RU2065023C1

RU2065023C1 - Hydraulic damper

Info

Publication number: RU2065023C1
Application number: RU94023292A
Authority: RU
Inventors: Б.З. Султанов; Р.Р. Сафиуллин; Б.Н. Китуев
Original assignee: Уфимский государственный нефтяной технический университет
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 1996-08-10

Abstract

FIELD: well drilling. SUBSTANCE: hydromechanical damper has a case, upper reducer with extender and axial channels. Internal surface of the upper reducer is made in the form of a converging tube. A cylinder in the form of truncated cone is installed in the upper part of hollow shaft. The cylinder is provided with mixing chamber and axial and tangential passages. Replaceable extension is installed in the axial passage. Packages of metal rings with elastic members are installed between the case and hollow shaft. The members have variable characteristics. Limiting sleeve and spline spring. Elastic members have lengthwise openings. Cross section of the openings is risen from the top to the bottom. EFFECT: high efficiency. 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин и предназначено для гашения продольных колебаний бурильной колонны. The invention relates to techniques for drilling oil and gas wells and is intended to damp longitudinal vibrations of the drill string.

Известно устройство для гашения вибрации бурильной колонны, включающее корпус, установленный в нем вал и размещенный между ними узел амортизации, имеющий набор двух размещенных концентрично и связанных между собой упругих трубчатых элементов, выполненных из резины с разными модулями упругости и привулканизированных боковыми поверхностями по всей их высоте с одной стороны к корпусу, а другой к валу, осевые и радиальные упоры (1). A device for damping vibration of a drill string is known, including a housing, a shaft installed therein and a shock absorber located between them, having a set of two elastic tubular elements arranged concentrically and interconnected, made of rubber with different elastic moduli and vulcanized by side surfaces along their entire height on the one hand to the body, and the other to the shaft, axial and radial stops (1).

Указанное устройство гасит крутильные и продольные колебания, однако недостаточно эффективно ввиду большой жесткости упругих элементов. Большая жесткость упругих элементов в известной конструкции обусловлена беззазорной установкой их и передачей осевого усилия по образующей упругих элементов. А также ограничены функциональные возможности при бурении в сложных горно-геологических условиях и не обеспечивает изменение рабочей характеристики упругого элемента. The specified device damps torsional and longitudinal vibrations, but not effective enough due to the high stiffness of the elastic elements. The high rigidity of the elastic elements in the known design is due to their clearance-free installation and transmission of axial force along the generatrix of the elastic elements. And also limited functionality when drilling in difficult geological conditions and does not provide a change in the operating characteristics of the elastic element.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является наддолотный амортизатор, который включает корпус, полый вал, эластичные элементы, поршни, надпоршневые и надпоршневые полости, которые гидравлически связаны соответственно с внутритрубным и затрубным пространствами. Эластичные элементы снабжены металлическими обоймами (2). The closest technical solution to the proposed invention is a gouge shock absorber, which includes a housing, a hollow shaft, elastic elements, pistons, nadporshnevye and nadporshnevye cavity, which are hydraulically connected respectively to the in-tube and annular spaces. Elastic elements are equipped with metal clips (2).

Недостатком устройства является то, что в амортизаторе эластичные элементы не обладают достаточной прочностью, чтобы воспринимать большие осевые нагрузки, связанные с нагружением долота на забое скважины. Ход амортизации за счет деформации эластичных элементов недостаточен по сравнению с амплитудой колебания долота. Кроме того, ограничены функциональные возможности при бурении глубоких скважин в сложных горно-геологических условиях и не обеспечивает изменения рабочей характеристики упругих элементов. The disadvantage of this device is that in the shock absorber the elastic elements do not have sufficient strength to absorb large axial loads associated with loading the bit at the bottom of the well. The course of depreciation due to the deformation of the elastic elements is insufficient in comparison with the amplitude of oscillation of the bit. In addition, limited functionality when drilling deep wells in difficult geological conditions and does not provide changes in the operating characteristics of elastic elements.

Целью изобретения является повышение эффективности гашения продольных колебаний бурильной колонны и расширение функциональной возможности. The aim of the invention is to increase the damping efficiency of longitudinal vibrations of the drill string and expand the functionality.

Указанная цель достигается путем установки в верхней части полого вала стакана, выполненного в виде усеченного конуса, который снабжен
осевым и тангенциальным каналами, причем последние выполнены с параллельными входами промывочной жидкости, а его осевой канал снабжен смежной насадкой. В верхнем переводнике установлена насадка, вокруг которой периферийные осевые каналы, а внутренняя поверхность выполнена в виде конфузора, гидравлически взаимодействующего с конусом стакана, кроме того между корпусом и пакетом установлены ограничительная втулка и прорезная пружина, причем упругие элементы снабжены продольными отверстиями с возрастающими по сечению размерами сверху вниз.This goal is achieved by installing in the upper part of the hollow shaft of the glass, made in the form of a truncated cone, which is equipped with
axial and tangential channels, the latter being made with parallel inlets of the washing liquid, and its axial channel is equipped with an adjacent nozzle. A nozzle is installed in the upper sub, around which the peripheral axial channels, and the inner surface is made in the form of a confuser, hydraulically interacting with the cone of the glass, in addition, a limiting sleeve and a slotted spring are installed between the housing and the package, and the elastic elements are provided with longitudinal holes with increasing cross-sectional dimensions top down.

