ЯС С ТОКОПОДВОДОМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОБУРА
JAR WITH CURRENT LEAD FOR ELECTRIC DRILL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Настоящее изобретение относится к области бурения скважин с использованием электрического привода для вращения долота. Изобретение предназначено для освобождения прихваченного участка бурильной колонны в скважине путем создания ударной волны и распространение ее к месту прихвата, а также передачи высокого напряжения к забойному электродвигателю через встроенный механизм токоподвода.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Из существующего уровня техники известен яс для освобождения бурильных труб, в случае прихвата. Такие ясы способны наносить, сильные удары направленные как вверх, так и вниз по бурильной колонне. По принципу действия они делятся на: гидравлические, механические и гидромеханические. Последнее время все больше пользуются спросом односекционные гидромеханические бурильные ясы двойного действия. Такой яс сочетают в себе конструктивные особенности гидравлического и механического яса. В данной конструкции механическая часть предназначена для нанесения ударов сверху - вниз и освобождения нижней части колонны прихваченных труб. Для этого применяется ударный инструмент с фрикционным спусковым механизмом (защелкой). Регулируя усилия срабатывания защелки можно увеличивать или уменьшать силу удара. Однако усилие защелки регулируются (тарируется) перед спуском яса в скважину и не может быть изменено в процессе работы яса на забое. Другой целью защелки является предотвращение нежелательного срабатывания яса во время бурения или спуско-подъемных операций (СПО). Нанесение удара происходит за счет освобождения накопленной энергии сжатых бурильных труб при разблокировании защелки. В средней части гидромеханического яса находиться гидравлическая часть, служащая для нанесения ударов снизу-вверх и освобождения верхней части прихваченной колонны. Основным узлом гидравлического механизма является вал с кольцевым поршнем, перемещающийся внутри гидравлического цилиндра. Данный цилиндр заполнен маслом и имеет разный внутренний диаметр. В узкой части гидравлического цилиндра движение кольцевого поршня затрудненно. Из-за небольшого кольцевого зазора масло очень медленно перетекает из одной полости в другую. Когда вал с поршнем движется вверх под действием натяжения бурильной колонны, происходит временная задержка. В течение временной задержки яса колонна труб упруго деформируется (растягивается). При выходе кольцевого поршня в широкую часть гидравлического цилиндра движение резко увеличивается. Ударник вала, набрав мгновенную скорость, ударяется в верхний внутренний выступ корпуса наковальни. Возникает ударная волна, направленная по бурильным трубам в место прихвата. Варьируя натяжением колонны можно изменять силу удара, что является главным преимуществом гидравлического механизма перед механическим. Для передачи крутящего момента бурильной колонне полый вал и корпус яса входит в подвижное шлицевое соединение, предусматривающее взаимное осевое перемещение соединяемых деталей. Внутренние полости гидравлического и механического механизма заполнены маслом, что снижает износ рабочих деталей (Г. Кемп: Ловильные работы в нефтяных скважинах, техника и технология, Москва «Недра», 1990, стр. 32-39).
В российском патенте представлен гидромеханический бурильный яс, состоящий также из гидравлической и механической рабочей пары, с улучшенными конструктивными особенностями, направленными на повышение надежности работы ресурса яса. Одной из таких конструктивных особенностей является, увеличение ударной мощности яса, за счет размещения в нем двух радиальных опор скольжения корпуса и одной радиальной опоры скольжения вала. Другой особенностью является повышение точности времени задержки (времени дросселирования) перетекания объема масла в камере гидравлического цилиндра во время перезарядки яса. Благодаря наличию в кольцевом поршне одного или более перепускных клапанов, возможно, устанавливать расчетное усилие натяжения бурильной колонны. Следующей конструктивной особенностью является размещение в балансировочном кольцевом поршне уплотнительных колец из эластомера, которые снижают вероятность проникновение бурового раствора при возвратно-поступательном движении штока. Несмотря на все конструктивные улучшения, недостатком данного яса является, невозможность применения его с электробуром, из-за отсутствия в нем токоподвода (RU №2540372 С2, опуб. 10.02.2015).
