Амортизатор трубный

Полезная модель относится к горному делу, в частности к нефтедобывающей отрасли, и может быть использована для демпфирования осевых нагрузок на внутрискважинное оборудование при срабатывании перфораторов, спускаемых на насосно-компрессорных (НКТ) или бурильных трубах, в нефтегазодобывающих скважинах.
Известны амортизаторы удара (http://www.vnipivg.ru/files/production /Katalog_VNIPI_12.04.2018), которые устанавливают в компоновку колонны НКТ, на которой происходит спуск перфоратора в скважину, непосредственно над перфоратором. Предусмотрены две модификации, отличающиеся вариантом исполнения амортизирующих элементов: в АУ89 - резиновые втулки; в АУ89-01 - стальные тарельчатые пружины.
Сведения, представленные в каталогах, не дают четкого представления о конструкции устройства.
Известен демпфер продольных колебаний, включающий корпус, внутри которого с возможностью осевого перемещения размещены полый шток с полым поршнем. Верхняя и нижняя рабочие части поршня выполнены в форме усеченного конуса. Поршень с корпусом образует надпоршневую и подпоршневую полости, выполненные в виде внутренних и внешних камер. Внешние камеры выполнены меньшими по своему поперечному сечению, чем внутренние. Полость штока и поршня гидравлически связаны с внутренней камерой подпоршневой полости каналом, выполненным в основании нижнего усеченного конуса. Внешняя камера надпоршневой полости гидравлически связана с затрубным пространством каналом, выполненным в корпусе (см. патент RU №2158345, МПК E21B 17/07 (2000.01), 2000 г.).
У данного устройства ограниченная функциональная возможность, а именно низкая эффективность при использовании в случае применения совместно с прострелочно-взрывной аппаратурой, ввиду отсутствия демпфирующих элементов в конструкции.
Известен амортизатор штанговый, установленный между двумя штангами, который содержит цилиндрообразный корпус, выполненный с возможностью свинчивания со свободным концом одной штанги. В полости корпуса установлен шток, на теле которого закреплены тарельчатые пружины, собранные в отдельные пакеты. На одном конце шток снабжен с винтовой головкой для возможности свинчивания с муфтой, связанной со свободным концом другой штанги. Шток установлен в корпусе  с возможностью перемещения относительно корпуса и сжатия пакетов тарельчатых пружин (см. патент RU №63412, МПК E21B 17/05, 2007 г. «)
Данная конструкция предназначена для гашения циклических нагрузок, но не может быть использована для гашения взрывной нагрузки, поскольку возможно разрушение при взрывных нагрузках герметичного корпуса и тарельчатых пружин.
Известен амортизатор трубный, содержащий корпус с выполненными в нем отверстиями для перетекания жидкости. В корпусе установлен шток с пружиной, опирающейся на поршень, выполненный на толкателе, соединенном со штоком. Другим концом толкатель соединен с наконечником. Корпус амортизатора снабжен последовательно расположенными выше наконечника срезными винтами и разрывными мембранами. Отверстия для перетекания жидкости снабжены винтами-заглушками, причем суммарная площадь отверстий в корпусе выбрана обеспечивающей максимальное перемещение толкателя, не превышающее величину рабочего хода пружины сжатия (см. патент РФ №2704697, МПК E21B 17/07 (2006.01), 2019 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком устройства является сложность эксплуатации конструкции: необходимость предварительного выворачивания винтов-заглушек, а также невозможность амортизации в направлении вниз, т.к. устройство рассчитано только на работу при взрывной нагрузке, направленной вверх. Кроме того, площадь открытых отверстий может быть подобрана неверно, что, для повышения безопасности корпуса, вынуждает ввести в конструкцию предохранительные разрывные мембраны.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в повышении надежности работы и управляемости устройства при обеспечении гашения пиковых осевых нагрузок, направленных как вверх, так и вниз при срабатывании перфораторов и/или другой прострелочно-взрывной аппаратуры, спускаемой на насосно-компрессорных трубах (НКТ) или бурильных трубах, в нефтегазодобывающих скважинах.
Поставленная техническая проблема решается за счет того, что в амортизаторе трубном, содержащем полый корпус с отверстиями для перетекания жидкости, соединенный винтами срезными с кольцевым элементом, жестко соединенным с двумя полыми трубчатыми элементами (штангой и валом), расположенными внутри корпуса, и установленную в корпусе над кольцевым элементом пружину, в соответствии с полезной моделью, корпус выполнен по крайней мере с двумя вертикально удлиненными прорезями с расположенным в каждой из них фиксирующим элементом, закрепленным на кольцевом элементе, под которым установлена вторая пружина, корпус снабжен верхней и нижней крышками, служащими опорой для пружин, причем на внутреннем отверстии нижней крышки установлено уплотнительное кольцо.
