RU2026485C1

RU2026485C1 - Device for flushing of bottom hole

Info

Publication number: RU2026485C1
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Зверев; Вадим Юрьевич Артамонов; Владимир Васильевич Крупин
Original assignee: Александр Сергеевич Зверев; Вадим Юрьевич Артамонов; Владимир Васильевич Крупин
Priority date: 1990-12-20
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 1995-01-09

Abstract

FIELD: drilling equipment. SUBSTANCE: device for flushing of bottom hole has body 1 with piston 2 and plunger 3 installed in it to form above-piston and under-piston spaces 5 and 6. Piston 2 with small diameter (plunger 3) is disposed in high-pressure chamber 4 hydraulically communicated with under-piston space 6 through channel 12 with check valve 13. Shut-off member 14 loaded with spring 15 is located in above-piston space 5. Seat 16 of shut-off member 14 is made in partition 17 separating above-piston space 5 into upper and lower spaces, hydraulically communicated with drill string-borehole space. Piston 2 is spring-loaded relative to partition 17. Body additionally has braking chamber 23 and accumulating chamber 11 hydraulically communicated with high-pressure chamber 4 through check valve. Installed in partition 17 is force hydraulic member 22 for interaction with piston 2 and shut-off member 14. The latter has spring-loaded rings from inner and outer sides. Slots are made on shut-off member 14 from its end to seating surface. Low-pressure fluid stream constantly acts on bottom hole flowing over channel 7 from under-piston space 6 and acts on bottom hole through low-pressure nozzle. High-pressure and low-pressure nozzles are directed in parallel to bottom hole to increase efficiency of action. EFFECT: higher efficiency of flushing due to increased time of action of high-pressure jet onto bottom hole. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, в частности к устройствам для промывки забоя скважины во время бурения. The invention relates to drilling equipment, in particular to devices for washing the bottom of the well during drilling.

Известен гидроударник обратного действия, включающий корпус с подпружиненным ударником, в канале которого размещен полый клапан, наковальню из двух половин, в верхней из них расположен обратный клапан, а в нижней сделаны промывочные каналы, при этом седло полого клапана расположено на верхней половине наковальни, которая подпружинена относительно нижней ее половины. Недостатки устройства следующие. Гидроударник обратного действия является малоходовым и высокоцикличным, поэтому он создает малым количеством жидкости кратковременные гидравлические импульсы, которыми невозможно обеспечить эффективную промывку забоя. Импульсная депрессия на забой также снижает эффективность воздействия. A reverse impact hammer is known, including a housing with a spring-loaded hammer, in the channel of which a hollow valve is placed, an anvil of two halves, a check valve is located in the upper one and flushing channels are made in the lower one, while the hollow valve seat is located on the upper half of the anvil, which spring-loaded relative to its lower half. The disadvantages of the device are as follows. The reverse impact hammer is low-pass and highly cyclic, therefore, it creates short-term hydraulic impulses with a small amount of liquid, which cannot ensure effective washing of the face. Impulse depression on the face also reduces the impact.

