Осциллятор для бурильной колонны
Изобретение относится к осцилляторам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну. Осциллятор содержит генератор гидромеханических импульсов, содержащий оправку, элементы для передачи момента вращения между корпусом упомянутого генератора и оправкой, пружинный модуль, втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, кольцевой поршень между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, проточный канал со средством регулирования сечения перепускного канала, смонтированный с торца генератора гидромеханических импульсов модуль импульсов давления, включающий в себя клапанный блок и турбинный блок. Средство регулирования сечения перепускного канала представляет собой подвижный клапанный элемент, опирающийся на неподвижное седло, центральные отверстия в которых, сообщающиеся между собой и с проточным каналом, расположены эксцентрично с возможностью изменения проходного сечения проточного канала при смещении упомянутых отверстий относительно друг друга и поперек вертикальной оси симметрии осциллятора путем вращения подвижного клапанного элемента относительно седла с помощью турбинного блока, в корпусе которого смонтированы статор турбины, вал с ротором турбины, в нижней части вала смонтирована опора и выполнены каналы для выхода бурового раствора. Вал в нижней части соединен с подвижным клапанным элементом. Обеспечивается повышение удельной производительности бурения скважин. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к гидравлическим приводам для вращательного бурения, размещаемым в скважинах, в частности к осцилляторам для бурильной колонны, предназначенным для создания гидромеханических импульсов, воздействующих на бурильную колонну [Е21В 2/02, Е21В 28/00, E21B 28/00, E21B 43/003].
Из уровня техники известен ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ [RU 2645198 C1, опубл.: 16.02.2018], содержащий героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий трубчатый статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера в статоре смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий первый клапанный элемент и неподвижный второй клапанный элемент, первый клапанный элемент снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной, второй клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем второй клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет основную продольную ось, первый клапанный элемент скреплен с ротором и имеет возможность перемещения относительно второго клапанного элемента, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, а также содержащий плунжерный модуль, размещенный между первым клапанным элементом и клапанной парой, а также содержащий трансмиссионный вал, скрепленный с входной частью ротора, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в упомянутой радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения и скрепленный с трансмиссионным валом, и генератор гидромеханических импульсов, расположенный выше по потоку от радиально-упорной опоры вращения, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи крутящего момента между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости - масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом вращательный привод для передачи момента между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки, отличающийся тем, что первый клапанный элемент, скрепленный с ротором, снабжен трубчатым хвостовиком, направленным к клапану, внутренняя полость трубчатого хвостовика первого клапанного элемента выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды на выходе из героторного винтового гидравлического двигателя и образования проточного канала через внутреннюю полость трубчатого хвостовика к клапану, а плунжерный модуль содержит закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установлен на трубчатом хвостовике первого клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно упомянутого трубчатого хвостовика первого клапанного элемента, при этом первая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен конфузорным вниз по потоку, максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала дроссельной втулки относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре равно удвоенной величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре, а максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала второй неподвижной втулки относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре равно величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре.
Недостатком аналога является низкая эффективность, обусловленная способом реализации изменения переменного проходного сечения для бурового раствора и расположением клапанной пары ниже винтового двигателя. Кроме того, винтовой двигатель, применяемый в аналоге, может создавать помехи в работе телесистемы с гидравлическим каналом связи, поскольку для устойчивой работы телесистемы требуется непрерывный открытый гидравлический канал связи.
