SU917704A3 - Наддолотный амортизатор - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к примен емому в составе колонны бурильных Vpy6 устройству, предназначенному дл  поглощени  ударных нагрузок, во никающих в результа7 е осевого перемещени  долота в процесса бурени . При вращении долота на забое буровой скважины имеет место посто нное отскакивание долота вверх с пос ледующим возвращением вниз. УскооениЯ ( возникающие ппи пепемещении полота от забо , создают в колонне бvDильныx труб большие циклические нагрузки. Интенсивное циклическое нагружение колонны бурильных труб ведет к р ду отрицательных последствий. Нап ример, это нагружение  вл етс  основной причиной износа .и поломок бу рильных труб. Оно создает т желый режим работы оборудовани  буровой ВЫШКИ} при особенно т желом бурений вс  конструкци  буровой вьшки подвергаетс  интенсивной тр ске и единственным средством уменьшени  вибрации  вл етс  снижение скорости вращени  и/или весовой нагрузки, действующей на долото. Однако такие меры -привод т к снижению скорости бурени . Общеприн тым приемом дл  уменьшени  вибрации  вл етс  введение в состав колонны бурильных труб, над долотом, устройства дл  поглощени  ударных нагрузок, известного под названием успокоител  вибраций, или амортизатора, предназначенного дл  разобщени  колонны с долотом. Известен наддолотньй амортизатор, содержащий вал, верхним концом соединенный с колонной бурильных труб, и расположенный снаружи трубчатый корпус , нижним концом соединенный с долотом либо с кольцами, расположенными непосредственно над долотом. Вал поступательно или телескопически перемещаетс  в отверстии корпуса. Эти две детали соединены между собой элементами типа щлицев и, таким образом , могут вращатьс  только совмее.

стно, оцнако, имеют возможность взаимного продольного перемещени . Имеютс  средства, ограничивающие величину взаимного продольного перемещени  названных деталей и преп тствующие таким образом отделению пос,ледних одной от другой. В одном из основных типов рассматриваемых успокоителей вибрации вал имеет ,ток с уменьшенным наружным диаметром , благодар  чему между этой оправкой и гильзой образуетс  кольцева  камера. С каждого конца камеры между валом и корпусом установлe ы уплотнительные кольца, преп тствующие попаданию в камеру бурового раствора. Оправка и гильза снабжены взаимно противолежащими соответственно верхним и нижним нажимными заплечиками, выступающими в кол цев-ую камеру радиально вблизи верхнего и нижнего ее концов.,В камере между названными нажимными заплечиками установлен деформируемый элемент 112. В процессе работы при ускоренном перемещении долота вверх нажимной заплечик гильзы воздействует на основание деформируемого элемента. Осе вому смещению этого элемента преп тствует расположенный с другого его конца нажимной заплечик оправки. При взаимном сближении заплечиков назван ный элемент претерпевает деформацию Теоретически этот деформируемый элемент должен поглотить осевое усилие , .развиваемое долотом, и предотвратить передачу ударной нагрузки. На практике, однако, деформируемый элемент, вл ющийс  м гким при неболь шой глубине бурени , может стать жес ким при бурении на больщой глубине . Известен наддолотный амортизатор предназначенный дл  поглощени  ударных , нагрузок, возникающих в результате осевогоперемещени  долота, и содержащий телескопически сопр женные трубчатые детали, представл ющие собой корпус и вал, установленный в отверстии корпуса с образованием между корпусом и валом полости, причем имеетс  возможность взаимного продольного перемещени  корпуса и вала, средства, соедин ющие корпус с валом с обеспечением совместного их вращени  и с сохранением возможности взаимного телескопического их перемещени , упруго деформируемый

элемент,, расположенный в названной полости и образующий с внутренней поверхностью корпуса зазор, пару взаимно противолежащих опорных элементон , имеющихс  на валу -и корпусе, выступающих в названную полость и предназначенных дл  воздействи  на концы деформируемого элемента, объем рабочей жидкости, расположенный в

