ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЯС БУРОВОГО СНАРЯДА (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИМ ЯСОМ
HYDRAULIC JAR OF DRILLING ASSEMBLY (VERSIONS) AND CONTROL METHOD OF HYDRAULIC JAR

Область техники, к которой относится изобретение
Раскрытие в целом относится к гидравлическим ясам, предназначенным для ловильных работ в скважине и буровых работ, в том числе при добыче нефти и газа. В частности, раскрытие относится к механизму, расположенному внутри гидравлического яса и предназначенному для сброса давления текучей среды внутри гидравлического яса и предотвращения воздействия избыточного давления на гидравлический яс.
Уровень техники
Гидравлический яс представляет собой механический инструмент, используемый в скважине для сдвигания с места прихваченного в стволе скважины бурового и эксплуатационного оборудования. Обычно гидравлический яс помещается в бурильной колонне как часть оборудования низа бурильной колонны (ВНА) и остается там в продолжении всех обычных работ по бурению скважины. Известна конструкция обычного гидравлического яса. Гидравлический яс включает внутренний шпиндель, расположенный со скольжением внутри наружного корпуса и имеющий центральный канал. В процессе обычных работ по бурению скважины через центральный канал к буровому долоту подается текучая среда, например буровой раствор. Верхний конец шпинделя соединен с бурильной колонной, в то время как нижний конец шпинделя вставлен и может скользить внутри наружного корпуса. Нижний конец наружного корпуса соединен с остальными компонентами оборудования низа бурильной колонны ВНА. Между шпинделем и наружным корпусом находится герметичная кольцевая камера, содержащая рабочую жидкость, которая может быть текучей средой. Внутри камеры размещен дроссель, соединенный со шпинделем, разделяющий камеру на верхнюю камеру и нижнюю камеру. Между уступами наружного корпуса к шпинделю прикреплен пневмоударник.
Когда часть бурильной колонны оказывается прихваченной в скважине, к бурильной колонне прикладывается либо растягивающая, либо сжимающая нагрузка, и тогда приводится в действие гидравлический яс для нанесения динамического удара с тем, чтобы сдвинуть с места прихваченный участок или компонент. Например, когда компонент оказывается прихваченным ниже гидравлического яса, к бурильной колонне может быть приложена растягивающая нагрузка, поднимающая бурильную колонну и шпиндель гидравлического яса относительно наружного корпуса гидравлического яса и оставшейся части ВНА, которые остаются зажатыми. Когда шпиндель с прикрепленным к нему дросселем перемещается вверх, давление рабочей среды в верхней камере нарастает и рабочая жидкость начинает медленно перетекать из верхней камеры через дроссель в нижнюю камеру. Увеличенное давление текучей среды в верхней камере создает сопротивление приложенной растягивающей нагрузке, растягивая бурильную колонну и создавая запас энергии, по аналогии с растянутым резиновым кольцом. Когда достигнута заданная растягивающая нагрузка, гидравлический яс приводится в действие, производя динамический удар. Это осуществляется путем снятия растягивающей нагрузки, приложенной к бурильной колонне, в результате чего запасенная энергия растянутой бурильной колонны быстро ускоряет вверх шпиндель внутри наружного корпуса, пока пневмоударник шпинделя не ударит в уступ наружного корпуса. Движущая сила этого удара передается через наружный корпус и другие компоненты ВНА, сдвигая прихваченный компонент.
В другом варианте к бурильной колонне может быть приложена сжимающая нагрузка, вызывающая смещение вниз бурильной колонны и шпинделя гидравлического яса внутри наружного корпуса гидравлического яса и остальной части ВНА, которые остаются неподвижными. По мере того как шпиндель с прикрепленным к нему дросселем смещается вниз, давление текучей среды в нижней камере нарастает и рабочая жидкость начинает постепенно перетекать из нижней камеры через дроссель в верхнюю камеру. Увеличенное давление текучей среды в нижней камере создает сопротивление приложенной сжимающей нагрузке, заставляя бурильную колонну сжиматься и запасать энергию, по аналогии со сжатой пружиной. Когда достигается заданная сжимающая нагрузка, гидравлический яс приводится в действие, производя гидравлический удар. Это достигается снятием сжимающей нагрузки, приложенной к бурильной колонне, в результате чего запасенная энергия растянутой бурильной колонны быстро ускоряет вниз шпиндель внутри наружного корпуса, пока пневмоударник шпинделя не ударит в уступ наружного корпуса. Движущая сила этого удара передается через наружный корпус и другие компоненты ВНА, сдвигая прихваченный компонент.
Как было показано, гидравлические ясы могут быть двунаправленными, т.е. способными производить ударное воздействие как вверх, так и вниз по буровой скважине. С другой стороны, гидравлический яс может быть однонаправленным, т.е. способным производить ударное воздействие в каком-либо одном направлении - вверх или вниз вдоль скважины, а не в обоих. Вне зависимости от этого общим признаком является то, что запасенная энергия, образующаяся при растягивании или сжатии бурильной колонны, используется для ускорения шпинделя гидравлического яса для выполнения удара по наружному корпусу. Более того, чем больше прикладываемая к шпинделю нагрузка, тем больше его ускорение и больше сила удара, производимого по наружному корпусу.
Однако увеличенные растягивающие или сжимающие нагрузки на гидравлический яс могут дорого обойтись. Из-за конструктивных ограничений гидравлического яса избыточное давление рабочей жидкости может повредить уплотняющие прокладки в гидравлическом ясе и/или корпусе самого гидравлического яса, т.е. шпинделе или наружном корпусе. Повреждение гидравлического яса будет означать потерю самого инструмента, неспособность сдвинуть оборудование, прихваченное в буровой скважине, и увеличение продолжительности и стоимости бурения. С учетом цены, которую придется заплатить при повреждении гидравлического яса, этот инструмент обычно используют только с частичной нагрузкой. Например, гидравлический яс может приводиться в действие, когда приложенная растягивающая или сжимающая нагрузка достигнет только трех четвертей конструкционной нагрузки гидравлического яса вместо использования инструмента при почти полной нагрузке. Из-за потерь на трение нагрузка на конец скважины бурильной колонны будет меньше приложенной растягивающей или сжимающей нагрузки. Даже и в этом случае приложенную нагрузку обычно не увеличивают для компенсации потерь на трение из-за увеличенного риска повреждения яса. В результате этого яс работает только частично от своих возможностей, и из-за потерь на трение производимый гидравлическим ясом динамический удар может оказаться недостаточным для смещения прихваченного оборудования, и могут потребоваться дополнительные динамические удары, что увеличивает и продолжительность, и стоимость бурения скважины.
Соответственно, существует потребность в гидравлическом ясе, который может быть использован с полной или почти полной конструктивной нагрузкой, без повреждения или отказа гидравлического яса за счет избыточного давления рабочей жидкости внутри гидравлического яса.
Раскрытие изобретения
Таким образом, изобретение ставит своей целью создать устройство вышеупомянутого типа, которое делает возможным создание более надежной конструкции.
Эта цель достигается конструкцией гидравлического яса бурового снаряда согласно настоящему изобретению, включающей трубчатый корпус, шпиндель, расположенный в корпусе, кольцевое пространство между шпинделем и корпусом, механизм сброса давления, расположенный в кольцевом пространстве, разделяющий указанное пространство на первую и вторую части и содержащий первый и второй кольцевые элементы, соединенные друг с другом, при значении давления во второй части кольцевого пространства меньше установленного значения и канал потока текучей среды, расположенный между первой и второй частями кольцевого пространства, имеющий первый размер, при котором значение давления во второй части меньше установленного значения, и второй размер, превышающий первый размер, при котором значение давления во второй части кольцевого пространства равно установленному значению давления или больше его.
Кольцевые элементы механизма сброса давления могут продольно перемещаться внутри кольцевого пространства.
Механизм сброса давления яса содержит элемент сопротивления давлению, может быть выполнен с возможностью приложения к по меньшей мере одному кольцевому элементу силы смещения в направлении упомянутой второй кольцевой части.
Элемент сопротивления давлению согласно изобретению может содержать гидравлическую камеру.
Также элемент сопротивления может содержать пружинный элемент и тарельчатую пружину.
Трубчатый корпус гидравлического яса дополнительно может содержать по меньшей мере одну часть с уменьшенным диаметром, образующую герметичное соединение с по меньшей мере одним кольцевым элементом.
По меньшей мере один кольцевой уплотнительный элемент может содержать сквозной проход, площадь поперечного сечения первого конца которого меньше площади поперечного сечения второго конца, обращенного ко второй части кольцевого пространства, а первый конец соединен с другим кольцевым элементом, при этом значение давления во второй части кольцевого пространства меньше установленного значения.
Шпиндель может содержать кольцевую камеру, при этом упомянутый элемент сопротивления давлению и по меньшей мере один кольцевой элемент шпинделя могут быть расположены в упомянутой камере, а элемент сопротивления давлению может быть выполнен с возможностью приложения силы смещения к кольцевым элементам в направлении второй части кольцевого пространства.
