ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УДАРНОЕ УСТРОЙСТВО
HYDRAULIC IMPACT DEVICE

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для бурения мелких скважин в твердых породах или разрушения цементных и пропановых пробок.
Известен гидроударник (см. а.с. СССР №1539303, МКл. E21B 4/14, опубл. 30.01.90 г., Бюл. №4), предназначенный для разрушения плотных пробок при спуске в скважину на бурильных трубах.
Устройство состоит из разъемного корпуса, гидравлического цилиндра, распределительной камеры в верхней части. В цилиндре размещен ступенчатый поршень, связанный с бойком и тягой, подпружиненной относительно поршня.
В нижней части крышки имеется стакан со сливными выпускными окнами. Клапанный узел выполнен в виде полой втулки с осевым отверстием для перемещения тяги. Втулка установлена с возможностью взаимодействия нижнего и верхнего седел с тягой.
К недостаткам конструкции устройства можно отнести следующее:
- отсутствует передача ударной нагрузки от бойка на породоразрушающий элемент из-за того, что последний жестко связан с корпусом, который, в свою очередь, жестко связан с колонной бурильных труб. Это снижает эффективность ведения процесса разрушения преграды;
- нет прямого потока рабочей жидкости, направленного на породоразрушающий инструмент для его охлаждения и очистки;
- при малом расходе и давлении промывочной жидкости эффективность процесса будет резко снижена из-за возможности генерации ударного импульса малой мощности и снижения силы ударного воздействия на породу.
Известен гидроударник для создания высоконапорных импульсных струй на забое скважины (см. РЖ, Серия «Бурение», вып.5, М., ВНИИОЭНГ, 1982 г., с.13-14).
Гидроударник состоит из корпуса, в осевом канале которого размещен ударник с полым клапаном. Ударник пружиной поджимается к торцовой части наковальни, в свою очередь, также поджатой пружиной. Наковальня снабжена шаровым обратным клапаном и промывочными каналами для обеспечения гидравлической связи внутренней полости корпуса с окружающим пространством.
В верхней перегородке выполнен дросселирующий канал для снижения пика высокого давления.
На нижнем конце наковальни закреплено долото.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести следующее:
- устройство предназначено для работы с насосными агрегатами, имеющими большие расходы промывочной жидкости при достаточно высоких значениях давления подачи;
- для эффективной работы устройства необходимо иметь жесткие возвратные пружины, способные воспринимать большие осевые нагрузки;
- наличие промежуточной детали для передачи ударной нагрузки на долото - это потеря гидравлической мощности.
При возвратно-поступательном перемещении ударника имеет место подсос пластовой (скважинной) жидкости вместе со шламом внутрь устройства через промывочные каналы с их забиванием.
Это приводит к изменению их сечения и увеличению их гидравлического сопротивления, что приводит к ухудшению работы устройства.
Известна погружная ударная машина (см. пат. РФ №2097520, МПК E21B 4/14, E21C 3/24, опубл. 27.11.1997 г.), состоящая из корпуса с гильзой, ударника с осевым сквозным каналом, разделяющим полость корпуса на рабочие камеры прямого и обратного хода, ступенчатым питающеразрядным клапаном, образующим с корпусом и переходником надклапанную полость. Ударник выполнен ступенчатым, с головкой и штоком, с ограниченной ступенью ударника камерой обратного хода, расположенной в зоне размещения штока, ограниченной ступенью головки ударника и постоянно соединенной каналами в гильзе с надклапанной полостью. Ударник выполнен ступенчатым и со штоком.
Недостатки конструкции следующие.
- Сила удара зависит от площади сечения ударника, воспринимающего перепад давления, и его массы.
При ограниченных диаметральных размерах конструкции масса гидроударника имеет ограниченное значение.
- Передача ударной нагрузки на породоразрушающий элемент происходит через промежуточное звено - хвостовик, что снижает эффективность генерации удара и его передачу на хвостовик, с которым связано долото.