названной полости вместе с деформируемым элементом, и практически непроницаемые дл  жидкости средства,гермeтизиnvюпIиe названную полость и преп тствующие тем самым смещению бурового раствора с рабочей жидкостьюС2. Недостаток амортизатора заключаетс  в том, что он недостаточно обеспечивает поглощение ударных нагрузок при различных весовых нагрузках на долото и давлени х, развиваемых насосом, что имеет место при разли -, ных глубинах и диаметрах скважины. Цель изобретени  - обеспечение эффективности поглощени  ударных нагрузок при различных глубинах и диаметрах скважины. Указанна  цель достигаетс  тем, что наддолотный амортизатор снабжен установленным в нижней части вала между его наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса плавающим поршнем, надпорщнева  полость которого гидравлически сообщаетс  с полостью дл  упруго деформируемого элемента, а подпорщнева  полость со скважиной, при этом упруго деформируемый Элемент имеет жесткость менее 17860 кг/см и образует зазор с наружной поверхностью вала. Предпочтительно выполнение деформируемого элемент набранным из расположенных в пор дке чередовани  колес эластомерного материала и стальных колец, снабженных буртиком, расположенным по .наружной и внутренней кольцевым поверхност м стальных колец.. Кроме того, наддолотный амортизатор с целью повьшени  жесткости амортизатора , что предотвращает отклонение скважины от вертикали, снабжен стабилизирзпощими кольцами, установенными в углублени х, выполненных на внутренней поверхности корпуса. Подпоршнева  полость наддолотного амортизатора может сообщатьс  со скважиной или черезполость труб, или через затрубное пространство. На фиг, 1-3 показан наддолотный амортизатор в н,енагруженном или раст нутом состо нии (вариант сообщени  подпоршневой полости амортизатора со скважиной, через полость труб бурильной колонны), частичные разрезы; на фиг. 4-6 - то же, в нагруженном иии сжатом состо нии, разрез; на фиг. 7 - нижн   часть наддолотног амортизатора в ненагруженном состо НИИ (вариант сообщени  подпоршневой полости амортизатора со скважиной че рез затрубное пространство) разрез; на фиг. 8 - то же, в нагруженном состо нии, разрез; на фиг. 9разрез А-А на фиг. 4; на фиг. 10 разрез на фиг. 5; на фиг. 11 - . разрез В-Б на фиг. 5; на фиг. 12разрез Г-Г на фиг. 6; на фиг.13 - со тавна  часть деформируемого элемен-: та, используемого в наддолотном амор тизаторе, вид сверху (вариант); на фиг. 14 - разрез Д-Д на фиг.13; на фиг. 15 - составна  часть деформи руемого элемента, вид сверху (вари ант); на фиг. 16 - разрез Е-Е на фиг. 15; на фиг. 17 - составна  част деформируемого элемента, вид сверху (вариант); на фиг. 18 - разрез Ж-Ж на фиг. 17. Наддолотный амортизатор содержит трубчатый корпус 1 (фиг. 1-б) и трубчатый вал 2. Вал 2 установлен в корпусе 1 с возможностью перемещени  относительно нее. Верхний конец вала 2 выполнен в виде детали 3, снабженной гнездом 4, предназначенным дл соединени  с колонной бурильных штан ( не показана). Ниже гнезда 4 располо жен участок 5 уменьшенного диаметра, переход щий в .нижней своей части и участок, снабженный наружными шлицами 6, нарезанными в поверхности оправки . Ниже шлидев 6 расположён участок 7 меньшего диаметра, н поверхности которого вьшолнен р д пазов или канавок 8, проход щих вдоль впадин названных наружнвк шлицев.; На нижнем конце детали 3 с наружными шлицами 6 имеетс  хвостовик 9 (фиг.2 Деталь 3 имеет осевой канал дл  подачи к коронке бура (не показана) бурового раствора. Нижний конец вала 2 представл ет собой трубу 10, верхн   часть 11 которой снабжена гнездом, предназначенным дл  соединени  с хвостовиком 9, а нижн   часть 12 имеет уменьшенный диаметр. Эти части трубы 10 совместно образуют нажимной заплечик 13. Б гнезде верхней части 11 трубы 10 установлено уплотнительное кольцо 14, обеспечивающее уплотнение соединени  этого конца с хвостовиком 9 детали 3. Верхн   часть 11 трубы 10 расположена относительно корпуса 1 с зазором, образующим.кольцевой канал 15. В заплечике 13 выполнены радиальные каналы 16. Нижн   часть 12 трубы 10 снабжена резьбой 17 (фиг. З). На эту резьбу навернута гайка 18. Размеры части 12 трубы 10 таковы, что эта часть входит в пакет деформируемых колец 19, образующих упруго деформируемый элемент 20, и поддерживает эти кольца. Б поверхности нижней части 12 выполнены пр молинейные пазы или канавки 21. Корпус 1 содержит расположенную в верхнем его конце уплотнительную головку 22, имеющую осевое отверстие и опорную поверхность , диаметр которой соответствует диаметру опорной поверхности участка 5, вход щего в вьппеуказанное осевое отверстие с образованием высокоточного сопр жени . На внутренней поверхности уплотнительной головки вьтолнены четыре проточки 23, jB которых установлены уплотнительные . кольца 24, преп тствующие утечке жидкости, и