольцевого клапана плотно контактирует с соответствующим пояском увеличенного диаметра полого вала, при этом в каждом кольцевом клапане установлено, по меньшей мере, одно клапанное устройство, ограничивающее течение жидкости внутри камеры рабочей жидкости в одном направлении, а первое клапанное устройство первого кольцевого клапана расположено таким образом, что ограничивает течение жидкости в противоположном направлении относительно течения жидкости во втором клапанном устройстве второго кольцевого клапана, согласно изобретению 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.
Выполнение гидравлического бурильного яса таким образом, что 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, обеспечивает повышение ресурса и надежности, образование сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх и вниз на место прихвата колонны, а также предотвращение неожиданной активизации и самопроизвольного нанесения ударов гидравлического яса при ударах вниз за счет повышения точности времени "задержки", создаваемого гидравликой, и уменьшения потерь давления при сбросе давления рабочей жидкости (масла) из камеры высокого давления за счет установки клапанного модуля, внутри которого размещены первый и второй кольцевые клапаны, клапанное седло и распорная втулка, в каждом кольцевом клапане установлено клапанное устройство, ограничивающее течение жидкости внутри камеры рабочей жидкости в одном направлении, путем увеличения рабочей площади первого и второго кольцевых клапанов и снижения сверхвысокого давления рабочей жидкости для предотвращения деформации и смятия поясков увеличенного диаметра полого вала, проходящего через внутреннюю полость клапанного модуля.
Такое выполнение гидравлического бурильного яса упрощает конструкцию, снижает стоимость изготовления, обслуживания и ремонта, повышает надежность (снижает "чувствительность" к загрязнению масла) клапанных устройств первого и второго кольцевых клапанов за счет продувки и "самоочищения" жиклеров клапанных устройств при повторном динамическом ударе и сбросе давления рабочей жидкости из камеры высокого давления через щелевые каналы, образованные внутренними поверхностями первого и, соответственно, второго кольцевых клапанов и наружной поверхностью пояска увеличенного диаметра полого вала, а также улучшает гидродинамическое центрирование полого вала в трубчатом корпусе, предотвращает перекосы и прихваты в поверхностях трения, обусловленные циклическими изгибными напряжениями трубчатого корпуса при вращении изогнутой колонны бурильных труб в наклонной и горизонтальной скважине (при роторном бурении).
Выполнение гидравлического бурильного яса таким образом, что корпус клапанов и корпусной переходник снабжены уплотнителями из эластомера, установленными в кольцевых канавках перед входным витком наружной резьбы, обеспечивает относительную гибкость заходной части перед входным витком наружной резьбы при действии сверхвысокого давления, например, 150 МПа, вследствие этого обеспечивается эффект "самоуплотнения", действие которого (герметичность) возрастает с увеличением давления в камере рабочей жидкости.
Повышение ресурса и надежности гидравлического бурильного яса обеспечивается также за счет упрощения конструкции, по существу, за счет устранения механизма подпружиненной защелки, известной и описанной в конструкции-прототипе.
Выполнение гидравлического бурильного яса таким образом, что между торцами шлицов на наружной поверхности полого вала и направленным к шлицам ударником полого вала размещено ударное кольцо, повышает также точность контролируемой нагрузки, направленной вверх, с максимальным ударным импульсом, предотвращает наклеп и разрушение ударных торцов на шлицах полой оправки.
Ниже представлен гидравлический бурильный яс двухстороннего действия RJ-2H-110.800 для освобождения от прихвата колонны бурильных труб в скважине с отметкой 3700 метров, имеющей боковой ствол длиной 650 метров.
На фиг.1 изображен гидравлический бурильный яс (в продольном разрезе): переводник для соединения с колонной бурильных труб, верхняя часть трубчатого корпуса, клапанный модуль, средняя и нижняя части трубчатого корпуса, полый вал, установленный внутри трубчатого корпуса и клапанного модуля.
На фиг.2 изображен элемент I на фиг.1 клапанного модуля: корпус клапанов, корпусной переходник, внутри размещены клапанное седло, распорная втулка, первый и второй кольцевые клапаны, в каждом из которых установлен ограничивающий механизм сообщения жидкости с камерой для жидкости, полый вал, проходящий через камеру для жидкости.
