Наддолотный амортизатор

Союз СоввтскизСоцмалнстичвскихРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ Н ИЯ К ПАТЕНТУ(23) Приоритет -М. Кл.Е 21 В 17/ 21) 2150660/222) 10.07.7 1 Ъеударстаенный намнтет СССР ао делам нзабретеннй н отнрытнй(54) Н ОТНЬЙ АМОРТИЗАТОР тидей 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, Ускове ния возникающие пои перемещении полоза от забоя, созаают в колонне бурильных труб большие циклические нагрузки.Интенсивное циклическое нагруже а ние колонны бурильных труб ведет к ряду отрицательных последствий. Например, это нагружение является основной причиной износа и поломок бурильных труб. Оно создает тяжелый 20 режим работы оборудования буровой вышки; при особенно тяжелом бурении вся конструкция буровой вышки подвергается интенсивной тряскеи единственным средством уменьшения 25 вибрации является снижение скорос вращения и/или весовой нагрузки, ствующей на долото, Однако такие меры приводят к снижению скоростибурения.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 совмес, ббг. 1 б едактор М, Ткач аказ 1938/8 Тираж 624 пис ета СССРрытийя наб., д. 4/5 ственного ком обретений и оЖ, Раушс илиал ППП Патент", г. Ужгород Проектная,0 ВНИИПИ Госуд по делам 113035, Моск3 91 стно, олнако,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 рассма;риваемых 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 установлеуы уплотнительные кольца, препятствующие попаданию в камеру бурового раствора, Оправка и гильза снабжены взаимно противолежащими соответственно верхним и нижним нажим- ными заплечиками, выступающими в коль цевую камеру радиально вблизи верхнего и нижнего ее концов.,В камере между названными нажимными эаплечиками установлен деформируемый элемент 113 .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 осевогоперемещения 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 возмож" ности взаимного телескопического их перемещения, упруго деформируемый7704 4 50 5 5 1 О .15 10 25 30 35 10 45 элемент, расположенный в названнойполости и образующий с внутреннейповерхностью корпуса зазор 1 парувзаимно противолежащих опорных элементов, имеющихся на валу и корпусе,выступающих в названную полость ипредназначенных для воздействия наконцы деформируемого элемента, объемрабочей жидкости, расположенный вназванной полости вместе с деформируемым элементом, и практически непроницаемые для жидкости средства,герметизиптлошие 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 нагрузкахна долото и давлениях, развиваемыхнасосом, что имеет место при разли 1-,ных глубинах и диаметрах скважины.Цель изобретения - обеспечениеэффективности поглощения ударных нагрузок при различных глубинах и диаметрах скважины.Указанная цель достигается тем,что наддолотный амортизатор снабженустановленным в нижней части валамежду его наружной поверхностью ивнутренней поверхностью корпуса плавающим поршнем, надпоршневая полостькоторого гидравлически сообщается сполостью для упруго деформируемогоэлемента, а подпоршневая полость -со скважиной, при этом упруго деформируемый элемент имеет жесткость менее 17860 кг/см и образует зазор снаружной 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 внутреннейкольцевым поверхностям стальныхколец.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 черезполость труб, или через затрубное пространство.04 5 9177На фиг. 1-3 показан наддолотный амортизатор в ненагруженном или растянутом состоянии (вариант сообщения подпоршневой полости амортизатора со скважиной. через полость труб З бурильной колонны), частичные разрезы; на фиг. 4-6 - то же, в нагруженном или сжатом состоянии, разрез; на фиг. 7 - нижняя часть наддолотного амортизатора в ненагруженном состоя нии (вариант сообщения подпоршневой полости амортизатора со скважиной через затрубное пространство), раз" рез; на фиг. 8 - то же, в нагруженном состоянии, разрез; на фиг. 9- 15 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. 12- разрез 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 З 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. 30Наддолотный 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 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, предназначенным для соединения с хвостовиком 9, а нижняя часть 12 имеет уменьшенный диаметр, Эти части трубы 1 О совместно образуют нажимной заплечик 13. В гнезде верхней части 11 трубы 10 установлено уплотнительное кольцо 4, 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 15. 