Наиболее близким к заявленному техническому решению представлен дизайн яса с встроенной пассивной линией связи, т.е. не требующей передачи электрического тока. Данная линия связи служит для высокоскоростного обмена данных скважинных приборов с наземным оборудованием. В качестве линии связи предлагается использовать бронированный коаксиальный кабель, вставленный в эластичную, нержавеющую спиральную защитную трубку высокого давления, напоминающую пружину. Спиральная защитная трубка размещается между корпусом и валом, в верхней части яса. Форма спирали обеспечивает удлинение или сжатие коаксиального кабеля, а также сохранение его прочности во время работы яса (при выдвижении или сжатии вала). Другая цель защитной трубки - это обеспечение герметичности кабеля от проникновения жидкости во внутреннюю полость трубки. Недостатком данного технического решения является невозможность передачи высокого напряжения к скважинному электродвигателю. В случае замены коаксиального кабеля на силовой кабель, диаметр спиральной трубки значительно увеличивается, что приведет к возрастанию наружного диаметра самого яса. Кроме этого, эластичность силового кабеля намного ниже, чем коаксиального, что может вызвать преждевременный выход его из строя (USA №6991035 В2, опуб. 01.31.2006).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
Цель изобретения - создание яса с токоподводом для трехфазного забойного электродвигателя и обеспечение бесперебойной передачи высокого напряжения к нему за счет встроенных врубных контактов, выполненных из отдельных неподвижных ламелей расположенных в три ряда (в одном ряду четыре ламеля), под углом 120 градусов в корпусе яса, в которые входят три подвижных клинообразных контактных ножа, расположенных между шлицами полого вала яса; во избежание электрического пробоя, внутренняя полость заполнена диэлектрическим трансформаторным маслом.
Другая цель изобретения - создать прочную электрическую цепь при возвратно-поступательном движении вала яса, которая смогла бы уменьшить механический износ контактных поверхностей за счет применения сплава меди или металлокерамики, на основе меди с антикоррозионным покрытием, и могло бы не допустить ослабление пружинящих свойств губок ламелей при перегреве и частых включениях электрического тока, за счет встроенных стальных пружин.
Гидромеханический яс с токоподводом состоит из полого вала с накрученным переводником в верхней части, вставленный в подвижное шлицевое соединение в корпус яса, в нижней части которого, накручен другой переводник. Переводники необходимы для присоединения яса с бурильной колонной. Полый вал представляет собой секционную толстостенную трубу, скрученную между собой трапецеидальной резьбой. Сквозное отверстие вала предназначено для циркуляции бурового раствора (промывочной жидкости). Трубный корпус выполнен также из частей, скрученных между собой трапецеидальной резьбой.
Верхняя часть корпуса содержит торцевой уплотнитель, шлицевое соединение и механизм токоподвода. Шлицевое соединение обеспечивает передачу вращения вала на корпус яса и далее к забойному оборудованию, при этом вал имеет свободное осевое перемещение внутри корпуса. Механизм токоподвода выполнен в виде трех клинообразных контактных ножей, расположенных между шлицами вала под углом 120 градусов относительно друг друга. Расположенные в корпусе ламели (клеммы), обеспечивают постоянный прижимной контакт за счет упругих свойств пружины. Силовые жилы трехфазного кабеля проходят внутри стенки полого вала, концы которых припаиваются к соответствующим контактным ножам. Далее высокое напряжение от контактных ножей переходит к ламелям, к которым также припаяны другие жилы силового кабеля, размещенные в стенке корпуса яса. Контактный нож способен передвигаться прямолинейно относительно ламелей. Многоконтактное соприкосновение ламелей обеспечивает непрерывную, устойчивую электрическую цепь.
В средней части корпуса выточены внутренние выступы наковальни, с размещенным между ними ударником вала. При ударе ударника об верхний или нижний край наковальни создается ударная волна, распространяющаяся далее по бурильной колонне. В этой секции также имеется гидравлический цилиндр с подвижным кольцевым поршнем, работающий в масленой среде. За счет разности диаметра в гидравлическом цилиндре, скорость движения кольцевого поршня меняется. В результате чего происходит временная задержка. Регулированием натяжения колонны бурильных труб можно увеличивать или уменьшать интервал временной задержки. В кольцевом поршне установлен, по меньшей мере, один перепускной клапан, ограничивающий течение масла в одном направлении. Эта функция необходима для быстрого перетока масла с одной части поршня в другую при перезарядке яса.
В нижней части корпуса размещен фрикционный спусковой механизм (защелка) с тарельчатыми пружинами и регулировочными кольцами. Регулировочные кольца тарируют усилия сжатия пружины для срабатывания защелки. Однако регулировка осуществляется заранее, на рабочей площадке, пока инструмент не спущен в скважину. Другая функция защелки - блокировка полого вала относительно корпуса во время бурения или СПО. За счет этого обеспечивается продолжительный срок службы яса и создается безопасные условия труда на буровой площадке во время наращивания. Кроме этого, для выравнивания скважинного давления с давлением внутри яса, вставлен балансировочный кольцевой поршень «плавающего» типа. Данный поршень имеет внутри и снаружи уплотнительные кольца, предотвращающие проникновению промывочной жидкости внутрь корпуса.