На фиг.3 изображен элемент II на фиг.2 клапанного модуля: корпус клапанов, внутри размещены первый и второй кольцевые клапаны, в каждом из которых установлен ограничивающий механизм сообщения жидкости с камерой для жидкости, распорная втулка, клапанное седло, полый вал, проходящий через камеру для жидкости.
На фиг.4 изображен элемент III на фиг.1 трубчатого корпуса и установленного внутри первого поршня с первым уплотнителем, скрепленного с верхней частью полого вала.
На фиг.5 изображен элемент IV на фиг.1 трубчатого корпуса и второго поршня со вторым уплотнителем, выполненного за одно целое с полым валом, между торцами шлицов полого вала и ударником размещено ударное кольцо.
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия состоит из трубчатого корпуса 1 и полого вала 2, телескопически соединенных между собой, трубчатый корпус 1 выполнен из частей 3, 4, 5, 6, содержит резьбу 7 со стороны первого края 8, в средней части 5 трубчатого корпуса 1 содержит внутренний выступ-наковальню 9, а со стороны второго края 10 содержит шлицы 11 на внутренней поверхности части 6 трубчатого корпуса 1, а также содержит уплотнитель 12 части 6 трубчатого корпуса 1, при этом поз.13 - переводник для соединения с нижней частью верхней колонны бурильных труб, показано на фиг.1.
Полый вал 2 выполнен из частей 14 и 15, содержит со стороны первого края 8 трубчатого корпуса 1 первый поршень 16 с первым уплотнителем 17, ударники 18, 19, размещенные на части 14 полого вала 2 между внутренним выступом-наковальней 9 средней части 5 трубчатого корпуса 1 и выступом-наковальней 20 части трубчатого корпуса 1, со второго края 10 трубчатого корпуса 1 содержит второй поршень 21, выполненный за одно целое с частью 14 полого вала 2, второй поршень 21 выполнен со вторым уплотнителем 22, образующие камеру 23, заполненную рабочей жидкостью - маслом 24, например, трансмиссионным маслом SAE W80-140, часть 15 полого вала 2 содержит резьбовой хвостовик 25 и шлицы 26 на наружной поверхности части 15, при этом наружная поверхность части 15 полого вала 2 выполнена с покрытием из твердого сплава, показано на фиг.1, 4, 5.
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия содержит два ограничивающих механизма 27 и 28 сообщения рабочей жидкости -масла 24 с камерой 23 для жидкости 24, показано на фиг.1, 2, 3.
Ограничивающий механизм 27 сообщения жидкости 24 с камерой 23 для жидкости 24 выполнен в виде пояска 29 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2, а также первого кольцевого клапана 30, который установлен в камере 23 рабочей жидкости 24 с частью 14 полого вала 2, проходящей через камеру 23 рабочей жидкости 24, внутренняя поверхность 31 первого кольцевого клапана 30 плотно контактирует с соответствующим пояском 29 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2, при этом в первом кольцевом клапане 30 установлено первое клапанное устройство 32, ограничивающее течение рабочей жидкости - масла 24 в направлении по стрелке 33, показано на фиг.2, 3.
Торец 34 первого кольцевого клапана 30 плотно контактирует с торцом 35 части трубчатого корпуса 1, показано на фиг.2, 3.
Когда торец 34 первого кольцевого клапана 30 (из бронзы) не прижат давлением рабочей жидкости 24 к торцу 35 части трубчатого корпуса 1, рабочая жидкость 24 может перетекать (при обратном ходе) через циркуляционные отверстия 36 кольцевого клапана 30 для быстрого выравнивания давлений рабочей жидкости 24 с разных сторон кольцевого клапана 30, показано на фиг.2, 3.
В первом кольцевом клапане 30 выше по потоку 33 перед первым клапанным устройством 32 размещен фильтр 37 из "спеченного" бронзового порошка, пористость 25-50%, полый винт 38 с внутренним шестигранником для циркуляции рабочей жидкости 24 в клапанном устройстве 32, показано на фиг.3.