твердые центрирующие кольца 25. Имеетс  также гр зесъемное кольцо 26. На нижнем конце уплотнительной головки 22 имеетс  хвостовик 27, вход щий в гнездо соединительной части 28, имеющеес  в верхнем конце детали 29 с внутренними шлицами 30, вход щей в состав корпуса . Внутренние шлицы 30 (фиг. 9) содержат стальную сердцевину, на которой отформован состо щий из синтетического материала покрывающий слой 31, обладающий весьма высокой стойкостью к износу и истиранию и см гчающий удары при передаче шлицевым соединением крут щего момента. На нижнем конце детали 29 с внутренними шлицами имеетс  хвостовик 32 (фиг, 2), снабженный уплотнителып м кольцом 33. Нижний участок 34 детали 29 имеет уменьшенный диаметр и образует опорную поверхность, взаимодействующую участком вала, имеющим соответственно выполненную посадочную поверхность. Дл  обеспечени  стабильности взаимного поло жени  деталей в участке 34 установлено несколько центрирующих колец 35 Хвостовик 32 детали 29 корпуса входит в гнездо 36 элемента 37 корпу са, служащего дл  размещени  деформи руемого элемента. Нижний торец хвостовика 32 ограничивает продольное перемещение вверх вала 2 за счет вза модействи  с верхним торцом конца 11 трубы 10. Элемент 37 корпуса в нижней части имеет отверстие 38 уменьшенного диаметра , образующее нажимной заплечик 39. Заплечик 39 ограничивает про дольное перемещение вала 2 вниз. Воз действу  своим заплечиком I3 на деформируемые кольца 19, оправка прижимает их к названному заплечику 39. Диаметр отверсти .38 дает возможность установки в этом отверстии нижнего конца ;трубы 12 с опорой, обеспечивающей стабильность положени  трубы. В проточках, выполненных в станке элемента 37 корпуса, установлены центрирующие кольца 40, на ход щиес  в непроницаемом дл  жидкос ти выполненном с нат гом сопр жении с валом 2. Нижний конец элемента 37 корпуса снабжен хвостовиком 41 (фиг. З),вход щим в гнездо соединительной части 42, имеющейс  в верхнем конце 43 нижней части корпуса На хвостовике 41 установлено уплотнительное кольцо 44, герметизирующее резьбовое соединение . Узел43 нижней части корпуса имеет осевой канал, диаметр которого пр вышает диаметр нижнего конца трубы 1  вл ющейс  частью вала, на которой установлен плавающий поршень 45, име щий уплотнительные кольца 46 и 47, создающие непроницаемые дл  жидкости сопр жени  поршн  с поверхностью отверсти  48 узла 43 и с наружной по верхностью принадлежащей трубе 10 части 12 уменьшенного диаметра. Плавающий поршень 45 удерживаетс  на трубе 10 гайкой 18. На нижнем конце узла 43 нижней части корпуса имеетс  хвостовик 49, предназначенный дл  соединени  с нижней частью колонны бурильных труб (не показана). В стенке вход щего в состав корпу са элемента 37, предназначенного дл  размещени  деформируемого элемента, выполнено отверстие 50,закрытое проб кой 51, котора  может быть удалена 4 дл  введени  в полость устройства рабочей, жидкости или другой подобной среды в соответствии с изложенным ниже. Аналогичное отверстие 52 с пробкой 53 имеетс  в нижней части детали 29 корпуса. В центрирующих поверхност х шлицев (фиг. 9 и 10) через два шлица, выполнены продольные канавки 8. Кроме того (фиг. 10),показаны проход щие через хвостовик 32 каналы 54. Каналы 16 пересекают заплечик 13 конца 11 трубы 10.Кольца 23,расположентные между элементами вала и корпуса образуют одну пару центрирующих поверхностей , кольца 35 - другую пару центрирующих поверхностей, кольца 40 - третье место центрировани , кроме того, плавающий поршень 45 представл ет собой еще один центрирующий элемент, установленный в нижней части между элементами вала и корпуса . Все эти стабилизирующие положени  деталей амортизатора элементы способствуют наличию св зи между корпусом 1 и валом 2 в поперечном направлении и повьш1ают жесткость устройства . Между наружной поверхностью вала 2 и внутренней поверхностью корпуса 1 имеетс  кольцева  полость 55. Концы полости 55 закрыты непроницаемыми дл  жидкости средствами уплотнени  23, 46, 47. Центрируклдие кольца 35 и 40 дел т кольцевую полость 55 на камеру детали с внутренними шлицами , камеру деформируемого элемента и камеру плавающего поршн . Полость 55 заполнена деформируемьми кольцами 19 и рабочей жидкостью. Жидкость мо- жет свободно перемещатьс  между указанными камерами по каналам 8, 54, 15, 16 и 21. Подпоршнева  полость 56 плавающего поршн  гидравлически сообщаетс  со скважиной через полость хвостовика 49 и далее через полость труб (не показаны ). На фиг. 7 и 8 представлен другой вариант осуществлени  предлагаемого устройства, в котором изменена конструкци  нижнего конца трубы 10 дл  подачи бурового раствора и узла 43 нижней части корпуса. Отверстие 48 узла 43 сообщаетс  с отверстием 57 промежут9чного по величине диаметраj этот диаметр таков, что находитс  в высокоточном сопр жении с частью 12

