RU2828968C1 - Jar accelerator - Google Patents
Jar accelerator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2828968C1 RU2828968C1 RU2024105812A RU2024105812A RU2828968C1 RU 2828968 C1 RU2828968 C1 RU 2828968C1 RU 2024105812 A RU2024105812 A RU 2024105812A RU 2024105812 A RU2024105812 A RU 2024105812A RU 2828968 C1 RU2828968 C1 RU 2828968C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- accelerator
- spindle
- jar
- housing
- guide
- Prior art date
Links
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 23
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 238000005553 drilling Methods 0.000 abstract description 30
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 6
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 6
- 206010010904 Convulsion Diseases 0.000 description 4
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 4
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 4
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 4
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000010009 beating Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 230000001012 protector Effects 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может найти применение при строительстве и ремонте скважин для освобождения прихваченного в скважине оборудования (далее «объект») посредством ударов. Другими областями изобретения является бурение горизонтальных или близких к горизонтали участков ствола скважины, когда вследствие значительной силы трения между стенкой скважины и колонной бурильных труб процесс передачи осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент затруднен.The invention relates to the oil and gas industry and can be used in the construction and repair of wells to release equipment stuck in the well (hereinafter referred to as the "object") by means of impacts. Other areas of the invention include drilling horizontal or near-horizontal sections of a wellbore, when, due to the significant friction force between the well wall and the drill pipe string, the process of transmitting axial load to the rock-cutting tool is difficult.
Известно, что при работе ясса источником энергии для нанесения ударов вверх является упругая энергия растяжения рабочей колонны, расположенной выше ясса. Вместе с тем в неглубоких скважинах и в случае жесткой колонны величина упругой деформации рабочей колонны над яссом может оказаться меньше, чем длина свободного хода ясса вверх (участок разгона ясса на удар вверх). Это означает, что величины упругой деформации рабочей колонны над яссом может не хватить для нанесения эффективного удара по прихваченному объекту. С другой стороны, при работе с яссом в горизонтальных или близких к горизонтали участках скважин ускоренное движение рабочей колонны в момент удара затруднено вследствие значительных сил трения между рабочей колонной и стенкой скважины. Для повышения эффективности работы ясса в этих условиях разработаны специальные скважинные инструменты получившие названия – акселераторы, интенсификаторы и усилители удара ясса. Данный инструмент размещается над яссом, причем, как правило, между ним и яссом устанавливается утяжеленная бурильная труба или несколько труб (далее УБТ) как дополнительная сосредоточенная масса для увеличения силы удара. Данный инструмент содержит пружинный механизм (обычно в виде тарельчатых пружин), который позволяет накапливать значительную упругую энергию непосредственно над яссом дополнительно к энергии упругого растяжения всей рабочей колонны. Это позволяет не только увеличить суммарную величину упругой деформации рабочей колонны над яссом, но и локализовать один из источников упругой энергии непосредственно над яссом, и как следствие этого организовать в большей степени местное, локальное ускоренное движение участка рабочей колонны и УБТ непосредственно над яссом, минимизируя вредное влияние сил трения на работу ясса в горизонтальных или близких к горизонтали участках скважины. Заметим, что применение подобных устройств позволяет значительно повысить эффективность работы ясса и в обычных вертикальных скважинах. It is known that when jarring, the source of energy for delivering upward blows is the elastic energy of stretching of the working string located above the jar. At the same time, in shallow wells and in the case of a rigid string, the value of elastic deformation of the working string above the jar may be less than the length of the free upward stroke of the jar (the section of jar acceleration for the upward blow). This means that the value of elastic deformation of the working string above the jar may not be sufficient to deliver an effective blow to the stuck object. On the other hand, when jarring in horizontal or near-horizontal sections of wells, accelerated movement of the working string at the moment of blow is difficult due to significant friction forces between the working string and the borehole wall. To improve the efficiency of jarring in these conditions, special downhole tools have been developed called accelerators, intensifiers and jar strike amplifiers. This tool is placed above the jar, and, as a rule, a heavy drill pipe or several pipes (hereinafter referred to as the DWP) are installed between it and the jar as an additional concentrated mass to increase the impact force. This tool contains a spring mechanism (usually in the form of disc springs), which allows for the accumulation of significant elastic energy directly above the jar in addition to the elastic tension energy of the entire working string. This allows not only to increase the total value of elastic deformation of the working string above the jar, but also to localize one of the sources of elastic energy directly above the jar, and as a consequence of this, to organize a more local, local accelerated movement of the working string section and the DWP directly above the jar, minimizing the harmful effect of friction forces on the jar operation in horizontal or close to horizontal sections of the well. Note that the use of such devices allows for a significant increase in the efficiency of the jar operation in conventional vertical wells.
Например, известен буровой акселератор для усиления удара бурильного ясса (патент RU 2571961 С1), включающий корпус с направляющей и переводником, шпиндель размещенный внутри корпуса и взаимодействующий с корпусом и направляющей посредством шлицевой пары, шток, соосно и подвижно размешенный в корпусе и жестко связанный со шпинделем и пружинный механизм в виде тарельчатых пружин, размещенных соосно в корпусе. For example, a drilling accelerator is known for increasing the impact of a drilling jar (patent RU 2571961 C1), which includes a housing with a guide and a sub, a spindle located inside the housing and interacting with the housing and the guide by means of a spline pair, a rod coaxially and movably located in the housing and rigidly connected to the spindle, and a spring mechanism in the form of disc springs located coaxially in the housing.
Недостатком данного устройства является его недостаточная эффективность при незначительных величинах упругой деформации рабочей колонны над яссом (при работе на небольших глубинах и с жесткой колонной). Например, в процессе нанесения ударов вверх, в случае приложения к рабочей колонне небольших растягивающих нагрузок может сложиться такая ситуация, при которой ход шпинделя акселератора (ход акселератора), определяемый деформацией сжатия тарельчатых пружин, может оказаться меньше свободного хода ясса при ударе вверх (участок разгона ясса при ударе вверх). Рассмотрим этот вопрос более подробно. Предположим, что в скважине на небольшой глубине произошел прихват, например, компоновки низа бурильной колонны (далее КНБК). Предположим, что выше КНБК был установлен ясс, например, гидравлического типа, выше ясса установлен акселератор, между ними размещена одна или несколько УБТ. Предположим, что в начальный момент отбивки прихваченного КНБК мы прикладываем незначительные растягивающие нагрузки на ясс (например, 10 - 15 тонн), составляющие лишь небольшую часть максимально допустимой нагрузки на пружинный механизм акселератора. Очевидно, что в этом случае шпиндель акселератора выйдет из корпуса, сжимая пружинный механизм на значительно меньшее расстояние, чем максимально конструктивно возможное при максимальной растягивающей нагрузке. Т.е. ход акселератора зависит от величины приложенной растягивающей нагрузки, и он может изменяться. Однако, в отличие от акселератора, свободный ход ясса вверх не определяется величиной нагрузки, он всегда постоянен, что обусловлено его конструкцией. Значит, при отбивке яссом прихваченного объекта на небольшой глубине на колонне значительной жесткости и при приложении незначительных растягивающих нагрузок на ясс может сложиться ситуация, при которой сумма величины упругого растяжения рабочей колонны над акселератором и длины хода расцепленного акселератора при данной нагрузке может оказаться меньше, чем свободный ход ясса вверх. Как результат, после расцепления ясса реализация энергии удара движущейся массы в большей степени будет не в самом яссе, а в упорных поверхностях акселератора, что снижает вероятность извлечения прихваченного объекта. Таким образом очевидно, что для эффективной отбивки прихваченного объекта длина хода акселератора должна несколько превышать длину свободного хода ясса вверх при различных возможных сочетаниях растягивающих нагрузок, прикладываемых к яссу в различных скважинных условиях. Именно подобный подход реализован в следующем техническом решении, выбранном нами в качестве прототипа.The disadvantage of this device is its insufficient efficiency at minor values of elastic deformation of the working string above the jar (when working at shallow depths and with a rigid string). For example, during upward strikes, in the case of applying small tensile loads to the working string, a situation may arise in which the stroke of the accelerator spindle (accelerator stroke), determined by the compression deformation of the disk springs, may be less than the free stroke of the jar during an upward strike (the section of jar acceleration during an upward strike). Let us consider this issue in more detail. Let us assume that, for example, the bottom hole assembly (hereinafter referred to as BHA) has become stuck in a well at a shallow depth. Let us assume that a jar, for example, a hydraulic type, was installed above the BHA, an accelerator was installed above the jar, and one or more drill collars were placed between them. Let us assume that at the initial moment of beating off the stuck BHA we apply minor tensile loads to the jar (for example, 10 - 15 tons), which constitute only a small part of the maximum permissible load on the spring mechanism of the accelerator. Obviously, in this case the spindle of the accelerator will come out of the housing, compressing the spring mechanism to a significantly smaller distance than the maximum structurally possible at the maximum tensile load. That is, the stroke of the accelerator depends on the magnitude of the applied tensile load, and it can change. However, unlike the accelerator, the free upward stroke of the jar is not determined by the magnitude of the load, it is always constant, which is due to its design. This means that when jarring a stuck object at a shallow depth on a string of considerable rigidity and when applying minor tensile loads to the jar, a situation may arise in which the sum of the elastic extension of the working string above the accelerator and the length of the uncoupled accelerator stroke under a given load may be less than the free upward stroke of the jar. As a result, after jarring, the energy of the impact of the moving mass will be realized to a greater extent not in the jar itself, but in the thrust surfaces of the accelerator, which reduces the probability of extracting the stuck object. Thus, it is obvious that for effective jarring of a stuck object, the length of the accelerator stroke should somewhat exceed the length of the free upward stroke of the jar under various possible combinations of tensile loads applied to the jar in various well conditions. This approach is implemented in the following technical solution, which we have chosen as a prototype.