Ограничивающий механизм 28 сообщения жидкости 24 с камерой 23 для жидкости 24 расположен в противоположном направлении (оппозитно) относительно ограничивающего механизма 27 сообщения рабочей жидкости 24 с камерой 23 для жидкости 24, по существу, в виде пояска 39 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2, а также второго кольцевого клапана 40, который установлен в камере 23 рабочей жидкости 24 с частью 14 полого вала 2, проходящего через внутреннюю полость, по существу, через камеру 23 рабочей жидкости 24, при этом внутренняя поверхность 41 второго кольцевого клапана 40 плотно контактирует с соответствующим пояском 39 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2, во втором кольцевом клапане 40 установлено в противоположном направлении, оппозитно клапанному устройству 32, второе клапанное устройство 42, ограничивающее течение жидкости 24 в направлении по стрелке 43, показано на фиг.3.
Когда торец 44 второго кольцевого клапана 40 (из бронзы) не прижат давлением рабочей жидкости 24 к торцу (не показанному) части трубчатого корпуса 1, рабочая жидкость 24 может перетекать (при обратном ходе) через циркуляционные отверстия 45 кольцевого клапана 40 для быстрого выравнивания давлений жидкости 24 с разных сторон кольцевого клапана 40, показано на фиг.3.
Во втором кольцевом клапане 40 выше по потоку 43 перед вторым клапанным устройством 42 размещен фильтр 44 из "спеченного" бронзового порошка, пористость 25-50%, полый винт 45 с внутренним шестигранником для циркуляции рабочей жидкости - масла 24 в клапанном устройстве 42, показано на фиг.3.
Первое клапанное устройство 32, расположенное в первом кольцевом клапане 30, ограничивает по расходу (дросселирует) течение рабочей жидкости 24 по стрелке 33 в противоположном направлении относительно течения жидкости 24 по стрелке 43 во втором клапанном устройстве 42, расположенном во втором кольцевом клапане 40, показано на фиг.2, 3.
Гидравлический бурильный яс двухстороннего действия содержит клапанный модуль 46, включающий корпус 47 клапанов и корпусной переходник 48, скрепленные между собой резьбой 49, внутри корпуса 47 клапанов размещены клапанное седло 50, распорная втулка 51, а также первый кольцевой клапан 30 и второй кольцевой клапан 40, при этом клапанный модуль 46 скреплен с частями 3 и 4 трубчатого корпуса 1 резьбами, соответственно 52 и 53, внутри части 3 трубчатого корпуса 1 установлен первый поршень 16 с первым уплотнителем 17 и, соответственно, второй поршень 21, выполненный за одно целое с частью 14 полого вала 2, со вторым уплотнителем 22, показано на фиг.1, 2, 3.
В каждом кольцевом клапане 30 и 40 установлено, по меньшей мере, одно клапанное устройство, соответственно 32 и 42 (может быть установлено по два клапанных устройства, соответственно 32 и 42), ограничивающих течение (расход) рабочей жидкости - масла 24 внутри камеры 23 рабочей жидкости 24 в одном направлении, например, 33 или 43, показано на фиг.1, 2, 3.
Первое клапанное устройство 32, расположенное в первом кольцевом клапане 30, ограничивает по расходу (дросселирует) течение рабочей жидкости 24 по стрелке 33 в противоположном направлении относительно течения жидкости 24 по стрелке 43 во втором клапанном устройстве 42, расположенном во втором кольцевом клапане 40, и образует с частью 14 полого вала 2, проходящей через внутреннюю полость клапанного модуля 46, центральную часть 54 камеры 23, заполненной рабочей жидкостью - маслом 24, показано на фиг.1, 2, 3.
Корпус 47 клапанов выполнен с внутренним кольцевым поясом 55, торец 56 внутреннего кольцевого пояса 55 направлен в сторону торца 35 корпусного переходника 48 (части трубчатого корпуса 1), распорная втулка 51 установлена с осевым люфтом 5 мм, равным сумме двух зазоров 56 (2,5 мм) и 57 (2,5 мм) между первым и вторым кольцевыми клапанами, соответственно 30 и 40, клапанное седло 50 выполнено с собственным уплотнителем 58, контактирующим с внутренней поверхностью 59 корпуса 47 клапанов, и установлено между торцом 56 внутреннего кольцевого пояса 55 корпуса 47 клапанов и торцом 44 второго кольцевого клапана 40, показано на фиг.1, 2, 3.
Между внутренней поверхностью 60 распорной втулки 51 и наружной поверхностью 61, расположенной между поясками 29, 39 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2, образован сквозной кольцевой канал 62, показано на фиг.2, 3.
Между внутренней поверхностью пояска 63 клапанного седла 50 и пояском 39 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2 образован сквозной щелевой канал 64, показано на фиг.1.