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, имеющуюосевое отверстие и опорную поверхность, диаметр которой соответствует диаметру опорной поверхностиучастка 5, входящего в вышеуказанное осевое отверстие с образованиемвысокоточного сопряжения. На внутренней поверхности уплотнительнойголовки выполнены четыре проточки 23,которых установлены уплотнительные. кольца 24, препятствующие утечке жидкости, и твердые центрирующиекольца 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 внутреннимишлицами 30, входящей в состав корпуса.Внутренние шлицы 30 (фиг. 9) содержат стальную сердцевину, на которой отформован состоящий из синтетического материала покрывающий слой31, обладающий весьма высокой стойкостью к износу и истиранию и смягчающий удары при передаче шлицевымсоединением крутящего момента,На нижнем конце детали 29 с внутренними шлицами имеется хвостовик32 (фиг, 2), снабженный уплотнительным кольцом 33. Нижний участок34 детали 29 имеет уменьшенный диаметр и образует опорную поверхность,взаимодействующую участком вала,имеющим соответственно выполненнуюпосадочную поверхность. Для обеспечения стабильности взаимного поло35 В стенке входящего в состав корпу 55 са элемента 37, предназначенного для размещения деформируемого элемента, выполнено отверстие 50,закрытое пробкой 51, которая может быть удалена 7 917жения деталей в участке 34 установлено несколько центрирующих колец 35,Хвостовик 32 детали 29 корпусавходит в гнездо 36 элемента 37 корпуса, служащего для размещения деформируемого элемента. Нижний торец хвостовика 32 ограничивает продольноеперемещение вверх вала 2 за счет взаимодействия с верхним торцом конца11 трубы 10. 1 ОЭлемент 37 корпуса в нижней частиимеет отверстие 38 уменьшенного диаметра, образующее нажимной заплечик 39. Заплечик 39 ограничивает продольное перемещение вала 2 вниз. Воздействуя своим заплечиком 13 на деформируемые кольца 19, оправка прижимает их к названному заплечику 39.Диаметр отверстия.38 дает возможность установки в этом отверстии 20нижнего конца трубы 12 с опорой,обеспечивающей стабильность положения трубы. В проточках, выполненныхв станке элемента 37 корпуса, установлены центрирующие кольца 40, находящиеся в непроницаемом для жидкости выполненном с натягом сопряжениис валом 2,Нижний конец элемента 37 корпусаснабжен хвостовиком 41 (фиг. 3),вхо- ЗОдящим в гнездо соединительной части .42, имеющейся в верхнем конце 43нижней части корпуса. На хвостовике41 установлено уплотнительное кольцо44, герметизирующее резьбовое соецинение.Узел 43 нижней части корпуса имеет осевой канал, диаметр которого превышает диаметр нижнего конца трубы 10,яВляющейся частью Вяля ня которОЙ 40установлен плавающий поршень 45, имеющий уплотнительные кольца 46 и 47,создающие непроницаемые для жидкости сопряжения поршня с поверхностьюотверстия 48 узла 43 и с наружной поверхностью принадлежащей трубе 1 Очасти 12 уменьшенного диаметра. Плавающий поршень 45 удерживается натрубе 10 гайкой 18. На нижнем концеузла 43 нижней части корпуса имеетсяхвостовик 49, предназначенный длясоединения с нижней частью колонныбурильных труб (не показана). 04для введения в полость устройстварабочей, жидкости или другой подобной среды в соответствии с изложенным ниже, Аналогичное отверстие 52с пробкой 53 имеется в нижней частидетали 29 корпуса.В центрирующих поверхностях шлицев (фиг, 9 и 10) через два шлица,выполнены продольные канавки 8.Кроме того (фиг, 10),показаны проходящие через хвостовик 32 каналы 54.Каналы 16 пересекают заплечик 13 конца 11 трубы 10.Кольца 23,расположен в ,ные между элементами вала и корпусаобразуют одну пару центрирующих поверхностей, кольца 35 - другую паруцентрирующих поверхностей, кольца40 - третье место центрирования, кроме того, плавающий поршень 45 представляет собой еще один центрирующий элемент, установленный в нижнейчасти между элементами вала и корпуса. Все эти стабилизирующие положения деталей амортизатора элементыспособствуют наличию связи между корпусом 1 и валом 2 в поперечном направлении и повышают жесткость устройства.Между наружной поверхностью вала2 и внутренней поверхностьюкорпуса1 имеется кольцевая полость 55. Концы полости 55 закрыты непроницаемыми для жидкости средствами уплотнения 23, 46, 47, Центрирующие кольца 35 и 40 делят кольцевую полость55 на камеру детали с внутренними шлицами камеру деформируемого элементаи камеру плавающего поршня. Полость55 заполнена деформируемыми кольцами19 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 1 О 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 12трубы 10 уменьшенного диаметра. Вверхнем конце отверстия 57 установлена пара уплотнительных колец 58.