Результат интеллектуальной деятельности: ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЯСС

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для использования при подземном (капитальном) ремонте скважин для освобождения прихваченного инструмента и оборудования ударами.

Известны гидравлические яссы, которые содержат цилиндр, связанный с освобождаемым объектом и заполненный рабочей жидкостью. В цилиндре размещен поршень, который через шток соединен с рабочей колонной труб, причем вход штока в цилиндр герметизирован сальником. Для создания удара с таким яссом натяжением колонны труб нагружают поршень, который сжимает рабочую жидкость в цилиндре, находящуюся выше него. При этом в результате утечек рабочей жидкости через пару "цилиндр-поршень" последний перемещается вверх и достигает в цилиндре расточенного на больший диаметр участка. В результате на указанном участке движение поршня происходит без перепада давления, из-за чего растянутая (деформированная) рабочая колонна резко сокращается под действием упругих сил и поршень наносит удар по верхней части цилиндра [1].

Недостатком этой конструкции является низкая эффективность, что обусловлено тем, что в паре поршень-цилиндр приходится выполнять значительный зазор, в противном случае возврат поршня в исходное положение становится трудновыполнимой задачей, в результате чего такой ясс может работать только при сравнительно низких перепадах давления на поршень при ходе вверх, что ограничивает деформацию рабочей колонны, а следовательно, и силу удара.

В более современных конструкциях ясов указанный недостаток преодолен тем, что пара "поршень-цилиндр" на участке нагружения перепадом давления хорошо герметизирована, а возврат поршня в исходное (низшее) положение обеспечивается путем пропуска рабочей жидкости вверх через клапан, каналы и дросселирующие зазоры [2].

Указанный гидравлический ясс содержит цилиндр, выполненный с расточенным участком, в котором подвижно установлен поршень, соединенный с тяговым и компенсационными штоками, которые герметизированы сальниками. К поршню сверху через тяговый шток присоединена рабочая колонна, внизу поршня расположен вспомогательный компенсационный шток для обеспечения постоянства рабочего объема полости цилиндра при всех перемещениях тягового штока. Цилиндр присоединяется к освобождаемому объекту.

Конструктивными особенностями указанного ясса являются те, что наружная поверхность поршня образует герметичную подвижную пару относительно цилиндра, сам поршень выполнен составным и включает в себя кольцевой кожух с перфорированными отверстиями и фильтрами, диски с расположенными между ними втулками с продольными каналами и со спиралеобразными канавками на торцевых поверхностях. Между фильтрами и дисками расположены вкладыши, на внутренних поверхностях которых выполнены спиралеобразные канавки, образующие совместно со спиралеобразными канавками втулок, продольными каналами втулок и кольцевыми дросселирующими зазорами дисков и кожуха единую систему дросселирования рабочей жидкости.

Эта конструкция разрешает указанный выше принципиальный недостаток аналога, но также имеет некоторые недостатки, главные из которых следующие:

- сложность конструкции поршня;

- единая система дросселирования рабочей жидкости чувствительна к ее загрязнению, т.к. даже небольшая посторонняя частица способна нарушить работу ясса. Этот недостаток частично преодолевается путем применения высокоочищенной рабочей жидкости и применением фильтра, что усложняет конструкцию ясса, в то же время неизбежное загрязнение рабочей жидкости в процессе эксплуатации продуктами износа трущихся пар все равно снижает срок безотказной работы ясса.

Целью изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности гидравлического ясса.

Поставленная цель достигается тем, что канал, сообщающий полости цилиндра, разделенные поршнем и заполненные рабочей жидкостью, снабжен установленной над поршнем на компенсационном штоке втулкой с наружной фаской, образующей совместно с торцом поршня кольцевую канавку, на дне которой выполнен щелевой канал, клапанным узлом с запорным элементом в виде расположенного в кольцевой канавке уплотнительного О-образного кольца из эластомера для перекрытия потока жидкости из полости над поршнем в полость под поршнем, при этом поршень установлен с зазором относительно цилиндра, канал, сообщающий полости цилиндра, разделенные поршнем, выполнен в виде кольцевого зазора между компенсационным штоком и поршнем с возможностью сообщения с щелевым каналом.

По вопросу соответствия отличий описанной разработки критерию "изобретательского уровня" сообщаем следующее.

Выполнение клапанного узла с запорным элементом в виде расположенного в кольцевой канавке уплотнительного О-образного кольца из эластомера делает конструкцию ясса гораздо менее чувствительной к содержанию механических включений в рабочей жидкости, т.к. последние в случае попадания под кольцо в большинстве случаев просто утапливаются в тело кольца, не нарушая герметичности пары. Как было сказано выше, таким свойством не обладает поршень и единая система дросселирования рабочей жидкости прототипа - в ней механические включения могут привести к отказу работы ясса.

Изложенное, на наш взгляд, показывает, что предложенный ясс объединяет преимущества аналога и прототипа, будучи свободным от их основных недостатков. Кроме того, из доступных источников нам неизвестна конструкция ясса, эквивалентная предложенной конструкции. По этим причинам, на наш взгляд, предложение может считаться соответствующим критерию "изобретательский уровень".

На чертеже изображен предложенный ясс. На фиг.1 изображен продольный разрез устройства; на фиг.2 изображен узел отсечения потока - обратный клапан - в увеличенном виде.