По меньшей мере один кольцевой элемент может иметь торцевую поверхность, связанную с другим кольцевым элементом, при значении давления во второй части меньше установленного значения, в котором торцевая поверхность может содержать желобок, образующий часть канала потока текучей среды.
Также по меньшей мере один кольцевой элемент может содержать дозирующее устройство, образующее часть канала потока текучей среды.
Яс дополнительно может содержать предохранительный клапан, имеющий разрывное давление и расположенный внутри упомянутого элемента сопротивления давлению, выполненного с возможностью приложения к нему силы смещения, при значении давления во второй части меньше разрывного давления предохранительного клапана.
Настоящее изобретение предлагает также вариант выполнения гидравлического яса бурового снаряда, включающий шпиндель, который может быть установлен с возможностью скольжения в наружном корпусе, кольцевое пространство, которое может быть расположено между шпинделем и наружным корпусом, и устройство сброса давления, которое может быть расположено внутри кольцевого пространства, разделяющее упомянутое пространство на первый и второй участки, и также может быть установлено с возможностью приведения его в действие и увеличения размера канала потока текучей среды между первым и вторым участками.
Устройство сброса давления может быть установлено с возможностью приведения его в действие и увеличения размера канала потока текучей среды, при значении давления на первом участке больше максимального предельного значения.
Максимальное предельное значение может быть равно конструктивному предельному значению гидравлического яса.
Устройство сброса давления согласно варианту выполнения изобретения может быть механическим.
Также устройство сброса давления может содержать первый жесткий элемент, который может быть установлен на наружной поверхности шпинделя между упругим элементом и вторым жестким элементом с возможностью скольжения и смещения, упираясь в упругий элемент, для увеличения размера канала потока текучей среды между первым и вторым жесткими элементами.
Упругим элементом согласно заявленной конструкции яса может быть элемент, выбранный из группы, включающей пружину и пакет тарельчатых пружин.
Устройство сброса давления согласно заявленной конструкции яса может быть гидравлическим.
Также устройство сброса давления может содержать гидравлическую камеру, которая может быть ограничена скользящим элементом с одной стороны, жесткий элемент, который может прилегать к скользящему элементу, и предохранительный клапан, который может быть расположен внутри гидравлической камеры, может иметь разрывное давление и может быть установлен с возможностью выпуска текучей среды из гидравлической камеры, при значении давления текучей среды внутри гидравлической камеры, превышающем разрывное давление, в котором скользящий элемент может быть выполнен смещающимся для увеличения размера канала потока текучей среды между жестким элементом и скользящим элементом.
Яс дополнительно может содержать обратный клапан, который может быть расположен внутри гидравлической камеры и установлен с возможностью прохождения через него текучей среды в гидравлическую камеру.
Настоящее изобретение предлагает также способ управления гидравлическим ясом, включающий расположение механизма сброса давления между шпинделем и наружным корпусом гидравлического яса, посредством которого могут разделять кольцевой канал потока между шпинделем и наружным корпусом на первый и второй участки, приложение нагрузки к шпинделю, смещение шпинделя внутри наружного корпуса, увеличение давления текучей среды внутри первого участка кольцевого канала, приведение в действие механизма сброса давления, при значении давления текучей среды на первом участке больше максимального предельного значения, и увеличение размера канала потока между первым участком и вторым участком.
При приведении в действие механизма сброса давления могут сжимать упругий элемент.
При приведении в действие механизма сброса давления также могут преодолевать гидравлическое давление.
Способ дополнительно может включать задание конфигурации механизма сброса давления для его приведения в действие, при значении давления текучей среды на первом участке больше предельно допустимого давления гидравлического яса.
Краткое описание чертежей
Для подробного описания раскрытых вариантов выполнения делаются ссылки на приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 представляет вид сечения обычного гидравлического яса;
Фиг.2 представляет вид сечения гидравлического яса, имеющего двунаправленный механизм сброса давления, в соответствии с описанными принципами;
Фиг.3 представляет увеличенный вид сечения гидравлического яса, показанного на Фиг.2, при растяжении;
Фиг.4 представляет перспективное изображение верхней втулки механизма сброса давления, показанного на Фиг.3;
Фиг.5 представляет перспективное изображение нижней втулки механизма сброса давления, показанного на Фиг.3;
Фиг.6 представляет увеличенный вид сечения гидравлического яса, показанного на Фиг.2, при сжатии;
Фиг.7 представляет вид сечения другого варианта выполнения гидравлического яса, имеющего двунаправленный механизм сброса давления, в соответствии с описанными принципами;
Фиг.8 представляет перспективное изображение конической насадки механизма сброса давления, показанного на Фиг.7;
Фиг.9 представляет вид сечения еще одного варианта выполнения гидравлического яса, имеющего двунаправленный механизм сброса давления, в соответствии с описанными принципами;
Фиг.10 представляет вид сечения фланцевой переходной муфты, предназначенной для вариантов выполнения механизма сброса давления, показанных на Фиг.3 и 6;
Фиг.11 представляет вид сечения другого гидравлического яса, имеющего двунаправленный механизм сброса давления с гидравлическим приводом, в соответствии с описанными принципами;
Фиг.12 представляет перспективный вид механизма сброса давления, показанного на Фиг.11.
Осуществление изобретения
Приведенное ниже раскрытие относится к использованным в качестве примера различным вариантам выполнения гидравлического яса, имеющего механизм сброса давления. Для специалиста должно быть понятно, что приведенное описание относится к широкому кругу применений и рассмотрение любого варианта выполнения имеет целью использование этого варианта в качестве примера и не предполагает ограничивать этим вариантом область притязаний раскрытия, включая формулу. В частности, различные варианты выполнения механизма сброса давления описываются применительно к гидравлическому ясу. При этом данные компоненты могут быть использованы в другом скважинном инструменте, где необходимо или желательно применение средств сброса давления рабочих жидкостей.
В описании и формуле используется ряд терминов, относящихся к определенным признакам и компонентам. Специалисту понятно, что различными людьми один и тот же признак или компонент может называться по разному. В данном документе не предполагается делать различия между компонентами или признаками, которые отличаются в названии, неодинаковы по функционированию и конструкции. В чертежах не обязательно должен соблюдаться масштаб. Некоторые признаки или компоненты в данном описании могут быть показаны в большем масштабе либо несколько схематично, а некоторые обычные элементы могут быть и вовсе не показаны из соображений ясности и краткости.
В приведенном ниже рассмотрении и в формуле термины "включающий" и "содержащий" используются в широком смысле и должны пониматься как "включающие, но не сводящиеся к …". Кроме того, предполагается, что термин "соединять" или "соединяет" означает либо непрямое, либо прямое соединение. То есть если первое устройство соединено со вторым устройством, это соединение может быть непосредственным либо посредством других устройств и соединений. Термины "осевой" и "по оси" обычно означают вдоль или параллельно центральной или продольной оси, в то время как термины "радиальный" и "по радиусу", как правило, означают перпендикулярность относительно центральной продольной оси.
На Фиг.1 показано упрощенное схематическое изображение обычного гидравлического яса. Гидравлический яс 100 включает внутренний шпиндель 105, расположенный со скольжением внутри наружного корпуса 110 и имеющий центральный канал 180. В процессе обычных работ по бурению скважины через центральный канал 180 к буровому долоту (не показано) подается текучая среда, например буровой раствор. Верхний конец 115 шпинделя 105 соединен с бурильной колонной (не показана), в то время как нижний конец 135 шпинделя 105 вставлен и может скользить внутри наружного корпуса 110. Нижний конец 130 наружного корпуса 110 соединен с остальными компонентами оборудования низа бурильной колонны ВНА (не показано). Между шпинделем 105 и наружным корпусом 110 находится герметичная кольцевая камера 150, содержащая рабочую жидкость, которая может быть текучей средой. Внутри камеры 150 помещен дроссель 155, соединенный со шпинделем 105, разделяющий камеру 150 на верхнюю камеру 160 и нижнюю камеру 165. Между уступами 125, 145 наружного корпуса 110 к шпинделю 105 прикреплен пневмоударник 120.
Когда часть бурильной колонны оказывается прихваченной в скважине, к бурильной колонне прикладывается либо растягивающая, либо сжимающая нагрузка, и тогда приводится в действие гидравлический яс 100 для нанесения динамического удара с тем, чтобы сдвинуть с места прихваченный участок или компонент. Например, когда компонент оказывается прихваченным ниже гидравлического яса 100, к бурильной колонне может быть приложена растягивающая нагрузка, поднимающая бурильную колонну и шпиндель 105 гидравлического яса 100 относительно наружного корпуса 110 гидравлического яса 100 и оставшейся части ВНА, которые остаются зажатыми. Когда шпиндель 105 с прикрепленным к нему дросселем 155 перемещается вверх, давление рабочей среды в верхней камере 160 нарастает и рабочая жидкость начинает медленно перетекать из верхней камеры 160 через дроссель 155 в нижнюю камеру 165. Увеличенное давление текучей среды в верхней камере 160 создает сопротивление приложенной растягивающей нагрузке, растягивая бурильную колонну и создавая запас энергии, по аналогии с растянутым резиновым кольцом. Когда достигнута заданная растягивающая нагрузка, гидравлический яс 100 приводится в действие, производя динамический удар. Это осуществляется путем снятия растягивающей нагрузки, приложенной к бурильной колонне, в результате чего запасенная энергия растянутой бурильной колонны быстро ускоряет вверх шпиндель 105 внутри наружного корпуса 110, пока пневмоударник 120 шпинделя 105 не ударит в уступ 125 наружного корпуса 110. Движущая сила этого удара передается через наружный корпус 110 и другие компоненты ВИД, сдвигая прихваченный компонент.
