АДАПТИВНЫЙ ВИБРОГАСИТЕЛЬ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ
ADAPTIVE VIBRATION DAMPER OF TORSIONAL OSCILLATIONS

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и предназначено для гашения крутильных вибраций (stick-slip motion) бурильного инструмента в скважине в целях предотвращения самопроизвольного увеличения числа оборотов двигателя и скручивания буровой колонны в целом. Предлагаемое изобретение может быть использовано при проводке прямых и наклонных нефтяных и газовых скважин, а благодаря концентрации подводимой энергии на забой и обеспечению оптимального режима работы забойного двигателя позволяет повысить показатели бурения, время работы долота и увеличить ресурс забойного двигателя.
Известен демпфер, содержащий корпус, рабочая полость которого заполнена жидкой средой, и расположенный внутри корпуса маховик с равномерно расположенными по окружности сквозными вырезами, в которых закреплены грузики с возможностью радиального перемещения, грузики закреплены посредством пружин, прижимающих их к центру вращения маховика, и крышек с обеих сторон маховика, для перемещения грузиков в радиальном направлении в крышках выполнены трапециевидные направляющие (Патент РФ №2405991 С1, дата приоритета 13.04.2009, дата публикации 10.12.2010, авторы: Абдуллин А.Л. и др., RU).
К недостаткам известного демпфера относятся: ступенчатое регулирование демпфирующих характеристик устройства, нарушающее плавный ход работы оборудования, к тому же, пружины с грузами являются колеблющейся системой, что создает дополнительные колебания устройства в радиальном направлении, прижатие пружинами не является надежным, велика вероятность поломки; невозможность изменения характеристик устройства вручную сужает его рабочий диапазон; присутствует большая площадь контакта трения, тепло от которой передается рабочей жидкости, что уменьшает ее вязкостные характеристики; внушительное количество деталей снижает надежность системы.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является динамический виброгаситель крутильных колебаний, содержащий корпус с расположенным внутри него маховиком, в теле которого закреплены грузы. Маховик выполнен в виде системы двухзвенника, состоящей из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов, с одного конца входящих в массу-шарнир, с другого, посредством приваренного кронштейна и проушин, в грузы, выполненные в виде цилиндрических сегмент-планок, между которыми вставлены эластичные элементы, отстоящие совместно с грузами от шайб с маховой массой в виде полого цилиндра на зазор Δ. Крепление двухтрубного амортизатора выполнено с наличием стяжной шпильки (Патент РФ №2536302, МПК F16F 15/31, опубл. 23.07.13
Недостаткам прототипа является низкая эффективность, обусловленная недостаточным распределением осевой и вращательной вибронагрузки на двухтрубные амортизаторы, а также невозможность регулировки положения цилиндрических сегмент-грузов.
Технической проблемой является повышение эффективности гашения крутильных вибраций буровых колонн путем создания адаптивного виброгасителя, увеличение надежности конструкции адаптивного виброгасителя и повышение показателей бурения скважин.
Для решения технической проблемы предложен адаптивный виброгаситель крутильных колебаний, представляющий собой центробежный регулятор, включающий двухзвенники с верхним и нижним амортизаторами, между которыми встроен масса-шарнир, образующие маховик, установленный на бурильной трубе. Новым является то, что адаптивный виброгаситель содержит дополнительные горизонтально расположенные амортизаторы, каждый из которых соединен с одного конца с масса-шарниром, а другой конец соединен с бурильной трубой. Верхний и нижний амортизаторы двухзвенников расположены в одной вертикальной плоскости и установлены в шарнирных узлах, жестко закрепленных на бурильной трубе. Масса-шарнир выполнен в виде сборочного узла, который содержит цилиндрический шарнир, установленные на нем элементы вилочно-щарнирных соединений с ним верхнего и нижнего амортизаторов, сборочное кольцо, насаженное на цилиндрический шарнир в центральной его части с фиксацией и снабженное резцом, установленным с возможностью контактирования со стенкой скважины.
Согласно изобретению, сборочное кольцо содержит сегментную часть, закрепленную на цилиндрическом шарнире со стороны буровой колонны при помощи болтов, а также сборочную часть кольца, состоящую из втулки и крышки, состыкованных между собой при помощи соединения «шип-паз» и образующих внутренний канал, представляющий собой дорожку качения, с поочередно установленными в нем шарами и пружинами, причем, крышка и втулка разделены на две части, и втулка снабжена резьбовым отверстием, с возможностью установки резца.
