RU2272122C2

RU2272122C2 - Hydraulic jar

Info

Publication number: RU2272122C2
Application number: RU2004115435/03A
Authority: RU
Inventors: Юнир Гафурович Вагапов (RU); Юнир Гафурович Вагапов; Гни тулла Гарифуллович Ишбаев (RU); Гниятулла Гарифуллович Ишбаев; Самат Юнирович Вагапов (RU); Самат Юнирович Вагапов
Original assignee: Юнир Гафурович Вагапов; Гниятулла Гарифуллович Ишбаев; Самат Юнирович Вагапов; Ооо Нпп "Буринтех"
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2006-03-20
Also published as: RU2004115435A

Abstract

FIELD: oil production industry, particularly for underground well repair to release stuck tool.

SUBSTANCE: device comprises cylinder having bored portion, cylinder, piston connected to traction and compensating rods and sealed with gaskets. Device also has bush with outer flat installed over the piston on compensating rod. The bush and piston end define annular gap with slot-like channel formed in bottom thereof. The device also has valve unit with shutoff member arranged in the annular gap and made as O-ring of elastomeric material. The shutoff member closes liquid flow directed from cavity located above the piston to cavity under the piston. The piston is spaced from the cylinder. Channel, which communicate cylinder cavities divided with piston, is made as annular space between compensating rod and piston and may be connected with slot-like channel.

EFFECT: simplified structure and increased reliability.

2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для использования при подземном (капитальном) ремонте скважин для освобождения прихваченного инструмента и оборудования ударами.The invention relates to the oil and gas industry and is intended for use in underground (overhaul) well repair to release stuck tools and equipment with impacts.

Известны гидравлические яссы, которые содержат цилиндр, связанный с освобождаемым объектом и заполненный рабочей жидкостью. В цилиндре размещен поршень, который через шток соединен с рабочей колонной труб, причем вход штока в цилиндр герметизирован сальником. Для создания удара с таким яссом натяжением колонны труб нагружают поршень, который сжимает рабочую жидкость в цилиндре, находящуюся выше него. При этом в результате утечек рабочей жидкости через пару "цилиндр-поршень" последний перемещается вверх и достигает в цилиндре расточенного на больший диаметр участка. В результате на указанном участке движение поршня происходит без перепада давления, из-за чего растянутая (деформированная) рабочая колонна резко сокращается под действием упругих сил и поршень наносит удар по верхней части цилиндра [1].Hydraulic jars are known which comprise a cylinder connected to an object to be released and filled with a working fluid. A piston is placed in the cylinder, which is connected through the rod to the working string of pipes, and the rod inlet to the cylinder is sealed with an oil seal. To create a shock with such an iass, the tension of the pipe string loads the piston, which compresses the working fluid in the cylinder above it. In this case, as a result of leakage of the working fluid through a pair of "cylinder-piston", the latter moves up and reaches the section bore to a larger diameter in the cylinder. As a result, in the indicated section, the piston moves without pressure drop, due to which the stretched (deformed) working column is sharply reduced under the action of elastic forces and the piston strikes the top of the cylinder [1].

Недостатком этой конструкции является низкая эффективность, что обусловлено тем, что в паре поршень-цилиндр приходится выполнять значительный зазор, в противном случае возврат поршня в исходное положение становится трудновыполнимой задачей, в результате чего такой ясс может работать только при сравнительно низких перепадах давления на поршень при ходе вверх, что ограничивает деформацию рабочей колонны, а следовательно, и силу удара.The disadvantage of this design is the low efficiency, which is due to the fact that a significant clearance is necessary in the piston-cylinder pair, otherwise returning the piston to its original position becomes a difficult task, as a result of which such a nozzle can only work at relatively low pressure drops across the piston at upward stroke, which limits the deformation of the working column, and therefore the impact force.

В более современных конструкциях ясов указанный недостаток преодолен тем, что пара "поршень-цилиндр" на участке нагружения перепадом давления хорошо герметизирована, а возврат поршня в исходное (низшее) положение обеспечивается путем пропуска рабочей жидкости вверх через клапан, каналы и дросселирующие зазоры [2].In more modern jar designs, this drawback is overcome by the fact that the piston-cylinder pair at the loading section with a differential pressure is well sealed, and the piston is returned to its initial (lowest) position by passing the working fluid up through the valve, channels and throttling gaps [2] .