В другом варианте к бурильной колонне может быть приложена сжимающая нагрузка, вызывающая смещение вниз бурильной колонны и шпинделя 105 гидравлического яса 100 внутри наружного корпуса 110 гидравлического яса 100 и остальной части ВНА, которые остаются неподвижными. По мере того как шпиндель 105 с прикрепленным к нему дросселем 155 смещается вниз, давление текучей среды в нижней камере 165 нарастает и рабочая жидкость начинает постепенно перетекать из нижней камеры 165 через дроссель 155 в верхнюю камеру 160. Увеличенное давление текучей среды в нижней камере 165 создает сопротивление приложенной сжимающей нагрузке, заставляя бурильную колонну сжиматься и запасать энергию, по аналогии со сжатой пружиной. Когда достигается заданная сжимающая нагрузка, гидравлический яс 100 приводится в действие, производя гидравлический удар. Это достигается снятием сжимающей нагрузки, приложенной к бурильной колонне, в результате чего запасенная энергия растянутой бурильной колонны быстро ускоряет вниз шпиндель 105 внутри наружного корпуса 110, пока пневмоударник 120 шпинделя 105 не ударит в уступ 145 наружного корпуса 110. Движущая сила этого удара передается через наружный корпус 110 и другие компоненты ВНА, сдвигая прихваченный компонент.
На Фиг.2 представлен гидравлический яс 200 с механизмом 255 сброса давления. Гидравлический яс 200 включает шпиндель 205 с центральным сквозным каналом 280, который расположен внутри наружного корпуса 210 и может скользить в нем. Верхний конец 215 шпинделя 205 соединен с бурильной колонной (не показана), в то время как нижний конец 235 шпинделя 205 с возможностью скольжения вставлен в наружный корпус 210. Нижний конец 230 наружного корпуса 210 соединен с остальными компонентами ВНА (не показаны). При обычном бурении текучая среда, например буровой раствор, подается через центральный канал 280 к буровому долоту (не показано). Между шпинделем 205 и наружным корпусом 210 находится герметичная кольцевая камера 250, содержащая рабочую жидкость. Внутри камеры 250 находится механизм 255 сброса давления, соединенный со шпинделем 205, который разделяет камеру 250 на верхнюю камеру 260 и нижнюю камеру 265. Пневмоударник 220 соединен со шпинделем 205 между уступами 225, 245 наружного корпуса 210.
Гидравлический яс 200 является двунаправленным, то есть может производить динамический удар, как это было описано выше, либо в направлении 270 вдоль скважины вверх, либо в направлении 275 вдоль скважины вниз. Другими словами, когда к гидравлическому ясу 200, точнее к верхнему относительно ствола скважины концу 215 шпинделя 205, приложена растягивающая нагрузка, шпиндель 205 смещается в верхнем направлении 270 относительно наружного корпуса 210. В другом варианте, когда к верхнему относительно ствола скважины концу 215 шпинделя 205 приложена сжимающая нагрузка, шпиндель 205 смещается в нижнем направлении 275 относительно наружного корпуса 210.
Конструкция механизма 255 сброса давления обеспечивает сброс давления рабочей жидкости в камере 250, когда требуется предотвратить повреждение компонента, которое может произойти в противном случае, как это будет описано ниже. Механизм 255 сброса давления также является двунаправленным, т.е. обеспечивает сброс давления как при растяжении гидравлического яса 200, так и при его сжатии.
На Фиг.3 представлен механизм 255 сброса давления, содержащий фиксатор 300 уплотнительного кольца, расположенный вокруг упора 302. Упор 302 соединен или составляет единое целое со шпинделем 205 и включает верхний и нижний концы, образующие уступы 303, 305. Фиксатор 300 уплотнительного кольца включает отверстие 306, проходящее через него радиально, и каждым своим концом соединен с кольцевой или кольцеобразной верхней втулкой 308 и кольцевой или кольцеобразной нижней втулкой 310, между которыми он расположен. Фиксатор 300 уплотнительного кольца располагается вокруг шпинделя 205 так, что упор 302 шпинделя 205 находится между втулками 308, 310. В данном варианте выполнения, приведенном в качестве примера, фиксатор 300 уплотнительного кольца и верхняя втулка 308 соединены резьбовым соединением 312. Аналогично фиксатор 300 уплотнительного кольца и нижняя втулка 310 соединены резьбовым соединением 314. Как показано на Фиг.4, на торцевой поверхности 368 верхней втулки 308 имеется поперечный желобок 369, обеспечивающий прохождение текучей среды между верхней камерой 260 и небольшим кольцевым пространством 366, образованным между верхней втулкой 308 и наружной поверхностью 322 шпинделя 205. Аналогично на торцевой поверхности 371 нижней втулки 310 имеется поперечный желобок 372, обеспечивающий прохождение текучей среды между нижней камерой 265 и небольшим кольцевым пространством 362, образованным между нижней втулкой 310 и наружной поверхностью 322 шпинделя 205. Уплотнительные кольца 316, 318 туго посажены на верхнюю и нижнюю втулки 308, 310 соответственно. При этом фиксатор 300 уплотнительного кольца с прикрепленными к нему верхней втулкой 308, верхним уплотнительным кольцом 316, нижней втулкой 310 и нижним уплотнительным кольцом 318 образуют уплотнительный узел 320, совершающий возвратно-поступательное движение. Уплотнительный узел 320, совершающий возвратно-поступательное движение, может перемещаться вдоль оси по наружной поверхности 322 шпинделя 205. Поступательное перемещение уплотнительного узла 320, совершающего возвратно-поступательное движение, может происходить либо в направлении 270 вверх по скважине, либо в направлении 275 вниз по скважине, причем такое поступательное перемещение ограничено контактом с уступами 303, 305 упора 302.
В направлении 270 вверх по скважине от верхней втулки 308 механизм 255 сброса давления также включает кольцевой или кольцеобразный верхний корпус 324 уплотнителя, верхнюю пружину 326, верхнюю упорную гайку 328 и запасную упорную гайку 330. Верхняя упорная гайка 328 и запасная упорная гайка 330 неподвижно закреплены на наружной поверхности 322 шпинделя 205. В данном приведенном в качестве примера варианте выполнения верхняя упорная гайка 328 и запасная упорная гайка 330 соединены со шпинделем 205 резьбовым соединением 332. Верхний корпус 324 уплотнителя может перемещаться по наружной поверхности 322 шпинделя 205 между верхней упорной гайкой 328 и уступом 334 шпинделя 205. Уплотнительное кольцо 392 расположено между верхним корпусом 324 уплотнителя и наружной поверхностью 322 шпинделя 205. Таким образом, когда уплотнительный узел 320, совершающий возвратно-поступательное движение, перемещается вдоль оси в направлении 270 вверх по скважине, верхняя втулка 308 контактирует с верхним корпусом 324 уплотнителя, заставляя верхний корпус 324 уплотнителя сжимать верхнюю пружину 326, которая упирается в верхнюю упорную гайку 328. Когда затем уплотнительный узел 320, совершающий возвратно-поступательное движение, смещается в направлении 275 вниз по скважине, верхняя пружина 326 растягивается, вызывая смещение верхнего корпуса 324 уплотнителя до тех пор, пока он не коснется или не упрется в уступ 334.
В направлении 275 вниз по скважине от нижней втулки 310 механизм 255 сброса давления также содержит кольцевой или кольцеобразный корпус 336 уплотнителя, нижнюю пружину 338, нижнюю упорную гайку 340 и запасную упорную гайку 342. Нижняя упорная гайка 340 и запасная упорная гайка 342 неподвижно закреплены на наружной поверхности 322 шпинделя 205. В данном приведенном в качестве примера варианте выполнения нижняя упорная гайка 340 и запасная упорная гайка 342 соединены со шпинделем 205 резьбовым соединением 344. Верхний корпус 336 уплотнителя может перемещаться по наружной поверхности 322 шпинделя 205 между нижней упорной гайкой 340 и уступом 346 шпинделя 205. Уплотнительное кольцо 393 расположено между нижним корпусом 336 уплотнителя и наружной поверхностью 322 шпинделя 205. Таким образом, когда уплотнительный узел 320, совершающий возвратно-поступательное движение, перемещается вдоль оси в направлении 275 вниз по скважине, нижняя втулка 310 контактирует с нижним корпусом 336 уплотнителя, заставляя нижний корпус 336 уплотнителя сжимать нижнюю пружину 338, которая упирается в нижнюю упорную гайку 340. Когда уплотнительный узел 320, совершающий возвратно-поступательное движение, смещается в направлении 270 вверх по скважине, нижняя пружина 338 растягивается, вызывая смещение нижнего корпуса 336 уплотнителя до тех пор, пока он не коснется уступа 346 или не упрется в него.
