Наддолотный амортизатор

 

Союз Соввтскин

Социалистичвскин

Республик

ОП ИСАНИE (,917704

ИЗОБРЕТЕ Н ИЯ

К ПАТЕНТУ (61) Дополинтельиый к патенту (22) Заявлено 04. 07. 75 (21) 2150660/22-0> (51) М. Кл.

Е 21 В 17/06 (23) Приоритет— (31) 204532 (32) 10. 07. 74 (331 Канада

1Ъеуднрстненный камнтет

СССР

10 делам нзсбретеннй н етнрытнй

Опубликоваио30.03.82. Бюллетень № 12

Дата опубликования описания 30.03.82 (53) УДК 622. 243. . 5 (088. 8) Иностранцы

Леонард Мейсон и Клиффорд Андерсон (Канада) (72) Авторы изобретения

Иностранная фирма

"Ли-Мейсон Тулз Лтд" ,(Канада) (71) Заявитель (54) НАДДОЛОТНЬЙ АМОРТИЗАТОР

Изобретение относится к применяемому в составе колонны бурильных труб устройству, предназначенному для поглощения ударных нагрузок, возникающих в результате осевого перемещения долота в процесса бурения, При вращении долота на забое буровой скважины имеет место постоянное отскакивание долота вверх с последующим возвращением вниз. Ускооения возникающие пои перемещении полоза от забоя, созаают в колонне бурильных труб большие циклические нагрузки.

Интенсивное циклическое нагружение колонны бурильных труб ведет к ряду отрицательных последствий. Например, это нагружение является основной причиной износа и поломок бурильных труб. Оно создает тяжелый режим работы оборудования буровой вышки; при особенно тяжелом бурении вся конструкция буровой вышки подвергается интенсивной тряске и единственным средством уменьшения вибрации является снижение скорости вращения и/или весовой нагрузки, действуощей на долото. Однако такие меры приводят к снижению скорости бурения.

Общепринятым приемом для уменьшения вибрации является введение в состав колонны бурильных труб, над долотом, устройства для поглощения ударных нагрузок, известного под названием успокоителя вибраций, или амортизатора, предназначенного для разобщения колонны с долотом.

Известен наддолотный 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 перемещается в отверстии корпуса. Эти две детали соединены между собой элементами типа шлицев и, таким образом, могут вращаться только совме».

3 91 стно, оцнако,имеют возможность взаимного продольного перемещения, Имеются средства, ограничивающие величину взаимного продольного перемещения названных деталей и препятствующие таким образом отделению пос; ледних одной от другой. В одном из основных типов рассмагриваемых успокоителей вибрации вал имеет учас,ток с уменьшенным наружным диаметром, благодаря чему между этой оправкой и гильзой образуется кольцевая камера. С каждого конца камеры между валом и корпусом установлены уплотнительные кольца, препятствующие попаданию в камеру бурового раствора. Оправка и гильза снабжены взаимно противолежащими соответственно верхним и нижним нажимными заплечиками, выступающими в коль цевую камеру радиально вблизи верхнего и нижнего ее концов.,В камере между названными нажимными эаплечиками установлен деформируемый элемент (13.

В процессе работы при ускоренном перемещении долота вверх нажимной заплечик гильзы воздействует на основание деформируемого элемента. Осевому смещению этого элемента препятствует расположенный с другого его конца нажимной заплечик оправки. При взаимном сближении заплечиков названный элемент претерпевает деформацию, Теоретически этот деформируемый элемент должен поглотить осевое усилие, развиваемое долотом, и предотвратить передачу ударной нагрузки.

На практике, однако, деформируемый элемент, являющийся мягким при небольшой глубине бурения, может стать жест ким при бурении на большой глубине.