трубы 10 уменьшенного диаметра. В верхнем конце отверсти  57 установлена пара уплотнительных колец 58. В стенке узла 43 плавающего поршн  выполненоодно или более сквозных отверстий 59, обеспечивающих сообщение нижней части отверсти  48 со средой вне этого узла с затрубным пространством . Резьба 17 и гайка, устанавливаема  на нижнем конце трубы 10, в рассматриваемом варианте не примен етс ; часть 12 уменьшенного диаметра снабжена удлинительным участком 60, вход щим при ненагруженном состо нии устройства в отверстие 57 и охватываемым уплотнительными кольцами 58. В рассматриваемом варианте подпоршнева  полость 56 гидравлически сообщаетс  со скважиной через затрубное пространство. Плавающий поршень подвергаетс  действию давлени , имеющегос  в скважине, а не давлени , действующего в полости колонны бурильных труб. Результатом  вл етс  то, что жидкость, наход ща с  во внутренних камерах надцолотного амортизатора, находитс  под давлением , действующим в скважине, вследствие чего перепад давлений на коронке бура действует только на рабочую площадь удлинительного участ ,ка 60 трубы 10. По указанной причине в описываемом варианте усилие, стрем щеес  раздвинуть детали наддолотного амортизатора, оказываетс  значительно меньшим по сравнению с усилием , раздвигающим детали в варианте по фиг. l-6i при этом выравнивание давлений сохран етс . Така  конструкци  особенно полезна в применении к устройствам большого диаметра, используемым при бурении неглубоких скважин, где весова  нагрузка на долото может быть ненамного большей, чем усилие, создаваемое разностью давлений на рабочей площади нажимного кольца.