Наружный корпус 210 вдоль своей внутренней поверхности 352, прилегающей к камере 250, включает одну или более частей с уменьшенным диаметром, или сужений, 350. В зависимости от осевого положения механизма 255 сброса давления относительно сужения 350 в зоне 354 образуется уплотнение между сужением 350 и нижним уплотнительным кольцом 318, как показано на Фиг.3, и/или между сужением 350 и верхним уплотнительным кольцом 316, как показано на Фиг.6. Таким образом, когда механизм 255 сброса давления совмещен с сужением 350, он герметично стыкуется с наружным корпусом 210, разделяя кольцевую камеру 250 на верхнюю камеру 260, находящуюся вверх по скважине относительно механизма 255, и нижнюю камеру 265, находящуюся снизу по скважине относительно механизма 255.
В ходе обычного процесса бурения механизм 255 сброса давления расположен между сужениями 350 наружного корпуса 210, не образуя герметичного соединения с сужением 350. Когда компонент бурильной колонны оказывается прихвачен и необходимо произвести динамический удар в бурильную колонну, к гидравлическому ясу 200 может быть приложена растягивающая нагрузка, как это было описано ранее.
В частности, растягивающая нагрузка может быть приложена к расположенному вверх по скважине концу 215 (Фиг.2) шпинделя 205. В ответ на это шпиндель 205 начинает смещаться вдоль оси внутри наружного корпуса 210 в направлении 270 вверх по скважине, переводя механизм 255 сброса давления в герметичное соединение с сужением 350 наружного кожуха 210. В результате смещения шпинделя 205 и совмещения механизма 255 сброса давления с сужением 350 давление текучей среды в верхней камере 260 начинает увеличиваться. Кроме того, под действием смещения шпинделя 205 уплотнительный узел 320, совершающий возвратно-поступательное движение, механизма 255 сброса давления также смещается благодаря контакту с уступом 305 упора 302, в результате упираясь торцевой поверхностью 371 нижней втулки 310 в находящуюся вверх по скважине торцевую поверхность нижнего корпуса 336 уплотнителя и открывая камеру 360 между нижней втулкой 310 и уступом 303 упора 302. После этого рабочая жидкость начинает вытекать из верхней камеры 260 через механизм 255 сброса давления. В частности, рабочая жидкость течет из верхней камеры 260 между внутренней поверхностью 352 наружного корпуса 210 и уплотнительным узлом 320, совершающим возвратно-поступательное движение, через отверстие 306 в фиксаторе 300 уплотнительного кольца и в камеру 360 и соединенное с ней кольцевое пространство 362. Из кольцевого пространства 362 рабочая жидкость течет через поперечный желобок 372 в нижнюю камеру 265 с расходом, ограниченным небольшой площадью поперечного желобка 372. Таким образом, рабочая жидкость с заданным расходом перетекает из верхней камеры 260 в нижнюю камеру 265, давая возможность нарастать давлению в верхней камере 260.
Когда достигнута заранее установленная растягивающая нагрузка, которая считается достаточной для освобождения прихваченного инструмента, гидравлический яс 200 активизируется для выполнения динамического удара, как это было описано ранее. Однако если приложенное к гидравлическому ясу 200 растяжение превышает выбранное заранее или предварительно определенное "безопасное" значение до произведенного ясом 200 динамического удара, механизм 255 сброса давления активизируется в описанном далее порядке для сброса давления в верхней камере 260 с тем, чтобы предотвратить возможность повреждения или потери гидравлического яса 200.
По мере того как шпиндель 205 продолжает смещаться в направлении 270 вверх по скважине под действием растяжения, давление текучей среды в камере 360 и кольцевом пространстве 362 продолжает нарастать, пока давление текучей среды не станет достаточным для того, чтобы сместить нижний корпус 336 уплотнителя в направлении 275 вниз по скважине к упорной гайке 340 нижней пружины и сжать нижнюю пружину 338. Таким образом, нижняя пружина 338 выполняет роль и может быть названа элементом сопротивления давлению. В то же время дальнейшему смещению вниз уплотнительного узла 320, совершающему возвратно-поступательное движение, препятствует уступ 305 упора 302. Таким образом, когда нижний корпус 336 уплотнителя начинает отходить от нижней втулки 310, канал потока между нижней втулкой 310 и нижним корпусом 336 уплотнителя открывается значительно больше того, что обеспечивается поперечным желобком 372, обеспечивая прохождение рабочей жидкости от верхней камеры 260 через камеру 360 и кольцевое пространство 362 в нижнюю камеру 265 со значительно более высоким расходом. По мере того как рабочая жидкость отводится таким образом, давление рабочей жидкости в верхней камере 260 уменьшается.
Жесткость нижней пружины 338 выбирается таким образом, чтобы обеспечить сжатие нижней пружины 338, когда давление рабочей жидкости в верхней камере 260, а значит, и в камере 360 и кольцевом пространстве 362, достигает заданного значения. Например, нижняя пружина 338 может быть выбрана так, чтобы сжиматься при давлении, равном или близком к конструктивно предельному давлению или номинальному давлению наружного корпуса 210, шпинделя 205 или какого-либо иного компонента гидравлического яса 200. Таким образом, механизм 255 сброса давления выполнен так, чтобы обеспечивать сброс давления, когда давление текучей среды в верхней камере 260 приближается к пределу конструктивных возможностей гидравлического яса 200 или его компонентов. Выполнив таким образом механизм 255 сброса давления, срабатывание гидравлического яса 200 можно установить вблизи или на уровне этого предела. Перед тем как давление текучей среды в верхней камере 260 превысит номинальное давление гидравлического яса 200, механизм 255 сброса давления приводится в действие, обеспечивая сброс давления и предотвращая повреждение или отказ гидравлического яса 200.
Аналогичным образом, когда компонент бурильной колонны оказывается прихвачен и необходимо произвести динамический удар в бурильную колонну, к гидравлическому ясу 200 может быть приложена сжимающая нагрузка, как это было описано ранее. В частности (см. Фиг.4), сжимающая нагрузка может быть приложена к расположенному вверх по скважине концу 215 (Фиг.2) шпинделя 205. В ответ на это шпиндель 205 начинает смещаться вдоль оси внутри наружного корпуса 210 в направлении вниз по скважине, переводя механизм 255 сброса давления в герметичное соединение с сужением 350 наружного кожуха 210.
В результате смещения шпинделя 205 и совмещения механизма 255 сброса давления с сужением 350 давление текучей среды в нижней камере 265 начинает увеличиваться. Кроме того, под действием смещения шпинделя 205 уплотнительный узел 320, совершающий возвратно-поступательное движение, механизма 255 сброса давления также смещается благодаря контакту с уступом 303 упора 302, в результате упираясь торцевой поверхностью 368 верхней втулки 308 в находящуюся вниз по скважине торцевую поверхность верхнего корпуса 324 уплотнителя и открывая камеру 364 между верхней втулкой 308 и уступом 305 упора 302. После этого рабочая жидкость начинает течь из нижней камеры 265 в механизм 255 сброса давления. В частности, рабочая жидкость течет из нижней камеры 265 между внутренней поверхностью 352 наружного корпуса 210 и уплотнительным узлом 320, совершающим возвратно-поступательное движение, через отверстие 306 в фиксаторе 300 уплотнительного кольца и в камеру 364 и соединенное с ней кольцевое пространство 366. Из кольцевого пространства 366 рабочая жидкость течет через поперечный желобок 369 в верхнюю камеру 260 с расходом, ограниченным небольшой площадью поперечного желобка 369. Таким образом, рабочая жидкость с заданным расходом перетекает из нижней камеры 265 в верхнюю камеру 260, давая возможность нарастать давлению в нижней камере 265.
Когда достигнута заранее установленная сжимающая нагрузка, которая считается достаточной для освобождения прихваченного инструмента, гидравлический яс 200 активизируется для выполнения динамического удара, как это было описано ранее. Однако если приложенное к гидравлическому ясу 200 растяжение превышает выбранное заранее или предварительно определенное "безопасное" значение до произведенного ясом 200 динамического удара, механизм 255 сброса давления активизируется в описанном далее порядке для сброса давления в нижней камере 265 с тем, чтобы предотвратить возможность повреждения или потери гидравлического яса 200.