Торец 34 первого кольцевого клапана 30 плотно контактирует при действии давления рабочей жидкости - масла 24 в направлении 33 с направленным к нему торцом 35 корпусного переходника 48 (части трубчатого корпуса 1), торец 44 второго кольцевого клапана 40 плотно контактирует при действии давления рабочей жидкости - масла 24 в направлении 43 с направленным к нему торцом 65 клапанного седла 50, показано на фиг.2, 3.
Часть 3 трубчатого корпуса 1, предназначенная для установки первого поршня 16 с первым уплотнителем 17, образующая с частью 14 полого вала 2 камеру 23, заполненную рабочей жидкостью - маслом 24, выполнена с гладкой бесступенчатой полостью (без внутренних буртов) и имеет диаметр 66, Д, показано на фиг.1.
Часть 4 трубчатого корпуса 1, предназначенная для установки второго поршня 21 со вторым уплотнителем 22, образующая с частью 14 полого вала 2 камеру 23, заполненную рабочей жидкостью - маслом 24, выполнена с гладкой бесступенчатой полостью (без внутренних буртов) и также имеет одинаковый диаметр 66, Д, показано на фиг.1.
Корпус 47 клапанов и корпусной переходник 48 снабжены кольцевыми уплотнителями 67 из эластомера, установленными в кольцевых канавках 68 перед входным витком 69 наружной резьбы 49, показано на фиг.2, 3.
Между торцами 70 шлицов 26 на наружной поверхности части 15 полого вала 2 и направленным к шлицам 26 ударником 18 части 14 полого вала 2 размещено ударное кольцо 71, где поз.72 - торец ударного кольца 71, показано на фиг.5.
Кроме того, поз.73 - резьбовые пробки в местах с наибольшей толщиной стенки для заливки рабочей жидкости 24, трансмиссионного масла SAE W80-140 в камеру 23 рабочей жидкости 24; поз.74 - направление потока бурового раствора внутри переводника 13, предназначенного для соединения с нижней частью верхней колонны бурильных труб, а также внутри трубчатого корпуса 1, корпусного переходника 48, корпуса 47 клапанов и полого вала 2, при этом поз.75 - шлицевая буферная камера рабочей жидкости 24, расположенная между уплотнителем 12 части 6 полого корпуса 1 и уплотнителем 22 поршня 21 части 14 полого вала 2, также заполненная рабочей жидкостью 24, трансмиссионным маслом SAE W80-140, показано на фиг.1.
Ниже представлены значения параметров гидравлического бурильного яса двухстороннего действия RJ-2H-110.800, имеющего наружный диаметр 110 мм, которые приведены в таблице.
№ п/п
Наименование параметра или размера
Значения параметра
1
Максимальный наружный диаметр, мм
110
2
Минимальный внутренний диаметр, мм
50
3
Длина полного хода, мм
635±10
4
Длина свободного хода вверх, мм
200±10
5
Длина свободного хода вниз, мм
200±10
6
Максимально допустимая растягивающая (сжимающая) нагрузка, передаваемая на детали яса во время гидравлической задержки, кгс, не менее
31700
7
Время гидравлической задержки (в обоих направлениях), секунд
30…120
8
Давление рабочей жидкости во время гидравлической задержки, кгс/см<sup>2</sup>, не более
1300
9
Максимально допустимая растягивающая нагрузка, передаваемая на детали яса, кгс, не менее
139000
10
Максимально допустимый крутящий момент, передаваемый на детали яса, кгс-м, не менее
1500
11
Присоединительные резьбы по API Spec 7-2 (СТП 002-2009)
NC 31 (3-86)
12
Длина (в растянутом положении), м, не более
7,2
13
Масса, кг, не более
300
14
Температура применения, °С, не более
130
15
Межремонтный период, часов ниже стола ротора
500
Камеры 23 для рабочей жидкости 24 через резьбовые отверстия под пробки 73 заполняют рабочей жидкостью 24 (трансмиссионным маслом SAE W80-140), производят прокачку рабочей жидкости 24 для удаления воздуха, затем производят затяжку пробок 73.
