Демпфер продольных колебаний

 

Использование: в нефтегазодобывающей промышленности для гашения продольных вибраций и колебаний бурильной колонны. Цель: увеличение срока службы долота и повышение эффективности и надежности работы демпфера. Сущность изобретения: демпфер содержит корпус, внутри которого размещены полый шток с поршнем. Рабочие части поршня выполнены в форме верхнего и нижнего усеченных конусов. Поршень с корпусом образует надпоршневую и подпоршневую полости, выполненные в виде внешних и внутренних камер, причем внешние камеры меньше по своему поперечному сечению, чем внутренние. Полость штока и поршня связана с внутренней камерой подпоршневой полости каналом, выполненным в основании нижнего усеченного конуса, а внешняя камера надпоршневой полости связана с затрубным пространством каналом, выполненным в корпусе. 1 ил.

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин и предназначено для гашения продольных вибраций и колебаний бурильной колонны, возникающих в процессе работы породоразрушающего инструмента на забое.

Известен демпфер бурильного инструмента, включающий корпус с установленными внутри него тремя ступенями стальных цилиндрических пружин, помещенных между распорными втулками и упирающихся в диски. Вращение от корпуса к долоту передается через шлицевое соединение и переводник [Т.А. Кирия "Совершенствование проходки глубоких скважин" М., Недра, 1971].

Недостатком этой конструкции является наличие упругого механического элемента, который обладает значительной инерционностью при больших ускорениях, что приводит к ударам и снижению эффективности демпфирования, а также предрасположенность упругих элементов к усталостному разрушению снижает надежность демпфера.

Известен также демпфер, имеющий телескопическую конструкцию и обладающий пневмогидравлическим действием, состоящий из корпуса, включающего демпфирующую газовую камеру с плавающим поршнем и масляную (гидравлическую) камеру со шпинделем. В средней части демпфера расположен нагруженный поршень, а в нижней - гидравлический компенсатор давления [И.К. Масленников, Г.И. Матвеев "Инструмент для бурения скважин". М., Недра, 1981, стр.319).

Недостатком этого устройства является необходимость надежной герметизации газовой камеры для предотвращения утечек газа, сложность конструкции и, как следствие, малая надежность демпфера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является гидравлический демпфер бурильного инструмента, включающий корпус, связанный со стволом с возможностью передачи крутящего момента, расположенный между корпусом и стволом поршень, образующий надпоршневую и подпоршневую полости, гидравлически связанные с внутренней полостью ствола и скважинным пространством, и закрепленную на стволе втулку, выполненную в виде усеченного конуса и обращенную конусной поверхностью к гильзе, установленной в надпоршневой полости, соединенной с переводником и расположенной концентрично корпусу, причем в основании втулки выполнен канал для связи внутренней полости ствола с надпоршневым пространством (пат. РФ N 2057892, E 21 B 17/07, от 10.04.96 г., бюл. N10).

Недостатками известного устройства являются: - жесткое гашение колебаний бурильной колонны, что обуславливает недостаточное гашение возмущающих осевых сил от долота и приводит к быстрому износу опор долота; - одностороннее действие демпфера, так как после гашения действия возмущающей силы возврат поршня в исходное положение происходит с динамическим ударом, что приводит к колебаниям, вибрациям бурильной колонны и износу бурильного инструмента.

Цель изобретения - увеличение срока службы долота, элементов бурильной колонны и оборудования, установленного в бурильной колонне, в частности телеметрической системы измерений в процессе бурения, улучшение контроля за процессом бурения, увеличение срока службы и повышение эффективности и надежности работы гидравлического демпфера.

Поставленная цель достигается тем, что в демпфере продольных колебаний, включающего корпус, внутри которого с возможностью осевого перемещения размещены полый шток с поршнем, верхняя рабочая часть которого выполнена в форме усеченного конуса, и образующий с корпусом надпоршневую полость, выполненную в виде внутренней и внешней камер, последняя из которых меньше по своему поперечному сечению, чем внутренняя, и подпоршневую полость, образованную между нижней рабочей частью поршня и корпусом, в котором согласно изобретению нижняя рабочая часть поршня также выполнена в форме усеченного конуса и подпоршневая полость выполнена в виде внутренней и внешней камер, причем внешняя камера меньше по своему поперечному сечению, чем внутренняя, а полость штока и поршня гидравлически связана с внутренней камерой подпоршневой полости каналом, выполненным в основании нижнего усеченного конуса, а внешняя камера надпоршневой полости гидравлически связана с затрубным пространством каналом, выполненным в корпусе.

Выполнение нижней рабочей части поршня в форме усеченного конуса и подпоршневой полости в виде внутренней и внешней камер, причем внешняя камера меньше по своему поперечному сечению, чем внутренняя, а полость штока и поршня гидравлически связанной с внутренней камерой подпоршневой полости каналом, выполненным в основании нижнего усеченного конуса, позволяет направить основной поток бурового раствора через указанный канал и кольцевой зазор между нижним усеченным конусом и внешней камерой, при этом гашение действия осевой силы от долота происходит за счет дополнительного перепада давления бурового раствора на кольцевом зазоре между нижним усеченным конусом и внешней камерой в подпоршневой полости в отличие от прототипа, где происходит запирание малого объема бурового раствора и его дросселирование через тот же кольцевой зазор.