Указанный гидравлический ясс содержит цилиндр, выполненный с расточенным участком, в котором подвижно установлен поршень, соединенный с тяговым и компенсационными штоками, которые герметизированы сальниками. К поршню сверху через тяговый шток присоединена рабочая колонна, внизу поршня расположен вспомогательный компенсационный шток для обеспечения постоянства рабочего объема полости цилиндра при всех перемещениях тягового штока. Цилиндр присоединяется к освобождаемому объекту.The specified hydraulic jar contains a cylinder made with a bored section, in which the piston is movably mounted, connected to the traction and compensation rods, which are sealed with oil seals. A working string is connected to the piston from above through the traction rod, and an auxiliary compensation rod is located at the bottom of the piston to ensure that the working volume of the cylinder cavity remains constant during all traction rod movements. The cylinder joins the object being released.

Конструктивными особенностями указанного ясса являются те, что наружная поверхность поршня образует герметичную подвижную пару относительно цилиндра, сам поршень выполнен составным и включает в себя кольцевой кожух с перфорированными отверстиями и фильтрами, диски с расположенными между ними втулками с продольными каналами и со спиралеобразными канавками на торцевых поверхностях. Между фильтрами и дисками расположены вкладыши, на внутренних поверхностях которых выполнены спиралеобразные канавки, образующие совместно со спиралеобразными канавками втулок, продольными каналами втулок и кольцевыми дросселирующими зазорами дисков и кожуха единую систему дросселирования рабочей жидкости.Design features of this jar are those that the outer surface of the piston forms a tight movable pair relative to the cylinder, the piston itself is made integral and includes an annular casing with perforated holes and filters, disks with bushings located between them with longitudinal channels and with spiral grooves on the end surfaces . Inserts are located between the filters and the disks, on the inner surfaces of which there are spiral-shaped grooves, which form, together with the spiral-shaped grooves of the bushes, the longitudinal channels of the bushes and the annular throttling clearances of the disks and the casing, a single throttling system for the working fluid.

Эта конструкция разрешает указанный выше принципиальный недостаток аналога, но также имеет некоторые недостатки, главные из которых следующие:This design solves the above fundamental disadvantage of the analogue, but also has some disadvantages, the main of which are as follows:

- сложность конструкции поршня;- the complexity of the design of the piston;

- единая система дросселирования рабочей жидкости чувствительна к ее загрязнению, т.к. даже небольшая посторонняя частица способна нарушить работу ясса. Этот недостаток частично преодолевается путем применения высокоочищенной рабочей жидкости и применением фильтра, что усложняет конструкцию ясса, в то же время неизбежное загрязнение рабочей жидкости в процессе эксплуатации продуктами износа трущихся пар все равно снижает срок безотказной работы ясса.- a single throttling system of the working fluid is sensitive to its contamination, because even a small foreign particle can disrupt the operation of the iass. This drawback is partially overcome by the use of a highly purified working fluid and the use of a filter, which complicates the design of the jar, while at the same time, the inevitable contamination of the working fluid during operation by wear products of rubbing steam still reduces the dead time of the jar.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности гидравлического ясса.The aim of the invention is to simplify the design and increase the reliability of the hydraulic jar.

Поставленная цель достигается тем, что канал, сообщающий полости цилиндра, разделенные поршнем и заполненные рабочей жидкостью, снабжен установленной над поршнем на компенсационном штоке втулкой с наружной фаской, образующей совместно с торцом поршня кольцевую канавку, на дне которой выполнен щелевой канал, клапанным узлом с запорным элементом в виде расположенного в кольцевой канавке уплотнительного О-образного кольца из эластомера для перекрытия потока жидкости из полости над поршнем в полость под поршнем, при этом поршень установлен с зазором относительно цилиндра, канал, сообщающий полости цилиндра, разделенные поршнем, выполнен в виде кольцевого зазора между компенсационным штоком и поршнем с возможностью сообщения с щелевым каналом.This goal is achieved in that the channel communicating the cavity of the cylinder, separated by a piston and filled with a working fluid, is equipped with a sleeve with an external chamfer installed above the piston on the compensation rod, forming an annular groove together with the piston end, at the bottom of which a slot channel is made, with a valve assembly with a shut-off an element in the form of an O-ring of elastomer located in the annular groove to shut off the fluid flow from the cavity above the piston into the cavity under the piston, while the piston n with a gap relative to the cylinder, the channel reporting of the cylinder partitioned by the piston, is configured as an annular gap between the compensation piston rod and adapted to communicate with a slotted bore.

По вопросу соответствия отличий описанной разработки критерию "изобретательского уровня" сообщаем следующее.On the issue of matching the differences between the described development with the criterion of "inventive step", we report the following.

