Гидромеханический силовой элемент
HYDROMECHANICAL POWER ELEMENT

Предлагаемое изобретение относится к горной промышленности, в частности, к гидромеханическим силовым элементам и может быть использовано для направленного разрушения и разупрочнения различных объектов за счет создания в них трещин в заданном направлении.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в нефтепромысловой геофизике и нефтяном деле.
Известно устройство для направленного разрушения монолитных объектов, содержащее разъемный корпус с кольцевыми проточками у краевых частей на внутренних поверхностях и трубчатую эластичную камеру, а также элементы для подвода рабочей жидкости (а.с. СССР №1767174, кл. Е21С 37/10, 1992).
Основными недостатками известного решения являются:
- недостаточный срок службы силового элемента, что связано с преждевременным разрывом рабочей камеры;
- невозможность ликвидации зазоров между устройством и скважиной. Наиболее близким к предлагаемому техническому решения является гидромеханический силовой элемент, включающее цилиндрический корпус, раздвижные пуансоны, установленные продольно и диаметрально противоположно относительно продольной оси корпуса и имеющими поперечные скосы на внутренних поверхностях, вставки трапецеидального поперечного сечения, продольно размещенные между раздвижными пуансонами, торцовые заглушки, с обращенными большими основаниями к продольной оси корпуса и прилегающими наклонными гранями к скосам пуансонов, эластичную камеру расширения, установленную в полости корпуса между торцовыми заглушками, пуансонам и сообщенную со штуцерами подвода рабочего тела, причем вставки снабжены компенсаторами зазоров между их торцами и торцовыми заглушками, выполненными в виде подпружиненных плунжеров, продольно установленных в вставках с возможностью выдвижения за их торцы и вставок (см. патент №154557, кл. Е21С 37/10, 2015). Основными недостатками известного решения являются:
- невозможность создания импульсных силовых нагрузок на объект воздействия;
- недостаточный срок службы силового элемента вследствие повышенных и неравномерных зазоров в сопряжениях деталей, обусловленных отсутствием жесткой фиксации подвижных и неподвижных элементов конструкции;
- малая прочность конструкции к внешним осевым нагрузкам, что связано с передачей осевых усилий непосредственно через пуансоны.
Техническим результатом, решаемым предлагаемым изобретением является создание гидромеханического силового элемента, позволяющего оказывать радиальные силовые воздействия на обсадную колонну скважины с образованием сейсмического сигнала за счет преобразования осевых ударных импульсов в импульсы гидравлического давления
Технический результат в предлагаемом изобретении достигают созданием гидромеханического силового элемента, включающего цилиндрический корпус, раздвижные пуансоны, установленные продольно и диаметрально противоположно относительно продольной оси корпуса и имеющими поперечные скосы на внутренних поверхностях, вставки трапецеидального поперечного сечения, продольно установленные между раздвижными пуансонами, торцовые заглушки, эластичную камеру расширения, установленную в полости корпуса между торцовыми заглушками, пуансонами и вставками трапецеидального поперечного сечения и сообщенную со штуцерами подвода рабочего тела, причем вставки снабжены компенсаторами зазоров между их торцами и торцовыми заглушками, в котором, согласно изобретению, корпус выполнен сборным в виде верхней и нижней обойм, соединенных сегментными щеками с образованием продольных окон в корпусе, в которых подвижно смонтированы пуансоны, и они связаны с обоймами корпуса возвратными листовыми рессорами, а в верхней торцовой заглушке, жестко установленной в верхней обойме, выполнен связанный с внутренней полостью эластичной камеры направляющий канал, в котором с возможностью осевого перемещения герметично установлен ступенчатый плунжер, а нижняя торцовая заглушка жестко установленная в нижней обойме, снабжена вытянутым конусом, расположенным внутри полости эластичной камеры.
Наличие в верхней торцовой заглушке направляющего канала, в котором установлен ступенчатый плунжер с возможностью осевого перемещения, позволяет преобразовывать внешнее осевое ударное воздействие на плунжер в импульс гидравлического давления рабочей жидкости в полости эластичной камеры, который через вставки и пуансоны передается в радиальном направлении на стенки скважины и далее в горную породу.
Способность преобразования осевых ударных воздействий в радиальные импульсные силовые нагрузки на стенки скважины обуславливает возможность использования гидромеханического силового элемента для виброимпульсного воздействия на горные породы.
Наличие у нижней торцовой заглушки вытянутого конуса, расположенного внутри полости эластичной камеры, способствует изменению направления волны сжатия рабочей жидкости, генерируемой нижним торцом плунжера в результате ударного воздействия по нему.
Создаваемая плунжером осевая волна сжатия, отражаясь от поверхности вытянутого конуса, распространяется радиально и воздействует на внутреннюю поверхность эластичной камеры, что повышает эффективность импульсного воздействия силового элемента.
Наличие у гидромеханического силового элемента сборного корпуса позволяет встраивать устройство в состав скважинных виброимпульсных комплексов.
Для этого корпус силового элемента снабжен, например, крепежной резьбой для соединения с ударным узлом и другими элементами комплекса
Наличие жесткого корпуса силового элемента увеличивает прочность конструкции к внешним осевым нагрузкам, образует четкую взаимную фиксацию подвижных и неподвижных элементов конструкции, что повышает технологичность сборки, минимизирует зазоры в подвижных сопряжениях, повышает ресурс устройства.
Выполнение щек в виде сегментов повышает технологичность изготовления и сборки устройства.