Известен наддолотный амортизатор, предназначенный для поглощения ударных.нагрузок, возникающих в результате осевого перемещения долота, и содержащий телескопически сопряженные трубчатые детали, представляющие собой корпус и вал, установленный в отверстии корпуса с образованием между корпусом и валом полости, причем имеется возможность взаимного продольного перемещения корпуса и вала, средства, соединяющие корпус с валом с обеспечением совместного их вращения и с сохранением возможности взаимного телескопического их перемещения, упруго деформируемый

7704 4

5

1О .15

I0

45 элемент, расположенный в названной полости и образующий с внутренней поверхностью корпуса зазор пару взаимно противолежащих опорных элементов, имеющихся на валу и корпусе, выступающих в названную полость и предназначенных для воздействия на концы деформируемого элемента, объем рабочей жидкости, расположенный в названной полости вместе с деформируемым элементом, и практически непроницаемые для жидкости средства, герметизиптжнние названную полость и препятствующие тем самым смешению бурового раствора с рабочей жидкостью(23..

Недостаток. амортизатора заключается в том, что он недостаточно обеспечивает поглощение. ударных нагрузок при различных весовых нагрузках на долото и давлениях, развиваемых насосом, что имеет место при разли 1-, ных глубинах и диаметрах скважины.

Цель изобретения — обеспечение эффективности поглощения ударных нагрузок при различных глубинах и диаметрах скважины.

Указанная цель достигается тем, что наддолотный амортизатор снабжен установленным в нижней части вала между его наружной поверхностью и внутренней поверхностью корпуса плавающим поршнем, надпоршневая полость которого гидравлически сообщается с полостью для упруго деформируемого элемента, а подпоршневая полость— со скважиной, при этом упруго деформируемый элемент имеет жесткость менее 17860 кг/см и образует зазор с наружной поверхностью вала, Предпочтительно выполнение деформируемого элемента набранным иэ расположенных в порядке чередования колес эластомерного материала и стальных колец, снабженных буртиком, рас.— положенным по .наружной и внутренней кольцевым поверхностям стальных колец.

Кроме того, наддолотный амортизатор с целью повышения жесткости амортизатора, что предотвращает отклонение скважины от вертикали, снабжен стабилизирующими кольцами, установленными в углублениях, выполненных на внутренней поверхности корпуса.

Подпоршневая полость наддолотного амортизатора может сообщаться со скважиной или через полость труб, или через затрубное пространство.

5 9177

На фиг. 1-3 показан наддолотный амортизатор в ненагруженном или растянутом состоянии (вариант сообщения подпоршневой полости амортизатора со скважиной, через полость труб бурильной колонны), частичные разрезы; на фиг. 4-6 — то же, в нагруженном ияи сжатом состоянии, разрез; на фиг. 7 — нижняя часть наддолотного амортизатора в ненагруженном состоя- 10 нии (вариант сообщения подпоршневой полости амортизатора со скважиной через затрубное пространство), разрез; на фиг. 8 — то же, в нагруженном состоянии, разрез; на фиг. 9- 1$ разрез А-А на фиг. 4; на фиг. 10— разрез Б-Б на фиг. 5; на фиг. 11 разрез В-В на фиг. 5; на фиг. 12разрез Г-Г на фиг. 6; на фиг.13 — составная часть деформируемого элемен-. 20 та, используемого в наддолотном амортизаторе, вид сверху (вариант); на фиг. 14 — разрез Д-Д на фиг. 13; на фиг. 15 — составная часть деформи- руемого элемента, вид сверху (вари- 2З ант); на фиг. 16 — разрез Е-Е на фиг. 15; на фиг. 17 — составная часть деформируемого элемента, вид сверху (вариант); на фиг. 18 — разрез Ж-Ж на фиг. 17. 30

Наддолотный амортизатор содержит трубчатый корпус 1 (фиг. 1-6) и трубчатый вал 2. Вал 2 установлен в корпусе 1 с возможностью перемещения относительно нее. Верхний конец ва- ла 2 выполнен в виде детали 3, снаб-, женной гнездом 4, предназначенным для соединения с колонной бурильных штанг (не показана). Ниже гнезда 4 расположен участок 5 уменьшенного диаметра, 40 переходящий в,нижней своей части в участок, снабженный наружными шпица-: ми 6, нарезанными в поверхности оправки. Ниже шлицев 6 расположен участок 7 меньшего диаметра, на но- 4> верхности которого выполнен ряд пазов или канавок 8, проходящих вдоль впадин названных наружных шлицев.