Наиболее близким по технической сущности является ОСЦИЛЛЯТОР ДЛЯ БУРИЛЬНОЙ КОЛОННЫ [RU 2732322 C1, опубл.: 15.09.2020], содержащий героторный винтовой гидравлический двигатель, включающий трубчатый статор с закрепленной в нем обкладкой из эластомера с внутренними винтовыми зубьями и расположенный внутри статора ротор с наружными винтовыми зубьями, вращение ротора осуществляется насосной подачей текучей среды, число зубьев ротора на единицу меньше числа зубьев обкладки из эластомера, ходы винтовых зубьев обкладки из эластомера и ротора пропорциональны их числам зубьев, а центральные продольные оси ротора и обкладки из эластомера в статоре смещены между собой на величину эксцентриситета, и клапан, включающий подвижный клапанный элемент и неподвижный клапанный элемент, подвижный клапанный элемент снабжен установленной в нем первой клапанной пластиной, неподвижный клапанный элемент снабжен установленной в нем второй клапанной пластиной, причем неподвижный клапанный элемент с установленной в нем второй клапанной пластиной образует клапанное отверстие и имеет продольную ось, подвижный клапанный элемент имеет возможность перемещения относительно неподвижного клапанного элемента, а при эксплуатации клапанные элементы взаимодействуют, совместно образуя переменное проходное сечение для текучей среды через клапан, а также содержащий плунжерный модуль, в котором подвижный клапанный элемент снабжен трубчатым хвостовиком, внутренняя полость трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента выполнена с возможностью сообщения с потоком текучей среды и образования проточного канала через внутреннюю полость трубчатого хвостовика, а плунжерный модуль содержит закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установлен на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика подвижного клапанного элемента, при этом первая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с плунжерным модулем первой дроссельной втулки с проточным каналом, а вторая клапанная пластина выполнена в виде скрепленной с корпусом второй дроссельной втулки с проточным каналом, а также содержащий трансмиссионный вал, радиально-упорную опору вращения, включающую полый вал, установленный в радиально-упорной опоре вращения с возможностью вращения, и генератор гидромеханических импульсов, содержащий корпус, выполненный из наружных трубчатых элементов, размещенную внутри корпуса оправку, выполненную из внутренних трубчатых элементов, телескопически соединенных между собой, элементы для передачи момента вращения между корпусом и оправкой при продольном перемещении относительно друг друга, указанные трубчатые элементы оснащены резьбами, а также содержащий пружинный модуль между корпусом и оправкой, упорную втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, указанные наружные трубчатые элементы, имеющие расположенные вдоль верхний и нижний упорные торцы на противоположных краях пружинного модуля, верхний упорный торец первого трубчатого элемента и нижний торец второго трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при продольном сжатии указанных трубчатых элементов относительно друг друга, верхний упорный торец второго трубчатого элемента и нижний упорный торец первого трубчатого элемента, одновременно зацепляющие и нагружающие пружинный модуль при растяжении указанных трубчатых элементов относительно друг друга, кольцевой поршень с уплотнениями на наружной и внутренней поверхностях, установленный между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки, реагирующий на давление текучей среды, а также содержащий уплотнения в верхней части между корпусом и оправкой и камеру для рабочей жидкости - масла, ограниченную уплотнениями в верхней части корпуса и уплотнениями кольцевого поршня между корпусом и оправкой, и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, при этом привод для передачи момента вращения между оправкой и корпусом при продольном перемещении относительно друг друга снабжен ударным кольцом, установленным в оправке с возможностью продольного перемещения оправки с ударным кольцом внутри упорной втулки, при этом скрепленная с корпусом дроссельная втулка неподвижного клапанного элемента размещена примыкающей ниже по потоку к генератору гидромеханических импульсов, внутренний профиль проточного канала скрепленной с корпусом дроссельной втулки неподвижного клапанного элемента выполнен конфузорным вниз по потоку, плунжерный модуль, включающий закрепленную внутри него обкладку из эластомера и установленный на трубчатом хвостовике подвижного клапанного элемента с возможностью вращения и продольного перемещения относительно трубчатого хвостовика клапанного элемента, размещен на входе в героторный винтовой гидравлический двигатель и скреплен с входной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, при этом подвижный клапанный элемент выполнен в виде скрепленной с плунжерным модулем дроссельной втулки с проточным каналом, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, а центральная продольная ось проточного канала установленной в упомянутом плунжерном модуле дроссельной втулки смещена относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, причем максимальное смещение центральной продольной оси проточного канала установленной в плунжерном модуле дроссельной втулки, внутренний профиль которого выполнен диффузорным вниз по потоку, относительно центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя, равно величине эксцентриситета центральной продольной оси ротора героторного винтового гидравлического двигателя относительно центральной продольной оси обкладки из эластомера в статоре, при этом радиально-упорная опора вращения размещена в выходной части осциллятора, а трансмиссионный вал размещен между выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя и входной частью полого вала радиально-упорной опоры вращения и скреплен одним краем с выходной частью ротора героторного винтового гидравлического двигателя, а другим краем - с входной частью вала радиально-упорной опоры вращения.