Известна конструкция гидроударного устройства, описание которого в Трудах НПО «Бурение», вып.15, «Современная техника и технология заканчивания скважин и бурение боковых стволов», Краснодар, 2006 г., с.363-371 - прототип.
Гидроударное устройство состоит из корпуса, связанного через гидроцилиндр с соединительным патрубком, в котором установлен кольцевой поршень. В гидроцилиндре установлен кольцевой поршень с полым штоком, пропущенным в осевой канал корпуса.
Нижний конец полого штока, снабжен механизмом разрушения горных пород, включающим дроссельную шайбу с осевым каналом, перекрытым, в исходном положении, подпружиненным толкателем. В средней части разъемного корпуса установлено седло, к которому пружиной поджат торцовый клапан, связанный патрубком с внутренней коронкой. Нижний конец разъемного корпуса снабжен верхней коронкой.
Осевой канал толкателя снабжен шаровым обратным клапаном. Осевой канал полого штока постоянно гидравлически связан дроссельным каналом, в теле дроссельной шайбы, с кольцевой камерой между стенкой разъемного корпуса и толкателем.
Кольцевая камера связана через продольные пазы в теле седла с кольцевой камерой между разъемным корпусом и патрубком.
Поджим торцового клапана к седлу регулируется гайкой, снабженной калиброванными отверстиями, соединяющими кольцевую камеру с полостью скважины.
Осевой канал толкателя постоянно гидравлически связан с осевым каналом патрубка и осевым каналом в теле внутренней коронки.
Полость кольцевой камеры, под кольцевым поршнем, постоянно гидравлически связана с полостью скважины радиальным отверстием в теле гидроцилиндра.
Устройство работает следующим образом.
Устройство устанавливается на нижний конец бурильной колонны и опускается в скважину на заданную глубину.
Осуществляют подачу рабочей жидкости, с заданным расходом и давлением, которая поступает по осевому каналу соединительного патрубка и полого штока и, далее, через дроссельные каналы в теле дроссельной шайбы и продольные пазы в теле седла подается к калиброванным отверстиям в теле регулировочной гайки с воздействием струей рабочей жидкости на поверхность преграды, которой может быть горная порода или цемент.
Поскольку расход рабочей жидкости, подаваемой по бурильной колонне труб, принимается больше суммарного расхода, через калиброванные отверстия в теле регулировочной гайки, то происходит плавный рост давления в осевом канале бурильной колонны труб и внутри устройства.
При расчетном перепаде давления, воспринимаемого площадью толкателя, последний выходит из торцового контакта с дроссельной шайбой и воздействует на торцовый клапан, что приводит к его отрыву от седла, с образованием гидравлической связи кольцевой камеры с осевым каналом патрубка.
Рабочая жидкость, с увеличенным расходом, поступает по осевому каналу патрубка и, далее, через отверстия в коронке подается в скважину.
При отрыве торцового клапана от седла происходит его резкое перемещение вниз со сжатием возвратной пружины и механическим ударным воздействием зубьями внутренней коронки на поверхность разрушаемой преграды.
При открытом торцовом клапане и превышении расхода рабочей жидкости, вытекающей из устройства, над расходом рабочей жидкости, подаваемой с поверхности в бурильную колонну, в гидравлическом канале устройства происходит падение давления, что способствует возврату торцового клапана на седло, усилием предварительно сжатой пружины. Толкатель входит в торцовый контакт с поверхностью шайбы дроссельной.
При поглощении рабочей жидкости пластом и снижении скорости восходящего потока в межтрубном пространстве осложняется процесс выноса механических частиц горной породы на поверхность. В этом случае переключают насосный агрегат на обратную подачу рабочей жидкости.
Рабочая жидкость с механическими частицами подается через центральное отверстие коронки в осевые каналы патрубка и толкателя и, далее, через открытый шаровой клапан подается в осевой канал соединительного патрубка, откуда подается в осевой канал бурильной колонны труб.
