Устройство для промывки забоя скважины

 

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам для промывки забоя скважины во время бурения. Цель - повышение эффективности промывки за счет увеличения времени воздействия струи высокого давления на забой. Устройство для промывки забоя скважины содержит корпус 1, установленные в нем с образованием надпоршневой полостей 5,6 поршень 2 с плунжером 3. Поршень 2 ступенью малого диаметра (плунжер 3) размещен в камере высокого давления 4, гидравлически связанной каналом 12 с обратным клапаном 13 с подпоршневой камерой 6. В надпоршневой полости 5 расположен запорный орган 14, нагруженный пружиной 15. Седло 16 запорного органа 14 выполнено в перегородке 17, разделяющей надпоршневую полость 5 на верхнюю и нижнюю, гидравлически связанную с затрубным пространством. Поршень 2 подпружинен относительно перегородки 17. В корпусе дополнительно выполнены камера торможения 23 и накопительная камера 11, гидравлически связанная обратным клапаном высокого давления 4. В перегородке 17 установлен силовой гидравлический элемент с возможностью взаимодействия с поршнем 2 и запорным органом 14. Последний выполнен с подпружиненными манжетными кольцами с внутренней и наружной сторон. Причем на запорном органе 14 от его торца до посадочной поверхности выполнены прорези. Струя жидкости низкого давления постоянно воздействует на забой, стекая по каналу 7 из подпоршневой полости 6, и через сопло низкого давления воздействует на забой. Сопла высокого и низкого 30 давления направлены на забой параллельно, что повышает эффективность воздействия. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам для промывки забоя скважины во время бурения.

Известен гидроударник обратного действия, включающий корпус с подпружиненным ударником, в канале которого размещен полый клапан, наковальню из двух половин, в верхней из них расположен обратный клапан, а в нижней сделаны промывочные каналы, при этом седло полого клапана расположено на верхней половине наковальни, которая подпружинена относительно нижней ее половины. Недостатки устройства следующие. Гидроударник обратного действия является малоходовым и высокоцикличным, поэтому он создает малым количеством жидкости кратковременные гидравлические импульсы, которыми невозможно обеспечить эффективную промывку забоя. Импульсная депрессия на забой также снижает эффективность воздействия.

Известно устройство для промывки скважин, содержащее расположенные в полости корпуса нагруженный поршень, надпоршневую полость с дроссельным клапаном, нагруженный встречными пружинами запорный орган (клапан), установленный с возможностью взаимодействия с поршнем, камеру высокого давления, накопительную камеру переменного объема, связанную с камерой высокого давления и сопловыми выходами, камера высокого давления сообщается с надпоршневой полостью, при этом устройство снабжено нагруженным плунжеpом, расположенным в камере высокого давления, а запорный орган размещен в верхней ступени осевого канала плунжера и нагружен относительно него [1]. Недостатки устройства следующие: высокая точность изготовления элементов, обусловленная длинным ходом поршня и запорного органа, взаимодействующего с плунжером и поршнем; ограничение по количеству циклов в единицу времени из-за того, что скорость взаимодействия поршня и плунжера ограничена конструктивной прочностью материалов; большие размеры устройства, обусловленные длинными ходами поршня, плунжера и запорного органа между ними, а также принципом взаимодействия (посредством запорного органа в виде клапана) поршня и плунжера; ограничение по количеству циклов в единицу времени снижает суммарное время воздействия струи высокого давления, что уменьшает эффективность воздействия жидкости на забой .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для промывки забоя скважины, содержащее корпус, установленные в нем с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей поршень с плунжером, выполненным с осевым и радиальными каналами и входящим в камеру высокого давления, гидравлически связанную каналом, с установленным в нем обратным клапаном, с подпоршневой полостью, подпружиненный запорный орган с седлом, размещенный в надпоршневой полости с возможностью взаимодействия с поршнем, промывочные каналы низкого и высокого давления, сообщающие подпоршневую полость и камеру высокого давления с затрубным пространством [2]. Недостатки устройства следующие: устройство является гидропоршневым и рабочий ход поршня осуществляется под действием нагнетаемой рабочей среды. Возможность повышения давления (т. е. получение высокой скорости струи) определяется коэффициентом мультипликации, а также скоростью перемещения поршня. Все это приводит к тому, что диаметр плунжера меньшей ступени поршня должен быть значительно меньше диаметра большей ступени поршня, а расход рабочей жидкости весьма большим; эффективность промыва через каналы очень низка (осуществляется при рабочем ходе), так как идет за счет вытеснения жидкости из подпоршневого пространства и в случае создания в нем повышенного давления понижается давление в камере, что снижает скорость истечения жидкости из сопла. Кроме того, стабильная работа клапана обеспечивается в области относительно высоких скоростей поршня, что трудно обеспечить при высоком давлении в камере; взаимно противоречивые требования к взаимодействию отдельных элементов конструкции не позволяют выйти на высокоскоростной режим работы.