Определяют лучшее положение яса в компоновке низа бурильной колонны, при этом учитывают технологические факторы, например, ожидаемый тип прихвата (за счет перепада давления или механический), траекторию и угол наклона ствола скважины, конфигурацию забойной компоновки, давление насоса, коэффициент плавучести бурового раствора, величину предельной нагрузки на долото, допустимое усилие натяжения бурильной колонны, предел прочности бурильной трубы.
Гидравлический бурильный яс соединяют резьбой 7 части 3 трубчатого корпуса 1 с переводником 13, переводник 13 соединяют с низом верхней части колонны бурильных труб, применяемой при бурении нефтяной скважины, а резьбовым хвостовиком 25 полого вала 2 соединяют с верхом нижней части колонны бурильных труб, которая располагается ниже яса. Гидростатическое давление бурового раствора внутри полого вала 2 и трубчатого корпуса 1, подаваемого от устья скважины к долоту в направлении 73, при бурении героторным винтовым гидравлическим двигателем (с вращением колонны бурильных труб) составляет 35÷45 МПа.
Гидравлический бурильный яс работает от движения бурильной колонны в направлении вверх или вниз. Величина ударной силы, направленной вверх, прямо пропорциональна прилагаемому усилию натяжения.
Движение яса на начальной стадии сдерживается гидравлической парой: ограничивающим механизмом 27 сообщения жидкости 24 с камерой 23 для жидкости 24, выполненным в виде пояска 29 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2, а также первого кольцевого клапана 30, который установлен в камере 23 рабочей жидкости 24 с частью 14 полого вала 2, проходящей через камеру 23 рабочей жидкости 24, внутренняя поверхность 31 первого кольцевого клапана 30 плотно контактирует с пояском 29 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2, при этом в первом кольцевом клапане 30 установлено первое клапанное устройство 32, ограничивающее течение рабочей жидкости - масла 24 в направлении по стрелке 33, и поддерживается до тех пор, пока в бурильной колонне не будут созданы требуемые растягивающие напряжения. Стадия свободного перемещения деталей внутри яса предназначена для релаксации напряжений, по существу, для резкого снятия части растягивающих напряжений, накопленных в натянутой колонне бурильных труб.
Такое снятие напряжений 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 гидравлического бурильного яса.
Обычно для сосредоточения большой массы непосредственно над ясами, т.е. там, где достигается максимальная скорость при высвобождении яса или завершении стадии его свободного перемещения, используют утяжеленные бурильные трубы (УБТ).
Волна напряжения в колонне бурильных труб возникает в результате резкой остановки движущейся массы муфт и УБТ, при этом кинетическая энергия переходит в энергию напряженного состояния.
Волна напряжения одновременно движется вверх к муфтам и УБТ и вниз к точке прихвата. Волна напряжения, которая передается вверх к муфтам или тяжелому весу, будет двигаться вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например перехода от муфты к тяжелому весу и УБТ. Тогда она будет отражена вниз.
Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает места прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки. Обычно, чем больше ударный импульс, приложенный к месту прихвата, тем меньше ударная нагрузка. При этом, чем сильнее динамический удар, тем меньше ударный импульс. Необходимы и удар, и импульс.
Для мгновенного высвобождения прихвата требуется определенная ударная сила. В то время, когда ударная сила превосходит силу прихватывания, импульс удара вызывает проскальзывание места прихвата. Ударная сила является главным фактором. В наилучшем соотношении необходим определенный динамический удар с достаточным ударным импульсом, по существу, со сверхвысокой ударной мощностью.
Оптимальное местоположение гидромеханического яса - над переходной зоной, однако яс можно опустить и ниже переходной зоны.
Гидравлический бурильный яс спускают в скважину с таким количеством УБТ, которое обеспечивает необходимую нагрузку на долото и обеспечивает расположение яса над переходной зоной.
Нагрузку на долото подбирают, добавляя или удаляя УБТ под гидравлическим бурильным ясом, и при этом сохраняя над ясом вес, достаточный для обеспечения эффективного удара ясом.
При освобождении прихвата в скважине идет циркуляция бурового раствора, перепад давления на долоте создает усилие, растягивающее яс, при этом учитывают силу запуска насоса, так как это сокращает усилие, необходимое для нанесения удара ясом вверх, и увеличивает требуемое усилие для нанесения удара в направлении вниз.