Основной технической проблемой прототипа является низкая эффективность бурения скважины с помощью осциллятора и низкая надежность осциллятора для бурильной колонны, обусловленные размещением клапанной пары на входе в героторный винтовой гидравлический двигатель при этом радиально-упорная опора вращения размещена в выходной части осциллятора, что может привести к изменению зазора между торцами клапанной пары в результате нагревания в скважине, вследствие чего клапанная пара будет работать неэффективно и размываться при увеличении зазора, либо уменьшение зазора может привести к заклиниванию ротора гидравлического двигателя. Кроме того, винтовой двигатель, применяемый в аналоге, может создавать помехи в работе телесистемы с гидравлическим каналом связи, поскольку для устойчивой работы телесистемы требуется непрерывный открытый гидравлический канал связи.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Технический результат изобретения заключается в повышении удельной производительности бурения скважин с помощью осциллятора бурильной колонны.
Указанный технический результат достигается за счет того, что осциллятор для бурильной колонны, включающий в себя генератор гидромеханических импульсов, содержащий оправку, элементы для передачи момента вращения между корпусом упомянутого генератора и оправкой, пружинный модуль, втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, кольцевой поршень между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, проточный канал со средством регулирования сечения перепускного канала, отличающийся тем, что содержит смонтированный с торца генератора гидромеханических импульсов модуль импульсов давления, включающий в себя клапанный блок и турбинный блок, при этом средство регулирования сечения перепускного канала представляет собой подвижный клапанный элемент, опирающийся на неподвижное седло, центральные отверстия в которых, сообщающиеся между собой и с проточным каналом, расположены эксцентрично с возможностью изменения проходного сечения проточного канала при смещении упомянутых отверстий относительно друг друга и поперек вертикальной оси симметрии осциллятора путем вращения подвижного клапанного элемента относительно седла с помощью турбинного блока, в корпусе которого смонтированы статор турбины, вал с ротором турбины, в нижней части вала смонтирована опора и выполнены каналы для выхода бурового раствора, при этом вал в нижней части соединен с подвижным клапанным элементом.
В частности, между турбинным блоком и клапанным блоком установлен редуктор.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что осциллятор для бурильной колонны, имеет редуктор, установленный между турбинным блоком и клапанным блоком.
На фигуре показан осциллятор для бурильной колонны в продольном разрезе, на которой обозначено: 1 - генератор гидромеханических импульсов, 2 - модуль импульсов давления, 3 - секции корпуса, 4 - втулка-удлинитель, 5 - оправка, 6 - шлицы, 7 - пружинный модуль, 8 - втулка, 9 - кольцевой поршень, 10 - уплотнения поршня, 11 - упорное кольцо, 12 - клапанный блок, 13 - клапанный элемент, 14 - седло, 15 - проточный канал, 16 - турбинный блок, 17 - корпус, 18 - статор турбины, 19 - вал, 20 - ротор турбины, 21 - опора, 22 - канал.
Осуществление изобретения.
Осцилляторы бурильной колонны предназначены для создания малоамплитудных осевых колебаний в бурильной колонне за счет пульсаций давления промывочной жидкости (бурового раствора) внутри осциллятора. Основной функцией осцилляторов является улучшение передачи нагрузки на долото путем снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины при наклонно-направленном бурении.