Выполнение клапанного узла с запорным элементом в виде расположенного в кольцевой канавке уплотнительного О-образного кольца из эластомера делает конструкцию ясса гораздо менее чувствительной к содержанию механических включений в рабочей жидкости, т.к. последние в случае попадания под кольцо в большинстве случаев просто утапливаются в тело кольца, не нарушая герметичности пары. Как было сказано выше, таким свойством не обладает поршень и единая система дросселирования рабочей жидкости прототипа - в ней механические включения могут привести к отказу работы ясса.The execution of the valve assembly with a locking element in the form of a sealing O-shaped ring of elastomer located in the annular groove makes the design of the jar much less sensitive to the content of mechanical impurities in the working fluid, because the latter, in case of falling under the ring, in most cases are simply recessed into the body of the ring without violating the tightness of the pair. As mentioned above, the piston and the unified system of throttling the working fluid of the prototype do not have this property - mechanical inclusions in it can lead to failure of the jar.

Изложенное, на наш взгляд, показывает, что предложенный ясс объединяет преимущества аналога и прототипа, будучи свободным от их основных недостатков. Кроме того, из доступных источников нам неизвестна конструкция ясса, эквивалентная предложенной конструкции. По этим причинам, на наш взгляд, предложение может считаться соответствующим критерию "изобретательский уровень".The above, in our opinion, shows that the proposed iass combines the advantages of analog and prototype, being free from their main disadvantages. In addition, from available sources, we do not know the design of the iass equivalent to the proposed design. For these reasons, in our opinion, the proposal can be considered as meeting the criterion of "inventive step".

На чертеже изображен предложенный ясс. На фиг.1 изображен продольный разрез устройства; на фиг.2 изображен узел отсечения потока - обратный клапан - в увеличенном виде.The drawing shows the proposed yass. Figure 1 shows a longitudinal section of a device; figure 2 shows the node cutoff flow check valve in an enlarged view.

Ясс состоит из цилиндра 1 с расточенным участком, в котором с малым зазором относительно цилиндра 1 подвижно установлен поршень 2. Тяговый шток 3 уплотнен верхним сальником 4 и соединен со шпинделем 5, который с корпусом 6 ясса сопрягается шлицевой парой 7. Шпиндель 5 соединен с рабочей колонной труб 8, причем на шпинделе выполнена голова 5г для нанесения ударов по корпусу 6 ясса. Компенсационный шток 9, расположенный ниже поршня 2, уплотнен нижним сальником 10, установленном в нижнем переводнике 11. Между компенсационным штоком 9 и поршнем 2 имеется кольцевой зазор 12. Над поршнем 2 расположена с возможностью осевого перемещения относительно компенсационного штока 9 втулка 13, на которой выполнена наружная фаска 14. В кольцевой канавке, образованной фаской 14 втулки 13 и торцом поршня 2, расположено уплотнительное O-образное кольцо 15 из эластомера. Указанная кольцевая канавка через щелевой канал 16 сообщена с кольцевым зазором 12, который в свою очередь гидравлически связан с подпоршневым пространством посредством пазов 17 выполненных в штоке 9.The jar consists of a cylinder 1 with a bored portion in which a piston 2 is movably mounted with a small clearance relative to the cylinder 1. The traction rod 3 is sealed with an upper gland 4 and connected to a spindle 5, which is connected to the case 6 by a spline pair 7. Spindle 5 is connected to the working a column of pipes 8, and on the spindle, a head 5g is made for striking the body 6 of the jar. The compensation rod 9, located below the piston 2, is sealed with a lower gland 10 installed in the lower sub 11. Between the compensation rod 9 and the piston 2 there is an annular gap 12. Above the piston 2 is located axially movable relative to the compensation rod 9 of the sleeve 13 on which outer chamfer 14. In the annular groove formed by the chamfer 14 of the sleeve 13 and the end face of the piston 2, an O-ring 15 of elastomer is located. The specified annular groove through the slotted channel 16 is in communication with the annular gap 12, which in turn is hydraulically connected to the under-piston space by means of grooves 17 made in the rod 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.