Для компенсации потерь трения о стенки скважины изогнутой колонны бурильных труб в наклонно направленной скважине создают дополнительное усилие натяжения колонны бурильных труб, величину компенсации учитывают показаниями индикатора нагрузки на долото во время спусков и подъемов до прихвата бурильной колонны, при этом вес свободной колонны - это вес части колонны, расположенной над ясом.
Нанесение динамических ударов ясом в направлении вверх:
Для удара вверх прикладывают нагрузку вычисленной величины, а затем включают при помощи компьютера тормоз буровой лебедки. Трубчатый корпус 1, соединенный с переходником 13 и верхней частью колонны бурильных труб, при натяжении верхней части колонны бурильных труб вытягивается из полого вала 2, который соединен с нижней частью колонны бурильных труб, застрявшей в наклонном и (или) горизонтальном участке нефтяной скважины.
Поршень 16 с уплотнителем 17, образующие камеру 23, заполненную рабочей жидкостью 24, трансмиссионным маслом SAE W80-140, создают сверхвысокое давление, по существу 124,5 МПа, в камере 23 рабочей жидкости, расположенной выше кольцевого клапана 30, по существу между кольцевым клапаном 30 и поршнем 16 с уплотнителем 17, при этом торец 44 кольцевого клапана 40 плотно прижимается под действием давления рабочей жидкости 24 к торцу клапанного седла 50, выполненного с собственным уплотнителем 58, контактирующим с внутренней поверхностью 59 корпуса 47 клапанов, и установленного между торцом 56 внутреннего кольцевого пояса 55 корпуса 47 клапанов и торцом 44 второго кольцевого клапана 40.
При этом торец 34 первого кольцевого клапана 30 (из бронзы) не прижат давлением рабочей жидкости 24 к торцу 35 части трубчатого корпуса 1, рабочая жидкость 24 может перетекать через циркуляционные отверстия 36 кольцевого клапана 30 для быстрого выравнивания давления рабочей жидкости 24 с разных сторон кольцевого клапана 30, а рабочая жидкость 24 во время движения полого корпуса 1 при натяжении верхней части колонны бурильных труб не может перетекать через циркуляционные отверстия 45 кольцевого клапана 40.
При срыве края пояска увеличенного диаметра 29 полого вала 2 с края внутренней поверхности 41 кольцевого клапана 40 происходит гидравлический удар рабочей жидкости 24 в полость, расположенную ниже кольцевого клапана 40, по существу, в полость между кольцевым клапаном 40 и клапаном 21 части 14 полого вала 2 с уплотнениями 22, с использованием эффекта "внезапного расширения", с минимальными потерями давления и образованием сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими на место прихвата колонны, при этом торец 9 части 5 трубчатого корпуса 1 наносит удар по торцу 72 ударного кольца 71, установленного между торцами 70 шлицов 26 на наружной поверхности части 15 полого вала 2 и направленным к шлицам 26 ударником 71 части 14 полого вала 2.
Натянутая колонна бурильных труб в течение, например, 45 мс, теряет упругие напряжения растяжения, а в бурильных трубах и соединениях бурильных труб возникает эффект релаксации упругих напряжений растяжения.
Волна напряжения одновременно движется вверх к муфтам и УБТ и вниз к точке прихвата. Волна напряжения, которая передается вверх к муфтам или тяжелому весу, двигается вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например перехода от муфты к тяжелому весу и УБТ, затем она отражается вниз.
Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает места прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки.
После нанесения удара в направлении вверх опускают бурильную колонну до тех пор, пока индикатор нагрузки не покажет величину меньше, чем вес свободной колонны. Яс готов к следующему циклу или можно возобновить бурение.
Нанесение динамических ударов ясом в направлении вниз:
Подъемным устройством на буровой установке натягивают колонну бурильных труб и "бросают" ее вниз, сообщая колонне импульс удара, направленный сверху вниз.
Трубчатый корпус 1, соединенный с переходником 13 и верхней частью колонны бурильных труб, при перемещении вниз верхней части колонны бурильных труб вдавливается в полый вал 2, который соединен с нижней частью колонны бурильных труб, застрявшей в наклонном и (или) горизонтальном участке нефтяной скважины.
