Гидромеханический демпфер

 

Использование: в технике бурения нефтяных и газовых скважин для гашения продольных колебаний бурильной колонны. Сущность изобретения: демпфер гидромеханический содержит корпус, верхний переводник с насадкой и осевыми каналами. Внутренняя поверхность верхнего переводника выполнена в виде конфузора. В верхней части полого вала установлен стакан выполненный в виде усеченного конуса, снабженный камерой смешения и имеющий осевой и тангенциальные каналы. В осевом канале стакана установлена сменная насадка. Между корпусом и полым валом установлены пакет металлических колец с упругими элементами, имеющими изменяющуюся характеристику, ограничительная втулка и прорезная пружина. Упругие элементы выполнены с продольными отверстиями, имеющими возрастающие по сечению размеры в направлении сверху вниз. 3 ил.

Изобретение относится к технике бурения нефтяных и газовых скважин и предназначено для гашения продольных колебаний бурильной колонны.

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).

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.

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).

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.

Целью изобретения является повышение эффективности гашения продольных колебаний бурильной колонны и расширение функциональной возможности.

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.

На фиг. 1 представлен общий вид гидромеханического демпфера; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 отдельно пакет упругих элементов.

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.

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.

Устройство работает следующим образом. Гидромеханический демпфер устанавливается в любом месте сжатой части бурильной колонны, например над долотом.

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.

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.

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.

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.

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.

Процессы сжатия и распрямления гидравлической и механической частей демпфера происходят синхронно, дополняя друг друга.

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.

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.

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.

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.

Формула изобретения

Гидромеханический демпфер включающий корпус, полый вал, пакет металлических колец, расположенные между ними упругие элементы, верхний и нижний переводники и узел передачи крутящего момента, отличающийся тем, что он снабжен расположенным в верхней части полого вала стаканом, выполненным в виде усеченного конуса и имеющим камеру смешения, осевой и тангенциальные каналы с параллельными входами для промывочной жидкости и сменную насадку, установленную в его осевом канале, расположенной в верхнем переводнике насадкой и установленными между пакетом металлических колец с упругими элементами и корпусом ограничительной втулкой и прорезной пружиной, причем верхний переводник имеет продольные периферийные каналы, а его внутренняя полость выполнена в виде конфузора, установленного с возможностью гидравлического взаимодействия с конусом стакана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3