По мере того как шпиндель 205 продолжает смещаться в направлении 275 вниз по скважине при сжатии, давление текучей среды в камере 364 и кольцевом пространстве 366 продолжает нарастать, пока давление текучей среды не станет достаточным для того, чтобы сместить верхний корпус 324 уплотнителя в направлении 270 вверх по скважине к упорной гайке 328 верхней пружины и сжать верхнюю пружину 326. Таким образом, верхняя пружина 326 выполняет роль и может быть названа элементом сопротивления давлению. В то же время дальнейшему смещению вверх уплотнительного узла 320, совершающего возвратно-поступательное движение, препятствует уступ 303 упора 302. Таким образом, когда верхний корпус 324 уплотнителя начинает отходить от верхней втулки 308, канал потока между верхней втулкой 308 и верхним корпусом 324 уплотнителя открывается значительно больше по сравнению с тем, что дает поперечный желобок 369, обеспечивая прохождение рабочей жидкости от нижней камеры 265 через камеру 364 и кольцевое пространство 366 в нижнюю камеру 260 со значительно более высоким расходом. По мере того как рабочая жидкость отводится таким образом, давление рабочей жидкости в верхней камере 265 уменьшается.
Жесткость нижней пружины 326 выбирается таким образом, чтобы обеспечить сжатие верхней пружины 326, когда давление рабочей жидкости в нижней камере 265, а значит, в камере 364 и кольцевом пространстве 366, достигает заданного значения. Например, верхняя пружина 326 может быть выбрана так, чтобы сжиматься при давлении, равном или близком к конструктивно предельному давлению или номинальному давлению наружного корпуса 210, шпинделя 205 или какого-либо иного компонента гидравлического яса 200. Таким образом, механизм 255 сброса давления выполнен так, чтобы обеспечивать сброс давления, когда давление текучей среды в нижней камере 265 приближается к пределу конструктивных возможностей гидравлического яса 200 или его компонентов. Регулируя таким образом механизм 255 сброса давления, срабатывание гидравлического яса 200 можно установить вблизи или на уровне этого предела. Перед тем как давление текучей среды в нижней камере 265 превысит номинальное давление гидравлического яса 200, механизм 255 сброса давления приводится в действие, обеспечивая сброс давления и предотвращая повреждение или отказ гидравлического яса 200.
Как было показано, механизм 255 сброса давления является двунаправленным, т.е. обеспечивает сброс давления, когда активизация гидравлического яса происходит либо посредством растяжения, либо посредством сжатия. Следует иметь в виду, что способ, которым механизм 255 сброса давления производит сброс давления при растяжении гидравлического яса, идентичен способу, которым механизм 255 сброса давления производит сброс давления при сжатии гидравлического яса. Более того, в этом варианте выполнения, использованном в качестве примера, компоненты механизма 255 сброса давления, расположенные вниз по скважине от фиксатора 300 уплотнительного кольца, идентичны тем же компонентам механизма 255 сброса давления, расположенным вверх по скважине от фиксатора 300 уплотнительного кольца, за исключением только того, что компоненты, расположенные вниз по скважине, являются зеркальным отражением компонентов, расположенных вверх по скважине, относительно плоскости 370, разделяющей пополам фиксатор 300 уплотнительного кольца и проходящей по нормали к продольной оси 375 через гидравлический яс 200. Другими словами, эти показанные на Фиг.3 и 6 компоненты механизма 255 сброса давления, расположенные вниз по скважине от фиксатора 300 уплотнительного кольца, представляют собой зеркальное отражение таких же компонентов механизма 255 сброса давления, расположенных вверх по скважине от фиксатора 300 уплотнительного кольца.
Следует иметь в виду, что механизм 255 сброса давления может быть выполнен однонаправленным либо переделан в однонаправленный с тем, чтобы обеспечивать сброс давления, когда гидравлический яс 200 подвергается либо растяжению, либо сжатию, но не то и другое вместе. Для того чтобы изменить конфигурацию механизма 255 сброса давления, для обеспечения сброса давления, только когда гидравлический яс 200 подвергается растяжению, фиксатор 300 уплотнительного кольца может быть отсоединен от верхней втулки 308. Компоненты механизма 255 сброса давления, расположенные вверх по скважине от фиксатора 300 уплотнительного кольца, включая верхнюю втулку 308, могут быть затем удалены. Упорная гайка или аналогичный компонент затем может быть неподвижно прикреплена к наружной поверхности 322 шпинделя 205 вблизи расположенного вверх по скважине конца фиксатора 300 уплотнительного кольца для ограничения перемещения фиксатора 300 уплотнительного кольца в направлении 270 вверх по скважине.
По аналогии для изменения конфигурации механизма 255 сброса давления с тем, чтобы сброс давления производился, только когда гидравлический яс 200 подвергается сжатию, фиксатор 300 уплотнительного кольца может быть отсоединен от нижней втулки 310. Компоненты механизма 255 сброса давления, расположенные вниз по скважине относительно фиксатора 300 уплотнительного кольца, включая нижнюю втулку 310, могут быть затем удалены. Упорная гайка или аналогичный компонент затем может быть неподвижно прикреплена к наружной поверхности 322 шпинделя 205 вблизи расположенного вниз по скважине конца фиксатора 300 уплотнительного кольца для ограничения перемещения фиксатора 300 уплотнительного кольца в направлении 275 вверх по скважине.
Варианты выполнения механизма 255 сброса давления, описанные ниже, являются двунаправленными. Однако из соображений краткости каждый вариант проиллюстрирован и описан только применительно к варианту сброса давления, когда гидравлический яс 200 подвергается растяжению. Следует, однако, понимать, что каждый вариант выполнения, также как и механизм 255 сброса давления, также обеспечивает сброс давления, когда гидравлический яс 200 подвергается сжатию, тем же путем и с использованием аналогичных, но зеркальных компонентов относительно тех, которые были показаны и описаны. Более того, каждый вариант выполнения может быть сконструирован или доработан как однонаправленный, как это было описано выше применительно к механизму 255 сброса давления.
На Фиг.7 показан гидравлический яс 400 с механизмом 455 сброса давления. Гидравлический яс 400 содержит шпиндель 405, который может скользить внутри наружного корпуса 410 и имеет внутри канал 480. В обычном процессе бурения буровой раствор подается через канал 480 к буровому долоту (не показано). В данном варианте выполнения шпиндель 450 состоит из двух частей и включает верхнюю часть 408 шпинделя и нижнюю часть 406 шпинделя. Верхняя часть 408 шпинделя содержит нижний конец 409, а нижняя часть 406 шпинделя содержит верхний конец 404. Верхняя и нижняя части 408, 406 шпинделя соединены вблизи их соответствующих концов 409, 404. В данном варианте выполнения, приведенном в качестве примера, верхняя и нижняя части 408, 406 шпинделя соединены резьбовым соединением 407. Соединение верхней и нижней частей 408, 406 шпинделя образует герметичную камеру 420 между концом 404 нижней части 406 шпинделя и концом 409 верхней части 408 шпинделя.
Гидравлический яс 400 также включает герметичную кольцевую гидравлическую камеру 450, расположенную между шпинделем 405 и наружным корпусом 410. Камера 450 содержит рабочую жидкость. Механизм 455 сброса давления расположен внутри камеры 450 и соединен со шпинделем 405, разделяя камеру 450 на верхнюю камеру 460 и нижнюю камеру 465.
Гидравлический яс 400 является двунаправленным, то есть он может произвести динамический удар, как это было описано выше, либо в направлении 270 вверх по скважине, либо в направлении 275 вниз по скважине. Таким образом, когда к гидравлическому ясу 400 прикладывается растягивающая нагрузка или, более конкретно, к расположенному вверх по скважине концу 425 шпинделя 405, шпиндель 405 смещается в направлении 270 вверх по скважине относительно наружного корпуса 410. В противном случае, когда сжимающая нагрузка прикладывается к расположенному вверх по скважине концу 425 шпинделя 405, шпиндель 405 смещается в направлении 275 вниз по скважине относительно наружного корпуса 410.
Конструкция механизма 455 сброса давления обеспечивает сброс давления рабочей жидкости внутри камеры 450, как это будет описано далее. Механизм 455 сброса давления также является двунаправленным, то есть обеспечивает сброс давления как при растяжении, так и при сжатии гидравлического яса 400. Механизм 455 сброса давления содержит кольцевой или кольцеобразный корпус 434 уплотнителя и упругий элемент 436, которые оба расположены внутри герметичной камеры 420. В этом приведенном в качестве примера варианте выполнения упругий элемент 436 представляет собой пакет тарельчатых пружин. Однако в других вариантах выполнения упругий элемент 436 может представлять собой пружину или иное сжимающее/растягивающее устройство. В любом случае, под воздействием достаточной нагрузки со стороны корпуса 434 уплотнителя упругий элемент может сжиматься, упираясь в уступ 458 нижней части 406 шпинделя. К корпусу 434 уплотнителя примыкает кольцевая или кольцеобразная коническая насадка 432. Коническая насадка 432 плотно прилегает к наружному корпусу 410 и может перемещаться по наружной поверхности 412 шпинделя 405 в области между стопором 431 конической насадки и верхним концом 404 нижней части 406 шпинделя. Как показано на Фиг.8, торцевая поверхность 470 конической насадки 432 включает поперечный желобок 472. Как показано на Фиг.7, желобок 472 обеспечивает прохождение текучей среды между кольцевым пространством 430 и небольшим кольцевым пространством 440 между наружным корпусом 410 и верхним концом 404 нижней части 406 шпинделя. Корпус 434 уплотнителя также может перемещаться по наружной поверхности 412 в области между упругим элементом 436 и конической насадкой 432.