Поршень 21 с уплотнителем 22, образующие камеру 23, заполненную рабочей жидкостью 24, трансмиссионным маслом SAE W80-140, создают сверхвысокое давление, по существу 124,5 МПа, в камере 23 рабочей жидкости 24, расположенной ниже кольцевого клапана 30, по существу между кольцевым клапаном 30 и поршнем 21 с уплотнителем 22, при этом торец 34 кольцевого клапана 30 плотно прижимается под действием давления рабочей жидкости 24 к торцу 35 корпусного переходника 48, снабженного кольцевыми уплотнителями 67 из эластомера, установленными в кольцевых канавках 68 перед входным витком 69 наружной резьбы 49.
При этом торец 44 второго кольцевого клапана 40 (из бронзы) не прижат давлением рабочей жидкости 24 к торцу 65 клапанного седла 50, рабочая жидкость 24 может перетекать через циркуляционные отверстия 45 кольцевого клапана 40 для быстрого выравнивания давления рабочей жидкости 24 с разных сторон кольцевого клапана 40, а рабочая жидкость 24 во время движения полого корпуса 1 при перемещении вниз верхней части колонны бурильных труб и вдавливания в полый вал 2, который соединен с нижней частью колонны бурильных труб, застрявшей в наклонном и (или) горизонтальном участке нефтяной скважины, не может перетекать через циркуляционные отверстия 36 первого кольцевого клапана 30.
При срыве края пояска увеличенного диаметра 39 полого вала 2 с края внутренней поверхности 31 кольцевого клапана 30 происходит гидравлический удар рабочей жидкости 24 в полость, расположенную выше кольцевого клапана 30, по существу, в полость между кольцевым клапаном 30 и клапаном 16 полого вала 2 с уплотнениями 17, с использованием эффекта "внезапного расширения", с минимальными потерями давления и образованием сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими на место прихвата колонны.
При этом ударный торец 20 выступа-наковальни 20 части трубчатого корпуса 1, по существу, торец 20 корпуса 47 клапанов наносит удар по внутреннему выступу-наковальне 19 на части 14 полого вала 2 при контролируемом соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вниз на место прихвата колонны и (или) на долото.
Волна напряжения одновременно движется вниз к точке прихвата и вверх к муфтам и УБТ. Волна напряжения, которая передастся вверх к муфтам или тяжелому весу, двигается вверх до тех пор, пока не достигнет места изменения сечения, например перехода от муфты к тяжелому весу и УБТ, затем она отражается вниз.
Волна напряжения, которая первоначально двигалась вниз от яса, достигает места прихвата и отражается назад вверх. Через некоторое время комбинация волн напряжения в месте прихвата определяет величину максимальной прикладываемой нагрузки.
Для того чтобы снова произошло нанесение динамического удара, поднимают бурильную колонну до тех пор, пока индикатор нагрузки не зафиксирует увеличение веса выше веса свободной колонны.
Выполнение гидравлического бурильного яса таким образом, что содержит клапанный модуль 46, включающий корпус 47 клапанов и корпусной переходник 48, скрепленные между собой резьбой 49, внутри корпуса 47 клапанов размещены клапанное седло 50, распорная втулка 51, а также первый кольцевой клапан 30 и второй кольцевой клапан 40, клапанный модуль 46 скреплен с частями 3 и 4 трубчатого корпуса 1 резьбами, соответственно 52 и 53, внутри части 3 трубчатого корпуса 1 установлен первый поршень 16 с первым уплотнителем 17 и, соответственно, второй поршень 21, выполненный за одно целое с частью 14 полого вала 2, со вторым уплотнителем 22, при этом в каждом кольцевом клапане 30 и 40 установлено, по меньшей мере, одно клапанное устройство, соответственно 32 и 42 (может быть установлено по два клапанных устройства, соответственно 32 и 42), ограничивающих течение (расход) рабочей жидкости - масла 24 внутри камеры 23 рабочей жидкости 24 в одном направлении, при этом первое клапанное устройство 32, расположенное в первом кольцевом клапане 30, ограничивает по расходу течение рабочей жидкости 24 по стрелке 33 в противоположном направлении относительно течения жидкости 24 по стрелке 43 во втором клапанном устройстве 42, расположенном во втором кольцевом клапане 40, и образует с частью 14 полого вала 2, проходящей через внутреннюю полость клапанного модуля 46, центральную часть 54 камеры 23, заполненной рабочей жидкостью - маслом 24, при этом корпус 47 клапанов выполнен с внутренним кольцевым поясом 55, торец 56 