Известен акселератор ясса (Jar accelerator, US Patent, 4,844,157), содержащий шпиндель, связанный с рабочей колонной труб, направляющую, взаимодействующую со шпинделем посредством шлицевой пары, корпус и нижний переводник, жестко связанные c направляющей и между собой, шток, соосно и подвижно размешенный в корпусе и жестко связанный со шпинделем посредством бойка, тарельчатые пружины, размещенные соосно в корпусе, упор, выполненный на штоке и герметизированную масляную камеру с поплавком, выполненную в корпусе.A jar accelerator (US Patent, 4,844,157) is known, comprising a spindle connected to a working string of pipes, a guide interacting with the spindle by means of a spline pair, a housing and a lower adapter rigidly connected to the guide and to each other, a rod coaxially and movably placed in the housing and rigidly connected to the spindle by means of a striker, disc springs placed coaxially in the housing, a stop made on the rod and a sealed oil chamber with a float made in the housing.
В данной конструкции акселератора применяются два комплекта тарельчатых пружин разной жесткости, позволяющие получить длину хода расцепленного акселератора близкой или превышающей длину свободного хода ясса вверх в широком диапазоне растягивающих нагрузок, прикладываемых к яссу. Подобное техническое решение позволяет увеличить эффективность работы акселератора, так как упругая энергия, аккумулируемая акселератором будет реализована в виде энергии удара в яссе, а не в акселераторе. Однако данная конструкция акселератора обладает следующими недостатками. Конструктивно шпиндель и шток акселератора подпружинены, т.е. имеют постоянный непрерывный контакт с тарельчатыми пружинами через соответствующие упорные поверхности, причем как в начале хода акселератора, так и в его конце. В результате после нанесения яссом удара, продольная волна возмущения, возникающая в момент удара бойка о соответствующую ударную поверхность ясса, имеет возможность перехода на рабочую колонну труб, расположенную выше акселератора, и далее на поверхностное оборудование по следующей схеме «боек ясса – шпиндель ясса – корпус акселератора – его поджатые тарельчатые пружины – упор штока акселератора – шток акселератора – переводник штока акселератора – шпиндель акселератора» и далее на рабочую колонну. Учитывая, что энергия удара при работе ясса огромная, а в процессе ликвидации прихвата зачастую приходится наносить по прихваченному объекту сотни ударов, данное обстоятельство может вызвать повреждение не только самой рабочей колонны, но и дорогостоящего верхнего привода. This accelerator design uses two sets of disk springs of different rigidity, allowing the length of the uncoupled accelerator stroke to be close to or greater than the length of the free upward stroke of the jar in a wide range of tensile loads applied to the jar. Such a technical solution allows increasing the efficiency of the accelerator, since the elastic energy accumulated by the accelerator will be realized as impact energy in the jar, and not in the accelerator. However, this accelerator design has the following disadvantages. Structurally, the spindle and the rod of the accelerator are spring-loaded, i.e. they have constant continuous contact with the disk springs through the corresponding thrust surfaces, both at the beginning of the accelerator stroke and at its end. As a result, after the jar strikes, the longitudinal disturbance wave that occurs at the moment of the striker's impact on the corresponding striking surface of the jar has the ability to move to the working pipe string located above the accelerator, and then to the surface equipment according to the following scheme: "jar striker - jar spindle - accelerator body - its compressed disc springs - accelerator rod stop - accelerator rod - accelerator rod adapter - accelerator spindle" and then to the working string. Considering that the impact energy during jar operation is enormous, and in the process of eliminating a seizure, it is often necessary to strike the seized object with hundreds of blows, this circumstance can cause damage not only to the working string itself, but also to the expensive top drive.
С другой стороны, известно, что в процессе бурения горизонтальных или близких к горизонтали участков скважин, существует проблема доведения осевой нагрузки на долото вследствие значительных сил трения между рабочей колонной труб с КНБК и стенкой скважины. Как результат, вследствие разности величин коэффициентов трения покоя и движения, заглубление КНБК и рабочей колонны в процессе бурения подобных скважин осуществляется неравномерно, рывками, что является дополнительным источником ударных нагрузок не только на дорогостоящие элементы КНБК, такие как забойный двигатель, электронные компоненты роторно-управляемых систем (РУС) и телесистем, но также и на рабочую колонну, а через нее и на дорогостоящее поверхностное оборудование, снижающим их ресурс. Конструкция прототипа не позволяет снизить вредное влияние данного явления на КНБК, рабочую колонну и поверхностное оборудование и обеспечить более равномерное нагружение долота осевой нагрузкой в процессе бурения.On the other hand, it is known that in the process of drilling horizontal or near-horizontal sections of wells, there is a problem of bringing the axial load on the bit due to significant friction forces between the working string of pipes with the BHA and the well wall. As a result, due to the difference in the values of the coefficients of friction of rest and motion, the deepening of the BHA and the working string during the drilling of such wells is carried out unevenly, jerkily, which is an additional source of shock loads not only on expensive BHA elements, such as a downhole motor, electronic components of rotary-steerable systems (RSS) and telemetry systems, but also on the working string, and through it on expensive surface equipment, reducing their service life. The design of the prototype does not allow to reduce the harmful effect of this phenomenon on the BHA, the working string and surface equipment and to ensure a more uniform loading of the bit with axial load during drilling.
Целью изобретения является расширение функциональных возможностей акселератора ясса.The aim of the invention is to expand the functional capabilities of the jar accelerator.
Поставленная цель достигается за счет того, что акселератор гидравлического ясса содержит шпиндель, связанный с рабочей колонной труб и направляющей, взаимодействующей со шпинделем посредством шлицевого соединения, корпус и нижний переводник, жестко связанные с направляющей и между собой, полый шток, жестко и соосно связанный со шпинделем посредством переводника шпинделя и размещенный коаксиально относительно корпуса, тарельчатые пружины сжатия, размещенные соосно в корпусе, упор, выполненный на полом штоке, и герметизированную масляную камеру с поплавком, выполненную в корпусе, согласно изобретению, в нижней части корпуса коаксиально размещена неподвижная цилиндрическая втулка, жестко связанная с корпусом, образуя с полым штоком внутреннюю кольцевую полость, внутри которой соосно установлена подвижная втулка с возможностью осевого перемещения, которая содержит выступ, выполненный для взаимодействия с верхним торцом неподвижной цилиндрической втулки и тарельчатыми пружинами сжатия, в сомкнутом состоянии акселератора, обеспечивающем передачу сжимающей нагрузки на гидравлический ясс через шпиндель к направляющей через шлицевое соединение, расстояние между упором полого штока и нижней поверхностью подвижной втулки представляет собой свободный неподпружиненный ход акселератора, максимальный ход акселератора соответствует выдвижению шпинделя относительно направляющей на максимально возможное расстояние, ограниченное ходом переводника шпинделя внутри направляющей, при этом длина свободного неподпружиненного хода акселератора составляет не менее половины длины свободного хода гидравлического ясса, а длина максимального хода акселератора превышает длину свободного хода гидравлического ясса при ударе вверх.The stated objective is achieved due to the fact that the hydraulic jar accelerator comprises a spindle connected to the working pipe string and a guide interacting with the spindle by means of a splined connection, a housing and a lower adapter rigidly connected to the guide and to each other, a hollow rod rigidly and coaxially connected to the spindle by means of a spindle adapter and located coaxially relative to the housing, disk compression springs located coaxially in the housing, a stop made on the hollow rod, and a sealed oil chamber with a float made in the housing, according to the invention, in the lower part of the housing a fixed cylindrical sleeve is coaxially placed, rigidly connected to the housing, forming an internal annular cavity with the hollow rod, inside which a movable sleeve is coaxially installed with the possibility of axial movement, which contains a protrusion made for interaction with the upper end of the fixed cylindrical sleeve and the disk compression springs, in the closed state accelerator, providing the transfer of the compressive load on the hydraulic jar through the spindle to the guide through a splined connection, the distance between the stop of the hollow rod and the lower surface of the movable sleeve is the free unsprung travel of the accelerator, the maximum travel of the accelerator corresponds to the extension of the spindle relative to the guide by the maximum possible distance, limited by the travel of the spindle adapter inside the guide, while the length of the free unsprung travel of the accelerator is not less than half the length of the free travel of the hydraulic jar, and the length of the maximum travel of the accelerator exceeds the length of the free travel of the hydraulic jar when striking upward.