На фиг. 1 представлен общий вид гидромеханического демпфера; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 отдельно пакет упругих элементов. In FIG. 1 shows a General view of the hydromechanical damper; figure 2 is a section aa in figure 1; figure 3 separately a package of elastic elements.

Устройство включает корпус 1, верхний переводник 2, снабженный насадкой 16 и осевыми каналами 17, внутренняя поверхность которого выполнена в виде конфузора, полый вал 3 в верхней части которого установлен стакан 4, выполненный в виде усеченного конуса, снабженный камерой смешения Б, осевым и тангенциальным каналами 5, выполненными с параллельными входами промывочной жидкости, а в осевом канале установлена сменная насадка 6. Между корпусом 1 и полым валом 3 установлены пакет металлических колец 7 с упругими элементами 8 с изменяющейся характеристикой, ограничительная втулка 9 и прорезная пружина 10. Пакет упругих элементов 8 снабжен продольными с возрастающими по сечению размерами сверху вниз отверстиями В, взаимодействует с упорной втулкой 11 и дистанционной втулкой 12. The device includes a housing 1, the upper sub 2, equipped with a nozzle 16 and axial channels 17, the inner surface of which is made in the form of a confuser, the hollow shaft 3 in the upper part of which is installed a cup 4 made in the form of a truncated cone, equipped with a mixing chamber B, axial and tangential channels 5 made with parallel inlets of the flushing fluid, and an interchangeable nozzle 6 is installed in the axial channel 6. Between the housing 1 and the hollow shaft 3 a set of metal rings 7 with elastic elements 8 with a variable characteristic tikoy, restrictive slotted sleeve 9 and a spring 10. The package 8 is provided with elastic elements with increasing longitudinal dimensions of the cross section from top to bottom in the holes, engages with the retaining sleeve 11 and sleeve 12 remote.

Крутящий момент от корпуса к валу 3 передается шпоночным соединением, состоящим из шпонок 13, размещенных в пазах переводника 14 и ответных осевых пазах полого вала 3, удерживающийся от выпадания втулкой 15. The torque from the housing to the shaft 3 is transmitted by a keyed connection consisting of keys 13 located in the grooves of the sub 14 and the reciprocal axial grooves of the hollow shaft 3, which is kept from falling out by the sleeve 15.

Устройство работает следующим образом. Гидромеханический демпфер устанавливается в любом месте сжатой части бурильной колонны, например над долотом. The device operates as follows. The hydromechanical damper is installed anywhere in the compressed part of the drill string, for example above the bit.

При подаче буровыми насосами промывочной жидкости за счет срабатываемого перепада давления в тангенциальных каналах 5 и сменной насадке 6 стакана 4, выполненной в виде усеченного конуса, расклинивается полый вал 3 в нижнее положение. When drilling fluid is supplied by drilling pumps due to the triggered differential pressure in the tangential channels 5 and the replaceable nozzle 6 of the cup 4, made in the form of a truncated cone, the hollow shaft 3 is wedged to the lower position.

При набегании долота на "ухабы" забоя и зубцовых ударах шарошек возникающая динамическая составляющая реакции забоя перемещает полый вал вверх, преодолевая гидравлическую нагрузку, действующую на него и параллельно сопротивление пакета упругих элементов 8, что приводит к уменьшению амплитуд переменной нагрузки сжатия. При сжатии упругих элементов вибрации ими поглощается, а часть возвращается при их выпрямлении долоту. When the bit runs on the “bumps” of the face and tooth impacts of the cutters, the emerging dynamic component of the reaction of the face moves the hollow shaft upward, overcoming the hydraulic load acting on it and in parallel the resistance of the package of elastic elements 8, which leads to a decrease in the amplitudes of the variable compression load. When elastic elements are compressed, vibration is absorbed by them, and part returns when they straighten the bit.

Жесткость жидкостной пружины демпфера регулируется подбором регламентированного канала сменной насадки 6 и регламентированным осевым перемещением полого вала 3, т.к. при гидравлическом взаимодействии конусного стакана 4 с конфузором верхнего переводника 2 тангенциальные каналы 5 перекрываются. Это сопровождается увеличением гидравлической нагрузки на полый вал 3, жестко связанный с долотом. The stiffness of the liquid damper spring is regulated by the selection of the regulated channel of the replaceable nozzle 6 and the regulated axial movement of the hollow shaft 3, because with hydraulic interaction of the conical cup 4 with the confuser of the upper sub 2, the tangential channels 5 are closed. This is accompanied by an increase in hydraulic load on the hollow shaft 3, rigidly connected with the bit.

