Динамический виброгаситель крутильных колебаний (варианты)

Группа изобретений относится к динамическим гасителям крутильных колебаний и может быть использована в бурении нефтяных и газовых скважин. Динамический виброгаситель крутильных колебаний содержит корпус с расположенным внутри него маховиком, в теле которого закреплены грузы, маховик выполнен в виде системы двухзвенника. Согласно первому варианту амортизаторы с одного конца входят в массу-шарнир, с другого, посредством приваренного кронштейна и проушин, в грузы, выполненные в виде цилиндрических сегмент-планок. Согласно второму варианту внутри корпуса с одной стороны установлен шток с прижимными винтами и стопорным кольцом, с другой стороны - шток и подпирающая его пружина. Амортизаторы с одного конца входят в массу-шарнир, с другого, посредством поперечины, в грузы в виде цилиндрических сегмент-планок, в которых предусмотрены различной глубины выемки. В обоих вариантах между грузами вставлены эластичные элементы, на зазор Δ, совместно с грузами, отстоящие от шайбы с маховой массой в виде полого цилиндра. Достигается увеличение демпфирующих характеристик, снижение негативного влияния крутильных колебаний на бурильный инструмент в широком диапазоне изменения частоты его вращения, увеличение надежности и ресурса, снижение числа отказов оборудования. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к динамическим гасителям крутильных колебаний и может быть использовано в различных вращающихся системах, в частности в бурении нефтяных и газовых скважин, и предназначено для гашения крутильных колебаний бурильного инструмента.

Известен виброгаситель [патент РФ №2237793, МПК Е21В 17/07, опубл. 10.10.2004 г.], содержащий корпус, вал, в котором выполнены продольные пазы с размещенными в них демпфирующими элементами в виде стержней, расположенными коаксиально валу, виброгаситель посредством переводника связан с корпусом забойного двигателя, при этом демпфирующие элементы установлены с возможностью изменения зазора между ними и валом виброгасителя, который, в свою очередь, связан переводником с валом забойного двигателя, в пазах корпуса виброгасителя установлены регулирующие винты для взаимодействия с демпфирующими элементами с возможностью изменения зазора между ними и валом виброгасителя.

К недостаткам известного устройства относится то, что регулирующие винты вставлены в демпфирующие элементы, а это означает, что они сами воспринимают вибронагрузку и велика вероятность самоотвинчивания, приводящая к потере работоспособности устройства и осложнениям в скважине.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является демпфер [патент РФ №2405991, МПК F16F 15/31, опубл. 10.12.2010 г.], содержащий корпус, рабочая полость которого заполнена жидкой средой, и расположенный внутри корпуса маховик с равномерно расположенными по окружности сквозными вырезами, в которых закреплены грузики с возможностью радиального перемещения, грузики закреплены посредством пружин, прижимающих их к центру вращения маховика, и крышек с обеих сторон маховика, для перемещения грузиков в радиальном направлении в крышках выполнены трапециевидные направляющие.

К недостаткам известного устройства относятся: ступенчатое регулирование демпфирующих характеристик устройства, нарушающее плавный ход работы оборудования, таким образом, пружины с грузами являются колеблющейся системой, что создает дополнительные колебания устройства в радиальном направлении, прижатие пружинами не является надежным, велика вероятность поломки; невозможность изменения характеристик устройства вручную сужает его рабочий диапазон; присутствует большая площадь контакта трения, тепло от которой передается рабочей жидкости, что уменьшает ее вязкостные характеристики; внушительное количество деталей снижает надежность системы, в частности выход из строя одной из многочисленных пружин выведет из строя все устройство.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является увеличение демпфирующих характеристик, снижение негативного влияния крутильных колебаний на бурильный инструмент в широком диапазоне изменения частоты его вращения, увеличение надежности и ресурса, снижение числа отказов оборудования.