По вопросу соответствия отличий предлагаемого технического решения критерию «изобретательский уровень» можем сообщить следующее.Regarding the compliance of the differences of the proposed technical solution with the criterion of “inventive step”, we can report the following.
Известно широкое применение тарельчатых пружин сжатия, взаимодействующих с подвижным шпинделем относительно корпуса, не только в акселераторах, но и в других устройствах для уменьшения ударной нагрузки на долото и снижения вредного влияния вибрации, возникающей в процессе бурения на внутрискважинное и поверхностное оборудование (например, патент RU 2467150). Однако, выполнение в предлагаемом техническом решении свободного неподпружиненного хода шпинделя позволяет избежать возможности передачи продольной волны возмущения, обусловленной работой ясса, при ликвидации прихвата далее на рабочую колонну и поверхностное оборудование и вызвать их повреждение при работе с акселератором в различных скважинных условиях и в широком диапазоне прилагаемых растягивающих нагрузок. Вместе с тем, выполнение свободного неподпружиненного хода шпинделя заявляемого технического решения позволит так же снизить отрицательное влияние ударных нагрузок на скважинное и поверхностное оборудование, обусловленных неравномерным скачкообразным заглублением рабочей колонны, а также обеспечить более равномерное нагружение долота осевой нагрузкой в процессе бурения горизонтальных или близких к горизонтали скважин. Учитывая вышеописанное, совокупность отличительных признаков заявляемого изобретения позволяет получить новый технический результат, выражающийся в виде расширения функциональных возможностей акселератора, следовательно, заявляемое техническое решение по нашему мнению отвечает критерию «изобретательский уровень».Widely used disk compression springs interacting with a movable spindle relative to the housing are known not only in accelerators but also in other devices to reduce the impact load on the bit and reduce the harmful effects of vibration arising during drilling on downhole and surface equipment (for example, patent RU 2467150). However, the implementation in the proposed technical solution of a free unspringed spindle stroke makes it possible to avoid the possibility of transmitting a longitudinal disturbance wave caused by the operation of the jar, when eliminating sticking, further to the working string and surface equipment and causing their damage when working with an accelerator in various downhole conditions and in a wide range of applied tensile loads. At the same time, the implementation of a free, unsprung spindle stroke of the claimed technical solution will also reduce the negative impact of shock loads on downhole and surface equipment caused by uneven, abrupt deepening of the working string, and also provide a more uniform loading of the bit with axial load during drilling of horizontal or near-horizontal wells. Taking into account the above, the set of distinctive features of the claimed invention allows obtaining a new technical result, expressed in the form of expanding the functional capabilities of the accelerator, therefore, the claimed technical solution, in our opinion, meets the criterion of "inventive step".
На фиг. 1 изображен продольный разрез акселератора гидравлического ясса, расположение элементов соответствует сомкнутому положению акселератора. Для более наглядного представления совместной работы предлагаемого технического решения и гидравлического ясса в качестве примера выбран гидравлический ясс по патенту RU 2272122, свинченный с предлагаемым техническим решением через УБТ; на фиг. 2 показана схема работы акселератора ясса (без учета упругости рабочей колонны выше ясса), в сомкнутом положении (а), в полностью расцепленном положении (б), в положении после срабатывания гидравлического ясса - выбран подпружиненный ход акселератора, но не свободный ход (в), в расцепленном положении при минимальной нагрузке (г). Fig. 1 shows a longitudinal section of the hydraulic jar accelerator, the arrangement of the elements corresponds to the closed position of the accelerator. For a more visual representation of the joint operation of the proposed technical solution and the hydraulic jar, the hydraulic jar according to patent RU 2272122, screwed to the proposed technical solution through a drill collar, is selected as an example; Fig. 2 shows a diagram of the operation of the jar accelerator (without taking into account the elasticity of the working column above the jar), in the closed position (a), in the fully disengaged position (b), in the position after the hydraulic jar is triggered - the spring-loaded stroke of the accelerator is selected, but not the free stroke (c), in the disengaged position under minimum load (d).
Устройство состоит из корпуса 1, который жестко связан с направляющей 2, внутри корпуса 1 размещен с возможностью осевого перемещения шпиндель 3, связанный с рабочей колонной труб 4. В свою очередь шпиндель 3 взаимодействует с направляющей 2 посредством шлицевого соединения 5 и жестко связан с переводником шпинделя 6, который ограничивает ход шпинделя 3 внутри направляющей 2. В верхней части внутренней цилиндрической поверхности направляющей 2 размещены уплотнительные элементы 7, обеспечивающие герметизацию между направляющей 2 и наружной цилиндрической поверхностью шпинделя 3. К нижней части шпинделя 3 посредством переводника шпинделя 6 жестко и соосно закреплен полый шток 8, размещенный коаксиально и с зазором относительно корпуса 1 и образующий с ним внутреннюю кольцевую полость корпуса 1. В нижней части кольцевой полости корпуса 1 жестко и коаксиально размещена неподвижная цилиндрическая втулка 9, образующая с полым штоком 8 внутреннюю кольцевую полость неподвижной втулки 9. В верхней части внутренней кольцевой полости неподвижной втулки 9 соосно и с возможностью осевого перемещения размещена подвижная втулка 10, причем в ее верхней части выполнен выступ 11, взаимодействующий в крайнем нижнем положении с верхним торцом неподвижной втулки 9, что ограничивает дальнейшее перемещение подвижной втулки 10 вниз. На штоке 8 выполнен упор 12, размещенный во внутренней кольцевой полости неподвижной втулки 9 под подвижной втулкой 10. В свою очередь выступ 11 подвижной втулки 10 подпружинен относительно корпуса 1 посредством набора тарельчатых пружин сжатия 13, размещенных во внутренней кольцевой полости корпуса 1. Расстояние между упором 12 и нижним торцом подвижной втулки 10 определяет свободный (неподпружиненный) ход акселератора. К нижней части корпуса 1 соосно и с кольцевым зазором относительно штока 8 жестко крепится корпус компенсатора 14 с нижним переводником 15, при этом корпус компенсатора 14 образует со штоком 8 внутреннюю кольцевую камеру корпуса компенсатора 14, изолированную от внутритрубной полости рабочей колонны посредством подвижного поплавка 16 для выравнивания давления. Таким образом, внутренняя полость устройства, ограниченная подвижным поплавком 16 и уплотнительными элементами 7 направляющей 2 является герметичной и сбалансированной по отношению к давлению внутри рабочей колонны и заполнена маловязким маслом. К нижнему переводнику 15 устройства крепится гидравлический ясс 17 посредством одной или нескольких УБТ 18.The device consists of a housing 1, which is rigidly connected to a guide 2, and a spindle 3, connected to a working pipe string 4, is placed inside the housing 1 with the possibility of axial movement. In turn, the spindle 3 interacts with the guide 2 by means of a splined connection 5 and is rigidly connected to a spindle adapter 6, which limits the stroke of the spindle 3 inside the guide 2. In the upper part of the inner cylindrical surface of the guide 2, sealing elements 7 are placed, providing a seal between the guide 2 and the outer cylindrical surface of the spindle 3. A hollow rod 8, located coaxially and with a gap relative to the housing 1 and forming with it an internal annular cavity of the housing 1, is rigidly and coaxially fixed to the lower part of the spindle 3 by means of a spindle adapter 6. In the lower part of the annular cavity of the housing 1, a fixed cylindrical sleeve 9 is rigidly and coaxially placed, forming with the hollow rod 8 an internal annular cavity of the fixed sleeve 9. In the upper A movable sleeve 10 is arranged coaxially and with the possibility of axial movement in the inner annular cavity of the fixed sleeve 9, and a projection 11 is formed in its upper part, interacting in the extreme lower position with the upper end of the fixed sleeve 9, which limits further downward movement of the movable sleeve 10. A stop 12 is formed on the rod 8, located in the inner annular cavity of the fixed sleeve 9 under the movable sleeve 10. In turn, the projection 11 of the movable sleeve 10 is spring-loaded relative to the housing 1 by means of a set of disk compression springs 13, located in the inner annular cavity of the housing 1. The distance between the stop 12 and the lower end of the movable sleeve 10 determines the free (unsprung) travel of the accelerator. The compensator body 14 with the lower adapter 15 is rigidly attached to the lower part of the body 1 coaxially and with an annular gap relative to the rod 8, wherein the compensator body 14 forms with the rod 8 an internal annular chamber of the compensator body 14, isolated from the intra-pipe cavity of the working string by means of a movable float 16 for equalizing the pressure. Thus, the internal cavity of the device, limited by the movable float 16 and the sealing elements 7 of the guide 2, is hermetically sealed and balanced with respect to the pressure inside the working string and is filled with low-viscosity oil. A hydraulic jar 17 is attached to the lower adapter 15 of the device by means of one or more UBT 18.