После промывки - удаления механических частиц переключают насосный агрегат на прямую подачу рабочей жидкости с повторением процесса гидромеханического воздействия на горную породу.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести следующее:
- наличие постоянной гидравлической связи через каналы дроссельной шайбы и отверстия в регулировочной гайке, приводит к постоянной нерациональной утечке части объема рабочей жидкости, что при использовании насосных агрегатов с малым расходом рабочей жидкости может привести к резкому снижению частоты ударов и снижению эффективности процесса;
- устройство предназначено только для генерации гидродинамических импульсов.
Анализ технических решений, отобранных из научно-технической и патентной литературы, показал, что известен гидроударник для создания высоконапорных струй на забое скважины (см. «Испытания гидроударника ГЛПО172 усовершенствованной конструкции», Кичигин А.В., Назаров В.И., РНТС, Серия «Бурение», вып.6, М., ВНИИОЭНГ, 1981 г.), где применен полый клапан. Ударник поджимается к торцовой части наковальни пружиной, которая снабжена шаровым обратным клапаном и промывочными каналами, для гидравлической связи внутренней полости корпуса с полостью скважины. В верхней перегородке выполнен дросселирующий канал.
Известна конструкция гидродинамического пульсатора давления (см. «Интенсификация притока углеводородов к скважине, с использованием гидродинамического воздействия», В.И.Марьянчик, А.В.Минеев, Журнал «Территория нефтегаз», №9, М., 2009 г, с.73), в котором реализован принцип торцового взаимодействия подпружиненного толкателя с подпружиненным поршнем.
Известен гидроударник (см. пат. США, НКл 173/17, Мкл. H01B 17/54, №4084646, от 19.02.76, опубл. 18.04.78 г.), в конструкции которого реализован принцип взаимодействия удлинителя, снабженного долотом, через шлицевое соединение с корпусом для передачи крутящего момента. Распределитель снабжен калиброванным жиклером (дросселем). Есть гидравлическая связь кольцевых камер с полостью высокого давления и попеременно - с полостью низкого давления.
На основе проведенных патентных исследований нами не обнаружено устройств, в которых реализован принцип генерации ударных импульсов, при полном перекрытии подачи рабочей жидкости в скважину, в момент накопления упругого объема. При срабатывании устройства на удар реализован принцип ступенчатой передачи давления на рабочий орган через промежуточный элемент - подпружиненный торцовый клапан.
Из вышесказанного можно сделать вывод, что предлагаемое к патентованию устройство соответствует критерию - «изобретательский уровень».
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- возможность генерации ударных импульсов, достаточных для разрушения горной породы, при малом расходе рабочей жидкости и малых диаметральных размерах устройства;
- возможность одновременно передачи крутящего момента на породоразрушающий инструмент;
- повышение надежности работы устройства за счет принудительной передачи давления рабочей жидкости на механизм разрушения и подачи ее с максимальным расходом на породоразрушающий инструмент.
Технический результат достигается с помощью предлагаемого устройства, устанавливаемого в составе бурильной колонны труб.
Технический результат достигается тем, что устройство снабжено стаканом с седлом в осевом канале, установленным в разъемном корпусе с образованием между ними кольцевой камеры, и подпружиненным кольцевым поршнем с полым штоком, в осевом канале которого выполнен внутренний кольцевой выступ, образующим со стаканом кольцевую камеру, гидравлически связанную радиальным отверстием с кольцевой камерой, образованной стаканом и разъемным корпусом.
Седло снабжено продольными пазами на внутренней поверхности, с подпружиненным ступенчатым толкателем в осевом канале, установленным с возможностью опоры на кольцевой упор, в осевом канале подпружиненного торцового клапана, установленного с возможностью кинематического взаимодействия с кольцевым поршнем и кольцевым выступом полого штока, с образованием камеры, гидравлически связанной радиальным каналом с кольцевой камерой под кольцевым поршнем.