Когда компонент бурильной колонны оказывается прихваченным в процессе бурения и необходимо произвести динамический удар по бурильной колонне, к гидравлическому ясу 400 может быть приложена растягивающая нагрузка, как это было описано выше. В частности, растягивающая нагрузка может быть приложена к расположенному вверх по скважине концу 425 шпинделя 405. В ответ на это шпиндель 405 начинает перемещаться по оси вверх внутри наружного корпуса 410, и давление текучей среды в верхней камере 460 начинает повышаться. Кроме того, смещение шпинделя 405 вызывает смещение конической насадки 432 относительно шпинделя 405 до тех пор, пока торцевая поверхность 470 конической насадки 432 не упрется в расположенную вверх по скважине торцевую поверхность корпуса 434 уплотнителя. Из-за повышения давления текучей среды в верхней камере 460 рабочая жидкость начинает течь из верхней камеры 460 через соединенное с ней кольцевое пространство 430, образованное между конической насадкой 432 и наружной поверхностью 412 шпинделя 405, к границе раздела между конической насадкой 432 и корпусом 434 уплотнителя. Рабочая жидкость в кольцевом пространстве 430 течет через желобок 472 и аналогичные поперечные щели или пазы на конце 404 нижней части 406 шпинделя к кольцевому пространству 440 с расходом, ограниченным малой проходной площадью поперечного желобка 472. Из кольцевого пространства 440 рабочая жидкость течет в нижнюю камеру 465. Таким образом, рабочая жидкость дозированно переходит из верхней камеры 460 в нижнюю камеру 465, давая возможность нарастать давлению в верхней камере 460.
Когда достигнута заранее установленная растягивающая нагрузка, которая считается достаточной для освобождения прихваченного инструмента, гидравлический яс 400 активизируется для выполнения динамического удара, как это было описано ранее. Однако если приложенное к гидравлическому ясу 400 растяжение превышает выбранное заранее или предварительно определенное "безопасное" значение до произведенного ясом 400 динамического удара, активизируется механизм 455 сброса давления в описанном далее порядке для сброса давления в верхней камере 460 с тем, чтобы предотвратить возможность повреждения или потери гидравлического яса 400.
По мере того как шпиндель 405 продолжает смещаться в направлении 270 вверх по скважине, давление текучей среды в камере 460, и значит, между конической насадкой 432 и корпусом 434 уплотнителя, продолжает нарастать, пока давление текучей среды не станет достаточным для того, чтобы сместить нижний корпус 434 уплотнителя от конической насадки 432 и прижать упругий элемент 436 к уступу 458 нижней части 406 шпинделя. Таким образом, упругий элемент 436 выполняет роль и может быть назван элементом сопротивления давлению. Таким образом, когда корпус 434 уплотнителя начинает отходить от конической насадки 432, канал потока между конической насадкой 432 и корпусом 434 уплотнителя открывается значительно больше того, что обеспечивается поперечным желобком 472, обеспечивая прохождение рабочей жидкости от верхней камеры 460 через кольцевое пространство 430 и кольцевое пространство 440 в нижнюю камеру 465 со значительно более высоким расходом. По мере того как рабочая жидкость отводится таким образом, давление рабочей жидкости в верхней камере 460 уменьшается.
Жесткость упругого элемента 436 выбирается таким образом, чтобы обеспечить сжатие упругого элемента 436, когда давление рабочей жидкости в верхней камере 460 и действующее на корпус 434 уплотнителя достигает заданного безопасного значения. Например, упругий элемент 436 может быть выполнен так, чтобы сжиматься при давлении текучей среды, равном или близком к конструктивно предельному давлению или номинальному давлению наружного корпуса 410, шпинделя 405 или какого-либо иного компонента гидравлического яса 400. Таким образом, механизм 455 сброса давления выполнен так, чтобы обеспечивать сброс давления текучей среды, когда давление текучей среды в верхней камере 460 приближается к пределу конструктивных возможностей гидравлического яса 400 или его компонентов. Регулируя таким образом механизм 455 сброса давления, срабатывание гидравлического яса 400 можно установить вблизи или на уровне этого предела. Перед тем как давление текучей среды в верхней камере 460 превысит номинальное давление гидравлического яса 400, механизм 455 сброса давления приводится в действие, обеспечивая сброс давления и предотвращая повреждение или отказ гидравлического яса 400.
На Фиг.9 представлен гидравлический яс 500 с механизмом 555 сброса давления. Гидравлический яс 500 включает шпиндель 505, который расположен и может скользить внутри наружного корпуса 510 и внутри которого проходит центральный канал 580. В процессе бурения текучая среда, например буровой раствор, подается через канал 580 к буровому долоту (не показано). В данном варианте выполнения шпиндель 505 представляет собой состоящий из двух частей компонент, включающий верхнюю часть 508 шпинделя и нижнюю часть 506 шпинделя. Верхняя часть 508 шпинделя содержит нижний конец 509, а нижняя часть 506 шпинделя содержит верхний конец 504. Верхняя и нижняя части 508, 506 шпинделя соединены в зоне их соответствующих концов 509, 504. В данном приведенном для примера варианте выполнения верхняя и нижняя части 508, 506 шпинделя соединены посредством резьбового соединения 507.
Гидравлический яс 500 также включает герметичную кольцевую гидравлическую камеру 550, расположенную между шпинделем 505 и наружным корпусом 510. В камере 550 содержится рабочая жидкость. Механизм 555 сброса давления расположен внутри камеры 550 и соединен со шпинделем 505, разделяя камеру 550 на верхнюю камеру 560 и нижнюю камеру 565.
Гидравлический яс 500 является двунаправленным, то есть он может произвести динамический удар, как это было описано выше, либо в направлении 270 вверх по скважине, либо в направлении 275 вниз по скважине. Таким образом, когда к гидравлическому ясу 500 прикладывается растягивающая нагрузка или, более конкретно, к расположенному вверх по скважине концу 525 шпинделя 505, шпиндель 505 смещается в направлении 270 вверх по скважине относительно наружного корпуса 510. В противном случае, когда сжимающая нагрузка прикладывается к расположенному вверх по скважине концу 525 шпинделя 505, шпиндель 505 смещается в направлении 275 вниз по скважине относительно наружного корпуса 510.
Конструкция механизма 555 сброса давления обеспечивает сброс давления рабочей жидкости внутри камеры 550, как это будет описано далее. Механизм 555 сброса давления также является двунаправленным, то есть обеспечивает сброс давления как при растяжении, так и при сжатии гидравлического яса 500. Механизм 555 сброса давления включает уплотнительную втулку 530, образующую герметичный стык с наружной поверхностью 532 шпинделя 505. Уплотнительная втулка 530 расположена между уступом 534, сформированном на наружной поверхности 532, и регулировочным кольцом 536, неподвижно закрепленным на наружной поверхности 532. Герметичная камера 538 сформирована между уплотнительной втулкой 530 и наружной поверхностью 532 шпинделя 505. Внутри герметичной камеры 538 расположены первый и второй уплотнительные элементы 540, 542.
Механизм 555 сброса давления также включает волнистую пружину 544, кольцевой корпус 548 дозирующего устройства с размещенным внутри дозирующим устройством 546, стопорное кольцо 570, кольцевой корпус 572 уплотнителя и пружину 574, которые все расположены на уплотнительной втулке 530 между герметичной камерой 538 и регулировочным кольцом 536. Стопорное кольцо 570 неподвижно прикреплено к уплотнительной втулке 530 таким образом, что оно не перемещается относительно уплотнительной втулки 530. Корпус 572 уплотнителя, напротив, может перемещаться между стопорным кольцом 570 и пружиной 574, которая может сжиматься, упираясь в регулировочное кольцо 536, при воздействии достаточной нагрузки со стороны корпуса 572 уплотнителя. Дозирующее устройство 546 проходит вдоль оси через корпус 548 дозирующего устройства и может ограничивать проходящий через него поток текучей среды. В некоторых вариантах выполнения в качестве дозирующего устройства 546 используется дозирующее устройство Axial Visco Jet, поставляемый фирмой The Lee Company.
Так же как и корпус 572 уплотнителя, корпус 548 дозирующего устройства также может перемещаться по уплотнительной втулке 530. Видно, что корпус 548 дозирующего устройства удерживается прижатым к корпусу 572 уплотнителя посредством волнистой пружины 544. Таким образом, когда корпус 572 уплотнителя перемещается в направлении 275 вниз по скважине, сжимая пружину 574, волнистая пружина 544 расширяется, заставляя перемещаться корпус 548 дозирующего устройства и оставаться в соприкосновении с корпусом 572 уплотнителя до тех пор, пока корпус 548 дозирующего устройства не упрется в стопорное кольцо 570. После того как корпус 548 дозирующего устройства упрется в стопорное кольцо 570, дальнейшее смещение корпуса 572 уплотнителя с преодолением сопротивления пружины 574 приводит к разделению корпуса 548 дозирующего устройства и корпуса 572 уплотнителя. И наоборот, когда пружина 574 затем расширяется, корпус 572 уплотнителя смещается в направлении 270 вверх по скважине, вступая, в конце концов, в соприкосновение с корпусом 548 дозирующего устройства и прижимая корпус 548 дозирующего устройства к волнистой пружине 544. Корпус 572 уплотнителя может продолжать смещаться в направлении 270 вверх по скважине, прижимая корпус 548 дозирующего устройства к волнистой пружине 544, до тех пор пока корпус 572 уплотнителя не упрется в стопорное кольцо 570.