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Устройство устанавливают в рабочую колонну труб над гидравлическим яссом, между ними для увеличения массы, движущейся с ускорением, размещают одну или несколько УБТ. Работу устройства рассмотрим в двух режимах, первый – совместная работа с гидравлическим яссом при освобождении прихваченного в скважине объекта (например, КНБК) ударами вверх и второй, – совместная работа с КНБК в процессе бурения.The device is installed in the working column of pipes above the hydraulic jar, between them to increase the mass moving with acceleration, one or more drill collars are placed. The operation of the device will be considered in two modes, the first is joint operation with the hydraulic jar when releasing an object stuck in the well (for example, BHA) by blows upward and the second is joint operation with the BHA during drilling.
Остановимся более подробно на совместной работе акселератора ясса с гидравлическим яссом при освобождении прихваченного в скважине объекта ударами вверх. Известно, что для нанесения удара вверх на гидравлический ясс предварительно необходимо приложить сжимающую нагрузку для его зарядки. Очевидно, что при этом акселератор и гидравлический ясс будут в сомкнутом положении, т.е. сжимающая нагрузка на гидравлический ясс передастся через шпиндель 3 к направляющей 2 через шлицевое соединение 5 (фиг.1, фиг.2, а). Далее рассмотрим вариант, когда для нанесения удара вверх на акселератор прикладывается максимально допустимая растягивающая нагрузка, под действием которой шпиндель 3 выдвинется относительно направляющей 2 на максимально возможное расстояние, ограниченное ходом переводника шпинделя 6 внутри направляющей 2 (максимальный ход акселератора, фиг.2, б). При этом растягивающая нагрузка будет передаваться на гидравлический ясс по следующей схеме: «шпиндель акселератора 3 – переводник шпинделя 6 - направляющая 2 – корпус акселератора 1 – корпус компенсатора 14 – нижний переводник 15 – УБТ 18 – шпиндель ясса 19». При этом упор 12 полого штока 8 акселератора выберет свободный ход и, сжимая набор тарельчатых пружин сжатия 13, выдвинет подвижную втулку 10 относительно неподвижной цилиндрической втулки 9 на максимально возможное расстояние (подпружиненный ход, фиг.2, б). Очевидно, что в этом случае акселератор ясса накопит максимальную энергию деформации сжатия. Под действием растягивающей нагрузки, переданной гидравлическому яссу, шпиндель гидравлического ясса 19 начнет медленно выдвигаться из его корпуса наружу вследствие перетока масла в гидроцилиндре ясса 20 через поршень ясса 21 в направлении сверху – вниз. Однако заметим, что при этом растягивающая нагрузка к акселератору прикладывается через рабочую колонну труб 4 с поверхности, а значит и сам протяженный участок рабочей колонны труб 4 над акселератором ясса будет так же упруго растянут, даже несмотря на то, что прихват может произойти на небольшой глубине, и рабочая колонна труб 4 может иметь высокую жесткость (будет показано на примере ниже). Let us dwell in more detail on the joint operation of the jar accelerator with the hydraulic jar when releasing an object stuck in a well by upward blows. It is known that in order to deliver an upward blow to the hydraulic jar, it is necessary to first apply a compressive load to charge it. Obviously, in this case the accelerator and the hydraulic jar will be in a closed position, i.e. the compressive load on the hydraulic jar will be transmitted through the spindle 3 to the guide 2 via the splined connection 5 (Fig. 1, Fig. 2, a). Next, let us consider the option when, in order to deliver an upward blow, the maximum permissible tensile load is applied to the accelerator, under the action of which the spindle 3 will extend relative to the guide 2 by the maximum possible distance limited by the stroke of the spindle adapter 6 inside the guide 2 (maximum accelerator stroke, Fig. 2, b). In this case, the tensile load will be transferred to the hydraulic jar according to the following scheme: "accelerator spindle 3 - spindle adapter 6 - guide 2 - accelerator housing 1 - compensator housing 14 - lower adapter 15 - UBT 18 - jar spindle 19". In this case, the stop 12 of the hollow rod 8 of the accelerator will select a free stroke and, compressing the set of disk compression springs 13, will extend the movable sleeve 10 relative to the fixed cylindrical sleeve 9 to the maximum possible distance (spring-loaded stroke, Fig. 2, b). Obviously, in this case, the jar accelerator will accumulate the maximum energy of compression deformation. Under the action of the tensile load transmitted to the hydraulic jar, the spindle of the hydraulic jar 19 will begin to slowly move out of its housing due to the flow of oil in the hydraulic cylinder of the jar 20 through the piston of the jar 21 in the direction from top to bottom. However, note that in this case the tensile load is applied to the accelerator through the working column of pipes 4 from the surface, and therefore the extended section of the working column of pipes 4 above the jar accelerator will also be elastically stretched, even despite the fact that the seizure may occur at a shallow depth, and the working column of pipes 4 may have high rigidity (will be shown in the example below).
По мере перетока масла в гидроцилиндре ясса 20 вся сборка, расположенная выше него - УБТ 18 и акселератор - будут так же медленно перемещаться вверх под действием упругой энергии растяжения рабочей колонны и упругой энергии сжатия тарельчатых пружин 13 акселератора. Принимая во внимание, что у современных гидравлических яссов участок гидравлической задержки (фиг.1) очень небольшой, это перемещение практически не повлияет на степень сжатия тарельчатых пружин 13 акселератора, так как данное перемещение будет компенсироваться уменьшением степени натяжения рабочей колонны 4 над акселератором ясса. После достижения поршнем ясса 21 расточенного участка цилиндра, длина которого определяет величину свободного хода ясса вверх (фиг.1), перепад давления на поршне ясса 21 резко снимается, и вся сборка «шпиндель ясса 19 – УБТ 18 – нижний переводник 15 – корпус компенсатора 14 – корпус акселератора 1 – направляющая 2» начинает резкое ускоренное движение вверх относительно шпинделя 3, переводника шпинделя 6 и полого штока акселератора 8 (фиг.2, б, в). Однако заметим, что хорошо известны и другие конструкции гидравлических яссов без расточенного участка цилиндра, однако эти конструктивные отличия не повлияют на принцип совместной работы предлагаемого устройства с гидравлическим яссом, так как у любого ясса присутствует участок его свободного хода для удара вверх. При этом, источником упругой энергии для разгона относительно шпинделя 3 всей конструкции, обладающей значительной массой, будет являться энергия деформации сжатия тарельчатых пружин 13 акселератора. Вместе с тем, сам шпиндель 3 акселератора вместе с переводником шпинделя 6 и полым штоком 8 так же одновременно ускоренно переместится вверх за счет упругой деформации рабочей колонны труб 4, расположенной выше акселератора. Заметим, что величина суммарного возможного перемещения всей сборки «шпиндель ясса 19 – УБТ 18 – нижний переводник 15 – корпус компенсатора 14 – корпус акселератора 1– направляющая 2» вверх определяется только величиной свободного хода гидравлического ясса вверх (фиг.1). В процессе ускоренного перемещения корпуса акселератора 1 с направляющей 2 относительно шпинделя 3 и полого штока акселератора 8, вначале выбирается его подпружиненный ход (фиг.2, б), а затем и свободный ход акселератора, при котором дальнейшее ускоренное движение всей сборки осуществляется свободно по инерции, без влияния тарельчатых пружин сжатия акселератора 13 (фиг.2, в). Т.е. на этом участке свободного хода акселератора прерывается механический контакт упора 12 полого штока 8 с тарельчатыми пружинами сжатия 13, а значит и со всей массивной движущейся с ускорением сборкой «шпиндель ясса 19 – УБТ 18 – нижний переводник 15 – корпус компенсатора 14 – корпус акселератора 1 – направляющая 2». Учитывая, что в предлагаемом техническом решении максимальный ход акселератора больше свободного хода ясса при ударе верх, вся кинетическая энергия ускоренного движения сборки поглотится в виде энергии удара бойка ясса 22 об его наковальню 23, расположенную в корпусе ясса 24 (фиг.1), и далее на прихваченный объект, а не шпинделем 3 и направляющей 2 акселератора. С другой стороны, принимая во внимание факт, что удар в яссе реализуется на участке свободного хода акселератора, возникающая при этом продольная волна возмущения не будет иметь возможности перехода через полый шток 8 и шпиндель 3 акселератора на рабочую колонну труб 4, расположенную выше акселератора ясса и далее на поверхностное оборудование. As the oil flows in the hydraulic cylinder of jar 20, the entire assembly located above it - UBT 18 and accelerator - will also slowly move upward under the action of the elastic energy of tension of the working column and the elastic energy of compression of the disk springs 13 of the accelerator. Taking into account that modern