Пружины выполнены в виде пакетов тарельчатых пружин.
Технический результат от использования всех существенных признаков предлагаемого технического решения заключается в повышении надежности работы устройства. Кроме того, такое решение позволяет добиться более мягкого гашения осевых нагрузок от продуктов взрыва при срабатывании перфораторов и действия ударной волны за счет четырехступенчатого демпфирования.
Выполнение корпуса как минимум с двумя вертикально удлиненными прорезями, в каждой из которых расположен фиксирующий элемент, закрепленный на кольцевом элементе, под которым установлена вторая пружина, и наличие в корпусе верхней и нижней крышек, служащих опорой для пружин, с установленным на внутреннем отверстии нижней крышки уплотнительным кольцом обеспечивает повышение надежности работы устройства, а также его управляемости.
Выполнение корпуса как минимум с двумя вертикально удлиненными прорезями, в каждой из которых расположен фиксирующий элемент, закрепленный на кольцевом элементе, позволяет придать конструкции устройства дополнительную жесткость, исключает предварительное нагружение пружин и колебания перфорационной сборки по оси скважины во время спуска и привязки, что значительно повышает надежность работы устройства. Этот результат обеспечивается при сохранении возможности вращать всю перфорационную сборку вместе со всей колонной НКТ как до, так и после перфорации, что позволяет ориентировать перфоратор для решения разных задач.
Установка под кольцевым элементом второй пружины и наличие в корпусе верхней и нижней крышек, служащих опорой для пружин также повышает надежность работы устройства, обеспечивая гашение пиковых осевых нагрузок, направленных как вверх, так и вниз при срабатывании перфораторов.
Уплотнительное кольцо, установленное на внутреннем отверстии нижней крышки, при совместном перемещении корпуса и крышек относительно полых трубчатых элементов (штанги и вала) и кольцевого элемента, связанного с ними, позволяет обеспечить герметичность внутренней полости корпуса, а также дополнительно гасит перемещения за счет трения колец и полых трубчатых элементов, повышая надежность работы устройства.
Дополнительно нагрузка гасится при дросселировании жидкости через отверстия, выполненные в корпусе.
Таким образом, обеспечивается четырехступенчатое демпфирование нагрузки, что значительно повышает надежность работы устройства.
Фиг. 1 - общий вид амортизатора трубного.
Фиг. 2 - вид сбоку на амортизатор.
Фиг. 3 - сечение В-В фиг. 1 в увеличенном масштабе.
Фиг. 4 - вид А фиг. 2.
Фиг. 5 - вид Б Фиг. 2.
Амортизатор трубный состоит из:
1 - корпуса,
2 - крышки нижней,
3 - крышки верхней,
4 - первого полого элемента - штанги,
5 - второго полого элемента - вала,
6 - кольцевого элемента,
7 - муфты,
8 - фиксирующего элемента,
9 - винта срезного,
10 - винтов фиксирующих,
11 - первой и второй пружин тарельчатых,
12 - кольца уплотнительного.
Амортизатор трубный содержит полый корпус 1 с верхней 3 и нижней 2 крышками, соединенными с ним с помощью резьбового соединения и винтов фиксирующих 10, предотвращающих возможность поворота полого корпуса относительно верхней 3 и нижней 2 крышек и отсоединение корпуса 1 (см. фиг. 1). Корпус 1 с верхней 3 и нижней 2 крышками установлен с возможностью совместного перемещения относительно двух полых трубчатых элементов (штанги 4 и вала 5) и кольцевого элемента 6, жестко соединенного с указанными полыми элементами.  Крышка нижняя 2, корпус 1 и крышка верхняя 3 жестко соединены с нижней компоновкой колонны НКТ и перфоратором. Корпус 1 срезными винтами 9 соединен с кольцевым элементом 6 (см. фиг. 1, 3).
В верхней и нижней части корпуса 1 выполнено по два отверстия 13 для перетекания жидкости (см. фиг. 2, 4, 5). Количество отверстий 13 и их диаметр также влияют на демпфирование и рассчитываются, исходя из соотношения: (S1+S2+…+Sn)/ ρ = F,
где S - площадь сечения отверстия, ρ- плотность жидкости, F - сила демпфиования.
Внутри полости корпуса 1 установлены два пакета тарельчатых пружин 11. Первый пакет тарельчатых пружин 11 расположен над кольцевым элементом 6 и опирается на внутреннюю торцевую часть верхней крышки 3. Второй пакет тарельчатых пружин 11 расположен под кольцевым элементом 6 и опирается на внутреннюю торцевую часть нижней крышки 2.