Технический результат достигается тем, что в динамическом виброгасителе крутильных колебаний, содержащем корпус с расположенным внутри него маховиком, в теле которого закреплены грузы, новым является то, что маховик выполнен в виде системы двухзвенника, состоящей из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов с одного конца входящих в массу-шарнир, с другого, посредством приваренного кронштейна и проушин, в грузы, выполненные в виде цилиндрических сегмент-планок, между которыми вставлены эластичные элементы, на зазор Δ, совместно с грузами, отстоящих от шайбы с маховой массой в виде полого цилиндра, крепление двухтрубного амортизатора может быть выполнено с наличием проушины и стяжной шпильки. Согласно второму варианту исполнения, в динамическом виброгасителе крутильных колебаний, содержащем корпус с расположенным внутри него маховиком, в теле которого закреплены грузы, новым является то, что внутри корпуса с одной стороны установлен шток с прижимными винтами и стопорным кольцом, с другой стороны - шток и подпирающая его пружина, под и над штоками находятся крышки с прокладками, а маховик выполнен в виде системы двухзвенника, состоящей из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов, с одного конца входящих в массу-шарнир, с другого, посредством поперечины, в грузы в виде цилиндрических сегмент-планок, в которых предусмотрены различной глубины выемки, между грузами вставлены эластичные элементы, на зазор Δ, совместно с грузами, отстоящие от штока с маховой массой в виде полого цилиндра.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию «новизна». Признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемым решениям соответствие критерию «изобретательный уровень».

Объединение всех технических решений в одну заявку связано с тем, что все они решают одну и ту же задачу - создание устройства, позволяющего снизить негативное влияние крутильных колебаний на бурильный инструмент.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1, 2 представлен общий вид виброгасителя по первому варианту исполнения; на фиг.3 - общий вид виброгасителя по второму варианту исполнения; на фиг.4 - вид А на фиг.3; на фиг.5 - разрез А-А на фиг.1, 2, 3. Во всех чертежах идентичные ссылочные символы обозначают подобные, но не обязательно идентичные элементы. Разрез А-А на фиг.5 является идентичным для всех вариантов исполнения виброгасителя.

Виброгаситель по первому варианту исполнения (фиг.1, 5) содержит корпус 1, установленный в нем маховик 2, состоящий из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов 3, с одного конца входящих в массу-шарнир 4, с другого, посредством приваренного кронштейна 5 и с заданным углом поворота α проушин 6, в грузы 7, выполненные в виде цилиндрических сегмент-планок, между которыми вставлены эластичные элементы 8. В корпусе 1 установлены шайба 9 с зазором Δ и маховая масса в виде полого цилиндра 10. Устройство жестко приваривается на бурильной трубе или валу забойного двигателя 11.

Виброгаситель по первому варианту может быть выполнен с наличием стяжной шпильки 12 (фиг.2, 5), которая устанавливается в проушину 6 двухтрубного амортизатора 3.

Виброгаситель по второму варианту исполнения (фиг.3, 4, 5) содержит корпус 1, внутри которого с одной стороны установлен шток 13, регулируемый прижимными винтами 14, с ограничителем хода в виде стопорного кольца 15, с другой стороны - шток 13 и подпирающая его пружина 16, под и над штоками 13 находятся крышки 17 с прокладками 18, герметизирующие внутренность маховика 2, состоящего из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов 3, с одного конца входящих в массу-шарнир 4, с другого - в грузы 7, выполненные в виде цилиндрических сегмент-планок, имеющие различной глубины выемки 19, в которые, посредством поперечины 20, входит двухтрубный амортизатор 3. Между грузами 7 вставлены эластичные элементы 8, совместно с грузами имеющие зазор Δ в штоке 13. В корпусе 1 установлена маховая масса в виде полого цилиндра 10. Устройство жестко приварено на бурильной трубе или валу забойного двигателя 11.

Динамические виброгасители крутильных колебаний работают следующим образом.

В корпус 1 виброгасителя (по каждому из вариантов) устанавливается маховик 2, представляющий собой свободно вращающийся по кругу двухзвенник, образующий систему, состоящую из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов 3 и грузов 7 в виде цилиндрических сегмент-планок. При увеличении частоты вращения вала забойного двигателя увеличиваются крутильные колебания, чему препятствует виброгаситель, центробежный момент сопротивления маховика 2 в этот момент соответствующе автоматически регулируется вместе с возрастающими силами жидкостного трения в затрубном пространстве (вследствие вынесения гидромеханической части в затрубное пространство и увеличения подачи бурового раствора), которые воспринимает боковой поверхностью цилиндрическая масса-шарнир 4, что, в совокупности, предотвращает самопроизвольное колебание числа оборотов забойного двигателя. Устройство жестко приваривается на бурильной трубе или валу забойного двигателя 11. Причем по первому варианту исполнения система двухзвенника, состоящая из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов 3 и грузов 7 в виде цилиндрических сегмент-планок, установлена с помощью проушин 6 на приваренных кронштейнах 5. Вместе с тем как количество оборотов растет, увеличивается угол α системы двухзвенника, возрастает ее жесткость, уменьшается зазор Δ, грузы 7 прижимаются к шайбе 9 с маховой массой в виде полого цилиндра 10, при этом маховая масса возрастает, посредством нагрева увеличивается и противоположная жесткость эластичного элемента 8 (вследствие расширения), чтобы исключить дополнительное демпфирование.

