УДАРНИК ВИБРАЦИОННЫЙ СКВАЖИННЫЙ
WELL VIBRATION HAMMER

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к погружным вибрационным механизмам, и может быть использовано для проведения работ по извлечению прихваченных сыпучим материалом гравийно-намывных фильтров и других трубных конструкций при строительстве и капитальном ремонте скважин.
Анализ существующего уровня техники показал следующее:
- известен гидроударник, включающий корпус, верхнюю и нижнюю наковальни, связанные с корпусом, цилиндр с отверстиями, установленный над верхней наковальней, боек, расположенный между верхней и нижней наковальнями, поршень с уплотнениями, жестко связанный с бойком и размещенный в цилиндре с образованием надпоршневой полости, подпружиненный выпускной клапан с наружным посадочным местом, подпружиненный впускной клапан со сквозным каналом (см. а.с. №1670075 от 01.02.89 г. по кл. E21B 4/14, опубл. в ОБ №30, 15.08.91 г.).
Недостатком указанного устройства является низкая надежность и эффективность его работы ввиду следующих причин:
- хвостовик выпускного клапана с пружиной размещен во внутренней полости поршня, имеющей гидравлическую связь с выпускным каналом, ввиду чего возможно попадание песка через выпускной канал и сверления в поршне, и оседание его в этой полости, что приведет к заклиниванию подпружиненного выпускного клапана и всего гидроударника;
- впускной клапан подпружинен пружиной, имеющей определенную жесткость и рассчитанной на работу с постоянным фиксированным давлением, ввиду чего варьирование частотой ударов невозможно.
Известен гидроударник, включающий корпус, верхнюю и нижнюю наковальни, связанные с корпусом, цилиндр с отверстиями, установленный над верхней наковальней, боек, расположенный между верхней и нижней наковальнями, поршень с уплотнениями, жестко связанный с бойком и размещенный в цилиндре с образованием надпоршневой полости, выпускной клапан с наружным посадочным местом, впускной клапан (см. а.с. №1760067 от 29.08.89 г. по кл. E21B 4/14, опубл. в ОБ №33, 07.09.92 г.).
Недостатком указанного устройства является невысокая надежность и эффективность его работы, обусловленная следующими причинами:
- хвостовик выпускного клапана размещен во внутренней полости поршня, при попадании песка в эту полость перемещение выпускного клапана будет невозможно, ввиду чего работа гидроударника будет нарушена. Оседание песка в полости над поршнем выпускного клапана также приведет к заклиниванию гидроударника;
- впускной клапан закрывается под действием скоростного напора рабочей жидкости из впускного канала и собственного веса, что ограничивает частоту вибрации.
В качестве прототипа взят гидравлический вибромолот, включающий полый корпус, верхнюю и нижнюю наковальни, связанные с полым корпусом, цилиндр с посадочным местом и радиальными отверстиями, жестко связанный в нижней части с полым корпусом и установленный над верхней наковальней, боек, расположенный между верхней и нижней наковальнями, поршень с уплотнениями, жестко связанный с бойком и размещенный в цилиндре с образованием надпоршневой полости, подпружиненный выпускной клапан с наружным посадочным местом, внутренний корпус, установленный над цилиндром, подпружиненный впускной клапан с наружным и внутренним посадочными местами, уплотнением и сквозным каналом, установленный во внутреннем корпусе (см. а.с. №1446240 от 04.05.87 г. по кл. E02D 7/10, опубл. в ОБ №47, 23.12.88 г.).
Недостатком указанного устройства является недостаточно высокая надежность и эффективность его работы, что обусловлено рядом причин:
Хвостовик подпружиненного выпускного клапана установлен в замкнутой внутренней полости поршня. Свободное перемещение подпружиненного выпускного клапана возможно только при наличии достаточно большого зазора между хвостовиком и боковой поверхностью полости, но в таком случае появляется возможность попадания и оседания песка в этой полости, что приведет к заклиниванию хвостовика выпускного клапана и сбою работы устройства. Наличие зазора не обеспечит центровку подпружиненного выпускного клапана, что отрицательно скажется на работе клапанной группы.