Цель изобретения - повышение эффективности промывки за счет увеличения времени воздействия струи высокого давления на забой.

Достигается это устройством для промывки забоя скважины, содержащим корпус с установленным в нем с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей поршнем с плунжером, выполненным с осевым и радиальными каналами и входящим в камеру высокого давления, гидравлически связанную каналом, с установленным в нем обратным клапаном, с подпоршневой полостью, подпружиненный запорный орган с седлом, размещенный в надпоршневой полости с возможностью взаимодействия с поршнем, промывочные каналы низкого и высокого давления, сообщающие подпоршневую полость и камеру высокого давления с затрубным пространством, причем надпоршневая полость разделена перегородкой на верхнюю и нижнюю, гидравлически связанную с затрубным пространством, поршень подпружинен относительно перегородки, запорный орган нагружен относительно корпуса и поршня встречными пружинами, а его седло выполнено в перегородке, в корпусе дополнительно выполнены камера торможения запорного органа и накопительная камера, гидравлически связанная обратным клапаном с камерой высокого давления.

Причем запорный орган можно выполнить с кольцевой проточкой в верхней части с образованием посадочной поверхности, при этом запорный орган имеет внутреннее и наружное манжетные кольца, размещенные в кольцевой проточке и подпружиненные относительно посадочной поверхности, кроме того, на запорном органе от его торца до посадочной поверхности выполнены прорези.

Кроме того, целесообразно устройство снабдить силовым гидравлическим элементом, установленным в перегородке с возможностью взаимодействия с поршнем и запорным органом.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 - вариант выполнения запорного узла клапана; на фиг.3 - вариант выполнения тормозного узла клапана; на фиг.4 - вид по стрелке А на торец клапана на фиг.3.

Устройство для промывки забоя скважины состоит из корпуса 1, в полости которого расположен поршень 2 с плунжером 3. Поршень ступенью 3 (плунжер) малого диаметра расположен в камере 4 высокого давления. Полость корпуса 1 имеет надпоршневую полость 5 и подпоршневую полость 6, сообщенную промывочным каналом 7 с пространством забоя скважины. Промывочный канал 8 высокого давления сообщен с камерой 4 высокого давления через канал 9 с обратным клапаном 10, полость которого сообщена с накопительной камерой 11 переменного объема. Камера 4 в свою очередь сообщается через канал 12 с клапаном 13, выполненными в плунжере 3, с подпоршневой полостью 6. В надпоршневой полости 5 расположен клапан 14, нагруженный пружиной 15. Седло 16 клапана 14 выполнено в перегородке 17, разделяющей надпоршневую полость 5. В нижней половине надпоршневой полости 5, выполненной в виде направляющего стакана для поршня 2, установлена в нагруженном состоянии пружина 18, нагружающая его относительно перегородки 17. Через седло 16 поршень 2 взаимодействует (открывает) с клапаном 14 посредством пружины 19. Полость под седлом 16 содержит канал 20 слива. В случае большого развития площади запорной тарели 21 клапана 14 целесообразно в перегородке 17 смонтировать силовой гидравлический элемент 22: поршневой или мембранный. Быстродействие устройства будет увеличено, если полый клапан 14 снабдить со стороны камеры торможения 23 подпружиненными манжетными кольцами с внутренней стороны 24 и с наружной стороны 25, при этом от торца ступени 26 до посадочной поверхности 27 колец необходимо выполнить прорези 28.

Устройство работает следующим образом. Оно монтируется на бурильной колонне. Промывочная жидкость заполняет надпоршневую полость 5 и подпоршневую полость 6, что может осуществляться по каналу в стенке корпуса или, как показано на фиг.1, через отверстия А и Б в перегородках корпуса 1. Растущее давление в полости 6 корпуса воздействует на нижний торец поршня 2. Верхний торец поршня изолирован от действия давления жидкости клапаном 14. Поршень от воздействия жидкости в подпоршневой полости 6 перемещается, сжимая силовую пружину 18 и пружину 19 взаимодействия поршня с клапаном 14. Когда нагрузка от пружины 19 на клапан превзойдет нагрузку от пружины 15 и давления жидкости, он выйдет из седла и его резко выбросит пружиной 19. Клапан 14 в конце хода попадает в камеру торможения 23 и удерживается в ней взведенной пружиной 19.

