МЕХАНИЧЕСКИЙ ЯСС
MECHANICAL JAR

Изобретение относится к устройствам для ликвидации прихватов бурильной колонны и инструмента.
Известен буровой ясс (см. Пат. США. №4.376.468, кл. НКИ 175/304: МКИ Е21В 31/07, заявл. 12.01.81 г., опубл. 15.03.83 г.).
Ясс включается в состав бурильной колонны труб и состоит из 2-х телескопически соединенных между собой деталей. Нижняя часть наружной детали на внутренней поверхности имеет несколько последовательно расположенных секций радиальных выемок, которые установлены с возможностью взаимодействия с соответствующими выступами на наружной поверхности внутренней детали. Внутри верхней детали на наружной поверхности смонтирован цанговый захват, приспособленный к взаимодействию с головкой внутренней детали. Введение яса в работу происходит путем натяжения бурильной колонны, с выводом из зацепления цангового захвата с головкой внутренней детали.
Известен механический ясс (см. а.с. №832044, кл. МКИ Е21В 23/00, заявл. 27.09.76 г., опубл. 23.05.81 г., бюлл. №19). Яс состоит из корпуса, внутри которого установлен шток, выполненный из нескольких частей, образующих заклинивающие пары, переводника жестко соединенного с корпусом. Наковальня установлена внутри корпуса и выполнена в виде полых цилиндров, между которыми расположены распорные втулки. Наковальня и распорные втулки закреплены в корпусе зажимной втулкой и регулировочным кольцом.
Работа яcса.
При разгрузке бурильной колонны конуса заклинивающих пар входят в закрепление друг с другом. При натяжении бурильной колонны запасают потенциальную энергию. При достижении заданного усилия натяжения нижняя заклинивающая пара расклинивается и шток движется вверх, пока торец нижней заклинивающей пары не нанесет удар по ответному торцу наковальни. После этого расклинивается вторая снизу заклинивающая пара, с генерацией серии ударов с максимальной амплитудой, сообщаемых прихваченному буровому инструменту.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- устройство может генерировать удары только в одном направлении - вверх, что не всегда может быть эффективным для ликвидации прихвата бурового инструмента;
- попадание механических примесей внутрь корпуса под сопрягаемые конические поверхности не позволит создать достаточной силы ударные нагрузки;
- следует отметить, что шламом может забиться вся внутренняя полость корпуса, с прекращением процесса генерации ударов, т.е. имеет место низкая надежность работы.
Известен механический ясc (см. а.с. №1.406.341, М. кл. Е21В 31/107, заявл. 27.01.86 г., опубл. 30.06.88 г., бюлл. №24). Ясс содержит корпус с ограничительной втулкой, в которой выполнено профилированное отверстие. В корпусе установлен ударник со штоком, размещенным в профилированном отверстии и имеющим аналогичный профиль. Концевые участки штока выполнены цилиндрическими.
Работа ясcа.
После посадки корпуса на торец переводника производят поворот бурильной колонны. При совпадении сечений отверстий в ограничительной втулке с профилированной поверхностью штока происходит удар по торцу ударника. Для повторного удара яс заряжают путем возврата штока в исходное положение. Для нанесения удара вниз добиваются несовпадения положения сечения ограничительной втулки и штока. Для этого бурильные трубы разгружают и проворачивают. При совпадении сечений корпус проскальзывает вниз, с нанесением удара по торцовой части переводника.
Недостатки конструкции:
- необходимо проворачивать бурильную колонну труб, а вместе с ней и корпус на необходимый угол, который сложно проконтролировать с поверхности;
- при таком конструктивном оформлении шлам и буровой раствор свободно попадает внутрь корпуса, что может служить препятствием для срабатывания устройства;
- поскольку шток в своем сечении имеет фигурный профиль, а взаимодействие переводника с корпусом происходит на цилиндрическом участке, то неясно, каким образом сообщается крутящий момент на буровой инструмент при бурении.
Известно техническое решение - механический ясc (см. а.с. №1008412, М кл. Е21В 31/107, заявл. 27.07.81 г., опубл. 30.03.83 г.), принятое за прототип.