На фиг. 13 и 14 (вид сверху и разрез ) представленодин из вариантов исполнени  деформируемых колец 19. Деформируемое кольцо 19 содержит снабженную углублением металлическую шайбу 61, имеющую пары выступающих буртиков 62 и 63, образующих . ко: ьцевое углубление 64, в-котором установлено выполненное из эластомера кольцо 65, толщина которого превьш1ает высоту буртиков 62 и 63. Выполненное из эластомера кольцо 65 деформируетс  под действием прилагаемого к нему усили , однако, будучи упругим, после сн ти  усиЛИЯ приобретает первоначальную форму .

Деформируемое кольцо (фиг. 15 и 16) содержит плоскую металлическую шайбу66, с которой соответствующим средством св зано кольцо 67, выполненное из эластомера и имеющее сечение трапеции с большим основанием , соприкасающимс  с металлической шайбой 66.,.

Деформируемое кольцо (фиг. 17 и 18) содержит металличе ;кие шайбы 68 и 69, кажда  из которых снабжена наружным буртиком 70 и внутренним буртиком 71, образующими кольцевые

углублени  72 и 73. В каждом из углублений установлено выполненное из эластомера кольцо 74, зажатое между соседними шайбами. Боковые поверхности 75 выполненных из эластомера

колец 74 имеют вогнутую форму, что обjiernaeu- установку ,и удержание колец в углублени х шайб.

Конструкци  всех этих деформируемых колец такова, что при малых

нагрузках деформаци  устройства больше , чем при больших нагрузках.

Дл  изготовлени  деформируемого элемента могут -быть применены различные эластомеры, в том числе резина , силиконовый каучук, неопреновый каучук, а также уретан. Возможно также применение шайб, выполненных из твердого неметаллического материала , взамен металлических шайб, и применение единого деформируемого тела взамен пакета чередующихс  металлических и эласт.омерных деталей. Торец -конца 11 трубы 10 вала 2

(фиг. 2), взаимодейству  с торцом хвостовика 32 детали 29 корпуса, ограничивает взаимное телескопическое перемещение оправки и гильзы и преп тствует их разобщению.

Claims (2)