На нижнем конце детали 3 с наружными шлицами 6 имеется хвостовик 9 (фиг.2).

Деталь 3 имеет осевой канал для подачи к коронке бура (не показана) . бурового раствора.

Нижний конец вала 2 представляет собой трубу 10, верхняя часть 11 которой снабжена гнездом, .предназ-! наченным для соединения с хвостовиком 9, а нижняя часть 12 имеет уменьшенный диаметр. Эти части трубы

1О совместно образуют нажимной заплечик 13. В гнезде верхней части 11 трубы 10 установлено уплотнительное кольцо 14, обеспечивающее уплотнение соединения этого конца с хвостовиком 9 детали 3. Верхняя часть 11 трубы 10 расположена относительно корпуса 1 с зазором, образующим, коль- цевой канал )5. В заплечике 13 выполнены радиальные каналы 16.

Нижняя часть 12 трубы 10 снабжена резьбой 17 (фиг. 3),. На эту резьбу навернута гайка 18, Размеры части

12 трубы 10 таковы, что эта часть входит в пакет деформируемых колец

19, образующих упруго деформируе- . мый элемент 20, и поддерживает эти кольца..В поверхности нижней части

12 выполнены прямолинейные 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, входящего в вышеуказанное осевое отверстие с образованием высокоточного сопряжения. На внутренней поверхности уплотнительной головки выполнены четыре проточки 23, которых установлены уплотнительные кольца 24, препятствующие утечке жидкости, и твердые центрирующие кольца 25. Имеется также грязесъемное кольцо 26. На нижнем конце уплотнительной головки 22 имеется хвостовик 27, входящий в гнездо соединительной части 28, имеющееся в верхнем конце детали 29 с внутренними шлицами 30, входящей в состав корпуса.

Внутренние шлицы 30 (фиг. 9) содержат стальную сердцевину, на которой отформован состоящий из синтетического материала покрывающий слой

31, обладающий весьма высокой стойкостью к износу и истиранию и смягчающий удары при передаче шлицевым соединением крутящего момента.

На нижнем конце детали 29 с внутренними шлицами имеется хвостовик

32 (фиг. 2), снабженный уплотнительным кольцом 33. Нижний участок

34 детали 29 имеет уменьшенный диаметр и образует опорную поверхность, взаимодействующую участком вала, имеющим соответственно выполненную посадочную поверхность. Для обеспечения стабильности взаимного поло35

В стенке входящего в состав корпу55 са элемента 37, предназначенного для размещения деформируемого элемента, выполнено отверстие 50,закрытое пробкой 51, которая может быть удалена

7 9177 жения деталей в участке 34 установлено несколько центрирующих колец 35.

Хвостовик 32 детали 29 корпуса входит в гнездо 36 элемента 37 корпуса, служащего для размещения деформируемого элемента. Нижний торец хвостовика 32 ограничивает продольное перемещение вверх вала 2 за счет взаимодействия с верхним торцом конца

11 трубы 10. 1О

Элемент 37 корпуса в нижней части имеет отверстие 38 уменьшенного диаметра, образующее нажимной заплечик 39. Заплечик 39 ограничивает продольное перемещение вала 2 вниз. Воз- 15 действуя своим заплечиком 13 на деформируемые кольца 19, оправка прижимает их к названному заплечику 39.