Механический ясс состоит из корпуса с ударным выступом, полого штока с ответным ударным выступом, узла фиксации от проворота штока относительно корпуса, содержащий три ряда выступов, размещенных по периметру штока, для взаимодействия с ограничительными выступами корпуса. Узел фиксации от осевого перемещения штока относительно корпуса выполнен в виде чередующихся по оси штока выступов, пазов и втулки, установленной в корпусе с возможностью ограничительного осевого перемещения, снабженный ответными пазами и выступами.
Средний ряд выступов узла фиксации от поворота смещен относительно крайних рядов на величину ширины ограничительных выступов корпуса.
Нанесение ударов осуществляется следующим образом. При растянутом ясе колонну бурильных труб проворачивают ротором вправо до упора выступов на штоке в ограничительные выступы корпуса. Шток яса проворачивается относительно корпуса из одного положения в другое. Другие выступы на штоке и корпусе обеспечивают фиксацию от дальнейшего проворота вправо. Затем опускают бурильную колонну труб дальнейшего проворота вправо. Затем опускают бурильную колонну труб вниз, с созданием необходимой сжимающей нагрузки на яс. Шток перемещают относительно корпуса вниз на величину хода втулки до упора в ограничительную гильзу. Выступы штока выходят с выступами корпуса.
К недостаткам устройства следует отнести;
- сложность конструкции и сложность управления процессом генерации ударных импульсов;
- сложно контролировать процесс поворота штока относительно корпуса, с осевым перемещением при генерации ударного импульса;
- передача крутящего момента на породоразрушающий инструмент происходит путем взаимодействия одного из ряда выступов на штоке, что требует точного взаимодействия с выступами на внутренней поверхности корпуса;
- в процессе бурения скважин, при наличии циркуляционного бурового раствора, возможно попадание шлама в осевой канал корпуса, с забиванием им кольцевого зазора и невозможностью процесса генерации ударных импульсов, в случае необходимости.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- возможность постоянной передачи крутящего момента на породоразрушающий инструмент;
- герметизация камеры с наковальней и ударником от попадания механических частиц на внутренние соприкасаемые поверхности деталей;
- возможность генерации ударных импульсов устройством без предварительной подготовки и манипуляций с бурильной колонны труб, путем ее поворота на определенный угол;
- возможность генерации ударных импульсов с расчетными технологическими параметрами, как вверх, так и вниз, с необходимостью передачи крутящегося момента на породоразрушающий инструмент в любой момент проведения аварийных работ.
Анализ технических решений по данной области техники на соответствие критерию «изобретательный уровень» показал, что известно техническое решение (см. Пат. США. №4004643, кл. НКИ 175-321, кл. МКИ Е21В 1/10, заявл. 3.03.76 г., опубл. 25.01.77 г.), в котором реализован принцип защиты взаимодействующих деталей от частиц металла, путем герметизации полости от промывочного материала.
Известно устройство для ликвидации прихватов (см. журнал «Нефтяное хозяйство» №7, 1984 г., с 40), в котором реализован принцип прямой и непрерывной передачи крутящегося момента на породоразрушающий инструмент. Известен также узел защиты от осевого перемещения корпуса штока путем фиксации тарированными срезными штифтами.
Заполнение консистентной смазкой камеры внутри корпуса, в месте нахождения взаимодействующих деталей - наковальни и ударника, предотвращающей попадание частиц бурового раствора и шлама внутрь.
Технический результат достигается тем, что механический яс состоит из ударника с полым штоком, наковальни узла фиксации от осевого перемещения, узла передачи крутящего момента на породоразрушающий инструмент, узла создания ударной нагрузки.
Узел создания ударной нагрузки выполнен в виде цанги, с верхним и нижним цилиндрическими участками, с расположением по периметру и снабженными внутренними трапецеидальными выступами. Узел создания ударной нагрузки - ударник выполнен в виде цилиндрического выступа и связан через полый шток с бурильной колонной труб. Нижним концом ударник связан удлинителем, снабженным шлицами и проходящим в осевой канал переходника. Узел фиксации выполнен в виде тарированного срезного элемента, установленного в наковальне и связанного с удлинителем. Цанга с внешней стороны охватывается гильзой, с образованием герметичной полости с полым штоком, которая поджата упорной гайкой, установленной на верхнем цилиндрическом участке цанги. Удлинитель своими шлицами образует подвижное соединение с ответными шлицами переводника.