Использование возвратных листовых рессор для связи пуансонов с обоймами корпуса позволяет достичь максимальные радиальные перемещения пуансонов при фиксации устройства в скважине.
Это обеспечивает необходимый конструктивный зазор между пуансонами силового элемента и стенками скважины при проведении спускоподъемных операций, а также гарантированный возврат пуансонов в начальное положение по окончанию работы устройства.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется нижеследующим описанием конструкции и чертежами, где:
на фиг. 1 показан продольный разрез гидромеханического силового элемента;
на фиг. 2 - поперечное сечение гидромеханического силового элемента в транспортном положении;
на фиг. 3 показано поперечное сечение гидромеханического силового элемента в рабочем положении.
Гидромеханический силовой элемент состоит из цилиндрического корпуса, выполненного сборным в виде верхней 1 и нижней 2 обойм жестко соединенных сегментными щеками 3 с образованием двух диаметрально противоположных окон в корпусе, в которых установлены продольно и диаметрально противоположно относительно продольной оси корпуса пуансоны 4, имеющие поперечные скосы на внутренних поверхностях, вставки 5 трапецеидального поперечного сечения, продольно установленные между раздвижными пуансонами 4, торцовых заглушек 6,7, герметично установленных в верхней и нижней обоймах, эластичной камеры расширения 8, установленной в полости корпуса между торцовыми заглушками, пуансонам и вставками трапецеидального поперечного сечения и соединенную со штуцерами подвода рабочего тела 9.
По наружной поверхности эластичной камеры установлены верхний и нижний компенсаторы, образуемые кольцами треугольного сечения 10 и тарелками 11.
Причем между торцевыми поверхностями тарелок 11 с обеспечением периферийного контакта с эластичной камерой 8 установлены вставки 5 и пуансоны 4, с возможностью радиального перемещения последних в вышеуказанных окнах корпуса.
Пуансоны 4 имеют упругую связь с обоймами 1,2 посредством возвратных листовых рессор 12, жестко связанных с обоймами.
В верхней торцовой заглушке 6, установленной в верхней обойме 1, выполнен связанный с внутренней полостью эластичной камеры 8 направляющий канал 13, в котором с возможностью осевого перемещения герметично установлен подпружиненный ступенчатый плунжер 14 размещенный в стакане 15.
Причем верхнее положение плунжера 14 ограничено высотой стакана 15.
Нижняя торцовая заглушка 7, установленная в нижней обойме 2, снабжена вытянутым конусом 16, расположенным внутри полости эластичной камеры 8.
Внутренняя полость эластичной камеры 8 посредством канала 17 в нижней торцевой заглушке 7 и вытянутом конусе 16 имеет гидравлическую связь, например, с насосом 18 и баком 19 через кран 20.
Работу устройства рассмотрим на примере его использования для повышения нефтеотдачи нефтегазоносных месторождений.
Работу осуществляет следующим образом:
Гидромеханический силовой элемент в транспортном положении в составе скважинного виброимпульсного комплекса опускают в скважину 21 до требуемой глубины.
Насосом 18 заполняют эластичную камеру 8 рабочей жидкостью. По мере заполнения жидкостью эластичная камера 8 расширяется, воздействует на вставки 5 и пуансоны 4, раздвигая последние до упора в обсадную трубу скважины, переводя силовой элемент в рабочее положение.
После контакта пуансонов 4 с обсадной трубой скважины давление рабочей жидкости начинает интенсивно увеличиваться.
По достижению требуемой величины предварительного давления рабочей жидкости насос 18 отключают, а кран 20 закрывают, прерывая гидравлическую связь полости эластичной камеры 8 с насосом 18 и баком 19.
Под действием предварительного давления рабочей жидкости плунжер 14 прижимается в стакан 15, а кольца треугольного сечения 10, воздействуя по наклонным поверхностям на тарелки 11, прижимают их к торцам вставок 5 и пуансонов 4, компенсируя монтажные торцевые зазоры.
При ударном воздействии на свободный торец плунжера 14 со стороны ударного узла (на фиг. не показан) происходит внедрение плунжера 14 в полость эластичной камеры 8, заполненной рабочей жидкостью под предварительным давлением.
При внедрении плунжера 14 кинетическая энергия импульсного воздействия на него преобразуется в потенциальную энергию деформации рабочей жидкости и эластичной камеры 8.
При этом осевая волна сжатия рабочей жидкости, генерируемая нижним торцом плунжера в направляющем канале верхнего обойме, в результате отражения от вытянутого конуса 16 изменяет направление с осевого на радиальное и воздействует на внутреннюю поверхность эластичной камеры 8.
По мере внедрения плунжера 14 давление рабочей жидкости скачкообразно увеличивается и достигает максимального значения при нижнем положении плунжера 14, которое определяется конструктивными параметрами силового элемента и величиной энергии удара по плунжеру 14.
Гидравлический импульс передается через вставки 5 и пуансоны 4 на обсадную трубу скважины и далее в горную породу.
По окончанию внедрения плунжера 14 происходит его остановка и возврат в верхнее положение давлением рабочей жидкости. После чего рабочий цикл может повторяться.
По окончанию работы гидромеханического импульсного силового элемента открывают кран 20, и рабочая жидкость из полости эластичной камеры 8 возвращают в бак 19.
Пуансоны 4 под действием возвратных листовых рессор 12 внедряют в окна в корпусе, в результате чего устройство переходит в транспортное положение и может быть демонтировано из скважины.
Предлагаемое изобретение позволяет преобразовывать осевые ударные импульсы в импульсы гидравлического давления и оказывать радиальные силовые воздействия на стенки скважины.