На фиг. 1 схематично представлен адаптивный виброгаситель крутильных колебаний, общий вид; на фиг. 2 изображен вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 3; на фиг. 5 - узел I на фиг. 3 при уменьшении числа оборотов бурильной колонны.
Адаптивный виброгаситель крутильных колебаний представляет собой центробежный регулятор, включающий двухзвенники с верхним и нижним амортизаторами 1, между которыми при помощи вилочно-шарнирных соединений 2 встроен масса-шарнир 3, образующие маховик, закрепленный на бурильной трубе 4. Верхний и нижний амортизаторы 1 установлены на бурильной трубе 4 при помощи приваренного кронштейна 5 с проушиной 6. Также устройство содержит горизонтально расположенные амортизаторы 7, каждый из которых соединен с одного конца с масса-шарниром 3, а другой конец соединен с бурильной трубой 4 с помощью патрубков 8 по типу муфтового соединения. Масса-шарнир 3 выполнен в виде сборочного узла, который содержит цилиндрический шарнир 9, установленные на нем элементы вилочно-шарнирных соединений 2 с ним верхнего и нижнего амортизаторов 1. Также масса-шарнир содержит сборочное кольцо 10, которое установлено в проточке 11 цилиндрического шарнира 9, выполненной в центральной его части с возможностью фиксации в проточке 11. Сборочное кольцо 10 содержит сегментную часть 12, закрепленную на цилиндрическом шарнире 9 со стороны бурильной трубы 4 при помощи болтов 13, а также - сборочную часть кольца, которая состоит из втулки 14 и крышки 15, состыкованных между собой при помощи соединения «шип-паз» и образующих внутренний канал 16, представляющий собой дорожку качения, с поочередно установленными в нем шарами 17 и пружинами 18. При этом втулка 14 и крышка 15 разделены на две части. Втулка 14 снабжена резьбовым отверстием 19, в которое установлен резец 20, имеющий возможность контактирования со стенкой скважины и отклонения от горизонтальной плоскости за счет элементов 17, 18, установленных в канале 16 сборочной части кольца.
Адаптивный виброгаситель крутильных колебаний работает следующим образом:
Устройство крепят к бурильной трубе 4 посредством сварки, затем спускают в скважину. Промывочную жидкость подают по бурильным трубам в затрубное пространство. При вращении буровой колонны, бурильная труба 4 сохраняет крутильную энергию до тех пор, пока приложенный крутящий момент не превысит общий статический момент трения на компоновке низа буровой колонны. Так как при вращении статическое трение выше динамического трения, запасенная энергия в бурильной трубе передается инерционной энергии на компоновку низа буровой колонны. Затем скорость вращения буровой колонны становится быстрее, чем стационарная скорость вращения вала забойного двигателя, что влечет за собой возникновения крутильных колебаний. В процессе бурения сопротивление породы резанию и разрушению преодолевается за счет крутящего момента и осевой нагрузки, приложенных к установленным в сборочной части кольца резцам 20. При работе без вибраций резцы 20 внедрены на глубину h, а при увеличении числа оборотов буровой колонны увеличивается рычаг R двухзвенников, соответственно масса-шарниры 3 перемещаются к периферии и углубляют резцы 20 в стенку скважины на величину hmax, как показано на фиг. 3, тем самым, увеличивая момент сопротивления движению колонны. При уменьшении числа оборотов буровой колонны рычаг R двухзвенников уменьшается, соответственно масса-шарниры 3 перемещаются к бурильной трубе 4, уменьшая глубину внедрения резцов 20 в положение hmin, как показано на фиг. 5, причем, положение двухзвенников также стабилизируется за счет амортизаторов 7. При спуско-подьемных операциях резцы 20 выходят из зацепления с породой за счет смещения шаров 17 и пружин 18, поочередно установленных в каналах 16 сборочной части кольца, тем самым, преобразуя плавное отклонение резцов 20 от горизонтальной плоскости.
Таким образом, при использовании изобретения достигается технический результат, который заключается в повышении эффективности адаптивного виброгасителя крутильных колебаний, расширении функциональных возможностей, увеличении надежности бурового оборудования, входящего в состав компоновки низа буровой колонны, а также в снижении числа отказов работы забойного двигателя при бурении нефтяных и газовых скважин.