Пружина впускного клапана установлена снаружи, в закрытой полости и не имеет возможности омываться промывочной жидкостью. Попадание в полость песка приведет к заклиниванию подпружиненного впускного клапана и остановке вибромолота.
Выпускной клапан подпружинен относительно цилиндра, оказывая сопротивление движению поршня вверх и тем самым снижая силу удара.
Пружина впускного клапана имеет определенную жесткость, то есть рассчитана на работу с фиксированным постоянным расходом и давлением рабочей жидкости. Следовательно, варьировать частотой ударов в таком случае не представляется возможным.
Жесткий удар бойка по верхней и нижней наковальням будет передавать на песок ударную волну малой и фиксированной длины, что не обеспечит вынужденные колебания частиц песка.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, обеспечивает повышение надежности и эффективности работы ударника вибрационного скважинного за счет:
- установки подпружиненного выпускного клапана на штоке, в результате чего указанный клапан надежно центрируется и перемещается по штоку без перекосов, обеспечивая устойчивую и бесперебойную работу устройства;
- установки пружины в сквозном канале внутреннего корпуса, омываемой промывочной жидкостью, что позволяет безотказно возвращать подпружиненный впускной клапан в исходное положение;
- установки фартука на штуцере, расположенном в верхней части ударника, выполняющего роль обратного клапана и предотвращающего поступление вымываемого из зоны прихвата сыпучего материала в сквозной канал;
- установки диафрагмы с внутренним отверстием, позволяющей создавать избыточное давление в сквозном канале и повышающей надежность работы подпружиненного впускного клапана, а также варьировать давлением рабочей жидкости, обеспечивая работу ударника в большом диапазоне расхода рабочей жидкости и, соответственно, с большим диапазоном частот. Варьирование частотой позволит добиться равенства резонансной частоты и частоты собственных колебаний извлекаемой системы, что является необходимым условием для извлечения прихваченных сыпучим материалом гравийно-намывных фильтров и других трубных конструкций;
- установки пружины выпускного клапана на штоке, ввиду чего пружина, удерживая указанный клапан в нижнем положении, перемещается вверх вместе с поршнем, не оказывая сопротивление перемещению последнего вверх и не гася силу удара;
- установки над бойком и под ним демпферных втулок, снижающих жесткость удара и позволяющих изменять длину ударной волны в зависимости от размера частиц песка, обеспечивая вынужденные колебания этих частиц на контакте с извлекаемым инструментом.
Технический результат достигается с помощью устройства, включающего полый корпус, верхнюю и нижнюю наковальни, связанные с полым корпусом, цилиндр с посадочным местом и радиальными отверстиями, жестко связанный в нижней части с полым корпусом и установленный над верхней наковальней, боек, расположенный между верхней и нижней наковальнями, поршень с уплотнениями, жестко связанный с бойком и размещенный в цилиндре с образованием надпоршневой полости, подпружиненный выпускной клапан с наружным посадочным местом, внутренний корпус, установленный над цилиндром, подпружиненный впускной клапан с наружным и внутренним посадочными местами, уплотнением и сквозным каналом, установленный во внутреннем корпусе.
Согласно изобретению ударник дополнительно содержит:
демпферные втулки, одна из которых установлена в пространстве между бойком и верхней наковальней, а другая - между бойком и нижней наковальней;
и штуцер, который жестко соединен с верхней частью полого корпуса и имеет в верхней части внутреннюю резьбу, а в нижней - радиальные пазы, при этом на наружной поверхности штуцера установлен фартук и стопорное кольцо.
Полый корпус выполнен разъемным, а его части жестко связаны между собой верхней наковальней, при этом в нижней части он жестко связан с нижней наковальней, выполненной в виде штуцера с наружной резьбой в нижней части, а под верхней и над нижней наковальнями выполнены радиальные отверстия.