hydraulic jars have a very small hydraulic delay section (Fig. 1), this movement will have virtually no effect on the compression ratio of the disk springs 13 of the accelerator, since this movement will be compensated by a decrease in the tension ratio of the working column 4 above the jar accelerator. After the piston of jar 21 reaches the bored section of the cylinder, the length of which determines the value of the free upward stroke of the jar (Fig. 1), the pressure drop on the piston of jar 21 is abruptly removed, and the entire assembly "jar spindle 19 - UBT 18 - lower adapter 15 - compensator housing 14 - accelerator housing 1 - guide 2" begins a sharp accelerated upward movement relative to spindle 3, spindle adapter 6 and hollow accelerator rod 8 (Fig. 2, b, c). However, we note that other designs of hydraulic jars without a bored section of the cylinder are also well known, but these design differences will not affect the principle of joint operation of the proposed device with a hydraulic jar, since any jar has a section of its free stroke for an upward strike. In this case, the source of elastic energy for acceleration relative to the spindle 3 of the entire structure, which has a significant mass, will be the energy of compression deformation of the disk springs 13 of the accelerator. At the same time, the spindle 3 of the accelerator itself together with the spindle adapter 6 and the hollow rod 8 will also simultaneously move upward with acceleration due to the elastic deformation of the working column of pipes 4 located above the accelerator. Note that the value of the total possible movement of the entire assembly "spindle jar 19 - UBT 18 - lower adapter 15 - compensator housing 14 - accelerator housing 1 - guide 2" upward is determined only by the value of the free stroke of the hydraulic jar upward (Fig. 1). In the process of accelerated movement of the accelerator body 1 with the guide 2 relative to the spindle 3 and the hollow rod of the accelerator 8, its spring-loaded stroke is first selected (Fig. 2, b), and then the free stroke of the accelerator, during which further accelerated movement of the entire assembly is carried out freely by inertia, without the influence of the disk compression springs of the accelerator 13 (Fig. 2, c). That is, in this section of the free stroke of the accelerator, the mechanical contact of the stop 12 of the hollow rod 8 with the disk compression springs 13 is interrupted, and therefore with the entire massive assembly moving with acceleration "spindle jar 19 - UBT 18 - lower adapter 15 - compensator body 14 - accelerator body 1 - guide 2". Considering that in the proposed technical solution the maximum stroke of the accelerator is greater than the free stroke of the jar when striking upwards, all the kinetic energy of the accelerated motion of the assembly will be absorbed in the form of the impact energy of the jar striker 22 on its anvil 23, located in the jar housing 24 (Fig. 1), and then on the seized object, and not by the spindle 3 and the guide 2 of the accelerator. On the other hand, taking into account the fact that the impact in the jar is realized in the section of the free stroke of the accelerator, the longitudinal disturbance wave arising in this case will not have the ability to pass through the hollow rod 8 and the spindle 3 of the accelerator to the working string of pipes 4, located above the jar accelerator and then to the surface equipment.
Учитывая, что энергия удара при работе гидравлического ясса огромная, а в процессе ликвидации прихвата зачастую приходится наносить по прихваченному объекту сотни ударов, данная конструктивная особенность существенно уменьшит возможность повреждения не только самой рабочей колонны, но и дорогостоящего верхнего привода. Considering that the impact energy during operation of a hydraulic jar is enormous, and in the process of eliminating a seizure it is often necessary to strike the seized object with hundreds of blows, this design feature will significantly reduce the possibility of damage not only to the working column itself, but also to the expensive top drive.
Рассмотрим далее работу устройства в случае, когда для нанесения удара вверх на акселератор прикладывается минимальная растягивающая нагрузка (например, 10 тонн для буровых яссов типоразмера 165-172 мм). Под действием данной минимальной нагрузки, шпиндель 3 акселератора выдвинется относительно направляющей 2 на минимальное расстояние (минимальный ход), при котором не будет выбран максимально возможный ход акселератора (фиг.2, г). Т.е. в этом случае длина хода расцепленного акселератора ясса будет значительно меньше его максимального хода и в отличие от предыдущего случая, растягивающая нагрузка на гидравлический ясс будет передаваться по другой схеме: «шпиндель акселератора 3 – полый шток 8 с упором 12 – выступ 11 подвижной втулки 10 – тарельчатые пружины сжатия 13 – корпус акселератора 1 – корпус компенсатора 14 – нижний переводник 15 – УБТ 18 – шпиндель ясса 19». При этом упор 12 полого штока акселератора 8 так же выберет свободный ход, и сжимая набор тарельчатых пружин сжатия 13, выдвинет подвижную втулку 10 на минимальное расстояние (фиг.2, б) относительно неподвижной цилиндрической втулки 9. После расцепления гидравлического ясса, аналогично предыдущему случаю, вся сборка «шпиндель ясса 19 – УБТ 18 – нижний переводник 15 – корпус компенсатора 14 – корпус акселератора 1 – направляющая 2» начнет резкое ускоренное движение вверх относительно шпинделя 3 (а так же переводника шпинделя 6 и полого штока 8) акселератора, выбирая вначале его подпружиненный ход, а затем и свободный ход. Как уже говорилось ранее, величина суммарного возможного перемещения всей сборки «шпиндель ясса 19 – УБТ 18 – нижний переводник 15 – корпус компенсатора 14 – корпус акселератора 1 – направляющая 2» вверх определяется только величиной свободного хода ясса вверх. Значит, для того что бы энергия удара движущейся массы реализовалась в яссе, а не в акселераторе, сумма длин подпружиненного и свободного хода акселератора при минимальной растягивающей нагрузке должна превышать величину свободного хода ясса вверх. Заметим, что этот вывод справедлив только в случае, когда мы пренебрегаем упругим растяжением рабочей колонны над акселератором. Однако даже в случае небольшой глубины прихвата и наличия жесткой колонны, упругое растяжение рабочей колонны над акселератором может оказаться вполне соизмеримым с величиной свободного хода ясса вверх, и мы не можем им пренебрегать. Покажем это на примере.Let us further consider the operation of the device in the case when a minimum tensile load is applied to the accelerator to strike upwards (for example, 10 tons for drilling jars of size 165-172 mm). Under the action of this minimum load, the spindle 3 of the accelerator will extend relative to the guide 2 by a minimum distance (minimum stroke), at which the maximum possible stroke of the accelerator will not be selected (Fig. 2, d). That is, in this case, the stroke length of the uncoupled jar accelerator will be significantly less than its maximum stroke and, unlike the previous case, the tensile load on the hydraulic jar will be transmitted according to a different scheme: “accelerator spindle 3 – hollow rod 8 with stop 12 – projection 11 of the movable sleeve 10 – disk compression springs 13 – accelerator body 1 – compensator body 14 – lower adapter 15 – UBT 18 – jar spindle 19”. In this case, the stop 12 of the hollow rod of the accelerator 8 will also select the free play, and by compressing the set of disk compression springs 13, will extend the movable sleeve 10 to a minimum distance (Fig. 2, b) relative to the fixed cylindrical sleeve 9. After the hydraulic jar is uncoupled, similarly to the previous case, the entire assembly "jar spindle 19 - UBT 18 - lower adapter 15 - compensator housing 14 - accelerator housing 1 - guide 2" will begin a sharp accelerated upward movement relative to the spindle 3 (as well as the spindle adapter 6 and the hollow rod 8) of the accelerator, first selecting its spring-loaded play, and then its free play. As was said earlier, the value of the total possible upward displacement of the entire assembly "jar spindle 19 - drill collar 18 - lower adapter 15 - compensator housing 14 - accelerator housing 1 - guide 2" is determined only by the value of the jar's free upward travel. This means that in order for the impact energy of the moving mass to be realized in the jar and not in the accelerator, the sum of the lengths of the spring-loaded and free travel of the accelerator at a minimum tensile load must exceed the value of the jar's free upward travel. Note that this conclusion is only valid if we neglect the elastic extension of the working string above the accelerator. However, even in the case of a small sticking depth and the presence of a rigid column, the elastic extension of the working string above the accelerator may be quite commensurate with the value of the jar's free upward travel, and we cannot neglect it. Let us demonstrate this with an example.