Осциллятор выполнен в виде цилиндрического составного по длине устройства и содержит последовательно соединенные друг к другу торцами генератор гидромеханических импульсов 1, модуль импульсов давления 2.
Генератор гидромеханических импульсов 1 включает корпус, выполненный составным и состоящим из последовательно соединенных между собой торцами один в другой полых внутри цилиндрических секций корпуса 3, при этом торцы секций корпуса 3, при монтаже один в другой, образуют внутри технологические упоры для других конструктивных элементов осциллятора.
В одном из вариантов реализации секции корпуса 3 могут соединены друг с другом посредством цилиндрической втулки-удлинителя 4, как это показано на фигуре, где верхняя секция корпуса 2 вставлена в упомянутую втулку-удлинитель 4, а в эту же втулку-удлинитель 4 снизу вставлена другая секция корпуса 3.
Сверху в корпусе генератора гидромеханических импульсов 1 смонтирована оправка 5, выполненная полой цилиндрической формой с несколькими сечениями переменными диаметрами, убывающими сверху вниз, при этом переходы между диаметрами оправки 5 выполнены ортогональными. Оправка 5 выполнена составной и состоит из последовательно соединенных между собой c помощью резьб полых внутри секций.
Оправка 5 выполнена с возможностью передачи вращающего момента от осциллятора бурильной колонне, для чего на верхней секции оправки 5 снаружи и на внутренних стенках, по крайней мере, верхней секции корпуса 2 выполнены шлицы 6 для их взаимозацепления.
Внутри корпуса генератора гидромеханических импульсов 1 смонтирован пружинный модуль 7, выполненный в виде тарельчатых пружин. Пружинный модуль 7 снизу опирается на верхний торец очередной секции корпуса 2, расположенной под верхней секцией корпуса 2. Сверху на пружинном модуле 7 размещена втулка 8, на верхний торец которой сверху опирается нижний торец верхней секции корпуса 2.
Верхняя секция оправки 5 одним из выступов, образованным переходом диаметра с большего на меньший опирается на пружинный модуль 7. Упомянутый торец оправки 5 и торец очередной секции корпуса 2, на которую опирается пружинный модуль 7 выполнены одновременно нагружающими пружинный модуль 7 при продольно-встречном сжатии корпуса генератора гидромеханических импульсов 1 и оправки 5 относительно друг друга. Кроме того, нижний торец верхней секции корпуса 2 и верхний торец нижней секции оправки 5, в который вставлена верхняя секция оправки 5 выполнены одновременно нагружающими пружинный модуль 7 через втулку 8 при растяжении корпуса генератора и оправки 5 относительно друг друга.
Генератор гидромеханических импульсов 1 содержит кольцевой поршень 9 с уплотнениями поршня 10, установленный между внутренней поверхностью, как правило, второй секции корпуса 2 и наружной поверхностью нижней секции оправки 5.
Генератор гидромеханических импульсов 1 содержит также упорное кольцо 11, установленное резьбовым соединением на конце нижней секции оправки 5.
Как было описано выше, к генератору гидромеханических импульсов 1 с нижнего торца смонтирован модуль импульсов давления 2, состоящий из клапанного блока 12, включающего подвижный клапанный элемент 13 и седло 14 с эксцентрично расположенными отверстиями проточного канала 15, при этом клапанный элемент 13 выполнен с возможностью поперечного относительно вертикальной оси симметрии клапанного блока 12 перемещения, при этом само седло 14 выполнено неподвижным. Такое смещение клапанного элемента 13 относительна седла 14 обеспечивает изменение проходного сечения проточного канала 15.
Модуль импульсов давления 2 также включает в себя турбинный блок 16, состоящий из корпуса 17 с последовательно закрепленными в нем статорами турбины 18, и вала 19, на котором смонтированы роторы турбины 20. В нижней части вала 19 установлена опора 21 и выполнены каналы 22 для выхода бурового раствора, при этом вал 19 в нижней части соединен с клапанным элементом 13.