Поршень в верхней части содержит шток, который зафиксирован стопорным винтом.
Подпружиненный выпускной клапан установлен на штоке с возможностью осевого перемещения относительно последнего, при этом верхняя часть подпружиненного выпускного клапана выполнена в виде грибка, а в нижней части имеет наружный кольцевой выступ с продольными отверстиями.
Внутренний корпус в верхней части жестко связан со штуцером и имеет продольные и радиальные пазы, при этом радиальные пазы совмещены с радиальными пазами штуцера, а в нижней части выполнены радиальные отверстия, при этом внутренний корпус имеет сквозной канал, гидравлически связанный со сквозным каналом подпружиненного впускного клапана.
д
Пружина впускного клапана размещена в сквозном канале внутреннего корпуса, а над пружиной установлена диафрагма с внутренним отверстием, диаметр которого обеспечивает создание давления P на диафрагме, удовлетворяющего условию
д
где P - давление на диафрагме, МПа,
р
P - рабочее давление, МПа,
кл
2
S - площадь впускного клапана, м,
пр
F - сила пружины, Н,
К - коэффициент, равный отношению рабочих площадей поршня снизу и сверху.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Анализ изобретательского уровня показал следующее: из источников патентной документации и научно-технической литературы нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения, обеспечивающими достигаемый технический результат, обусловленный неизвестными свойствами конструктивных элементов ударника и связями между конструктивными элементами.
Таким образом, заявляемые существенные признаки не следуют явным образом из уровня техники, т.е. соответствуют условию изобретательского уровня.
На чертеже представлен продольный разрез предлагаемого устройства.
д
Ударник вибрационный скважинный содержит полый корпус 1, верхнюю наковальню 2 и нижнюю наковальню 3. Полый корпус 1 выполнен разъемным, а его части жестко связаны между собой посредством верхней наковальни 2. В нижней части полый корпус 1 жестко связан с нижней наковальней 3, которая выполнена в виде штуцера и имеет наружную резьбу в нижней части для соединения с извлекаемым фильтром через ловильный инструмент. Полый корпус 1 под верхней наковальней 2 и над нижней наковальней 3 имеет радиальные отверстия 4. В верхней части полый корпус 1 жестко соединен со штуцером 5, который имеет в верхней части внутреннюю резьбу для соединения с колонной бурильных труб, а в нижней части радиальные пазы 6. На наружной поверхности штуцера 5 установлен фартук 7 и стопорное кольцо 8, ограничивающее осевое перемещение фартука 7. Над верхней наковальней 2 установлен цилиндр 9, который жестко связан в нижней части с полым корпусом 1. Цилиндр 9 на верхней торцевой поверхности имеет внутреннее посадочное место 10, а в нижней части радиальные отверстия 11. Между верхней наковальней 2 и нижней наковальней 3 расположен боек 12. В пространстве между бойком 12 и верхней наковальней 2, а также между бойком 12 и нижней наковальней 3 установлены демпферные втулки 13. Над бойком 12 установлен поршень 14. Боковые поверхности поршня 14 загерметизированы уплотнениями 15. Рабочая часть поршня 14 размещена в цилиндре 9 с образованием надпоршневой полости «а», а его нижний конец соединен с бойком 12. В верхней части поршня 14 установлен шток 16, который зафиксирован стопорным винтом 17. На штоке 16 установлен подпружиненный пружиной 18 выпускной клапан 19 с возможностью осевого перемещения относительно штока 16. Верхняя часть подпружиненного выпускного клапана 19 выполнена в виде грибка и имеет наружное посадочное место 20. В нижней части подпружиненный выпускной клапан 19 имеет наружный кольцевой выступ 21 с продольными отверстиями 22. Над цилиндром 9 установлен внутренний корпус 23, который в верхней части жестко связан