внутреннего кольцевого пояса 55 направлен в сторону торца 35 корпусного переходника 48 (части трубчатого корпуса 1), распорная втулка 51 установлена с осевым люфтом, равным сумме двух зазоров 56 и 57 между первым и вторым кольцевыми клапанами, соответственно 30 и 40, клапанное седло 50 выполнено с собственным уплотнителем 58, контактирующим с внутренней поверхностью 59 корпуса 47 клапанов, и установлено между торцом 56 внутреннего кольцевого пояса 55 корпуса 47 клапанов и торцом 44 второго кольцевого клапана 40, между внутренней поверхностью 60 распорной втулки 51 и наружной поверхностью 61, расположенной между поясками 29, 39 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2, образован сквозной кольцевой канал 62, между внутренней поверхностью пояска 63 клапанного седла 50 и пояском 39 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2 образован сквозной щелевой канал 64, повышает ресурс и надежность, обеспечивает образование сверхвысокой ударной мощности в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх и вниз на место прихвата колонны, предотвращает неожиданную активизацию и самопроизвольное нанесение ударов гидравлического яса при ударах вверх и вниз, повышает точность времени "задержки", создаваемого гидравликой, и уменьшает потери давления при сбросе давления рабочей жидкости из камеры высокого давления за счет увеличения рабочей площади первого и второго поршней, размещения первого и второго кольцевых клапанов в клапанном модуле и снижения давления рабочей жидкости для предотвращения деформации и смятия поясков увеличенного диаметра полого вала, проходящего через внутреннюю полость клапанного модуля.
При этом снижается "чувствительность" к загрязнению масла в клапанных устройствах 27, 28 первого и второго кольцевых клапанов 30, 40 за счет продувки и "самоочищения" жиклеров 32, 42 клапанных устройств 27, 28 при повторном динамическом ударе и сбросе давления рабочей жидкости - масла 24 из камеры 23 высокого давления через щелевой канал 64 между внутренней поверхностью пояска 63 клапанного седла 50 и пояском 39 увеличенного диаметра части 14 полого вала 2.
2
2
Для повышения запаса прочности полого вала 2 от действия давления рабочей жидкости внутри яса обеспечивается возможность увеличения уплотнительных диаметров 66, Д в подвижных соединениях поршня 16 с уплотнением 16 внутри части 3 трубчатого корпуса, а также поршня 21 с уплотнением 22 с 85 мм до 90 мм. Это позволило снизить на 17% максимально допустимое давление 1245 кгс/см, которое создается в ясе во время гидравлической задержки внутри клапанного модуля 46. На ясе - прототипе максимальное допустимое давление, которое создается в ясе во время гидравлической задержки, составляет 1500 кгс/см.
При этом увеличен наружный диаметр 29, 39 полого вала 2 с 63,5 мм до 66 мм для повышения прочности и жесткости полого вала 2. В результате толщина стенки полого вала 2 была увеличена с 6,75 мм до 8,35 мм (на 18%), что позволило исключить отказы ясов по причине деформации и смятия поясков 29, 39 увеличенного диаметра полого вала 2, проходящего через камеру 23 рабочей жидкости 24 внутри клапанного модуля 46.
За все время эксплуатации гидравлических бурильных ясов двухстороннего действия RJ-2H-110.800 не зафиксировано случаев повреждения или отказа в работе, при этом суммарная наработка составила 15000 часов ниже стола ротора по результатам эксплуатации за период с 2008 г. по 2012 г.
Ресурс гидравлического бурильного яса составляет более 600 часов при проходке сложных искривленных скважин с большим коэффициентом трения, где трудно создать необходимое для перезарядки яса осевое усилие, например, в скважинах, имеющих боковые горизонтальные стволы длиной 750 метров при глубине скважин 4000 метров, при этом прихваты в скважинах ликвидировались, а максимальное время работы яса в скважине составляло непрерывно 60 часов и за это время им производилось более 600 ударов.
Изобретение повышает ресурс и надежность освобождения застрявшей бурильной колонны в скважине, образует сверхвысокую ударную мощность в стволе скважины при оптимальном соотношении между ударной нагрузкой и ударным импульсом, воздействующими вверх и вниз на место прихвата бурильной колонны, предотвращает неожиданную активизацию и нанесение ударов при бурении, спусках и подъемах бурильной колонны, повышает точность нагрузки, направленной вверх и вниз.