Стакан снабжен клапаном, установленным в расточке на торцовой поверхности, в месте выполнения дросселя, с его частичным перекрытием. Дроссель выполнен с возможностью связи осевого канала переходника с кольцевой камерой между стаканом и разъемным корпусом. Подпружиненный торцовый клапан снабжен отверстием, выполненным с возможностью связи дренажной камеры, в теле кольцевого поршня, с его осевым каналом. Полый шток снабжен удлинителем с присоединительной резьбой и поверхностью (в виде квадрата или шестигранника), аналогичной сечению отверстия гайки.
Конструкция гидравлического ударного устройства (далее, гидроударник) поясняется нижеследующими чертежами, где:
на фиг.1 - конструкция гидроударника в разрезе, в исходном положении деталей;
на фиг.2 - конструкция гидроударника в положении открытия торцового клапана и подачи давления рабочей жидкости на кольцевой поршень;
на фиг.3 - конструкция гидроударника в разрезе, в положении деталей в момент нанесения удара, при наличии гидравлической связи осевого канала бурильной колонны труб с полостью скважины.
Гидроударник состоит из разъемного корпуса 1, с верхним переводником 2 и нижней гайкой 3.
Внутри разъемного корпуса 1 установлен стакан 4, с образованием между ними кольцевой камеры 5, гидравлически связанной дросселем 6, с осевым каналом 7 переводника 2. Внутри стакана 4 установлен кольцевой поршень 8, связанный жестко с полым штоком 9, пропущенным через осевой канал гайки 10, связанной со стаканом 4.
Кольцевой поршень 8 с полым штоком 9 образуют с телом стакана 4 кольцевую камеру 11, связанную через радиальное отверстие 12 с кольцевой камерой 5, и опираются напружину 13.
В осевом канале стакана 4 установлено седло 14.
В осевом канале полого штока 9 выполнен внутренний кольцевой выступ 15 и установлен ступенчатый торцовый клапан 16, поджимаемый к седлу 14 пружиной 17.
Ступенчатый торцовый клапан 16 в месте перехода образует камеру 18, гидравлически связанную радиальным каналом 19 с кольцевой камерой 11 под кольцевым поршнем 8. В месте посадки ступенчатого торцового клапана 16 на седло 14 последний образует с кольцевым поршнем 8 дренажную камеру 20, гидравлически связанную, через отверстие 21 в теле ступенчатого торцового клапана 16, с его осевым каналом, в котором установлено опорное кольцо 23. В осевой канал седла 14 и ступенчатого торцового клапана 16 пропущен толкатель 22, с опорой на опорное кольцо 23, подпружиненный пружиной 24 относительно седла 14.
В месте взаимодействия седла 14 с поверхностью толкателя 22, на ее внутренней поверхности, выполнен ряд продольных пазов 25 для передачи давления рабочей жидкости на ступенчатый торцовый клапан 16 со стороны осевого канала 7 переводника 2. В месте расположения дросселя 6, в теле седла 14, выполнена кольцевая проточка 26, в которой установлен клапан 27, частично перекрывающий площадь сечения дросселя 6.
К нижнему концу полого штока 9 присоединен удлинитель 28, пропущенный в осевой канал, квадратного сечения, нижней гайки 3. На наружной поверхности удлинителя 28 установлена гайка регулировочная 29, опирающаяся на пружину 30. Внутри тела удлинителя 28 выполнена присоединительная резьба 31 для установки породоразрушающего инструмента, например долота.
Кольцевой зазор между стаканом 4 и внутренней поверхностью разъемного корпуса 1 перекрыт уплотнительными кольцами 32. Кольцевой зазор между кольцевым поршнем 8 и внутренней поверхностью стакана 4 перекрыт уплотнительными кольцами 33.
Дренажная камера 20 изолирована уплотнительными кольцами 34 и 35. Кольцевой зазор между толкателем 22 и внутренней поверхностью ступенчатого торцового клапана 16 перекрыт уплотнительным кольцом 36.