Уплотнительное кольцо 576 окружает корпус 572 уплотнителя, и его положение фиксируется упором в уступ 578 корпуса 572 уплотнителя под действием стопорного кольца 590. Наружный корпус 510 содержит одну или более частей с уменьшенным диаметром, или сужений, 515 вдоль своей внутренней поверхности 520. В зависимости от осевого расположения механизма 555 сброса давления относительно сужения 515 между сужением 515 и уплотнительным кольцом 576 формируется уплотнение 512. При этом когда механизм 555 сброса давления совмещен с сужением 515, он образует герметичное соединение с наружным корпусом 510, разделяя камеру 550 на верхнюю камеру 560 вверх по скважине относительно механизма 555 и нижнюю камеру 565 вниз по скважине относительно механизма 555.
В ходе обычного процесса бурения механизм 555 сброса давления расположен между сужениями 515 наружного корпуса 510, не образуя герметичного соединения с сужением 515. Когда компонент бурильной колонны оказывается прихвачен и необходимо произвести динамический удар в бурильную колонну, к гидравлическому ясу 500 может быть приложена растягивающая нагрузка, как это было описано ранее. Точнее, растягивающая нагрузка прикладывается к расположенному вверх по скважине концу 525 шпинделя 505.
В ответ на это шпиндель 505 начинает смещаться по оси вверх внутри наружного корпуса 510, сдвигая механизм 555 сброса давления в положение герметичного соединения с сужением 515 наружного корпуса 510. В результате смещения шпинделя 505 и совмещения механизма 555 сброса давления с сужением 515 давление текучей среды в верхней камере 560 начинает нарастать. Кроме того, рабочая жидкость начинает течь через механизм 555 сброса давления по каналу от верхней камеры 560 через дозирующее устройство 546 и кольцевое пространство 592 в корпусе 572 уплотнителя к нижней камере 565. Расход текучей среды по этому каналу ограничен дозирующим устройством 546. В результате рабочая жидкость дозированно перетекает из верхней камеры 560 в нижнюю камеру 565, давая возможность нарастать давлению в верхней камере 560.
Когда достигнута заранее установленная растягивающая нагрузка, которая считается достаточной для освобождения прихваченного инструмента, гидравлический яс 500 активизируется для выполнения динамического удара, как это было описано ранее. Однако если приложенное к гидравлическому ясу 500 растяжение превышает выбранное заранее или предварительно определенное "безопасное" значение до выполнения ясом 500 динамического удара, механизм 555 сброса давления активизируется в описанном далее порядке для сброса давления в верхней камере 560 с тем, чтобы предотвратить возможность повреждения или потери гидравлического яса 500.
По мере того как шпиндель 505 продолжает смещаться в направлении 270 вверх по скважине, давление рабочей среды в камере 560, дозирующем устройстве 546 и кольцевом пространстве 592, а также действующее на корпус 572 уплотнителя продолжает нарастать до тех пор, пока давление рабочей среды не станет достаточным для того, чтобы сместить корпус 572 уплотнителя от корпуса 548 дозирующего устройства и сжать пружину 574, прижимая ее к регулировочному кольцу 536. Таким образом, пружина 574 выполняет роль и может быть названа элементом сопротивления давлению. Когда корпус 572 уплотнителя начинает отходить от корпуса 548 дозирующего устройства, канал потока между двумя компонентами открывается, обеспечивая прохождение рабочей жидкости от верхней камеры 560 между корпусом 548 дозирующего устройства и корпусом 572 уплотнителя через кольцевое пространство 592 в нижнюю камеру 565 со значительно более высоким расходом. По мере того как рабочая жидкость отводится таким образом, давление рабочей жидкости в верхней камере 560 уменьшается.
Жесткость пружины 574 выбирается таким образом, чтобы обеспечить сжатие пружины 574, когда давление рабочей жидкости в верхней камере 560, действующее на корпус 572 уплотнителя, достигает заданного значения. Например, пружина 574 может быть выбрана так, чтобы сжиматься при давлении текучей среды, равном или близком к конструктивно предельному давлению или номинальному давлению наружного корпуса 510, шпинделя 505 или любого иного компонента гидравлического яса 500. Таким образом, механизм 555 сброса давления выполнен так, чтобы обеспечивать сброс давления рабочей среды, когда давление рабочей среды в верхней камере 560 приближается к пределу конструктивных возможностей гидравлического яса 500 или его компонентов. Регулируя таким образом механизм 555 сброса давления, срабатывание гидравлического яса 500 можно установить вблизи или на уровне этого предела. Перед тем как давление текучей среды в верхней камере 560 превысит номинальное давление гидравлического яса 500, механизм 555 сброса давления приводится в действие, обеспечивая сброс давления и предотвращая повреждение или отказ гидравлического яса 500.
На Фиг.10 представлено поперечное сечение фланцевой переходной муфты для использования в модифицированных вариантах механизма 255 сброса давления гидравлического яса 200, показанного на Фиг.3 и 6 и описанного применительно к этим изображениям. Как было показано выше, механизм 255 сброса давления включает нижнее уплотнительное кольцо 318, туго посаженное на нижнюю втулку 310. Механизм 255 сброса давления может быть модифицирован заменой нижней втулки 310 и нижнего уплотнительного кольца 318 фланцевой переходной муфтой 600, показанной на Фиг.10. Аналогично верхняя втулка 308 и верхнее уплотнительное кольцо 316 механизма 255 сброса давления могут быть также заменены другой фланцевой переходной муфтой 600. Каждая фланцевая переходная муфта 600 может быть присоединена концом 610 к фиксатору 300 уплотнительного кольца посредством резьбы, стопорным винтом или иным эквивалентным крепежным устройством. Получившийся в результате вариант выполнения гидравлического яса 200 с установленным в нем модифицированным механизмом 255 сброса давления функционирует аналогично вариантам выполнения, показанным ранее на Фиг.3 и 6 и описанным применительно к этим изображениям.
Все описанные выше варианты выполнения гидравлического яса включают механически активизируемый механизм сброса давления, в котором сброс давления происходит при активизации механического устройства, например пружины, как это показано на Фиг.3, 6 и 9, или пакета тарельчатых пружин, как показано на Фиг.7. В других вариантах выполнения активизация механизма сброса давления может быть выполнена вместо механического гидравлическим путем. На Фиг.11 изображен один из таких вариантов выполнения.
На Фиг.11 показан гидравлический яс 700 с механизмом 755 сброса давления. Гидравлический яс 700 включает шпиндель 705, который расположен и может скользить внутри наружного корпуса 710 и внутри которого проходит центральный канал 780. В процессе бурения текучая среда, например буровой раствор, подается через канал 780 к буровому долоту (не показано). В данном варианте выполнения шпиндель 705 представляет собой состоящий из двух частей компонент, включающий верхнюю часть 708 шпинделя и нижнюю часть 706 шпинделя. Верхняя часть 708 шпинделя включает нижний конец 709, а нижняя часть 706 шпинделя включает верхний конец 704. Верхняя и нижняя части 708, 706 шпинделя соединены с соответствующими концами 709, 704. В данном приведенном для примера варианте выполнения верхняя и нижняя части 708, 706 шпинделя соединены посредством резьбового соединения 707.
Гидравлический яс 700 также включает герметичную кольцевую гидравлическую камеру 750, расположенную между шпинделем 705 и наружным корпусом 710. В камере 750 содержится рабочая жидкость. Механизм 755 сброса давления расположен внутри камеры 750 и соединен со шпинделем 705, разделяя камеру 750 на верхнюю камеру 760 и нижнюю камеру 765.
Гидравлический яс 700 является двунаправленным, то есть он может произвести динамический удар, как это было описано выше, либо в направлении 270 вверх по скважине, либо в направлении 275 вниз по скважине. Таким образом, когда к гидравлическому ясу 700 прикладывается растягивающая нагрузка или, более конкретно, к расположенному вверх по скважине концу 725 шпинделя 705, шпиндель 705 смещается в направлении 270 вверх по скважине относительно наружного корпуса 710. В противном случае, когда сжимающая нагрузка прикладывается к расположенному вверх по скважине концу 725 шпинделя 705, шпиндель 705 смещается в направлении 275 вниз по скважине относительно наружного корпуса 710.