Внутренняя полость яса имеет дополнительно два торцевых уплотнения, которые разделяют яс на три рабочие камеры. Каждая камера заполняется разным по своим свойствам маслом. Заправка камер осуществляется через резьбовые отверстия в корпусе. После чего, в отверстия закручиваются защитные пробки для герметизации камер от проникновения промывочной жидкости.
Как было упомянуто выше, гидромеханический яс приводиться в действие за счет натяжения или сжатия бурильной колонны. При натяжении бурильной колонны превышающей фрикционное усилие - защелка резко освобождается от зацепления. Затем наступает время гидравлической задержки. Наличие временной задержки является эффективным инструментом при ликвидации прихватов. Чем сильнее растягивается бурильная колонна, тем больше сжимается масло в гидравлическом цилиндре и тем более мощной создается сила удара. При сжатии колонны сила удара направленная вниз, зависит только от фрикционных усилий срабатывания защелки. Значение фактической силы удара яса зависит от многих факторов, таких как плотность бурового раствора, силы трения о стенки скважины, массы утяжеленных бурильных труб (УБТ) и длины хода яса. Кроме этого, для повышения эффективности применения яса, особенно при проведении работ в сильно искривленных профилях скважины, над УБТ рекомендуется устанавливать усилитель ударной нагрузки, интенсификатор или акселератор.
Для более полного понимания настоящего изобретения ниже приведено подробное описание устройства, со ссылкой на прилагаемые чертежи.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ:
На фиг. 1 изображен продольный разрез гидромеханического бурильного яса с токоподводом.
На фиг. 2 представлен фронтальный разрез А-А шлицевого соединения с тремя врубными контактами.
На фиг. 3 показан увеличенный вид ламеля с клинообразным контактным ножом. На фиг. 4 изображен боковой вид одного врубного контакта в сборе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
На фиг. 1 изображен гидромеханический яс с токоподводом, который состоит из подвижного полого вала 1, вставленного в маслонаполненный корпус 2 с уплотнительными элементами 3. Внутреннее отверстие вала предназначено для циркуляции бурового раствора. Корпус разделен на три рабочие камеры: шлицевая камера с механизмом токоподвода I, камера ударника и наковальни с гидроцилиндром II, и камера с фрикционным спусковым механизмом (защелка) III. Полости между корпусом и валом рабочих камер заполнены разными по своим свойствам маслами. Уплотнительные элементы между камерами предотвращают утечку масла из наполненных полостей и попадание в них промывочной жидкости при бурении или нанесении ударов в процессе прихвата колонны. Для заправки камер маслом имеется пять резьбовых отверстий с герметичными резьбовыми пробками 4.
Секционный полый вал соединяется между собой трапецеидальной резьбой. К верхней части вала прикручивается переводник бурового замка 5 с муфтовой резьбой. Корпус состоит из трубных частей, также соединенных трапецеидальными соединительными резьбами. Для предотвращения попадания промывочной жидкости через резьбовые соединения, имеются резиновые уплотнительные кольца. Нижняя часть корпуса оканчивается муфтовой резьбой, к которой прикручивается переводник 6 с ниппельной резьбой бурового замка. Переводники необходимы для скручивания яса с колонной бурильных труб.
В верхней части корпуса установлены торцевые уплотнители для герметизации внутренней полости яса от попадания бурового раствора. Кроме этого, в этой камере находится подвижное шлицевое соединение, полого вала с корпусом. Данное соединение предназначено для передачи крутящего момента бурильной колонне и обеспечения беспрепятственного возвратно-поступательного движения вала. Также, в верхней части корпуса расположены неподвижные контактные ламели 7 в три ряда, под углом 120 градусов. Симметрично им, между шлицами на верхней поверхности полого вала, встроены три клинообразных контактных ножа 8, входящих в плотное соединение с ламелями. В результате многоточечного контакта ламелей с подвижной поверхностью лезвия ножа, обеспечивается стабильный электрический контакт. Силовые жилы трехфазного кабеля 9 проходят внутри стенки полого вала и внутри стенки корпуса яса, концы которых припаиваются к соответствующим контактным ножам и к рядам врубных контактов (ламелей). Для изоляции врубных электрических контактов, внутренняя полость камеры заполнена диэлектрическим трансформаторным маслом.