Пусть во время прихвата, допустим КНБК, интенсификатор оказался на небольшой глубине 250 метров, в жесткой рабочей колонне наружным диаметром 127 мм с толщиной стенки 10 мм (площадь поперечного сечения 36,74 х 10– 4 м2). Предположим, мы приложили небольшую растягивающую нагрузку на рабочую колонну – 10 тонн (100 кН). Принимая модуль упругости для стали 210 ГПа, осевая деформация растяжения рабочей колонны в этом случае будет рассчитана по формуле 1: Let's assume that during the sticking, say, of the BHA, the intensifier was at a shallow depth of 250 meters, in a rigid working column with an outside diameter of 127 mm and a wall thickness of 10 mm (cross-sectional area of 36.74 x 10 - 4 m 2 ). Let's assume that we applied a small tensile load to the working column - 10 tons (100 kN). Taking the elastic modulus for steel of 210 GPa, the axial tensile strain of the working column in this case will be calculated using formula 1:
где h - глубина расчетного участка; where h is the depth of the calculated section;
N - растягивающая нагрузка; N - tensile load;
E - модуль упругости стали; E - modulus of elasticity of steel;
A - площадь поперечного сечения колонны. A - cross-sectional area of the column.
Очевидно, что полученная величина, равная 32 мм, вполне соизмерима с величиной свободного хода верх гидравлических яссов, выпускаемых различными производителями (в среднем от 150 до 200 мм). Таким образом, вследствие упругого растяжения рабочей колонны 4 над устройством, шпиндель 3 с переводником 6 и штоком 8 после расцепления ясса так же начнет одновременно ускоренно перемещаться вверх за счет упругой деформации рабочей колонны труб 4, расположенной выше акселератора. Т.е. после расцепления ясса, вся сборка «шпиндель ясса 19 – УБТ 18 – нижний переводник 15 – корпус компенсатора 14 – корпус акселератора 1 – направляющая 2» начинает ускоренное движение вверх относительно шпинделя 3, переводника шпинделя 6 и полого штока 8 акселератора (за счет упругости тарельчатых пружин сжатия 13), и в то же время и сам шпиндель 3, переводник шпинделя 6 и полый шток 8 акселератора начнут ускоренное движение вверх относительно стенки скважины (за счет упругости рабочей колонны 4).It is obvious that the obtained value, equal to 32 mm, is quite comparable with the value of free travel of the upper hydraulic jars produced by various manufacturers (on average from 150 to 200 mm). Thus, due to the elastic stretching of the working column 4 above the device, the spindle 3 with the adapter 6 and the rod 8 after the jar is uncoupled will also begin to simultaneously move upward at an accelerated rate due to the elastic deformation of the working column of pipes 4 located above the accelerator. That is, after the jar is uncoupled, the entire assembly “jar spindle 19 – UBT 18 – lower adapter 15 – compensator housing 14 – accelerator housing 1 – guide 2” begins an accelerated upward movement relative to the spindle 3, spindle adapter 6 and hollow rod 8 of the accelerator (due to the elasticity of the disk compression springs 13), and at the same time the spindle 3 itself, spindle adapter 6 and hollow rod 8 of the accelerator will begin an accelerated upward movement relative to the well wall (due to the elasticity of the working string 4).
Заметим, что величина свободного хода гидравлического ясса вверх при этом останется неизменной, так как цилиндр и корпус ясса жестко связаны с прихваченным объектом. Следовательно, пробег всей сборки «шпиндель ясса 19 – УБТ 18 - нижний переводник 15 - корпус компенсатора 14 – корпус акселератора 1 - направляющая 2» относительно стенки скважины не может превысить величину свободного хода гидравлического ясса вверх. Как результат, часть свободного хода ясса будет выбираться за счет энергии упругости рабочей колонны (32 мм для условия примера), а остальные будут выбираться за счет энергии упругости тарельчатых пружин сжатия 13, т.е. за счет хода акселератора, который в себя включает подпружиненный и свободный ход. Следовательно, для того что бы энергия удара движущейся массы реализовалась в гидравлическом яссе, а не в акселераторе, сумма длин подпружиненного и свободного хода акселератора при минимальной растягивающей нагрузке должна превышать не величину свободного хода гидравлического ясса вверх 150…200 мм, а только величину 118…168 мм соответственно. Оценка упругих характеристик выпускаемых в настоящее время акселераторов показывает, что при минимальной растягивающей нагрузке 10 тонн, их подпружиненный ход составит около 30…40 мм. Значит, используя в предлагаемом техническом решении пружинные элементы, аналогичные известным, можно сделать вывод, что для того, чтобы сумма длин подпружиненного и свободного хода рассматриваемого акселератора при минимальной растягивающей нагрузке превысила величину 118…168 мм (для условий примера), для гидравлического ясса со свободным ходом вверх 150 мм свободный ход акселератора должен превышать разницу суммы длин подпружиненного и свободного хода и подпружиненного хода. Для условий примера эта величина составит от 78 до 88 мм. Для гидравлического ясса со свободным ходом вверх 200 мм, свободный ход акселератора должен быть более 128-138 мм. Сравнивая величины 150 мм и 88(78) мм, 200 мм и 128(138) мм, а так же принимая во внимание, что как правило отбивку прихваченного объекта начинают с нагрузок, превышающих 10 тонн, а так же тот факт, что большинство прихватов происходит на глубинах значительно превышающих условия примера (250 м), возможно сделать вывод, что для того, чтобы реализация энергии удара движущейся массы происходила в гидравлическом яссе, а не в акселераторе, для подавляющего большинства случаев применения акселератора длина его свободного хода должна быть не менее половины свободного хода гидравлического ясса, с которым он работает (не менее 75…100 мм для условий примера). Данное условие можно принять как нижнюю границу величины свободного хода акселератора. Мы считаем, что данное условие будет справедливым для подавляющего случаев применения акселераторов в скважине и большинства их типоразмеров, так как, например, уменьшение условного диаметра акселератора и применяемого с ним ясса ведет к увеличению упругости применяемой с ним рабочей колонны, а значит и к занижению величины необходимого свободного хода акселератора. Вместе с тем, по нашему мнению, свободный ход акселератора лучше выполнить несколько больше половины свободного хода ясса вверх, так как это увеличит общий ход акселератора при минимальной растягивающей нагрузке в сравнении со свободным ходом ясса вверх. Однако заметим, что значительное увеличение хода акселератора ведет к существенному увеличению его длины, что может негативно повлиять на надежность работы акселератора на искривленных участках скважины. С другой стороны, принимая во внимание факт, что при подобном исполнении акселератора удар в яссе будет реализовываться на участке свободного хода акселератора даже при минимальных растягивающих нагрузках, мы можем сделать вывод, что возникающая при этом продольная волна возмущения не будет иметь возможности перехода через полый шток 8 и шпиндель 3 акселератора на рабочую колонну труб 4, расположенную выше акселератора и далее на поверхностное оборудование. Note that the value of the free upward stroke of the hydraulic jar will remain unchanged, since the cylinder and the jar body are rigidly connected to the stuck object. Consequently, the run of the entire assembly "jar spindle 19 - drill collar 18 - lower adapter 15 - compensator body 14 - accelerator body 1 - guide 2" relative to the borehole wall cannot exceed the value of the free upward stroke of the hydraulic jar. As a result, part of the free stroke of the jar will be selected due to the elastic energy of the working string (32 mm for the example condition), and the rest will be selected due to the elastic energy of the disk compression springs 13, i.e. due to the stroke of the accelerator, which includes the spring-loaded and free stroke. Therefore, in order for the impact energy of the moving mass to be realized in the hydraulic jar and not in the accelerator, the sum of the lengths of the spring-loaded and free travel of the accelerator at a minimum tensile load should not exceed the value of the free travel of the hydraulic jar upwards of 150...200 mm, but only the value of 118...168 mm, respectively. An assessment of the elastic characteristics of accelerators currently produced shows that at a minimum tensile load of 10 tons, their spring-loaded travel will be about 30...40 mm. Therefore, using spring elements similar to the known ones in the proposed technical solution, we can conclude that in order for the sum of the lengths of the spring-loaded and free travel of the accelerator under consideration at a minimum tensile load to exceed the value of 118...168 mm (for the conditions of the example), for a hydraulic jar with a free upward travel of 150 mm, the free travel of the accelerator must exceed the difference between the sum of the lengths of the spring-loaded and free travel and the spring-loaded travel. For the conditions of the example, this value will be from 78 to 88 mm. For a hydraulic jar with a free upward travel of 200 mm, the free travel of the accelerator must be more than 128-138 mm. Comparing the values of 150 mm and 88 (78) mm, 200 mm and 128 (138) mm, and also taking into account that, as a rule, the breaking up of the seized object begins with loads exceeding 10 tons, as well as the fact that most seizures occur at depths significantly exceeding the conditions of the example (250 m), it is possible to conclude that in order for the energy of the impact of the moving mass to be realized in the hydraulic jar, and not in the accelerator, for the overwhelming majority of cases of using the accelerator, the length of its free travel should be at least half the free travel of the hydraulic jar with which it works (at least 75 ... 100 mm for the conditions of the example). This condition can be taken as the lower limit of the free travel of the accelerator. We believe that this condition will be valid for the overwhelming majority of cases of using accelerators in a well and most of their standard sizes, since, for example, a decrease in the nominal diameter of the accelerator and the jar used with it leads to an increase in the elasticity of the working string used with it, and therefore to an underestimation of the required free travel of the accelerator. At the same time, in our opinion, it is better to make the free travel of the accelerator slightly more than half the free travel of the jar upward, since this will increase the total travel of the accelerator with a minimum tensile load in comparison with the free travel of the jar upward. However, we note that a significant increase in the travel of the accelerator leads to a significant increase in its length, which can negatively affect the reliability of the accelerator in curved sections of the well. On the other hand, taking into account the fact that with such an accelerator design, the impact in the jar will be realized in the section of the free stroke of the accelerator even with minimal tensile loads, we can conclude that the resulting longitudinal disturbance wave will not have the ability to pass through the hollow rod 8 and spindle 3 of the accelerator to the working column of pipes 4, located above the accelerator and further to the surface equipment.
