RU2151261C1

RU2151261C1 - Hydroacoustic reflector

Info

Publication number: RU2151261C1
Application number: RU99116539A
Authority: RU
Inventors: В.В. Мулловский; К.У. Мязитов; Н.М. Панин
Original assignee: Мулловский Виктор Васильевич; Мязитов Касим Усманович; Панин Николай Митрофанович
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 1999-07-30
Publication date: 2000-06-20

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: invention is used in drilling of holes for reflection and return of hydroacoustic pulses generated in process of operation of rock-breaking tool over hydraulic channel of drill pipe string. Reflector has body with upper and lower shifters, bushing arranged coaxially and ring piston placed between body and bushing manufactured from visco- elastic material, for instance, double copolymer CCAHMA. Ring piston together with upper shifter, body and bushing form two chambers, upper one being filled with compressed gas, for example, nitrogen and the other one being filled with washing fluid coming through radial holes in lower part of bushing. Holes have diameter of bushing chosen from condition of impassibility of visco-elastic material through them. In process of operation rock-breaking tool generates hydroacoustic pulses which propagate over hydraulic channel inside drill pipe string from face to floating piston and are reflected back towards face where they are used to adjust axial load on rock- breaking tool. Usage of visco-elastic material in the capacity of material of ring piston makes it feasible to raise operational reliability of reflector thanks both to prevention of gas leaks and to increase of useful volume of gas chamber. EFFECT: improved operational reliability. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к гидроакустическим отражателям, предназначенным для отражения и возвращения к забою распространяющихся по гидроканалу внутри бурильных труб гидроакустических импульсов, генерируемых при работе долота на забое. Возвращение к забою гидроакустических импульсов позволяет использовать их энергию для повышения эффективности бурения, в частности путем регулирования осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. The invention relates to the field of well drilling, namely to sonar reflectors, designed to reflect and return to the face of hydroacoustic pulses propagating along the hydrochannel inside the drill pipe generated during operation of the bit on the face. The return to slaughter of hydroacoustic pulses allows their energy to be used to increase drilling efficiency, in particular by regulating the axial load on the rock cutting tool.

Известен пневмогидравлический амортизатор [1], который может быть использован и в качестве гидроакустического отражателя. Он содержит корпус с верхним и нижним переводниками для связи с бурильной колонной, а между стенками корпуса установлен плавающий поршень, образующий с ними газовую камеру. Known pneumatic-hydraulic shock absorber [1], which can be used as a sonar reflector. It contains a housing with upper and lower sub for communication with the drill string, and a floating piston is installed between the walls of the housing, forming a gas chamber with them.

Недостатками известного устройства является то, что образующиеся при работе долота механические вибрации и пульсации промывочной жидкости в виде гидроакустических импульсов воспринимаются одним и тем же элементом - нижним переводником, от которого они передаются плавающему кольцевому поршню, в результате чего гидроакустические импульсы искажаются вибрацией бурильной колонны. Это затрудняет использование энергии отраженной волны для повышения эффективности бурения, например, путем регулирования динамической нагрузки на породоразрушающий инструмент. The disadvantages of the known device is that the mechanical vibrations and pulsations of the flushing fluid generated during operation of the bit in the form of hydroacoustic pulses are perceived by the same element - the lower sub, from which they are transmitted to the floating ring piston, as a result of which the hydroacoustic pulses are distorted by vibration of the drill string. This makes it difficult to use reflected wave energy to increase drilling efficiency, for example, by adjusting the dynamic load on the rock cutting tool.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является гидроакустический отражатель, включающий корпус с верхним и нижним переводниками для жесткой связи с бурильной колонной, коаксиально расположенную втулку с каналом для прохода промывочной жидкости и плавающий кольцевой поршень, образующий совместно с корпусом, верхним переводником и втулкой заполненную сжатым газом герметичную камеру, подпоршневая полость которой гидравлически связана с каналом втулки [2]. The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a sonar reflector, comprising a housing with upper and lower sub for rigid connection with the drill string, a coaxially located sleeve with a channel for the passage of flushing fluid and a floating annular piston forming together with the housing, the upper sub and the sleeve is a sealed chamber filled with compressed gas, the piston cavity of which is hydraulically connected to the sleeve channel [2].