Средняя часть корпуса содержит верхний 10 и нижний 11 выступы наковальни с размещенным между ними ударником 12, ниже которого размещен кольцевой поршень 13, перемещающейся внутри гидравлического цилиндра. Такой цилиндр имеет разный внутренний диаметр и заполнен вязким трансмиссионным маслом. В нейтральном положении кольцевой поршень находится в узкой части цилиндра. При создании усилия натяжения бурильной колонны сначала защелка освобождается от зацепления, затем вал яса медленно начинает перемещаться вверх. Вследствие небольшого кольцевого зазора, переток масла затруднен. Процесс медленного перемещения вала, относительно корпуса, продолжается до того момента, когда кольцевой поршень переместиться в зону большего диаметра для перетока масла. За время медленного перемещения (10-40 секунд) устанавливается заданная растягивающая нагрузка бурильных труб над ясом. При входе кольцевого поршня в зону увеличенного диаметра растягивающая нагрузка на колонну труб освобождается. Набрав скорость, ударник резко ударяется в верхний внутренний выступ корпуса наковальни, создав ударную волну движущуюся вверх. Далее эта ударная волна передается по колонне бурильных труб к месту прихвата. Для повторного удара яс следует перезарядить. В это время бурильная колонна опускается вниз и вал задвигается в корпус яса. Встроенные в поршень перепускные клапана обеспечивают ускоренный переток масла из одной полости в другую. Количество повторных ударов не ограничивается, однако через каждый час непрерывной работы следует делать перерыв (30-40 минут) для охлаждения масла в полости гидроцилиндра. Большинство гидравлических ясов эффективно работает при температуре до 175°С, но можно использовать и термостойкое масло, выдерживающее более высокие температуры. Для компенсации давления, вследствие теплового расширения масла и предотвращения преждевременного разрушения торцевых уплотнений, в камере установлен температурный клапан 14.
Нижняя часть корпуса представлена в виде фрикционного спускового механизма (защелка). Данный механизм предназначен для освобождения нижней части колонны прихваченных труб путем нанесения ударов сверху-вниз, а также предотвращение нежелательного срабатывания яса во время бурения или СПО. Данный механизм состоит из фрикционной втулки 15, имеющей с внутренней стороны трапецеидальные впадины и выступы, и фрикционного сердечника 16 с аналогичными выступами и впадинами, выточенными на полом валу яса. Средний выступ и впадина выполнены большей ширины, для возможности возвращения защелки в нейтральное положение. При спуске яса в скважину и в процессе бурения фрикционная втулка находятся в плотном соприкосновении с фрикционным сердечником. В случае прихвата бурильной колонны создается сжимающая нагрузка на яс. Сначала силы трения удерживают сердечник во втулке, позволяя сжать бурильные трубы под ясом. Когда величина сжатия превышает силы трения для удержания фрикционного механизма, сердечник вырывается из втулки. В результате чего ударник яса резко ударяется об нижний внутренний выступ наковальни, создав ударную волну, движущуюся вниз. Трубы под ясом сжимаются, увлекая за собой корпус яса и нанося удар по прихваченному месту колонны. Регулируя усилие срабатывания фрикционного спускового механизма с тарельчатыми пружинами 17 и регулировочными кольцами 18, можно увеличить или уменьшить силу удара. Однако это возможно только перед спуском яса в скважину. Яс настраивают (тарируют) на расчетную величину, подбором регулировочных колец, создавая силу срабатывания защелки. Затем, данная камера заполняется трансмиссионным маслом.
К нижней части вала прикручивается защитное кольцо 19. Это кольцо предназначено для предотвращения налипания частиц бурового раствора (шлама) на внутренней поверхности стенки корпуса, при скольжении полого вала. Для герметизации расстояния между валом и корпусом вставляется балансировочный кольцевой поршень 20, имеющий возможность скольжения вдоль корпуса и вала яса. Данный поршень предназначен для выравнивания скважинного давления с давлением масла внутри яса, и необходим для предотвращения попадания промывочной жидкости внутрь. Для этого, в проточках с наружной и внутренней стороны поршня вставлены четыре уплотнительных кольца.