В стенке узла 43 плавающего поршнявыполнено одно или более сквозных 5отверстий 59, обеспечивающих сообщение нижней части отверстия 48 со средой вне этого узла с затрубным пространством. Резьба 17 и гайка, устанавливаемая на нижнем конце трубы10, в рассматриваемом варианте неприменяется; часть 12 уменьшенногодиаметра снабжена удлинительным участком 60, входящим при ненагруженномсостоянии устройства в отверстие 57 15и охватываемым уплотнительными кольцами 58. В рассматриваемом вариантеподпоршневая полость 56 гидравлически сообщается со скважиной череззатрубное пространство. Плавающий 20поршень подвергается действию давления,имеющегося в скважине, а не давления, действующего в полости колон-ны бурильных труб. Результатом яв-ляется то, что жидкость, находящаяся во внутренних камерах наддолотного амортизатора, находится под давлением, действующим в скважине,вследствие чего перепад давлений накоронке бура действует только на ра- ЭОбочую площадь удлинительного участка 60 трубы 10. По указанной причинев описываемом варианте усилие, стремящееся раздвинуть детали наддолотного 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 применении к устройствам большого диаметра,используемым при бурении неглубоких скважин, где весовая нагрузка надолото может быть ненамного большей,чем усилие, создаваемое разностью 4давлений 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 4 (вид сверху и раз- рез) представлен один из вариантов50 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 прила" гаемого к нему усилия, однако, будучи упругим, после снятия усилия приобретает первоначальную форму.Деформируемое кольцо (фиг. 15 и 6) 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 11 трубы 10 вала 2 (фиг. 2), взаимодействуя с торцом хвостовика 32 детали 29 корпуса, ограничивает взаимное телескопическое перемещение оправки и гильзы и препятствует их разобщению.сприятие наддолотным амортизаторомбольшей 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 счетналичия плавающего поршня, обеспечивающего выравнивание давления в камере,упруго эластичного элемента с давлением на забое скважины и тем самымуменьшающим величину предварительного нагружения уйруго деформируемого элемента.Наличие зазора между упруго эластичным элементом и стенками камеФры, образованной наружной поверхностью вала и внутренней поверхностью,корпуса, предотвращает износ упруго деформируемого элемента , чтообеспечивает постоянство его харак"теристики и беспрепятственное перетекание рабочей жидкости,формула изобретения 1. Наддолотный амортизатор, содержащий корпус и вал, связанные шлицевым соединением и образующиемежду 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 щ и й с я 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 имеетжесткость менее 17860 кг/см и образует зазор, с наружной поверхностью вала. 1 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. ДействующееГна забое давление и создаваемое иапо О ром жидкости, находящейся в скважине, смещают плавающий поршень вверх, в результате чего происходит выравнивание днвления в кольцевой полости 55 с названным давлением на забое. Заз тем к коронке бура прикладывается вес колонны, и таким образом происходит нагружение устройства. В процессе встречного телескопического перемещения вала 2 и корпуса 1 кольца що 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 ление. При этом благодаря действию давления, создаваемого насосом, на рабочую площадь трубы 10 и детали 3 с наружными шлицами нагрузка на кольца 19 деформируемого элемента уменьшает- зо ся. Названное давление стремится разд,винуть телескопически сопряженные. детали устройства. В результате чего нагрузка на кольца деформируемого элемента окажется сниженной, несмотря на 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 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 9 7704 142. Амортизатор по п. 1, о т л и - 5. Амортизатор по п. 1, о т л, и .ч а ю щ и й с я тем, что упруго де- ч а ю щ и й с я 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 и 3. Амортизатор по п, 1,.о т л и- ч а ю щ и й с я тем, что подпоршнеч а ю щ и й 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 - 10 принятые во внимание при экспертизеч а ю щ и й с я тем, что, с целью 1. Авторское свидетельство СССРповышения жесткости амортизатора, он В 170884, кл. К 21 В 17/06, 25.09.63.снабжен стабилизирующими кольцами, 2. Авторское свидетельство СССРустановленными на внутренней по- В 261310, кл. Е 21 В 17/06, 10.05,67ерхности корпуса. (прототип),