Наличие канала, соединяющего внешнюю камеру надпоршневой полости с затрубным пространством совместно с верхним усеченным конусом и внешней камерой надпоршневой полости, в отличие от прототипа, где канал соединяет полость штока с надпоршневой полостью, позволяет запереть часть бурового раствора из затрубного пространства во внутренней камере надпоршневой полости и дросселировать его через кольцевой зазор между верхним усеченным конусом и внешней камерой, при этом происходит предотвращение удара при возвращении системы в исходное состояние после действия осевой силы от долота за счет перепада давления бурового раствора на кольцевом зазоре между верхним усеченным конусом и внешней камерой надпоршневой полости.

Указанные отличия позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "новизна". Признаки, отличающие заявленное техническое решение от прототипа, в других технических решениях не выявлены, поэтому можно сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Демпфер продольных колебаний состоит из корпуса 1 с выполненной на его нижнем конце резьбой для присоединения к бурильному инструменту полого поршня 2, неподвижно соединенного с полым штоком 3, с выполненной в верхней части штока резьбой для присоединения к бурильной колонне и шпоночного соединения 4 для передачи крутящего момента между корпусом 1 и штоком 3. Рабочие части поршня выполнены в форме верхнего 5 и нижнего 6 усеченных конусов. Поршень 2 с корпусом 1 образует надпоршневую и подпоршневую полости, выполненные в виде внутренних 7, 9 и внешних 8, 10 камер, причем внешние камеры выполнены меньшими по своему поперечному сечению, чем внутренние. Усеченные конусы 5 и 6 обращены своими конусными поверхностями к внешним камерам 8 и 10 и при движении поршня вверх или вниз входят в камеры 8 и 10, образуя постепенно уменьшающийся кольцевой зазор. Камеры 7 и 9 герметизированы уплотнениями 11. В корпусе 1 в верхней части внешней камеры 8 выполнен канал 12 для гидравлической связи внешней камеры 8 надпоршневой полости с затрубным пространством. В основании нижнего усеченного конуса 6 выполнен канал 13 для связи внутренней камеры 9 подпоршневой полости с полостью штока и поршня. В нижнем усеченном конусе 6 выполнено дроссельное отверстие 14 малого диаметра, гидравлически соединяющее полость поршня с внешней камерой 10.

Устройство работает следующим образом.

Не доводя бурильный инструмент до забоя, включают буровые насосы и буровой раствор через полость штока 3 и поршня 2, канал 13 и кольцевой зазор между усеченным конусом б и внешней камерой 10 поступает к бурильному инструменту. Корпус 1 движется вниз относительно поршня 2 со штоком 3 до упора под действием гидравлического усилия, обусловленного разностью давлений в надпоршневой и подпоршневой полостях (исходное положение). Далее инструмент спускается до забоя.

В процессе бурения осевая сила, возникающая от работы долота на забое, вызывает перемещение корпуса 1 вверх относительно поршня 2 со штоком 3. При этом конус 6 входит в камеру 10 и кольцевой зазор между ними уменьшается, затрудняя прохождение бурового раствора. Давление в камере 9 повышается и возникает гидростатическая сила, которая в сумме с усилием, возникающим от разности давлений в буровой колонне и затрубном пространстве, противодействует осевой силе от долота. Эти же силы возвращают в исходное положение систему после окончания действия осевой силы от долота. При возвращении в исходное состояние корпус 1 движется вниз относительно поршня 2 со штоком 3, конус 5 входит в камеру 8, буровой раствор вытесняется из камеры 7 через постоянно уменьшающийся кольцевой зазор между конусом 5 и камерой 8, обеспечивая плавное торможение и предотвращая удар. Дроссельный канал 14 обеспечивает необходимый перепад давления на двигателе в случае полного перекрытия кольцевого зазора между конусом 6 и камерой 10.

Преимуществом данного устройства по сравнению с прототипом является: - более мягкое гашение осевых сил от долота за счет возникновения дополнительного перепада давления бурового раствора в отличие от прототипа, где происходит простое запирание малого объема жидкости и ее дросселирование через уменьшающийся кольцевой зазор; - двустороннее демпфирование, что приводит к мягкому возвращению бурильного инструмента на забой после действия осевой силы от долота, снятие ударных нагрузок на долото и бурильную колонну.

В совокупности данные преимущества способствуют увеличению срока службы долота, элементов бурильной колонны и оборудования, установленного в бурильной колонне, в частности телеметрической системы измерений в процессе бурения, за счет уменьшения действия на них ударных и вибрационных нагрузок, улучшение контроля за процессом бурения за счет уменьшения влияния высоких ускорений, возникающих от ударных и вибрационных нагрузок на датчики навигационного и других приборов, увеличение срока службы и повышение эффективности и надежности работы гидравлического демпфера.

Формула изобретения

Демпфер продольных колебаний, включающий корпус, внутри которого с возможностью осевого перемещения размещены полый шток с поршнем, верхняя рабочая часть которого выполнена в форме усеченного конуса, и образующий с корпусом надпоршневую полость, выполненную в виде внутренней и внешней камер, последняя из которых меньше по своему поперечному сечению, чем внутренняя, и подпоршневую полость, образованную между нижней рабочей частью поршня и корпусом, отличающийся тем, что нижняя рабочая часть поршня также выполнена в форме усеченного конуса и подпоршневая полость выполнена в виде внутренней и внешней камер, причем внешняя камера меньше по своему поперечному сечению, чем внутренняя, а полость штока и поршня гидравлически связана с внутренней камерой подпоршневой полости каналом, выполненным в основании нижнего усеченного конуса, а внешняя камера надпоршневой полости гидравлически связана с затрубным пространством каналом, выполненным в корпусе.

РИСУНКИ

Рисунок 1