На фиг. 2 представлен фронтальный разрез шлицевого соединения вала 1 с корпусом 2 и встроенными врубными контактами. Верхняя поверхность полого вала имеет девять фрезерованных шлицов. Шлицы распределены в три ряда, по три шлица в каждом. Между рядами шлицов встроены три клинообразных контактных ножа 8, под углом 120 градусов относительно друг друга. В корпусе выточены внутренние шлицы, выполненные симметрично шлицам вала яса. Напротив клинообразных контактных ножей размещены ряды ламелей 7, в каждом ряде по четыре ламеля. При вставлении полого вала в корпус, шлицы входят в жесткое зацепление, при этом три клинообразных контактных ножа автоматически вклиниваются между губок ламелей. Непрерывное соприкосновение площадей электрических контактов ламелей при движении клинообразного ножа обеспечивается за счет упругих свойств металла ламелей и встроенных прижимных пружин 21. Рабочая среда электрического и механического механизмов заполнена диэлектрическим маслом, что снижает возникновение электрического пробоя и преждевременного износа металлических деталей. Три отдельных изолированных кабеля 9, проходящие в стенке вала и корпуса яса, припаиваются к соответствующим контактным элементам. Данное шлицевое соединение предназначено для передачи вращения от вала к корпусу яса и далее по бурильной колонне к породоразрушающему инструменту, при этом обеспечивая свободное осевое перемещение вала вверх или вниз при работе яса. Расположение, форма и количество шлицов в данном соединении может значительно меняться, и в первую очередь зависит от максимальной величины передачи крутящего момента.
На фиг. 3 показан увеличенный вид ламеля с клинообразным контактным ножом. Неподвижный ламель 7 выполнен в виде тонких медных пластин с закругленными концами, соединенных с токоведущей деталью 22, расположенной в стойке 23 из токонепроводящего кремнийорганического или другого материала. Напротив размещен на токонепроводящей вставке 24 подвижный контактный нож 8, выполненный в форме клина, для снижения вероятности перекоса лезвия при перегреве. Прижатие губок ламеля с поверхностью ножа осуществляется за счет соответствующей формы и упругих свойств материала. Дополнительно, для повышения контактного нажатия применяют стальные пружины 21, расположенные на крепежной шпильке 25, имеющей с обеих сторон регулировочные гайки 26. Для фиксации гайки в стационарном положении, а также исключение ее самопроизвольного откручивания во время вибрации и скважинных ударов, применяют разгибающие шплинты 27.
2
На фиг. 4 представлен боковой вид одного врубного контакта в сборе. Четыре ламеля 7, расположенные прямолинейно в корпусе 2, создают устойчивую многоконтактную площадь соприкосновения с поверхностью выдвигающего контактного ножа 8. Постоянный прижимной контакт обеспечивается за счет упругих свойств пружин и гарантирует непрерывную электрическую цепь. Для изоляции контактных элементов в теле трубного корпуса и полого вала 1 применяют крепежную стойку 23 и вставку 24, из токонепроводящего кремнийорганического материала. Силовые жилы трехфазного кабеля 9 проходят внутри стенки полого вала и внутри стенки корпуса яса, концы которых, припаиваются к контактному ножу и к токоведущей детали 22, на которой расположен врубной контакт (ламели). Толщина кабеля 9 зависит от мощности электродвигателя и как правило применяется медная жила, сечением 16 и 25 мм. Изоляция кабеля выполнена из полиэтилена высокой плотности и дополнительной оболочки из термоэластопласта, выдерживающая высокую температуру нагрева. Для предохранения кабеля и фиксации его неподвижно внутри стенки трубного корпуса или вала, пустоты заполняются жидким электро-, теплоизоляционным компаундом, который при застывании создает прочную конструкцию.
В зоне перехода тока от одного контакта к другому образуется электрическое сопротивление, называемое переходным сопротивлением контакта. Переходное сопротивление контакта зависит от: контактного нажатия, температуры рабочей среды, состояния контактной поверхности и свойств материала контакта. Поэтому электрические контакты, длительно работающие под высоким током и напряжением, изготавливают, как правило, из сплава меди или металлокерамик на основе меди. Однако в процессе длительного пребывания под током на поверхности замкнутых медных контактов возникают оксидные пленки, которые проникают к площадям контактирования и увеличивают переходное сопротивление. К тому же, повышение температуры ускоряет рост поверхностных оксидных пленок и приводит к преждевременному выходу контактов из строя. Для устранения этого эффекта, при помощи порошковой металлургии на рабочие поверхности медных контактов наносят антикоррозионные покрытия 28, например олово-висмут или другие сплавы. Данное покрытие обеспечивает высокую электропроводность, низкое значение переходного сопротивления и надежную защиту контактов от окисления. Кроме этого контакты находятся в масленой среде, что также снижает окисление контактов.
Приведенные выше подробные описания и чертежи являются иллюстративными и демонстрируют некоторые предпочтительные варианты осуществления изобретения. Должно быть ясно, что можно выполнять модификации и изменения устройства, описанного выше, в широком диапазоне без отхода от объема изобретения.