со штуцером 5. Внутренний корпус 23 в верхней части имеет продольные пазы 24 и радиальные пазы 25. Радиальные пазы 25 внутреннего корпуса 23 совмещены с радиальными пазами 6 штуцера 5. В нижней части внутреннего корпуса 23 выполнены радиальные отверстия 26. Внутренний корпус 23 имеет сквозной канал 27. Во внутреннем корпусе 23 установлен подпружиненный пружиной 28 впускной клапан 29. Подпружиненный впускной клапан 29 имеет сквозной канал 30. Сквозной канал 27 внутреннего корпуса 23 гидравлически связан со сквозным каналом 30 подпружиненного впускного клапана 29. Пружина 28 впускного клапана 29 размещена в сквозном канале 27 внутреннего корпуса 23. Подпружиненный впускной клапан 29 гидравлически связан с надпоршневой полостью «а» цилиндра 9. Подпружиненный впускной клапан 29 имеет наружное и внутреннее посадочные места 31, 32. Наружное посадочное место 31 подпружиненного впускного клапана 29 взаимодействует с внутренним посадочным местом 10 цилиндра 9, а внутренне посадочное место 32 - с наружным посадочным местом 20 подпружиненного выпускного клапана 19. Над пружиной 28 впускного клапана 29 установлена диафрагма 33 с внутренним отверстием 34, диаметр которого обеспечивает создание давления P на диафрагме 33, удовлетворяющего условию
д
где P - давление на диафрагме, МПа,
р
P - рабочее давление, МПа,
кл
2
S - площадь впускного клапана, м,
пр
F - сила пружины, Н,
К - коэффициент, равный отношению рабочих площадей поршня снизу и сверху.
На наружной поверхности подпружиненного впускного клапана 29 имеется уплотнение 35, разделяющее ударник вибрационный скважинный на зоны высокого и низкого давления.
Устройство работает следующим образом.
Ударник вибрационный скважинный под воздействием подаваемой в него жидкости генерирует механические колебания в извлекаемом фильтре, который освобождается за счет перевода удерживающего песка или гравия в псевдожиженное состояние. Прихваченный фильтр, потеряв связь с гравийно-песчаной обсыпкой, целиком извлекается усилием бурового станка.
3
Соединяют нижнюю наковальню 3 с левым аварийным инструментом. Соединяют штуцер 5 с нижней трубой левого инструмента. Проверяют работоспособность ударника на устье, подав насосом рабочую жидкость с минимальным расходом 1 дм/с. Ударник приходит в действие, при увеличении расхода жидкости частота колебаний будет увеличиваться. Спускают ударник на глубину установки извлекаемого фильтра, со скоростью спуска не более 0,2 м/с и соединяют с фильтровой компоновкой, изменяя расход рабочей жидкости и натяжение инструмента. Для соединения с фильтровой компоновкой используют метчик или колокол. Подбирают режим, при котором произойдет страгивание фильтра.
д
В исходном положении боек 12 находится в крайнем нижнем положении. Подпружиненный впускной клапан 29 закрыт, а подпружиненный выпускной клапан 19 открыт. Рабочая жидкость по центральному каналу штуцера 5 и зазору между верхней частью полого корпуса 1 и цилиндром 9 через радиальные отверстия 11 поступает под поршень 14, который вместе с бойком 12 начинает движение вверх. При этом рабочая жидкость из надпоршневой полости «а» цилиндра 9 вытесняется через подпружиненный выпускной клапан 19 и внутреннее отверстие 34 диафрагмы 33 в кольцевое пространство скважины, создавая давление P на диафрагме 33.
Подпружиненный выпускной клапан 19 перемещается с поршнем 14 вверх до контакта с внутренним посадочным местом 32 подпружиненного впускного клапана 29, перекрывая сквозной канал 30. Дальнейшее движение поршня 14 вверх приводит к открытию подпружиненного впускного клапана 29. Подпружиненный выпускной клапан 19 и подпружиненный впускной клапан 29 совместно перемещаются вверх, сжимая пружину 28. Боек 12 наносит удар по верхней наковальне 2 через демпферную втулку 13, установленную над бойком 12.