Осциллятор для бурильной колонны в некоторых исполнениях также может иметь редуктор (на фигуре не показан), установленный между турбинным блоком 16 и клапанным блоком 12. Редуктор служит для снижения угловой скорости вращения подвижного клапанного элемента 13, что уменьшает частоту пульсаций жидкости, что в свою очередь уменьшает частоту колебаний, воздействующих на бурильную колонну.
Осциллятор для бурильной колонны работает следующим образом.
Поток бурового раствора прокачивают насосом буровой установки через колонну бурильных труб, оправку 5, турбинный блок 16, канал 22, проточный канал 15 клапанного блока 12. Поток бурового раствора попадает в статор турбины 18, воздействует на роторы турбины 20 и приводит их во вращение вместе с валом 19. Вращение вала 19 вместе с установленным на нем клапанным элементом 13 приводит к изменению сечения проточного канала 15 в клапанном блоке 12.
Пульсация давлений бурового раствора, создаваемых в клапанном блоке 12 передается через кольцевой поршень 9 на оправку 5 и создает осевые колебания оправки 5 относительно корпуса генератора гидромеханических импульсов 1, которые далее передаются колонне бурильных труб и уменьшают их трение относительно стенок скважины.
Таким образом, повышается эффективность работы осциллятора, уменьшается трение бурильной колонны о стенки скважины, нагрузка доходит до долота, увеличивается скорость бурения. За счет снижения механических нагрузок на бурильную колонну и увеличение скорости бурения с помощью осциллятора повышается удельная производительность бурения скважин с помощью осциллятора для бурильной колонны.
Поскольку турбина не является объемным гидродвигателем, в ней не возникает замкнутых объемов жидкости, и имеется постоянная прямая гидравлическая связь между выходом и входом в турбину. Чего не скажешь о винтовом забойном двигателе, применяемом в прототипе, являющемся объемной гидромашиной, в которой вращение вала осуществляется путем перемещения замкнутых объемов жидкости. Таким образом, в прототипе нет прямой гидравлической связи входа и выхода, что может создавать помехи для телесистем с гидравлическим каналом связи. Это в свою очередь в изобретении обеспечивает непрерывный и устойчивый гидравлический канал связи для телесистемы.
Изобретение повышает удельную производительность бурения скважин с помощью осциллятора для бурильной колонны за счет снижения сил трения бурильной колонны о стенки скважины, снижение вероятности прихвата бурильной колонны, повышает скорость бурения скважин, в том числе обеспечивая непрерывный и устойчивый гидравлический канал связи для телесистем.
1. Осциллятор для бурильной колонны, включающий в себя генератор гидромеханических импульсов, содержащий оправку, элементы для передачи момента вращения между корпусом упомянутого генератора и оправкой, пружинный модуль, втулку между верхним упорным торцом корпуса и пружинным модулем, кольцевой поршень между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью оправки и упорное кольцо, установленное на внутреннем трубчатом элементе, составляющем нижнюю часть оправки, проточный канал со средством регулирования сечения перепускного канала, отличающийся тем, что содержит смонтированный с торца генератора гидромеханических импульсов модуль импульсов давления, включающий в себя клапанный блок и турбинный блок, при этом средство регулирования сечения перепускного канала представляет собой подвижный клапанный элемент, опирающийся на неподвижное седло, центральные отверстия в которых, сообщающиеся между собой и с проточным каналом, расположены эксцентрично с возможностью изменения проходного сечения проточного канала при смещении упомянутых отверстий относительно друг друга и поперек вертикальной оси симметрии осциллятора путем вращения подвижного клапанного элемента относительно седла с помощью турбинного блока, в корпусе которого смонтированы статор турбины, вал с ротором турбины, в нижней части вала смонтирована опора и выполнены каналы для выхода бурового раствора, при этом вал в нижней части соединен с подвижным клапанным элементом.
2. Осциллятор по п.1, отличающийся тем, что между турбинным блоком и клапанным блоком установлен редуктор.