1. При использовании надцолотного амортизатора хвостовик 49 узла 43 ввертываетс  в долото, а гнездо 4 детали 3 образует резьбовое соединение с муфтой или центрирующими детал ми , имеющимис  на нижнем конце колонны бурильных труб. Предлагаемое устройство рассчитано на в услови х, имеющих место при бурении как мелких, так и глубоких скважин и твердых и м гких породах, Наддолотный амортизатор работает следующим образом. Амортизатор, наход щийс  в полностью раст нутом состо нии, опус каетс  в скважину в составе колонны бурильных труб до соприкосновени  долота с дном забо . Действующее на забое давление и создаваемое напо ром жидкости, наход щейс  в скважине смещают плавающий поршень вверх, в результате чего происходит выравнивание давлени  в кольцевой полости 55 с названным давлением на забое. З тем к коронке бура прикладываетс  вес колонны, и таким образом происходит нагружение устройства. В процессе встречного телескопического пе ремещени  вала 2 и корпуса 1 кольца I9 деформируемого элемента сжимаютс нажимньми заплечиками 13 и 39. После этого.включаетс  вход щий в оборудование буровой вьщ1ки насос дл  подачи бурового раствора, повышающий дав ление. При этом благодар  действию давлени , создаваемого насосом, на р бочую площадь трубы 10 и детали 3 с наружными шлицами нагрузка на кольца 19 деформируемого элемента уменьшаетс . Названное давление стремитс  разд винуть телескопически сопр женные д тали устройства. В результате чего нагрузка на кольца деформируемого эл мента окажетс  сниженной, несмотр  на то, что нагрузка на долото не изменитс . Затем колонна бурильных труб при водитс  во вращение. В процессе врапри вертикальных перемещещени  , ни х долотца вверх и вниз относительно средней точки с частотой трех циклов в секунду, происходит сжатие и расщирение деформируемого элемента 20 той же частотой. Происходит деформирование уретановых колец 65, при котором рабоча  жидкость нагнетаетс  через канавки 21, имеющиес  в принадлежащей трубе 10 части 12 уменьшенного диаметра, в надпоршневую полость и стремитс  сместить плавающий поршень 45 вниз. При сжати х и раздвижени х устройства происходит перетекание рабочей жидкости между камерами, сопровождаю щеес  поглощением энергии. Ввиду того, что жесткость упруго деформир-уемого элемента имеет величи ну менее 17860 кг обеспечиваетс  воспри тие наддолотным амортизатором большей части циклической нагрузки, вызываемой перемещением коронки бура . При этом работоспособность конструкции при бурении на всех глубинах , при различных весовых нагрузках на долото и давлени х, развиваемых насосом, обеспечиваетс  за счет наличи  плавающего поршн , обеспечивающего выравнивание давлени  в камере -упруго эластичного элемента с давлением на забое скважины и тем самым уменьщающим величину предварительного нагружени  упруго деформируемого элемента. Наличие зазора между упруго эластичньм элементом и стенками камеры , образованной наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью , корпуса, предотвращает износ упру- го дефо1 1ируемого элемента , что обеспечивает посто нство его харак- теристики и беспреп тственное перетекание рабочей жидкости. Формула изобретени  I. Наддолотный амортизатор, содержащий корпус и вал, св занные шлицевым соединением и образующие между наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью корпуса полость, в которой по ее длине установлен опирающийс  на опорную поверхность вала на одном конце полости и на опорную поверхность корпуса на другом конце полости упруго деформируемый элемент, между наружной поверхностью которого и внутренней поверхностью корпуса имеетс  зазор, а полость содержит рабочую жидкость и имеет герметизирующие ее средства, о тл и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью обеспечени  эффективности поглощени  ударных нагрузок при различных глубинах и диаметрах скважины, он снабжен установленным в нижней части вала между его наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса плавающим поршнем, надпорщнева  полость которого гидравлически св зана с полостью дл  упруго деформируемого элемента а подпоршнева  - со скважиной, причем упруго деформируемый элемент имеет жесткость менее 17860 кг/см и образует зазор.с наружной поверхностью вала . 2. Амортизатор по п. 1, о т л и чающийс  тем, что упруго деформируемый элемент состоит из черед ющихс  упругих колец и металлических шайб. 3.Амортизатор по п. 1, о т л ичающийс  тем, что металличес кие шайбы по наружной и внутренней кольцевым поверхност м имеют буртик. 4.Амортизатор по п. 1, отличающийс  тем, что, с целью повьшени  жесткости амортизатора, он снабжен стабилизирующими кольцами, установленными на внутренней по« ерхности корпуса. 414 5.Амортизатор по п. 1, о т л, и чающийс  тем, что подпоршнева  полость сообщаетс  со скважиной через полость труб. 6.Амортизатор по п. 1, о т л инающийс  тем, что подпоршнева  полость -сообщаетс  со скважи ной через затрубное пространство. /Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 170884, кл. Е 21 В 17/06, 25.09.63.
2. 2.Авторское свидетельство СССР № 261310, кл. Е 21 В 17/06, 10.05.67 (прототип).

   Фиг.1

   2а

   21

   Фш:2

   3«

   zb.J

   8

   Фиг4

   ю

   50

   9

   Фиг. в

   ФигЛ

   Фиг.8

   Фиг. 11

   (s./2

   62

   Фиг. /J

   Л-А

   62 65

   v л-t

   W;

   6f 6

   u.ffy

   Фиг. 15

   19 2

   шК

   ESSSS.

   Фиг 16

   Ж-Ж 19 7// /7

   7 7/

   г/49