На внутреннем отверстии нижней крышки 2 установлено уплотнительное кольцо 12 (см. фиг. 1), контактирующее со вторым полым трубчатым элементом (валом 5). Количество и степень трения уплотнительных колец 12 может регулироваться в зависимости от получения необходимых характеристик.
Корпус 1 выполнен, по крайней мере, с двумя вертикально удлиненными прорезями 14. В каждой из вертикально удлиненных прорезей 14 расположены фиксирующие элементы 8, которые закреплены на кольцевом элементе 6 (см. фиг. 1, 3). Фиксирующие элементы 8 могут быть выполнены, например, в виде винтов.
Кольцевой элемент 6 и два полых трубчатых элемента (штанга 4 и вал 5) через муфту 7 жестко соединены с верхней компоновкой колонны НКТ и остаются неподвижными во время срабатывания амортизатора.
Гашение осевой нагрузки, возникающей под действием ударной волны, обеспечивается:
1) винтами срезными несущими 9;
2) тарельчатыми пружинами 11;
3) гидравлическим сопротивлением жидкости, находящейся в полости корпуса 1, где установлены тарельчатые пружины 11, при дросселировании через отверстия 13;
4) кольцами уплотнительными 12.
Таким образом, для предохранения от резкого возрастания давления и разрушения устройства предусмотрено четырехступенчатое демпфирование, что значительно повышает надежность работы устройства.
За счет наличия фиксирующих элементов 8, соединенных с кольцевым элементом 6 и расположенных в вертикально удлиненных прорезях 14 корпуса 1, амортизатор может передавать вращение от колонны НКТ к перфоратору. Также фиксирующие элементы 8 предотвращают разрушение срезных несущих винтов 9 при скручивании (соединении) амортизатора с перфорационной компоновкой, что значительно повышает надежность устройства.
Амортизатор работает следующим образом.
Устанавливают амортизатор в колонне НКТ непосредственно над перфоратором. Для этого на крышке нижней 2 предусмотрен ниппель (условно не показан) с резьбой НКТ, а на муфте 7 предусмотрена внутренняя резьба для соединения с верхней частью НКТ. Внутренняя полость амортизатора герметична, что обеспечивается кольцом уплотнительным 12.
От преждевременного срабатывания амортизатора (не от ударных нагрузок от сработавшего перфоратора) предусмотрены винты срезные несущие 9, соединяющие кольцевой элемент 6 с корпусом 1. Эти винты срезаются после срабатывания перфоратора.
Производят необходимые технологические работы по спуску перфоратора в интервал перфорации.
Производят инициирование перфоратора. При использовании заявляемого амортизатора перфоратор может быть инициирован как прокачиваемым шаром, так и сбрасываемой штангой, что обеспечивается сквозным герметичным осевым отверстием, образованным двумя полыми трубчатыми элементами (штангой 4 и валом 5) амортизатора.
После взрыва перфоратора, вступает в работу амортизатор.
Возникающие осевые нагрузки от сработавшего перфоратора передаются через крышку нижнюю 2 на корпус 1. При пиковых нагрузках происходит срезание винтов срезных несущих 9 и нагрузки гасятся пакетами тарельчатых пружин 11. При этом второй пакет тарельчатых пружин 11, расположенный под кольцевым элементом 6, гасит нагрузки, направленные вверх, а первый пакет тарельчатых пружин 11, расположенный над кольцевым элементом 6, гасит нагрузки, направленные вниз.
Корпус 1 с верхней крышкой 3 и нижней крышкой 2 может перемещаться относительно кольцевого элемента 6, жестко соединенного с двумя полыми трубчатыми элементами (штангой 4 и валом 5). Перемещение корпуса с крышками ограничивают первый и второй пакеты тарельчатых пружин 11.
В верхней и нижней части корпуса 1 выполнены отверстия 13 для перетекания жидкости из зоны пакета пружин 11 наружу, что способствует увеличению амортизационного эффекта.
После завершения работ по перфорации скважины и подъема компоновки на поверхность амортизатор разбирают, осматривают, при необходимости меняют разрушенные и поврежденные детали на детали из ремонтного комплекта, укладывают на хранение до следующего применения.
Как показали испытания, предлагаемое устройство обеспечивает регулируемое и мягкое гашение осевых сил от продуктов взрыва и действия ударной волны за счет четырехступенчатого демпфирования, что обеспечивает надежное гашение пиковых осевых нагрузок при срабатывании перфораторов, спускаемых на НКТ или бурильных трубах, в нефтегазодобывающих скважинах.
Заявляемый амортизатор трубный может быть изготовлен на современном оборудовании с использованием существующих технологий и материалов.
Полезная модель может быть использована в горном деле, в частности в газо- и нефтедобывающих отраслях.