Диаметр отверстия.38 дает возможность установки в этом отверстии 2р нижнего конца трубы 12 с опорой, обеспечивающей стабильность положения трубы. В проточках, выполненных в станке элемента 37 корпуса, установлены центрирующие кольца 40, на- 25 ходящиеся в непроницаемом для жидкости выполненном с натягом сопряжении с валом 2.

Нижний конец элемента 37 корпуса снабжен хвостовиком 41 (фиг. 3),вхо- 3р дящим в гнездо соединительной части42, имеющейся в верхнем конце 43 нижней части корпуса. На хвостовике

41 установлено уплотнительное кольцо

44, герметизирующее резьбовое сое„цинение.

Узел 43 нижней части корпуса имеет осевой канал, диаметр которого пре вышает диаметр нижнего конца трубы 10, являющейся частью Вала на которой 40 установлен плавающий поршень 45, имеющий уплотнительные кольца 46 и 47, создающие непроницаемые для жидкости сопряжения поршня с поверхностью отверстия 48 узла 43 и с наружной по- 45 верхностью принадлежащей трубе 10 части 12 уменьшенного диаметра. Плавающий поршень 45 удерживается на трубе 10 гайкой 18. На нижнем конце узла 43 нижней части корпуса имеется хвостовик 49, предназначенный для соединения с нижней частью колонны бурильных труб (не показана).

04 для введения в полость устройства рабочей, жидкости или другой подобной среды в соответствии с изложенным ниже, Аналогичное отверстие 52 с пробкой 53 имеется в нижней части детали 29 корпуса.

В центрирующих поверхностях шлицев (фиг, 9 и 10) через двп шлица, выполнены продольные канавки 8.

Кроме того (фиг. 10),показаны проходящие через хвостовик 32 каналы 54.

Каналы 16 пересекают заплечик 13 конца Il трубы IО.Кольца 23,расположен вЂ, ные между элементами- вала и корпуса образуют одну пару центрирующих поверхностей, кольца 35 — другую пару центрирующих поверхностей, кольца

40 — третье место центрирования, кроме того, плавающий поршень 45 представляет собой еще один центрирую-, щий элемент, установленный в нижней части между элементами вала и корпуса. Все эти стабилизирующие положения деталей амортизатора элементы способствуют наличию связи между- корпусом 1 и валом 2 в поперечном направлении и повышают жесткость устройства.

Между наружной поверхностью вала

2 и внутренней поверхностью корпуса

1 имеется кольцевая полость 55. Концы полости 55 закрыты непроницаемыми для жидкости средствами уплотнения 23, 46, 47. Центрирующие кольца 35 и 40 делят кольцевую полость

55 на камеру детали с внутренними шлицами, камеру деформируемого элемента и камеру плавающего поршня. Полость

55 заполнена деформируемыми кольцами

19 и рабочей жидкостью. Жидкость может свободно перемещаться между указанными камерами по каналам 8, 54, 15, 16 и 21.

Подпоршневая полость 56 плавающего поршня гидравлически сообщается со скважиной через полость хвостовика 49 и далее через полость труб (не показаны), На Фиг. 7 и 8 представлен другой вариант осуществления предлагаемого устройства, в котором изменена конструкция нижнего конца трубы IO для подачи бурового раствора и узла 43 нижней части корпуса. Отверстие 48 узла 43 сообщается с отверстием 57 промежуточного по величине диаметра этот диаметр таков, что находится в высокоточном сопряжении с частью 12

9)7704

10 трубы 10 уменьшенного диаметра. В верхнем конце отверстия 57 установлена пара уплотнительных колец 58.