В описанном отражателе для герметизации газовой камеры используются уплотнительные элементы, закрепляемые на поршне, и жидкая смазка, например дизельное масло. In the described reflector for sealing the gas chamber uses sealing elements mounted on the piston, and a liquid lubricant, such as diesel oil.

Недостатком этого устройства является следующее. В процессе работы в скважине абразивные частицы, имеющиеся в промывочной жидкости, попадают между наружной стенкой втулки, внутренней поверхностью корпуса и контактирующими с ними боковыми поверхностями поршня. Это может привести к заклиниванию поршня с последующим резким снижением КПД отражателя или образованию на наружной стенке втулки и внутренней поверхности корпуса микроканалов, по которым жидкая смазка и сжатый газ постепенно вытекают из напорной камеры. При этом давление в газовой камере понижается и на практике нередко наблюдаются случаи смятия корпуса. В результате гидроакустический отражатель не только не выполняет своего предназначения, но и может создать аварийную ситуацию. The disadvantage of this device is the following. During operation in the well, abrasive particles present in the flushing fluid fall between the outer wall of the sleeve, the inner surface of the housing, and the side surfaces of the piston in contact with them. This can lead to jamming of the piston followed by a sharp decrease in reflector efficiency or the formation of microchannels on the outer wall of the sleeve and the inner surface of the housing, through which liquid lubricant and compressed gas gradually flow out of the pressure chamber. In this case, the pressure in the gas chamber decreases and in practice, cases of crushing of the housing are often observed. As a result, the sonar reflector not only does not fulfill its purpose, but can also create an emergency.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение долговечности и надежности гидроакустического отражателя и как следствие этого - повышение эффективности бурения скважин за счет использования гидроакустических импульсов в течение всего времени работы породоразрушающего инструмента. In connection with the stated technical result of the invention is to increase the durability and reliability of the sonar reflector and, as a consequence, to increase the efficiency of well drilling through the use of sonar pulses throughout the life of the rock cutting tool.

Указанный технический результат достигается тем, что в гидроакустическом отражателе, включающем корпус с верхним и нижним переводниками для жесткой связи с бурильной колонной, коаксиально расположенную втулку с каналом для прохода промывочной жидкости и плавающий кольцевой поршень, образующий совместно с корпусом, верхним переводником и втулкой заполненную сжатым газом герметичную камеру, подпоршневая полость которой гидравлически связана с каналом втулки, согласно изобретению, плавающий кольцевой поршень выполнен из вязкоупругого материала, например двойного сополимера, а гидравлическая связь между подпоршневой полостью и каналом втулки выполнена в виде радиальных отверстий в нижней части втулки, причем диаметр отверстий выбран из условия непроходимости через них вязкоупругого материала поршня. The specified technical result is achieved by the fact that in the hydroacoustic reflector, which includes a housing with upper and lower sub for rigid communication with the drill string, a coaxially located sleeve with a channel for passage of flushing fluid and a floating annular piston, forming together with the body, upper sub and sleeve filled with compressed gas-tight chamber, the piston cavity of which is hydraulically connected to the bushing channel, according to the invention, the floating annular piston is made of viscoelastic material, such as dual copolymer, and hydraulic communication between the cavity and the channel subpiston sleeve is in the form of radial holes in the lower part of the sleeve, wherein the diameter of the holes is chosen from the condition of obstruction of the piston therethrough viscoelastic material.

Достижению указанного результата способствует также и то, что нижняя часть втулки размещена в полости нижнего переводника, при этом верхний торец последнего расположен ниже радиальных отверстий втулки. The achievement of this result also contributes to the fact that the lower part of the sleeve is located in the cavity of the lower sub, while the upper end of the latter is located below the radial holes of the sleeve.

На чертеже показан общий вид гидроакустического отражателя. The drawing shows a General view of the sonar reflector.