Предлагаемое техническое решение так же позволяет обеспечить более плавное доведение нагрузки на долото в процессе бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин. Известно, что в процессе бурения подобных скважин заглубление КНБК и рабочей колонны осуществляется неравномерно, рывками, что является дополнительным источником ударных нагрузок не только на дорогостоящие элементы КНБК, такие как забойный двигатель, электронные компоненты роторно-управляемых систем (РУС) и телесистем, но и на рабочую колонну, а через нее и на дорогостоящее поверхностное оборудование (например, верхний привод), снижая их ресурс. The proposed technical solution also allows for a smoother application of the load on the bit during drilling of inclined and horizontal wells. It is known that during drilling of such wells, the deepening of the BHA and the working string is uneven, jerky, which is an additional source of shock loads not only on expensive BHA elements, such as a downhole motor, electronic components of rotary-steerable systems (RSS) and telemetry systems, but also on the working string, and through it on expensive surface equipment (for example, a top drive), reducing their service life.
Предлагаемое техническое решение позволит снизить вредное влияние данного явления на скважинное и поверхностное оборудование и обеспечить более плавное доведение нагрузки на долото. Рассмотрим данную конструктивную особенность устройства более подробно.The proposed technical solution will reduce the harmful effect of this phenomenon on downhole and surface equipment and ensure a smoother transfer of the load to the bit. Let's consider this design feature of the device in more detail.
Проходные каналы шпинделя 3 акселератора и полого штока 8 образуют внутренний гидравлический канал устройства, сообщенный с внутренней полостью рабочей колонны труб 4, по которому прокачивается под давлением буровой раствор к КНБК. Данный внутренний гидравлический канал акселератора гидравлически изолирован от затрубного пространства посредством уплотнительных элементов 7 шпинделя 3 и подвижного поплавка 16. Значит в процессе бурения перепад давления между внутренним гидравлическим каналом устройства в сравнении с затрубным пространством (на уровне акселератора) будет определяться потерями напора бурового раствора при его движении вниз к КНБК, потерями в самом КНБК и потерями напора при движении обратно, и составит в большинстве случаев около 80…100 атм (потери напора в долоте, в забойном двигателе, телесистеме и в трубах). Как известно из теории и практики бурения, в подобной системе при этих условиях начнут проявляться гидростатические силы, под действием которых на шпиндель 3 акселератора начнет действовать выталкивающая сила (выталкивающая – только для рассматриваемого случая, иногда может быть и смыкающая сила), величина которой определяется перепадом давления между внутритрубным и затрубным пространством на уровне акселератора и поперечным сечением уплотняемого диаметра шпинделя 3 (для акселератора условным наружным диаметром 172 мм, уплотняемый диаметр шпинделя можно конструктивно выполнить около 150 мм (15 см)). Величину этой силы для наших условий возможно рассчитать по формуле 2:The passage channels of the spindle 3 of the accelerator and the hollow rod 8 form the internal hydraulic channel of the device, communicated with the internal cavity of the working string of pipes 4, through which the drilling fluid is pumped under pressure to the BHA. This internal hydraulic channel of the accelerator is hydraulically isolated from the annular space by means of the sealing elements 7 of the spindle 3 and the movable float 16. This means that during drilling the pressure difference between the internal hydraulic channel of the device in comparison with the annular space (at the accelerator level) will be determined by the pressure losses of the drilling fluid when it moves down to the BHA, the losses in the BHA itself and the pressure losses when moving back, and will be in most cases about 80...100 atm (pressure losses in the bit, in the downhole motor, telemetry system and in the pipes). As is known from the theory and practice of drilling, in such a system under these conditions hydrostatic forces will begin to manifest themselves, under the action of which a pushing force will begin to act on the spindle 3 of the accelerator (pushing - only for the case under consideration, sometimes there can also be a closing force), the value of which is determined by the pressure difference between the intra-pipe and annular space at the accelerator level and the cross-section of the sealed diameter of the spindle 3 (for an accelerator with a nominal outer diameter of 172 mm, the sealed diameter of the spindle can be structurally made about 150 mm (15 cm)). The value of this force for our conditions can be calculated using formula 2:
, (2) , (2)
атм, atm,
17 атм. 17 atm.
где d - диаметр шпинделя; where d is the spindle diameter;
∆P - потери напора бурового раствора. ∆P - pressure loss of drilling fluid.
Мы видим, что данная нагрузка вполне соизмерима с величиной оптимальной нагрузки на долото PDC (долото с поликристаллическими алмазными резцами) для условий примера. Данное явление широко известно в практике бурения и нефтедобыче, в частности в практике применения гидравлических яссов, оно получило название «насосный эффект», «открывающий эффект» (c природой проявления данных сил можно ознакомится в статьях - «Корректор подачи-демпфер и протектор забойный производства ООО НПП «Буринтех», Бурение и нефть, №12, 2019 г.; «Влияние избыточного давления в трубах на работу гидравлических яссов», Бурение и нефть, №12, 2008 г). В зарубежной практике данное явление больше рассматривается с точки зрения его влияния на устойчивость бурильных колонн и колонн насосно-компрессорных труб, оно известно, как «феномен Лубинского» (Lubinski A and Blenkarn K.A. Buckling of Tubing in Pumping Wells, Its Effect and Means for Controlling It. SPE-672-G). We see that this load is quite comparable with the value of the optimal load on the PDC bit (a bit with polycrystalline diamond cutters) for the conditions of the example. This phenomenon is widely known in the practice of drilling and oil production, in particular in the practice of using hydraulic jars, it is called the "pumping effect", "opening effect" (the nature of the manifestation of these forces can be found in the articles - "Feed corrector-damper and bottomhole protector manufactured by NPP Burintekh LLC", Drilling and Oil, No. 12, 2019; "The effect of excess pressure in pipes on the operation of hydraulic jars", Drilling and Oil, No. 12, 2008). In foreign practice, this phenomenon is considered more from the point of view of its influence on the stability of drill strings and tubing strings; it is known as the “Lubinski phenomenon” (Lubinski A and Blenkarn K.A. Buckling of Tubing in Pumping Wells, Its Effect and Means for Controlling It. SPE-672-G).
Таким образом, под действием данной силы шпиндель 3 акселератора будет постоянно выдвинут наружу в процессе бурения, выбрав полностью его свободный ход и, несколько сжав тарельчатые пружины сжатия 13. Заметим, даже в случае нахождения устройства на нейтральной линии или на сжатом участке рабочей колонны (прямо над КНБК), величина данной силы вполне соизмерима с нагрузкой на долото PDC. Очевидно, что при установке акселератора с яссом на значительном отдалении от КНБК, акселератор будет расцеплен дополнительно под действием веса рабочей колонны ниже устройства. Таким образом, осевая сжимающая нагрузка до определённого значения (в нашем примере от 14 до 17 тонн) будет передаваться через акселератор не по жесткому механическому контакту поверхностей деталей устройства, а за счет гидростатической силы, обеспечивающей подвижность шпинделя 3 в случае приложения резких динамических сжимающих нагрузок. Thus, under the action of this force, the spindle 3 of the accelerator will be constantly extended outward during the drilling process, having completely selected its free stroke and having somewhat compressed the disk compression springs 13. Note that even if the device is located on the neutral line or on the compressed section of the working column (directly above the BHA), the magnitude of this force is quite commensurate with the load on the PDC bit. Obviously, when installing the accelerator with a jar at a significant distance from the BHA, the accelerator will be additionally disengaged under the action of the weight of the working column below the device. Thus, the axial compressive load up to a certain value (in our example from 14 to 17 tons) will be transmitted through the accelerator not by rigid mechanical contact of the surfaces of the device parts, but due to the hydrostatic force providing the mobility of spindle 3 in the case of application of sharp dynamic compressive loads.