В стенке узла 43 плавающего поршня выполнено одно или более сквозных отверстий 59, обеспечивающих сообщение нижней части отверстия 48 со средой вне этого узла с затрубным пространством. Резьба 17 и гайка, устанавливаемая на нижнем конце трубы

10, в рассматриваемом варианте не применяется; часть 12 уменьшенного диаметра снабжена удлинительным участком 60, входящим при ненагруженном состоянии устройства в отверстие 57 и охватываемым уплотнительными кольцами 58. В рассматриваемом варианте подпоршневая полость 56 гидравлически сообщается со скважиной через затрубное пространство. Плавающий 20

). поршень подвергается действию давления, имеющегося в скважине, а не давления, действующего в полости колон- ны бурильных труб. Результатом яв- ляется то, что жидкость, находящая- 25 ся во внутренних камерах наддолотного амортизатора, находится под давлением, действующим в скважине, вследствие чего перепад давлений на коронке бура действует только на ра- 30 бочую площадь удлинительного участка 60 трубы 10. По указанной причине в описываемом варианте усилие, стремящееся раздвинуть детали напдолотного амортизатора, оказывается значительно меньшим по сравнению с усилием, раздвигающим детали в варианте по фиг. 1-6, при этом выравнивание давлений сохраняется. Такая конструкция особенно полезна-в примене- 40 нии к устройствам большого диаметра, используемым при бурении неглубоких скважин, где весовая нагрузка на долото может быть ненамного большей, чем усилие, создаваемое разностью 4> давлений на рабочей площади нажимного кольца.

При использовании наддолотного амортизатора хвостовик 49 узла 43 ввертывается в долото, а гнездо 4 детали 3 образует резьбовое соединение с муфтой или центрирующими деталями, имеющимися на нижнем конце колонны бурильных труб. Предлагаемое устройство рассчитано на работу в условиях, имеющих место при буНа фиг. 13 и 14 (вид сверху и раз- рез) представлен один из вариантов

50 исполнения деформируемых колец 19.

Деформируемое кольцо 19 содержит снабженную углублением металлическую шайбу 61, имеющую пары выступающих буртиков 62 и 63, образующих кольцевое углубление 64, в.котором установлено выполненное из эластомера кольцо 65, толщина которого превышает высоту буртиков 62 и 63.- Выполненное из эластомера кольцо 65 деформируется под действием прилагаемого к нему усилия, однако, будучи упругим, после снятия усилия приобретает первоначальную форму.

Деформируемое кольцо (фиг. 15 и

16) содержит плоскую металлическую шайбу 66, с которой соответствующим средством связано кольцо 67, выполненное из эластомера и имеющее сечение трапеции с большим основанием, соприкасающимся с металлической шайбой 66.

Деформируемое кольцо (фиг. 17 и

18) содержит металлические шайбы

68 н 69, каждая из которых снабжена наружным буртиком 70 и внутренним буртиком 71, образующими кольцевые углубления 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 облегчает установку,и.удержание колец в углублениях шайб.

Конструкция всех этих деформируемых колец такова, что при малых нагрузках деформация устройства больше, чем при больших нагрузках.

Для изготовления 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 чередующихся металлических и эластомерных деталей, Торец конца ll трубы 10 вала 2 (фиг. 2), взаимодействуя с торцом хвостовика 32 детали 29 корпуса,. 0I раничивает взаимное телескопическое перемещение оправки .и гильзы и препятствует их разобщению. сприятие 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 давлениях, развиваемых насосом, обеспечивается за счет наличия плавающего поршня, обеспечивающего выравнивание давления в камере,упруго эластичного элемента с давлением на забое скважины и тем самым уменьшающим величину предварительного нагружения уйруго деформируемого элемента.

Наличие зазора между упруго эластичным элементом и стенками камеры, образованной наружной поверхно» стью вала и внутренней поверхностью . корпуса, предотвращает износ упруго деформируемого элемента, что обеспечивает постоянство его характеристики и беспрепятственное перетекание рабочей жидкости.