Гидроакустический отражатель включает трубчатый корпус 1, жестко соединенный с верхним и нижним переводниками 2 и 3, коаксиально расположенную втулку 4 и размещенный между корпусом 1 и втулкой 4 кольцевой поршень 5, выполненный из вязкоупругого материала, например двойного сополимера ССАНМА. Верхний конец втулки 4 соединен с переводником 2, а нижний - свободно размещен в полости переводника 3 и выполнен с радиальными отверстиями 6, расположенными по периметру над верхним торцом нижнего переводника 3. Диаметр отверстий 6 выбран из условия непроходимости через них вязкоупругого материала кольцевого поршня 5. Корпус 1, втулка 4 и кольцевой поршень 5 совместно с верхним и нижним переводниками 2 и 3 образуют две камеры, верхняя 7 из которых заполнена сжатым газом, а нижняя 8 - промывочной жидкостью. Закачка сжатого газа осуществляется через специальный канал 9, выполненный в верхнем переводнике 2 и оснащенный запорным устройством 10. При этом с целью повышения эффективности работы устройства за счет отражения большей части гидроакустических импульсов от кольцевого поршня 5 и уменьшения их потерь соотношение площадей поперечного сечения плавающего кольцевого поршня 5 и гидроканала 11 втулки 4 выбирается равным 3-5. Это обеспечивает отражение более 75 % гидроакустических импульсов, дошедших до отражателя. Для фиксации поршня 5 в нижнем положении может быть использовано любое стопорное устройство (не показано). Отражатель устанавливается в нижней части бурильной колонны вблизи породоразрушающего инструмента. The hydroacoustic reflector includes a tubular casing 1, rigidly connected to the upper and lower sub 2 and 3, a coaxially located bushing 4 and placed between the casing 1 and the bushing 4, an annular piston 5 made of a viscoelastic material, for example, SSANMA double copolymer. The upper end of the sleeve 4 is connected to the sub 2, and the lower one is freely placed in the cavity of the sub 3 and is made with radial holes 6 located around the perimeter above the upper end of the lower sub 3. The diameter of the holes 6 is selected from the condition that the viscoelastic annular piston 5 is obstructed through them. The housing 1, the sleeve 4 and the annular piston 5 together with the upper and lower sub 2 and 3 form two chambers, the upper 7 of which are filled with compressed gas, and the lower 8 - with flushing fluid. Compressed gas is pumped through a special channel 9, made in the upper sub 2 and equipped with a shut-off device 10. Moreover, in order to increase the efficiency of the device by reflecting most of the hydroacoustic pulses from the annular piston 5 and reduce their losses, the ratio of the cross-sectional areas of the floating annular piston 5 and hydrochannel 11 of the sleeve 4 is selected equal to 3-5. This ensures reflection of more than 75% of hydroacoustic pulses reaching the reflector. To fix the piston 5 in the lower position, any locking device (not shown) can be used. The reflector is installed in the lower part of the drill string near the rock cutting tool.