Через образовавшийся зазор между подпружиненным впускным клапаном 29 и цилиндром 9 рабочая жидкость поступает в надпоршневую полость «а». Так как рабочая площадь поршня 14 сверху больше чем снизу, а давление рабочей жидкости одинаково с двух сторон поршня 14, поршень 14 с бойком 12 начинают движение вниз. При этом подпружиненный выпускной клапан 19 и подпружиненный впускной клапан 29 удерживаются в верхнем положении давлением рабочей жидкости, а пружина 18 сжимается от перемещения вниз штока 16.
c
В момент, когда подпружиненный выпускной клапан 19 и подпружиненный впускной клапан 29 находятся в крайнем верхнем положении, а поршень 14 начинает движение вниз, на подпружиненный впускной клапан 29 снизу действует сила F, направленная вверх и стремящаяся оторвать последний от подпружиненного выпускного клапана 19.
с
р
кл
F=P⋅S,
р
где P - рабочее давление;
кл
S - площадь подпружиненного впускного клапана.
пр
д
Этой силе препятствует сила пружины 28 F впускного клапана 29 и сила от давления P на диафрагме 33, направленные вниз
в
пр
д
кл
F=F+P⋅S,
пр
где F - сила пружины.
с
в
Из равенства F и F получаем
д
д
После того, как поршень 14 захватит и откроет подпружиненный выпускной клапан 19, давление над поршнем 14 снижается до величины давления на диафрагме P и выпускной клапан 19 под действием пружины 18, а впускной клапан 29 под действием пружины 28 вернутся в исходное положение. Боек 12 по инерции пройдет оставшееся расстояние и ударит по нижней наковальне 3 через демпферную втулку 13, установленную под бойком 12. Поступление жидкости в надпоршневую полость «а» полость прекращается, и рабочий цикл повторяется. Движению поршня 14 вверх препятствует давление P, поэтому должно соблюдаться условие
д
р
P≥P⋅К,
где К - коэффициент, равный отношению рабочих площадей поршня снизу и сверху.
На примере рассмотрим выполнение условия системы.
кл
пр
пс
пв
-4
2
-4
2
-4
2
В нашем случае площадь впускного клапана S=20⋅10 м, сила пружины F=1000 Н, рабочая площадь поршня снизу S=48,3⋅10 м, рабочая площадь поршня сверху S=73,9⋅10 м, т.е. К=0,654.
Решая систему уравнений
р
д
определяем минимальное рабочее давление и минимальное давление на диафрагме, при котором ударник будет работать: P=1,45 МПа, P=0,95 МПа.
Применив известную формулу перепада давления в промывочных насадках буровых долот (Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин: Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1988. - С. 193)
д
д
определим минимальный расход рабочей жидкости Q при диаметре d внутреннего отверстия 34 диафрагмы 33, равном d=0,008 м.
д
д
где μ - коэффициент расхода; μ=0,7,
3
ρ - плотность рабочей жидкости; ρ=1000 кг/м,
f - площадь внутреннего отверстия диафрагмы
Выразив площадь внутреннего отверстия 34 через диаметр отверстия, получим минимальный расход рабочей жидкости, при котором ударник придет в действие
р
д
Ударник рассчитан на максимальное рабочее давление P=5,00 МПа, тогда из первого уравнения системы находим давление P на диафрагме 33.
Проверяем выполнение второго уравнения системы.
д
р
P≥0,654⋅P
4,5>0,645⋅5
4,5>3,27 - второе условие системы выполняется.
При этом расход при максимальном рабочем давлении будет равен
Характеристики применяемых буровых насосов обеспечат подачу рабочей жидкости как с минимальным, так и с максимальным расходом.
д
р
Установка диафрагмы с внутренним отверстием, равным d=0,008 м, позволит варьировать давлением рабочей жидкости в диапазоне P=1,45÷5,00 МПа.
Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию промышленная применимость.
Заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности, а именно условию новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.