При натяжении рабочей колонны труб 8 шпиндель 5, штоки 3 и 9 вместе с поршнем 2 перемещаются вверх. При этом в полости "В" цилиндра 1 над поршнем 2 повышается давление, под действием которого уплотнительное O-образное кольцо 15 из эластомера прилегает к щелевому каналу 16 и перекрывает его, предотвращая переток рабочей жидкости из полости В в полость Н под поршнем 2 цилиндра 1. Этот перепад, действуя на кольцевую площадь поршня 2, создает нагрузку на рабочую колонну 8. Далее в результате утечки через зазор в паре поршень 2 - цилиндр 1 поршень перемещается вверх до расточенного участка цилиндра, где перепад давления снимается. После этого растянутая рабочая колонна резко сокращается, в результате чего происходит удар головы 5г шпинделя 5 по внутреннему торцу корпуса 6. Шлицевая пара 7 позволяет передавать через ясс крутящий момент.When tensioning the working string of pipes 8, spindle 5, rods 3 and 9 together with the piston 2 move up. At the same time, in the cavity "B" of the cylinder 1 above the piston 2, the pressure increases, under the action of which the O-ring of the elastomer O-ring 15 adheres to the slot channel 16 and closes it, preventing the flow of the working fluid from the cavity B into the cavity H under the piston 2 of the cylinder 1 This difference, acting on the annular area of the piston 2, creates a load on the working column 8. Then, as a result of leakage through the gap in the pair, the piston 2 - cylinder 1 piston moves up to the bored portion of the cylinder, where the pressure drop is removed. After that, the stretched working column is sharply reduced, as a result of which the head 5g of the spindle 5 hits the inner end of the housing 6. The splined pair 7 allows the torque to be transmitted through the jar.

Во время возврата подвижных частей ясса в исходное (низшее) положение, которому соответствует фиг.1, после входа поршня в нижнюю не расточенную часть цилиндра 1 поршень 2 перекрывает сечение цилиндра 1. Поэтому под поршнем 2 повышается давление, которое, действуя через пазы 17, кольцевой зазор 12 и щелевой канал 16, приводит к повышению давления под уплотнительным O-образным кольцом 15 из эластомера. Под действием этого давления уплотнительное O-образное кольцо 15 несколько растягивается и приподнимается в своей канавке. При этом благодаря фаске 14 между уплотнительным O-образным кольцом 15 и втулкой 13 образуется кольцевой зазор, через который рабочая жидкость из полости Н перетекает в полость В цилиндра 1, давая возможность поршню 2 перемещаться вниз по цилиндру 1.During the return of the moving parts of the jar to its original (lowest) position, which corresponds to figure 1, after the piston enters the lower unbored part of the cylinder 1, the piston 2 overlaps the section of the cylinder 1. Therefore, under the piston 2 the pressure increases, which, acting through the grooves 17, the annular gap 12 and the slotted channel 16, leads to an increase in pressure under the O-ring O-ring 15 of elastomer. Under the influence of this pressure, the O-ring O-ring 15 is somewhat stretched and lifted in its groove. In this case, thanks to the chamfer 14 between the O-ring O-ring 15 and the sleeve 13, an annular gap is formed through which the working fluid flows from the cavity H into the cavity B of the cylinder 1, allowing the piston 2 to move down the cylinder 1.

Представляет практический интерес вопрос о необходимой ширине щелевого канала 16, т.к. при большой ширине уплотнительное О-образное кольцо 15 может быть запрессовано в щелевой канал 16 перепадом давления, а при малой ширине неприемлемо возрастет перепад давления во время движения поршня 2 вниз. Оценим эти величины для ясса с наружным диаметром 095 мм, т.е. для одного из наиболее типичных представителей ремонтных яссов.Of practical interest is the question of the necessary width of the slotted channel 16, because with a large width, the O-ring O-ring 15 can be pressed into the slot channel 16 with a pressure drop, and with a small width, the pressure drop is unacceptably increased while the piston 2 moves down. Let us estimate these values for a jar with an outer diameter of 095 mm, i.e. for one of the most typical representatives of repair jars.

Зададимся шириной щели 0,2 мм, что вполне допустимо для целостности резинового уплотнительного кольца с диаметром тела 5,8 мм (стандартное сечение по ГОСТ 9833-76) из твердой резины при любых практически встречающихся нагрузках (следовательно, и перепадах давления) на поршень ясса [3].Let us set a slit width of 0.2 mm, which is quite acceptable for the integrity of the rubber o-ring with a body diameter of 5.8 mm (standard cross-section according to GOST 9833-76) made of hard rubber for any practically encountered loads (hence pressure drops) on the piston of the jar [3].