Регулировка жесткости (рабочей характеристики) пакета упругих элементов 8 осуществляется в широком диапазоне за счет изменения толщины их и за счет диаметра и количества продольных отверстий В, выполненных в каждом упругом элементе с возрастающими по сечению размерами сверху вниз или наоборот. The stiffness (working characteristic) of the package of elastic elements 8 is adjusted in a wide range by changing their thickness and due to the diameter and number of longitudinal holes B made in each elastic element with increasing cross-sectional sizes from top to bottom or vice versa.

Движение полого вала 3 вверх относительно верхнего переводника 2 регламентируется ограничительной втулкой 9 для предотвращения разрушения упругих элементов. Прорезная пружина 10 компенсирует гидравлический удар действующий на полый вал 3 с долотом при распрямлении жесткостной пружины. The movement of the hollow shaft 3 upward relative to the upper sub 2 is regulated by the restrictive sleeve 9 to prevent the destruction of the elastic elements. The slotted spring 10 compensates for the hydraulic shock acting on the hollow shaft 3 with a bit when straightening the stiff spring.

Процессы сжатия и распрямления гидравлической и механической частей демпфера происходят синхронно, дополняя друг друга. The processes of compression and straightening of the hydraulic and mechanical parts of the damper occur synchronously, complementing each other.

Использование гидромеханического демпфера предлагаемой конструкции позволяет эффективно гасить низкочастотные и высокочастотные колебания бурильного инструмента при бурении вертикальных так и наклонно-направленных скважин, что в конечном счете улучшает работу бурильного инструмента. Using the hydromechanical damper of the proposed design allows you to effectively dampen the low-frequency and high-frequency vibrations of the drilling tool while drilling vertical and directional wells, which ultimately improves the performance of the drilling tool.

Расширение функциональной возможности гидромеханического демпфера заключается в диспергировании промывочной жидкости непосредственно на забое за счет колебательных процессов, возникающих при работе бурильного инструмента. Прокачиваемая буровыми насосами промывочная жидкость на стакане 4, выполненном в виде усеченного конуса, разделяется на три потока: осевой поток, прокачиваемый через сменную насадку 6, и два периферийных потока, прокачиваемые через тангенциальные каналы 5, выполненные с параллельными входами промывочной жидкости. Затем эти потоки смешиваются в камере смешения Б за счет соударения их, что повышает степень турбулизации. The expansion of the functionality of the hydromechanical damper consists in dispersing the flushing fluid directly at the bottom due to the oscillatory processes that occur during the operation of the drilling tool. The flushing fluid pumped by the mud pumps on the nozzle 4, made in the form of a truncated cone, is divided into three flows: the axial flow pumped through the interchangeable nozzle 6, and two peripheral flows pumped through the tangential channels 5 made with parallel flushing fluid inlets. Then these flows are mixed in the mixing chamber B due to their collision, which increases the degree of turbulization.

Колебания полого вала 1 с коническим стаканом 4 относительно верхнего переводника 2, у которого внутренняя поверхность выполнена в виде конфузора, приводит к периодическому перекрыванию тангенциальных каналов 5. Колебательные процессы усиливают диспергирование твердых частиц промывочной жидкости за счет колебаний соударяющихся потоков. Oscillations of the hollow shaft 1 with a conical cup 4 relative to the upper sub 2, in which the inner surface is made in the form of a confuser, leads to periodic overlapping of the tangential channels 5. Oscillation processes increase the dispersion of solid particles of the washing fluid due to oscillations of the colliding flows.

Применение диспергирующего узла в гидромеханическом демпфере повышает степень разрушения коагуляционных агрегатов, способствует интенсификации процесса диспергирования твердых частиц жидкости, высокой турбулизации направленных потоков, позволяет повысить стабильность промывочной жидкости, т.е. улучшить ее структурно-механические свойства, уменьшить время на обработку и приготовление, снизить расход дорогостоящих химических реагентов и в итоге стоимость проходки. The use of a dispersing unit in a hydromechanical damper increases the degree of destruction of coagulation units, helps to intensify the process of dispersion of solid particles of liquid, high turbulization of directed flows, improves the stability of the washing liquid, i.e. improve its structural and mechanical properties, reduce processing and preparation time, reduce the consumption of expensive chemicals and, as a result, the cost of sinking.

Claims

A hydromechanical damper comprising a housing, a hollow shaft, a package of metal rings, elastic elements located between them, an upper and lower sub and a torque transmission unit, characterized in that it is equipped with a glass located in the upper part of the hollow shaft, made in the form of a truncated cone and having a camera mixing, axial and tangential channels with parallel inlets for flushing fluid and a replaceable nozzle installed in its axial channel located in the upper sub nozzle and installed between Service metal rings with elastic elements and the housing bounding sleeve and slotted spring, the top sub has peripheral longitudinal channels, as its inner cavity is formed as a converging tube mounted for the hydraulic interaction with the cone cup.