Конструкция механизма 755 сброса давления обеспечивает сброс давления рабочей жидкости внутри камеры 750, как это будет описано далее. Механизм 755 сброса давления также является двунаправленным, то есть обеспечивает сброс давления как при растяжении, так и при сжатии гидравлического яса 700. Механизм 755 сброса давления включает гидравлический корпус 730 и корпус 732 уплотнителя, неподвижно соединенные с наружной поверхностью 734 шпинделя 705. Гидравлический корпус 730 примыкает к верхнему концу 704 нижней части 706 шпинделя, в то время как корпус 732 уплотнителя примыкает к уступу 736 на верхней части 708 шпинделя. Между корпусом 732 уплотнителя и цилиндрическим корпусом 730 расположены кольцевая коническая насадка 738 и поршень 740 отвода корпуса кольцевого уплотнителя. Коническая насадка 738 и поршень 740 отвода корпуса кольцевого уплотнителя оба могут перемещаться по поверхности 734 между корпусом 732 и гидравлическим корпусом 730. Как показано на Фиг.12, поршень 740 отвода корпуса уплотнителя включает желобок 724 на своей поверхности 726, обращенной вверх по скважине, примыкающей к конической насадке 738. Паз 724 обеспечивает прохождение текучей среды между нижней камерой 765 и малым кольцевым пространством 722, сформированным между конической насадкой 738 и наружной поверхностью 734 шпинделя 705.
Как показано на Фиг.11, между гидравлическим корпусом 730 и поршнем 740 отвода корпуса уплотнителя образована камера 742. В камере 742 расположена пружина 744 клапана. Обратный клапан 746 и предохранительный клапан 748 расположены внутри гидравлического корпуса 730 на его конце 770 вниз по скважине. Между камерой 742 гидравлического корпуса 730 и клапанами 746, 748 проходит кольцевой канал потока. Конструкция обратного клапана 746 обеспечивает втягивание рабочей среды в камеру 742, когда пружина 744 клапана расширяется, упираясь в поршень 740 отвода корпуса уплотнителя, сдвигая поршень 740 отвода корпуса уплотнителя в направлении 270 вверх по скважине. Предохранительный клапан 748, с другой стороны, обеспечивает выпуск текучей среды из камеры 742 в нижнюю камеру 765, когда давление текучей среды внутри камеры 742 превысит давление срабатывания предохранительного клапана.
Наружный корпус 710 включает одну или более частей с уменьшенным диаметром, или сужений, 715 вдоль своей внутренней поверхности 720. В зависимости от положения вдоль оси механизма 755 сброса давления относительно сужения 715 между сужением 715 и конической насадкой 738 формируется уплотнение 712. Таким образом, при совмещении с сужением 715 механизм 755 сброса давления образует герметичное соединение с наружным корпусом 710, разделяя камеру 750 на верхнюю камеру 760 вверх по скважине относительно механизма 755 и нижнюю камеру 765 вниз по скважине относительно механизма 755.
В ходе нормального процесса бурения механизм 755 сброса давления расположен между сужениями 715 наружного корпуса 710 и не образует герметичного соединения с сужением 715. Когда компоненты бурильной колонны оказываются прихваченными и необходимо произвести динамический удар по буровой колонне, к гидравлическому ясу 700 может быть приложена растягивающая нагрузка, как это было описано выше. Точнее, растягивающая нагрузка прикладывается к расположенному вверх по скважине концу 725 шпинделя 705. В ответ на это шпиндель 705 начинает смещаться по оси вверх внутри наружного корпуса 710, сдвигая механизм 755 сброса давления в положение герметичного соединения с сужением 715 наружного корпуса 710. Кроме того, коническая насадка 738 смещается вдоль оси вниз, пока обращенная вниз по скважине торцевая поверхность конической насадки 738 не упрется в торец 726 поршня 740 отвода корпуса уплотнителя.
В результате перемещения шпинделя 705 и совмещения механизма 755 сброса давления с сужением 715 давление текучей среды в верхней камере 760 начинает повышаться. Вследствие повышения давления текучей среды в верхней камере 760 текучая среда начинает течь через механизм 755 сброса давления от верхней камеры 760 через кольцевое пространство 722 и желобок 724 поршня 740 отвода корпуса уплотнителя к нижней камере 765. Таким образом, рабочая жидкость дозированно передается из верхней камеры 760 в нижнюю камеру 765, позволяя нарастать давлению в верхней камере 760.
Когда достигнута растягивающая нагрузка, которая считается достаточной или необходимой для освобождения прихваченного инструмента, гидравлический яс 700 активизируется для выполнения динамического удара, как это было описано ранее. Однако если приложенное к гидравлическому ясу 700 растяжение превышает выбранное заранее "безопасное" значение до выполнения ясом 700 динамического удара, механизм 755 сброса давления активизируется в описанном далее порядке для сброса давления в верхней камере 760 с тем, чтобы предотвратить возможность повреждения или потери гидравлического яса 700.
По мере того как шпиндель 705 продолжает смещаться в направлении 270 вверх по скважине, давление текучей среды в верхней камере 760, действующее на торцевую поверхность 726 поршня 740 отвода корпуса уплотнителя, продолжает нарастать до тех пор, пока давление текучей среды не превысит давления текучей среды, содержащейся внутри камеры 742 гидравлического корпуса 730. В этот момент коническая насадка 738 и поршень 740 отвода корпуса уплотнителя смещаются в направлении 275 вниз по скважине, камера 742 становится меньше и давление заключенной в ней текучей среды увеличивается. Смещение конической насадки 738 и поршня 740 отвода корпуса уплотнителя продолжается под действием давления текучей среды в верхней камере 760 до тех пор, пока коническая насадка 738 не упрется в гидравлический корпус 730 и его дальнейшее перемещение вниз по скважине будет остановлено.
По мере повышения давления текучей среды в верхней камере 760 также повышается и давление текучей среды, действующее на торцевую поверхность 726 поршня 740 отвода корпуса уплотнителя, до тех пор, пока давление текучей среды, находящейся в камере 742, не превысит давления срабатывания предохранительного клапана 748. Как только давление текучей среды, находящейся внутри камеры 742, а значит, и давление текучей среды в верхней камере 760, превысит давление срабатывания предохранительного клапана 748, текучая среда в камере 472 гидравлического корпуса 730 выпускается через предохранительный клапан 748. После этого поршень 740 отвода корпуса уплотнителя получает возможность смещения от конической насадки 738 в направлении 275 вниз по скважине. Таким образом, камера 742 с содержащейся внутри рабочей жидкостью выполняет роль и может быть названа элементом сопротивления давлению. После разделения конической насадки 738 и поршня 740 отвода корпуса уплотнителя расход рабочей жидкости из верхней камеры 760 через кольцевое пространство 722 и за конической насадкой 738 в нижнюю камеру 765 существенно увеличивается. По мере того как рабочая жидкость отводится таким образом, давление рабочей жидкости в верхней камере 760 уменьшается.
Как только давление текучей среды в верхней камере 760 уменьшится настолько, что давление пружины 744 клапана на поршень 740 отвода корпуса уплотнителя превысит давление текучей среды в верхней камере 760, пружина 744 клапана расширится, вызывая смещение поршня 740 отвода корпуса уплотнителя в направлении 270 вверх по скважине. В то же время камера 742 раздвигается и текучая среда засасывается через обратный клапан 746, заполняя камеру 742. Таким путем, поршень 740 отвода корпуса уплотнителя устанавливается в исходное положение, и камера 742 снова заполняется для следующего растягивающего воздействия на гидравлический яс 700.
Конструкция предохранительного клапана 748 обеспечивает отвод текучей среды из камеры 742 гидравлического корпуса 730 и перемещение поршня 740 отвода корпуса уплотнителя от конической насадки 738, когда давление текучей среды в камере 742, а значит, и в верхней камере 760, достигает заданного значения. Например, конструкция предохранительного клапана 748 может быть такой, что его давление срабатывания равно или близко конструктивному пределу или номинальному давлению наружного корпуса 710, шпинделя 705, либо любого иного компонента гидравлического яса 700. Таким образом, конструкция механизма 755 сброса давления обеспечивает сброс давления текучей среды, когда давление текучей среды в верхней камере 760 приближается к конструктивным возможностям гидравлического яса 700 или его компонента. Регулируя таким путем механизм 755 сброса давления, можно обеспечить работу гидравлического яса 700 при максимальной нагрузке или вблизи нее. До того как давление текучей среды в верхней камере 760 превысит заданное "безопасное" давление, несколько меньшее, чем, например, номинальное давление гидравлического яса 700, срабатывает механизм 755 сброса давления, обеспечивая сброс давления и предотвращение повреждения или отказа гидравлического яса 700.
Несмотря на то что здесь были представлены и описаны различные предпочтительные варианты выполнения изобретения, специалист может предложить его модификации, не выходящие за пределы сущности изобретения и приведенного здесь раскрытия. Представленные варианты выполнения носят исключительно иллюстративный характер и не ограничивают изобретения. Возможны многие изменения и модификации раскрытого здесь прибора, которые находятся в пределах области притязаний изобретения. Соответственно, область патентной защиты не ограничена приведенным описанием, а ограничена только следующей ниже формулой, причем эта область включает все эквиваленты объекта изобретения в соответствии с формулой.