Нагрев эластичного элемента 8 будет также увеличиваться пропорционально проходке (по каждому из вариантов), так как температура в скважине будет увеличиваться, что играет положительную роль, потому что частоты вращения на больших глубинах меньшие ввиду увеличения момента для бурения более твердых пород.

В общем случае общая жесткость (К_общ) демпфера рассчитывается по следующей формуле:

К_общ~К₁+µ-К₂,

где К₁ - жесткость системы двухзвенника, К₂ - жесткость эластичного элемента 8, µ - динамическая вязкость зашламленного раствора.

При уходе от резонансных частот может быть полезна настройка по готовым характеристикам виброгасителя (жесткости К₁ посредством угла α).

Для регулирования жесткости системы двухзвенника К₁ по готовым характеристикам (которые можно взять из результатов промысловой или лабораторной практики), виброгаситель по первому варианту исполнения может крепиться стяжными шпильками 12 с заданием угла поворота α проушин 6 (изменением плеча h) двухтрубных амортизаторов 3.

Виброгаситель по второму варианту исполнения, где изначальная настройка происходит посредством прижимных винтов 14, при скручивании/раскручивании которых грузы 7 с подпирающими штоками 13, с помощью пружины 16, начинают движение в продольном направлении, по различной глубине выемок 19 грузов 7, посредством поперечин 20, ступенчато передвигаются и меняют угол α двухтрубные амортизаторы 3, с ограничителем хода в виде стопорного кольца 15, таким образом регулируется зазор Δ, грузы 7 прижимаются к штокам 13 с маховой массой в виде полого цилиндра 10, при этом маховая масса возрастает, посредством нагрева увеличивается и противоположная жесткость эластичного элемента 8 (вследствие расширения), чтобы исключить дополнительное демпфирование. Под и над штоками 13 находятся крышки 17 с прокладками 18, герметизирующие внутренность маховика 2.

При бурении нефтяных и газовых скважин зачастую происходят ударения колонны труб и инструмента о стенки скважины, а также частые спускоподъемные операции. Для сглаживания удара виброгасителя система двухзвенника выполнена в виде двухтрубных амортизаторов 3, закрепленных на шарнире 4, выполненных из коррозионно-стойких сталей.

Таким образом, результатом использования предлагаемого изобретения является увеличение демпфирующих характеристик, снижение негативного влияния крутильных колебаний на бурильный инструмент в широком диапазоне изменения частоты его вращения, увеличение надежности и ресурса, снижение числа отказов оборудования.

1. Динамический виброгаситель крутильных колебаний, содержащий корпус с расположенным внутри него маховиком, в теле которого закреплены грузы, отличающийся тем, что маховик выполнен в виде системы двухзвенника, состоящей из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов с одного конца входящих в массу-шарнир, с другого, посредством приваренного кронштейна и проушин, в грузы, выполненные в виде цилиндрических сегмент-планок, между которыми вставлены эластичные элементы, на зазор Δ, совместно с грузами, отстоящие от шайбы с маховой массой в виде полого цилиндра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что крепление двухтрубного амортизатора может быть выполнено с наличием проушины и стяжной шпильки.

3. Динамический виброгаситель крутильных колебаний, содержащий корпус с расположенным внутри него маховиком, в теле которого закреплены грузы, отличающийся тем, что внутри корпуса с одной стороны установлен шток с прижимными винтами и стопорным кольцом, с другой стороны - шток и подпирающая его пружина, под и над штоками находятся крышки с прокладками, а маховик выполнен в виде системы двухзвенника, состоящей из шарнирно закрепленных двухтрубных амортизаторов, с одного конца входящих в массу-шарнир, с другого, посредством поперечины, в грузы в виде цилиндрических сегмент-планок, в которых предусмотрены различной глубины выемки, между грузами вставлены эластичные элементы, на зазор Δ, совместно с грузами, отстоящие от штока с маховой массой в виде полого цилиндра.