Кольцевой зазор между полым штоком 9 и гайкой 10 перекрыт уплотнительными кольцами 37.
Площадь сечения торцового клапана 16 со стороны дренажной камеры 20 принята равной площади сечения торцового клапана 16 со стороны осевого канала 7 переводника 2.
Частичное перекрытие сечения дросселя 6 клапаном 27 позволяет, с расчетным расходом, подавать рабочую жидкость внутрь кольцевой камеры 5. Верхний переводник 2 снабжен внутренней присоединительной резьбой 37 для присоединения к нижнему концу бурильной колонны труб.
Гидроударник работает следующим образом.
К нижнему концу удлинителя 28 к присоединительной резьбе 31 подсоединяется породоразрушающий инструмент.
Устройство в сборе, присоединительной резьбой 37 на переводник 2, подсоединяется к нижнему концу бурильной колонны труб и вводится в скважину. Подсоединяют насосный агрегат и сообщают вращательное движение. При подаче рабочей жидкости в осевой канал 7 переводника 2 она через дроссель 6 поступает в кольцевую камеру 5 и через радиальное отверстие 12 подается в кольцевую камеру 11. Из кольцевой камеры 11 рабочая жидкость через радиальный канал 19 подается в камеру 18 под ступенчатым торцовым клапаном 16.
При подъеме давления в осевом канале 7 переходника 2 последнее воспринимается ступенчатым торцовым клапаном 16, который поджимается к седлу 14 пружиной 17.
Площадь восприятия перепада давления, действующего на ступенчатый торцовый клапан 16 сверху, равна площади сечения со стороны камеры 18.
Перепад давления рабочей жидкости в осевом канале 7 переходника 2 воспринимается площадью сечения толкателя 22, который перемещается вниз, относительно седла 14, и входит в торцовый контакт с опорным кольцом 23, жестко связанным с торцовым клапаном 16, со сжатием пружины 24. При определенном осевом усилии торцовый клапан 16 выходит из взаимодействия с седлом 14 и избыточным давлением рабочей жидкости, действующим на всю площадь поперечного сечения, резко перемещается вниз относительно кольцевого поршня 8.
Избыточное давление рабочей жидкости действует на всю площадь поперечного сечения кольцевого поршня 8, который резко перемещается вниз, вместе с полым штоком 9 и удлинителем 28, с воздействием породоразрушающим элементом на горную породу.
При открытии торцового клапана 16 рабочая жидкость поступает в дренажную камеру 20, откуда через отверстие 21 поступает в осевой канал 22 и, далее, через осевой канал в удлинителе 28 подается через промывочные отверстия в долоте в полость скважины.
Одновременно рабочая жидкость из камеры 18 вытекает через радиальный канал 19 в кольцевую камеру 11 и, далее, через радиальный канал 12 подается в кольцевую камеру 5. Из кольцевой камеры 5 рабочая жидкость свободно вытекает через дроссель 6 с открытием клапана 27 в осевой канал 7 переходника 2.
Давление рабочей жидкости в осевом канале 7 переходника 2 падает.
Толкатель 22, усилием сжатой пружины 24, возвращается в исходное положение. Усилием сжатой пружины 13 кольцевой поршень 8, вместе с полым штоком 9 и удлинителем 28, возвращаются в исходное положение. Подача рабочей жидкости в осевой канал ступенчатого торцового клапана 16 прекращается.
Клапан 27 вводится в кольцевую проточку 26, в стакане 4, с частичным перекрытием сечения дросселя 6. Рабочая жидкость заполняет кольцевую камеру 5, кольцевую камеру 11 и камеру 18.
Вновь происходит подъем давления в осевом канале бурильной колонны труб и осевом канале 7 переходника 2 с повторением процесса.
При генерации ударов одновременно осуществляют передачу крутящего момента на разъемный корпус 1, тем самым обеспечивается эффективное разрушение горной породы.