Гидроакустический отражатель работает следующим образом. Перед его спуском в скважину верхнюю камеру 7 через канал 9 заполняют сжатым газом, например азотом, давление которого выбирают в зависимости от интервала использования отражателя, т.е. в зависимости от давления находящейся в затрубном пространстве промывочной жидкости, сообщающейся с полостью газовой камеры 7 через запорное устройство 10, выполненное, например, в виде обратного клапана. В процессе работы породоразрушающий инструмент генерирует гидроакустические импульсы, которые распространяются по гидроканалу вверх. Дойдя до кольцевого поршня 5, значительная часть (более 75%) гидроакустических импульсов отражается от границы плавающего поршня 5 со сжатым газом и направляется обратно по гидроканалу 11 в сторону забоя скважины. При этом благодаря отсутствию жесткой связи поршня 5 с корпусом 1 исключается искажение гидроакустических импульсов вибрацией бурильной колонны, что позволяет использовать отраженную волну для повышения эффективности работы породоразрушающего инструмента путем регулирования динамической составляющей осевой нагрузки, создаваемой гидроакустическими импульсами. Кроме того, предложенная конструкция отражателя обеспечивает дополнительное повышение эффективности бурения за счет надежной герметизации газовой камеры 7 благодаря изготовлению плавающего поршня 5 из вязкоупругого материала, например, суспензионного сополимера акрилонитрила с метилакрилатом (ССАНМА), который плотно заполняет все образующиеся зазоры между поршнем 5 и контактирующими с ним стенками корпуса 1 и втулки 4. Это повышает надежность работы отражателя за счет исключения смятия корпуса 1, наблюдаемого в прототипе из-за утечек газа, и как следствие этого значительного перепада давления между полостью камеры 7 и затрубным пространством. Hydroacoustic reflector operates as follows. Before it is lowered into the well, the upper chamber 7 through the channel 9 is filled with compressed gas, for example nitrogen, the pressure of which is selected depending on the interval of use of the reflector, i.e. depending on the pressure of the flushing fluid located in the annulus communicating with the cavity of the gas chamber 7 through a shut-off device 10, made, for example, in the form of a check valve. In the process, the rock cutting tool generates sonar pulses that propagate up the channel. Having reached the annular piston 5, a significant part (more than 75%) of the hydroacoustic pulses is reflected from the boundary of the floating piston 5 with the compressed gas and is sent back along the hydraulic channel 11 towards the bottom of the well. In this case, due to the absence of a rigid connection between the piston 5 and the housing 1, distortion of hydroacoustic pulses by vibration of the drill string is eliminated, which allows the reflected wave to be used to increase the efficiency of the rock cutting tool by adjusting the dynamic component of the axial load created by hydroacoustic pulses. In addition, the proposed design of the reflector provides an additional increase in drilling efficiency due to reliable sealing of the gas chamber 7 due to the manufacture of the floating piston 5 from a viscoelastic material, for example, a suspension copolymer of acrylonitrile with methyl acrylate (CCANMA), which tightly fills all the gaps between the piston 5 and the contact with by the walls of the housing 1 and the sleeve 4. This increases the reliability of the reflector by eliminating the crushing of the housing 1, observed in the prototype due to leaks g aza, and as a consequence of this significant pressure drop between the cavity of the chamber 7 and the annulus.

Повышению эффективности работы отражателя способствует также и увеличение полезной емкости газовой камеры 7 благодаря исключению слоя жидкой смазки, используемой в прототипе в качестве уплотнения и расположению радиальных отверстий 6 в нижней части втулки непосредственно над верхним торцом переводника 3. При этом за счет выполнения гидравлической связи между подпоршневой камерой 8 и каналом 11 втулки 4 в виде радиальных отверстий 6 малого сечения исключается вероятность затекания двойного сополимера в нижнюю камеру 8, что повышает долговечность и надежность работы отражателя. Increasing the efficiency of the reflector also contributes to an increase in the useful capacity of the gas chamber 7 due to the elimination of the layer of liquid lubricant used in the prototype as a seal and the location of the radial holes 6 in the lower part of the sleeve directly above the upper end of the sub 3. Moreover, due to the hydraulic connection between the sub-piston the chamber 8 and the channel 11 of the sleeve 4 in the form of radial holes 6 of small cross section eliminates the possibility of leakage of the double copolymer in the lower chamber 8, which increases the long echnost and reliable operation of the reflector.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 312038, кл. E 21 B 17/07, 1971.Sources of information
1. Auth. St. USSR N 312038, class E 21 B 17/07, 1971.

2. Патент РФ N 2035584 C1, кл. E 21 B 17/07, 1995. 2. RF patent N 2035584 C1, cl. E 21 B 17/07, 1995.

Claims

1. Hydroacoustic reflector, comprising a housing with upper and lower adapters for tight connection with the drill string, a coaxially located sleeve with a channel for the passage of flushing fluid and a floating annular piston, which forms, together with the housing, the upper adapter and the sleeve, a sealed chamber filled with compressed gas, a piston cavity which is hydraulically connected to the bushing channel, characterized in that the floating annular piston is made of a viscoelastic material, for example a double copolymer, and Skye subpiston communication between the cavity and the sleeve passage is in the form of radial holes in the lower part of the sleeve, wherein the diameter of the holes is chosen from the condition of obstruction of the piston therethrough viscoelastic material.

2. The hydroacoustic reflector according to claim 1, characterized in that the lower part of the sleeve is placed in the cavity of the lower sub, while the upper end of the latter is located below the radial holes of the sleeve.