Ясс состоит из цилиндра 1 с расточенным участком, в котором с малым зазором относительно цилиндра 1 подвижно установлен поршень 2. Тяговый шток 3 уплотнен верхним сальником 4 и соединен со шпинделем 5, который с корпусом 6 ясса сопрягается шлицевой парой 7. Шпиндель 5 соединен с рабочей колонной труб 8, причем на шпинделе выполнена голова 5г для нанесения ударов по корпусу 6 ясса. Компенсационный шток 9, расположенный ниже поршня 2, уплотнен нижним сальником 10, установленном в нижнем переводнике 11. Между компенсационным штоком 9 и поршнем 2 имеется кольцевой зазор 12. Над поршнем 2 расположена с возможностью осевого перемещения относительно компенсационного штока 9 втулка 13, на которой выполнена наружная фаска 14. В кольцевой канавке, образованной фаской 14 втулки 13 и торцом поршня 2, расположено уплотнительное O-образное кольцо 15 из эластомера. Указанная кольцевая канавка через щелевой канал 16 сообщена с кольцевым зазором 12, который в свою очередь гидравлически связан с подпоршневым пространством посредством пазов 17 выполненных в штоке 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При натяжении рабочей колонны труб 8 шпиндель 5, штоки 3 и 9 вместе с поршнем 2 перемещаются вверх. При этом в полости "В" цилиндра 1 над поршнем 2 повышается давление, под действием которого уплотнительное O-образное кольцо 15 из эластомера прилегает к щелевому каналу 16 и перекрывает его, предотвращая переток рабочей жидкости из полости В в полость Н под поршнем 2 цилиндра 1. Этот перепад, действуя на кольцевую площадь поршня 2, создает нагрузку на рабочую колонну 8. Далее в результате утечки через зазор в паре поршень 2 - цилиндр 1 поршень перемещается вверх до расточенного участка цилиндра, где перепад давления снимается. После этого растянутая рабочая колонна резко сокращается, в результате чего происходит удар головы 5г шпинделя 5 по внутреннему торцу корпуса 6. Шлицевая пара 7 позволяет передавать через ясс крутящий момент.

Во время возврата подвижных частей ясса в исходное (низшее) положение, которому соответствует фиг.1, после входа поршня в нижнюю не расточенную часть цилиндра 1 поршень 2 перекрывает сечение цилиндра 1. Поэтому под поршнем 2 повышается давление, которое, действуя через пазы 17, кольцевой зазор 12 и щелевой канал 16, приводит к повышению давления под уплотнительным O-образным кольцом 15 из эластомера. Под действием этого давления уплотнительное O-образное кольцо 15 несколько растягивается и приподнимается в своей канавке. При этом благодаря фаске 14 между уплотнительным O-образным кольцом 15 и втулкой 13 образуется кольцевой зазор, через который рабочая жидкость из полости Н перетекает в полость В цилиндра 1, давая возможность поршню 2 перемещаться вниз по цилиндру 1.

Представляет практический интерес вопрос о необходимой ширине щелевого канала 16, т.к. при большой ширине уплотнительное О-образное кольцо 15 может быть запрессовано в щелевой канал 16 перепадом давления, а при малой ширине неприемлемо возрастет перепад давления во время движения поршня 2 вниз. Оценим эти величины для ясса с наружным диаметром 095 мм, т.е. для одного из наиболее типичных представителей ремонтных яссов.

Зададимся шириной щели 0,2 мм, что вполне допустимо для целостности резинового уплотнительного кольца с диаметром тела 5,8 мм (стандартное сечение по ГОСТ 9833-76) из твердой резины при любых практически встречающихся нагрузках (следовательно, и перепадах давления) на поршень ясса [3].

Для рассматриваемого ясса наружного диаметра 95 мм длина канавки под уплотнительное кольцо 15 из конструктивных соображений составит по дну около 52 мм × π=163 мм. Пусть 1/4 часть этой величины оставляется на выступы на торце втулки 13, которые определяют (поддерживают) ширину щелевого канала 16. Тогда чистая длина щели составит 163 мм × (1-0,25)=123 мм. Площадь просвета щели составит 123 мм × 0,2 мм = 24,6 мм² ≈ 0,25 см².

С другой стороны, площадь поршня 2 рассматриваемого ясса составляет из конструктивных соображений около 26 см². Принимая скорость посадки поршня около 10 см/сек, расход жидкости через щель составит 10 см/сек × 26 см²=260 см³/сек.

При таком расходе скорость истечения через щель составит

где 0,8 - коэффициент скорости.

Перепад давления при этом составит в метрах:

Пусть в качестве рабочей жидкости ясса используется минеральное масло плотностью 900 кг/м³, тогда при его перетоке через щель перепад составит менее 1 атмосферы. Предварительные расчеты на вязкостные потери дают цифру такого же порядка. Итак, предлагаемая запорная пара для поршня 2 ясса имеет практические потери давления не более (2÷5) атм. На площади поршня 26 см² такой перепад создает силу не более 26×5=130 кг, что примерно равно весу одной бурильной трубы диаметром 73 мм.

В заключении сообщаем о перспективах использования изобретения.

Как известно, в последнее время наблюдается рост добычи нефти по стране. Это достигается в числе других мер и интенсивными ремонтными работами в скважинах с целью ввода их в работу из бездействия. Такие восстановительные ремонтные работы в подавляющем большинстве случаев требуют извлечения из забоев оставленных ранее в скважинах различных видов неисправного оборудования - пакеров, насосов и т.п. В связи с этим гидравлические яссы, являющиеся эффективным средством освобождения прихваченных из скважины оборудования, будут пользоваться все больше широким применением в практике ремонтных работ.

Литература

1. Г.Кемп. Ловильные работы в нефтяных скважинах. М.: Недра, 1990 г. стр.34.

2. Патент SU 1700196, 1991, 4 с.

3. Т.М.Башта. Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие. Москва: Машиностроение, 1971 г.