Конструкция механического яса поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - конструкция механического ясса в разрезе в исходном положении деталей в период передачи крутящего момента на буровой инструмент;
на фиг.2 - взаимное положение деталей конструкции в момент взаимодействия ударника с цангой и генерации импульса, направленного вверх;
на фиг.3 - взаимное положение деталей конструкции в момент взаимодействия ударника с цангой и генерации импульса, направленного вниз.
Механический ясс состоит из цанги 1 с верхним 2 и нижним 3 цилиндрическими участками. На нижний цилиндрический участок 3 цанги 1 навернут переходник 4, связанный через переводник 5 с буровым инструментом. Переходник 4 жестко связан с наковальней 6, установленной в осевом канале нижнего цилиндрического участка 3 цанги 1. С внешней стороны цанги 1 установлена гильза 7, поджимаемая гайкой 8, установленной на верхнем цилиндрическом участке 2 цанги 1. В осевом канале цанги 1 установлен ударник 9, связанный верхним концом с полым штоком 10, который верхним концом выходит за пределы устройства и связан с бурильной колонной труб (на фигурах не показано). Ударник 9 снабжен коническими фасками 11, связан с удлинителем 12, проходящим через осевые каналы наковальни 6 переходника 4 и переводника 5. На нижнем конце удлинителя 12 выполнены шлицы 13, входящие в зацепление с ответными шлицами 14, выполненными на внутренней поверхности переводника 5. Наковальня 6 связана с удлинителем 12 тарированным срезным элементом 15. Цанга 1 на внутренней поверхности трапецеидальных выступов 16 имеет конические фаски 17, для взаимодействия с коническими фасками 11 ударника 9. Внутрь верхнего цилиндрического участка 2 цанги 1 ввернута упорная гайка 18, кольцевой зазор между упорной гайкой 18 и полым штоком 10 изолирован уплотнительным кольцом 19.
Кольцевой зазор между наружной поверхностью цанги 1 и гильзой 7 перекрыт уплотнительным кольцом 20. Кольцевой зазор между наковальней 6 и цангой 1 перекрыт уплотнительным кольцом 21, а между наковальней 6 удлинитель 12 перекрыт уплотнительным кольцом 22.
Механический ясc устанавливается в составе бурильной колонны труб и через переводник 5 оснащается буровым инструментом. Сборка спускается в скважину и ведется бурение, с передачей крутящего момента на буровой инструмент через полый шток 10 и удлинитель 12, который связан с переводником 5 через шлицевое соединение 13.
При наличии прихвата бурового инструмента механический яс приводится в положение для гидроударного воздействия. Натяжением бурильной колонны труб осуществляют разрушение тарированного срезного элемента 15, соединяющего наковальню 6 и удлинитель 12.
Ударник 9 своей конической фаской 11 входит во взаимодействие с конической фаской 17 на трапецеидальном выступе 16 лепестковой цанги 1, с их деформацией в радиальном направлении.
В бурильной колонне труб и полом штоке 10 в этом случае создается растягивающее напряжение, и при расчетном осевом усилии ударник 9 раздвигает лепестки цанги 1 и резко перемещается вверх, с ударным воздействием на торец упорной гайки 18, жестко связанный с цилиндрическим участком 2 цанги 1, которая связана через переходник 4 и переводник 5 с породоразрушающим инструментом, для генерации удара вниз, бурильная колонна вместе с полым штоком 10 перемещается вниз относительно цанги 1 ударник, 9 своей нижней конической фаской 11 входит в контакт с верхней конической фаской 17 на трапецеидальном выступе 16 цанги 1, и при расчетном осевом нагружении от веса бурильной колонны труб происходит радиальная деформация лепестков цанги 1 ударником 9, который проскальзывает мимо них и с усилием воздействует на наковальню 6, с передачей ударной нагрузки через переходник 4 и переводник 5 на породоразрушающий инструмент. Генерация ударов вверх и вниз может повториться в прежней последовательности, до момента ликвидации прихвата, с дальнейшим продолжением процесса бурения скважины.