Для рассматриваемого ясса наружного диаметра 95 мм длина канавки под уплотнительное кольцо 15 из конструктивных соображений составит по дну около 52 мм × π=163 мм. Пусть 1/4 часть этой величины оставляется на выступы на торце втулки 13, которые определяют (поддерживают) ширину щелевого канала 16. Тогда чистая длина щели составит 163 мм × (1-0,25)=123 мм. Площадь просвета щели составит 123 мм × 0,2 мм = 24,6 мм² ≈ 0,25 см².For the considered jar with an outer diameter of 95 mm, the length of the groove under the o-ring 15, from design considerations, will be about 52 mm × π = 163 mm along the bottom. Let 1/4 of this value be left on the protrusions on the end of the sleeve 13, which determine (support) the width of the slot channel 16. Then the net length of the slit will be 163 mm × (1-0.25) = 123 mm. The area of the gap of the gap will be 123 mm × 0.2 mm = 24.6 mm ² ≈ 0.25 cm ² .

С другой стороны, площадь поршня 2 рассматриваемого ясса составляет из конструктивных соображений около 26 см². Принимая скорость посадки поршня около 10 см/сек, расход жидкости через щель составит 10 см/сек × 26 см²=260 см³/сек.On the other hand, the area of the piston 2 of the considered jar is, for structural reasons, about 26 cm ² . Assuming a piston landing speed of about 10 cm / s, the fluid flow through the slot will be 10 cm / s × 26 cm ² = 260 cm ³ / s.

При таком расходе скорость истечения через щель составитWith this flow rate, the flow rate through the gap will be

где 0,8 - коэффициент скорости.where 0.8 is the speed coefficient.

Перепад давления при этом составит в метрах:The pressure drop in this case will be in meters:

Пусть в качестве рабочей жидкости ясса используется минеральное масло плотностью 900 кг/м³, тогда при его перетоке через щель перепад составит менее 1 атмосферы. Предварительные расчеты на вязкостные потери дают цифру такого же порядка. Итак, предлагаемая запорная пара для поршня 2 ясса имеет практические потери давления не более (2÷5) атм. На площади поршня 26 см² такой перепад создает силу не более 26×5=130 кг, что примерно равно весу одной бурильной трубы диаметром 73 мм.Let mineral oil with a density of 900 kg / m ³ be used as the working liquid of the jar, then when it flows through the slot, the difference will be less than 1 atmosphere. Preliminary calculations for viscosity loss give a figure of the same order. So, the proposed locking pair for the piston 2 jars has a practical pressure loss of not more than (2 ÷ 5) atm. On a piston area of 26 cm ^2, such a difference creates a force of not more than 26 × 5 = 130 kg, which is approximately equal to the weight of one drill pipe with a diameter of 73 mm.

В заключении сообщаем о перспективах использования изобретения.In conclusion, we report on the prospects for using the invention.

Как известно, в последнее время наблюдается рост добычи нефти по стране. Это достигается в числе других мер и интенсивными ремонтными работами в скважинах с целью ввода их в работу из бездействия. Такие восстановительные ремонтные работы в подавляющем большинстве случаев требуют извлечения из забоев оставленных ранее в скважинах различных видов неисправного оборудования - пакеров, насосов и т.п. В связи с этим гидравлические яссы, являющиеся эффективным средством освобождения прихваченных из скважины оборудования, будут пользоваться все больше широким применением в практике ремонтных работ.As you know, recently there has been an increase in oil production in the country. This is achieved, among other measures, by intensive repair work in the wells in order to put them into operation from inaction. Such overhaul repair work in the vast majority of cases requires the removal of various types of faulty equipment — packers, pumps, etc., that were previously left in the wells from the bottomhole. In this regard, hydraulic jars, which are an effective means of releasing equipment seized from the well, will be increasingly used in the practice of repair work.

ЛитератураLiterature

1. Г.Кемп. Ловильные работы в нефтяных скважинах. М.: Недра, 1990 г. стр.34.1. G. Kemp. Fishing work in oil wells. M .: Nedra, 1990 p. 34.

2. Патент SU 1700196, 1991, 4 с.2. Patent SU 1700196, 1991, 4 pp.

3. Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. Москва: Машиностроение, 1971 г.3. T.M. Bashta. Engineering hydraulics. Reference manual. Moscow: Engineering, 1971

Claims

A hydraulic jar including a cylinder made with a bored section, a piston connected to the traction and compensation rods, sealed with oil seals, a channel communicating cylinder cavities separated by a piston and filled with a working fluid, characterized in that it is equipped with an outer sleeve mounted above the piston on the compensation rod a chamfer forming, together with the piston end face, an annular groove, at the bottom of which a slotted channel is made, by a valve assembly with a locking element in the form located in the annular groove a sealing O-ring made of elastomer to shut off the fluid flow from the cavity above the piston to the cavity below the piston, the piston being installed with a gap relative to the cylinder, the channel communicating the cylinder cavities separated by the piston is made in the form of an annular gap between the compensation rod and the piston messages with a slot channel.