Теоретические исследования и промысловые наблюдения показали, что в процессе бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин заглубление рабочей колонны по мере разрушения горной породы происходит неравномерно, скачками. Это объясняется тем, что вследствие значительных сил трения рабочая колонна «залипает» к стенке скважины и по мере заглубления скважины она резко срывается вниз, вызывая ударное приложение долота и всей КНБК к забою скважины. Подобный характер движения рабочей колонны объясняется тем, что коэффициент трения покоя между рабочей колонной и стенкой скважины значительно превышает коэффициент трения движения, картину явления осложняет и спиралевидный или синусоидальный изгиб рабочей колонны возникающий как под действием сжимающей нагрузки, так и под действием крутящего момента, прилагаемого к рабочей колонне (включая реактивный момент при бурении забойным двигателем).Theoretical studies and field observations have shown that during the drilling of inclined and horizontal wells, the deepening of the working string as the rock is destroyed occurs unevenly, in jumps. This is explained by the fact that due to significant friction forces, the working string "sticks" to the wall of the well and as the well deepens, it abruptly breaks down, causing the impact application of the bit and the entire BHA to the bottomhole. This nature of the movement of the working string is explained by the fact that the coefficient of static friction between the working string and the wall of the well significantly exceeds the coefficient of friction of motion; the picture of the phenomenon is complicated by the spiral or sinusoidal bending of the working string arising both under the action of a compressive load and under the action of a torque applied to the working string (including a reactive torque when drilling with a downhole motor).
В случае применения предлагаемого технического решения, обусловленное данным явлением внезапное резкое перемещение рабочей колонны вниз будет компенсироваться перемещением шпинделя 3 относительно корпуса акселератора 1 в пределах его свободного хода, более того, выталкивающая гидростатическая сила, действующая на шпиндель 3 акселератора, будет противодействовать передаче динамических нагрузок на КНБК ниже устройства. Вместе с тем, в моменты времени «залипания» рабочей колонны передача осевой нагрузки, ее доведение до КНБК будет обеспечиваться выталкивающей гидростатической силой, действующей на шпиндель 3 акселератора в пределах его свободного хода, что позволит обеспечить более плавное доведение сжимающей нагрузки до долота в процессе бурения. In case of application of the proposed technical solution, the sudden sharp downward movement of the working string caused by this phenomenon will be compensated by the movement of spindle 3 relative to the accelerator body 1 within its free travel, moreover, the buoyancy hydrostatic force acting on spindle 3 of the accelerator will counteract the transfer of dynamic loads to the BHA below the device. At the same time, at the moments of the working string "sticking", the transfer of the axial load, its delivery to the BHA will be ensured by the buoyancy hydrostatic force acting on spindle 3 of the accelerator within its free travel, which will ensure a smoother delivery of the compressive load to the bit during the drilling process.
Выше уже говорилось о том, что для эффективной работы акселератора с возможностью предотвращения передачи продольной волны возмущения на рабочую колонну труб, расположенную выше акселератора, и далее на поверхностное оборудование, длина свободного хода акселератора должна быть не менее половины свободного хода ясса, с которым работает акселератор. Вместе с тем мы считаем, что для того, чтобы обеспечить более эффективную работу акселератора как устройства для гашения ударных нагрузок на КНБК и рабочую колонну, вызванных неравномерным скачкообразным заглублением рабочей колонны, а также обеспечить более равномерное нагружение долота осевой нагрузкой в процессе бурения горизонтальных или близких к горизонтали скважин, свободный ход акселератора должен несколько превышать свободный ход ясса вверх.It has already been said above that for efficient operation of the accelerator with the ability to prevent the transmission of the longitudinal disturbance wave to the working pipe string located above the accelerator and further to the surface equipment, the length of the free travel of the accelerator should be no less than half the free travel of the jar with which the accelerator operates. At the same time, we believe that in order to ensure more efficient operation of the accelerator as a device for damping shock loads on the BHA and the working string caused by uneven abrupt deepening of the working string, as well as to ensure more uniform loading of the bit with axial load during drilling of horizontal or close to horizontal wells, the free travel of the accelerator should somewhat exceed the free upward travel of the jar.
Использование предлагаемого технического решения позволит расширить функциональные возможности акселератора, снизить динамические нагрузки, действующие на рабочую колонну, КНБК и поверхностное оборудование не только в процессе работы ясса, но и в процессе бурения скважины. Мы считаем, что применение устройства не будет ограничиваться только бурением горизонтальных или близких к горизонтали участков ствола скважины, оно будет полезным и при бурении вертикальных и условно вертикально скважин, где могут наблюдаться затруднения с доведением нагрузки до долота, обусловленные проблемой потери устойчивости рабочей колонны, складывания ее в синусоидальную или спиралевидную форму.The use of the proposed technical solution will expand the functionality of the accelerator, reduce dynamic loads acting on the working string, BHA and surface equipment not only during jar operation, but also during well drilling. We believe that the use of the device will not be limited to drilling horizontal or near-horizontal sections of the wellbore, it will also be useful when drilling vertical and conditionally vertical wells, where difficulties may be observed in bringing the load to the bit, caused by the problem of loss of stability of the working string, its folding into a sinusoidal or spiral shape.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2828968C1 true RU2828968C1 (en) | 2024-10-21 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4844157A (en) * | 1988-07-11 | 1989-07-04 | Taylor William T | Jar accelerator |
| SU1744234A1 (en) * | 1989-11-20 | 1992-06-30 | Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт по креплению скважин и буровым растворам | Jar accelerator |
| RU2272122C2 (en) * | 2004-05-21 | 2006-03-20 | Юнир Гафурович Вагапов | Hydraulic jar |
| RU2571961C1 (en) * | 2014-07-16 | 2015-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Радиус-Сервис" | Drilling accelerator to strengthen impact of drilling jar |
| US10787875B2 (en) * | 2014-04-18 | 2020-09-29 | Halliburton Energy Services, Inc. | Reaction valve drilling jar system |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4844157A (en) * | 1988-07-11 | 1989-07-04 | Taylor William T | Jar accelerator |
| SU1744234A1 (en) * | 1989-11-20 | 1992-06-30 | Всесоюзный научно-исследовательский и проектный институт по креплению скважин и буровым растворам | Jar accelerator |
| RU2272122C2 (en) * | 2004-05-21 | 2006-03-20 | Юнир Гафурович Вагапов | Hydraulic jar |
| US10787875B2 (en) * | 2014-04-18 | 2020-09-29 | Halliburton Energy Services, Inc. | Reaction valve drilling jar system |
| RU2571961C1 (en) * | 2014-07-16 | 2015-12-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Фирма "Радиус-Сервис" | Drilling accelerator to strengthen impact of drilling jar |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9328567B2 (en) | Double-acting shock damper for a downhole assembly | |
| US7073610B2 (en) | Downhole tool | |
| RU2408775C1 (en) | Hydraulic jars | |
| MX2015001993A (en) | Hydraulic jar with low reset force. | |
| US8783353B2 (en) | Increased energy impact tool | |
| JP2775102B2 (en) | Accelerator for fishing jig with hydrostatic aid | |
| CN110159217B (en) | Hydraulic high-frequency impact device for drilling stuck release | |
| US3612191A (en) | Percussion drilling tool | |
| US11619095B2 (en) | Apparatus and method for modifying axial force | |
| CN104989310A (en) | Horizontal well jarring jam releasing device and construction method thereof | |
| US5584353A (en) | Well jar accelerator with expansion chamber | |
| US7347287B2 (en) | Hydraulic timing device | |
| US20110240375A1 (en) | Downhole apparatus | |
| RU2828968C1 (en) | Jar accelerator | |
| US20060207770A1 (en) | Methods and apparatus for placement of well equipment | |
| CN204782895U (en) | Horizontal well unfreezing jar accelerator | |
| RU2310061C1 (en) | Hydraulic drilling jar | |
| CN105756597B (en) | A kind of bumper jar | |
| CN109209221B (en) | Down-the-hole hammer equipment and impact guiding system thereof | |
| RU2307917C1 (en) | Hydro-mechanical catcher | |
| US3353613A (en) | Fluid spring tensile energy accumulator and shock absorbing device for well pipe strings | |
| EP4234170A1 (en) | Hydraulic impact mechanism for use in equipment for processing rock and concrete | |
| CN116427845A (en) | Valve Type Axial Impact Tool | |
| CA2634552C (en) | Double-acting compounder | |
| RU2571961C1 (en) | Drilling accelerator to strengthen impact of drilling jar |