Формула изобретения

1. Наддолотный амортизатор, содержащий корпус и вал, связанные шлицевым соединением и образующие между наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью корпуса полость, в которой по ее длине установлен опирающийся 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 имеется зазор, а полость содержит. рабочую жидкость и имеет герметизирующие ее средства, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения эффективности поглощения 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, надпоршневая полость которого гидравлически связана с полостью для упруго деформируемого элемента, а подпоршневая - со скважиной, причем упруго деформируемый элемент имеет жесткость менее 17860 кг/см и образует зазор. с наружной поверхностью вала.

11 917704 рении как мелких, так и глубоких скважин и твердых и мягких породах.

Наддолотный амортизатор работает следующим образом.

Амортизатор, находящийся в полностью растянутом состоянии, опус» кается в скважину в составе колонны бурильных труб до соприкосновения долота с дном забоя. Действующее на забое давление и создаваемое иапо- 1О ром жидкости, находящейся в скважине, смещают плавающий поршень вверх, в результате чего происходит выравнивание днвления в кольцевой полости

55 с названным давлением на забое. За тем к коронке бура прикладывается вес колонны, и таким образом происходит нагружение устройства. В процессе встречного телескопического перемещения вала 2 и корпуса 1 кольца щи

19 деформируемого элемента сжимаются нажимными заплечиками 13 и 39. После этого. включается входящий в оборудо ванне буровой вышки насос для подачи бурового раствора, повышающий дав- р ление. При этом благодаря действию давления, создаваемого насосом, на рабочую площадь трубы 10 и детали 3 с наружными шлицами нагрузка на кольца

l9 деформируемого элемента уменьшает- зо ся. Названное давление стремится разд,винуть телескопически сопряженные. детали устройства. В результате чего нагрузка на кольца деформируемого элемента oKGKeTcH сниженной, HpcMQTpB Hcl35 то, что нагрузка на долото не изменится.

Затем колонна бурильных труб при водится во вращение. В процессе вращсния при вертикальных перемеще) ниях долота вверх и вниз относительно средней точки с частотой трех циклов в секунду, происходит сжатие и расширение деформируемого элемента 20 той же частотой. Происходит деформи- 4 рование уретановых колец 65, при котором рабочая жидкость нагнетается через канавки 21, имеющиеся в принадлежащей трубе 10 части 12 уменьшенного диаметра, в надпоршневую полость. и стремится сместить плавающий поршень 45 вниз.

При сжатиях и раздвижениях устройства происходит перетекание рабочей жидкости между камерами, сопровождаю"

55 щееся поглощением энергии.

Ввиду того, что жесткость упруго деформируемого элемента имеет величину менее !7860 кг обеспечивается во13 917704 14

2. Амортизатор по п. 1, о т л и— 5. Амортизатор по п. 1, о т л, ич а ю шийся тем, что упруго де- ч а ю шийся тем, что подпоршне= формируемый элемент состоит из череду- вая полость сообщается со скважиющихся упругих колец и металлических ной через полость труб. шайб. 5 6. Амортизатор по и. 1, о т л и3. Амортизатор по п. 1,.о т л и- ч а ю шийся тем, что подпоршнеч а ю щ и и с .я тем, что металличес- вая полость сообщается со скважи" кие шайбы по наружной и внутренней ной через затрубное пространство, кольцевым поверхностям имеют буртик. :Источники информации, 4. Амортизатор по п. 1, о т л и — 1О принятые во внимание при экспертизе ч а ю шийся тем, что, с целью 1, Авторское свидетельство СССР повышения жесткости амортизатора, он У 170884, кл. К 21 В 17/06, 25.09.63. снабжен стабилизирующими кольцами, 2. Авторское свидетельство СССР установленными на внутренней по- В 261310, кл. Е 21 В 17/06, 10.05.67 ерхности корпуса. (прототип).

917704

Фб

Фиг. fd

Фиг. 15

1У

72 7j 7Ф ур N

74

8 75 7/

Фиг. 18

Составитель В. Родина

Техрвд Л.Пекарь Корректор С. Шекмар

Редактор М, Ткач

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 1938/80 Тираж 624 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5