Камера торможения 23 создает гидравлическое сопротивление при возвратном движении клапана на седло 16. Сопротивление уменьшится, если клапан снабдить манжетными кольцами 24, 25. При движении клапана в сторону седла манжетные кольца сдвинутся и откроют прорези 28, через которые жидкость будет проходить на другую сторону колец, таким образом увеличивается быстродействие клапана.

В среде бурового раствора клапан 14 тем надежнее перекрывает седло, чем больше его тарель 21. Но с увеличением площади тарели требуется и большая сила пружины 19. Чтобы уменьшить ее силу, а следовательно, и снизить сопротивление взводу поршня 2, целесообразно в перегородке смонтировать гидравлический элемент 22 (фиг.2), срабатывающий при взаимодействии с поршнем 2. При взводе поршень воздействует на гидравлический элемент 22 и последний отрывает (подъемом давления в полости под запорной тарелью) клапан от седла, после чего пружиной 19 его резко выбрасывает в камеру торможения 23. Седло 16 открывается и давление жидкости на поршень 2 растет, после чего под действием силовой пружины 18 и жидкости поршень совершает рабочий ход, вытесняя жидкость из камеры 4 под высоким давлением. Клапан 13 при этом закрывается, а клапан 10 открывается и жидкость по каналу 8 идет в сопло, направленное на забой скважины. При этом часть жидкости заполняет демпферную полость 11, которая несколько удлиняет время воздействия струи высокого давления на забой. Пружина 18 из-за короткого рабочего хода поршня предварительно нагружена с большей силой.

По окончании вытеснения жидкости из камеры 4 поршень 2 займет нижнее положение в полости 5. Нагрузка на клапан 14 от пружины 19 будет меньше нагрузки от пружины 15 и тогда клапан 14 перекроет отверстие 16. При этом, когда цилиндрическая часть затвора начнет входить в седло, давление жидкости на некомпенсированную площадь клапана обеспечит его быстрое закрытие. Наличие гидравлического элемента 22 позволяет за счет его подвижки при посадке запорной тарели на седло устранить гидравлическую подушку. Это обеспечивает ускоренный герметичный контакт тарели с седлом. Давление жидкости на поршень 2 снижается до сбросового (канал слива 20 постоянно открыт) и давление в подпоршневой полости взводит поршень. Цикл работы устройства повторяется. Струя жидкости низкого давления постоянно воздействует на забой, истекая по каналу 7 из подпоршневой полости 6 и через сопло низкого давления воздействует на забой. Сопла высокого 29 и низкого 30 давления направлены на забой параллельно, что повышает эффективность воздействия за счет того, что струя высокого давления обеспечивает отрыв от забоя породы, нарушенной буровым инструментом, а струя низкого давления вслед обеспечивает унос ее с забоя, чем предотвращает возврат породы на забой.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОМЫВКИ ЗАБОЯ СКВАЖИНЫ, содержащее корпус, установленные в нем с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей поршень с плунжером, выполненным с осевым и радиальными каналами и входящим в камеру высокого давления, гидравлически связанную каналом с установленным в нем обратным клапаном с подпоршневой полостью, подпружиненный запорный орган с седлом, размещенный в надпоршневой полости с возможностью взаимодействия с поршнем, промывочные каналы низкого и высокого давления, сообщающие подпоршневую полость и камеру высокого давления с затрубным пространством, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса промывки путем увеличения времени воздействия струи высокого давления на забой, надпоршневая полость разделена перегородкой на верхнюю и нижнюю, гидравлически связанную с затрубным пространством, поршень подпружинен относительно перегородки, запорный орган нагружен относительно корпуса и поршня встречными пружинами, а его седло выполнено в перегородке, в корпусе дополнительно выполнены камера торможения запорного органа и накопительная камера, гидравлически связанная обратным клапаном с камерой высокого давления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что запорный орган выполнен с кольцевой проточкой в верхней части с образованием посадочной поверхности, при этом запорный орган имеет внутреннее и наружное манжетные кольца, размещенные в кольцевой проточке и подпружиненные относительно посадочной поверхности, причем на запорном органе от его торца до посадочной поверхности выполнены прорези.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено силовым гидравлическим элементом, установленным в перегородке с возможностью взаимодействия с поршнем и запорным органом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4