Известно устройство для промывки скважин, содержащее расположенные в полости корпуса нагруженный поршень, надпоршневую полость с дроссельным клапаном, нагруженный встречными пружинами запорный орган (клапан), установленный с возможностью взаимодействия с поршнем, камеру высокого давления, накопительную камеру переменного объема, связанную с камерой высокого давления и сопловыми выходами, камера высокого давления сообщается с надпоршневой полостью, при этом устройство снабжено нагруженным плунжеpом, расположенным в камере высокого давления, а запорный орган размещен в верхней ступени осевого канала плунжера и нагружен относительно него [1]. Недостатки устройства следующие:
высокая точность изготовления элементов, обусловленная длинным ходом поршня и запорного органа, взаимодействующего с плунжером и поршнем;
ограничение по количеству циклов в единицу времени из-за того, что скорость взаимодействия поршня и плунжера ограничена конструктивной прочностью материалов;
большие размеры устройства, обусловленные длинными ходами поршня, плунжера и запорного органа между ними, а также принципом взаимодействия (посредством запорного органа в виде клапана) поршня и плунжера;
ограничение по количеству циклов в единицу времени снижает суммарное время воздействия струи высокого давления, что уменьшает эффективность воздействия жидкости на забой .A device for flushing wells is known, comprising a loaded piston located in a body cavity, a piston cavity with a throttle valve, a locking body (valve) loaded with counter springs, mounted to interact with the piston, a high pressure chamber, a variable volume storage chamber associated with a high pressure chamber and nozzle exits, the high-pressure chamber communicates with the supra-piston cavity, while the device is equipped with a loaded plunger located in the high-pressure chamber pressure, and the locking element is located in the upper stage of the axial channel of the plunger and loaded relative to it [1]. The disadvantages of the device are as follows:
high accuracy of manufacturing elements due to the long stroke of the piston and the locking element interacting with the plunger and piston;
restriction on the number of cycles per unit time due to the fact that the speed of interaction of the piston and plunger is limited by the structural strength of the materials;
the large dimensions of the device, due to the long strokes of the piston, plunger and locking member between them, as well as the principle of interaction (through the locking member in the form of a valve) of the piston and plunger;
the limitation on the number of cycles per unit time reduces the total exposure time of the high-pressure jet, which reduces the effectiveness of the impact of the liquid on the face.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для промывки забоя скважины, содержащее корпус, установленные в нем с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей поршень с плунжером, выполненным с осевым и радиальными каналами и входящим в камеру высокого давления, гидравлически связанную каналом, с установленным в нем обратным клапаном, с подпоршневой полостью, подпружиненный запорный орган с седлом, размещенный в надпоршневой полости с возможностью взаимодействия с поршнем, промывочные каналы низкого и высокого давления, сообщающие подпоршневую полость и камеру высокого давления с затрубным пространством [2]. Недостатки устройства следующие:
устройство является гидропоршневым и рабочий ход поршня осуществляется под действием нагнетаемой рабочей среды. Возможность повышения давления (т. е. получение высокой скорости струи) определяется коэффициентом мультипликации, а также скоростью перемещения поршня. Все это приводит к тому, что диаметр плунжера меньшей ступени поршня должен быть значительно меньше диаметра большей ступени поршня, а расход рабочей жидкости весьма большим;
эффективность промыва через каналы очень низка (осуществляется при рабочем ходе), так как идет за счет вытеснения жидкости из подпоршневого пространства и в случае создания в нем повышенного давления понижается давление в камере, что снижает скорость истечения жидкости из сопла. Кроме того, стабильная работа клапана обеспечивается в области относительно высоких скоростей поршня, что трудно обеспечить при высоком давлении в камере;
взаимно противоречивые требования к взаимодействию отдельных элементов конструкции не позволяют выйти на высокоскоростной режим работы.The closest in technical essence to the proposed is a device for washing the bottom of the well, comprising a housing, a piston with a piston with a piston made with axial and radial channels and included in the high-pressure chamber, hydraulically connected with a channel installed in non-return valve, with a piston cavity, a spring-loaded locking body with a seat, located in the supra-piston cavity with the possibility of interaction with the piston, flushing channels bottom coma and high pressure, communicating the piston cavity and the high pressure chamber with the annulus [2]. The disadvantages of the device are as follows:
the device is hydro-piston and the piston stroke is carried out under the action of a pumped working medium. The possibility of increasing the pressure (i.e., obtaining a high jet velocity) is determined by the multiplication coefficient, as well as the speed of the piston. All this leads to the fact that the diameter of the plunger of the lower piston stage should be much smaller than the diameter of the larger piston stage, and the flow rate of the working fluid is very large;
the efficiency of flushing through the channels is very low (it is carried out during the working stroke), since it is due to the displacement of fluid from the sub-piston space and, in case of creating increased pressure in it, the pressure in the chamber decreases, which reduces the rate of fluid outflow from the nozzle. In addition, stable operation of the valve is ensured in the region of relatively high piston speeds, which is difficult to achieve at high pressure in the chamber;
mutually conflicting requirements for the interaction of individual structural elements do not allow to enter the high-speed mode of operation.

Цель изобретения - повышение эффективности промывки за счет увеличения времени воздействия струи высокого давления на забой. The purpose of the invention is to increase the washing efficiency by increasing the exposure time of the high pressure jet to the bottom.

Достигается это устройством для промывки забоя скважины, содержащим корпус с установленным в нем с образованием надпоршневой и подпоршневой полостей поршнем с плунжером, выполненным с осевым и радиальными каналами и входящим в камеру высокого давления, гидравлически связанную каналом, с установленным в нем обратным клапаном, с подпоршневой полостью, подпружиненный запорный орган с седлом, размещенный в надпоршневой полости с возможностью взаимодействия с поршнем, промывочные каналы низкого и высокого давления, сообщающие подпоршневую полость и камеру высокого давления с затрубным пространством, причем надпоршневая полость разделена перегородкой на верхнюю и нижнюю, гидравлически связанную с затрубным пространством, поршень подпружинен относительно перегородки, запорный орган нагружен относительно корпуса и поршня встречными пружинами, а его седло выполнено в перегородке, в корпусе дополнительно выполнены камера торможения запорного органа и накопительная камера, гидравлически связанная обратным клапаном с камерой высокого давления. This is achieved by a device for flushing the bottom of the well, comprising a body with a piston and a piston with a piston, made with axial and radial channels and included in the high-pressure chamber, hydraulically connected by a channel with a check valve installed in it, with a piston cavity, a spring-loaded locking body with a saddle, located in the supra-piston cavity with the possibility of interaction with the piston, flushing channels of low and high pressure, informing the sub-piston a cavity and a high-pressure chamber with an annulus, and the supra-piston cavity is divided by a partition into an upper and lower hydraulically connected with the annulus, the piston is spring-loaded relative to the partition, the locking member is loaded with counter springs relative to the housing and piston, and its seat is made in the partition in the housing in addition, a locking chamber braking chamber and a storage chamber are made hydraulically connected by a check valve to the high-pressure chamber.

Причем запорный орган можно выполнить с кольцевой проточкой в верхней части с образованием посадочной поверхности, при этом запорный орган имеет внутреннее и наружное манжетные кольца, размещенные в кольцевой проточке и подпружиненные относительно посадочной поверхности, кроме того, на запорном органе от его торца до посадочной поверхности выполнены прорези. Moreover, the locking body can be performed with an annular groove in the upper part with the formation of a seating surface, while the locking body has an inner and outer cuff rings located in the annular groove and spring-loaded relative to the seating surface, in addition, on the locking organ from its end to the seating surface cut through.

Кроме того, целесообразно устройство снабдить силовым гидравлическим элементом, установленным в перегородке с возможностью взаимодействия с поршнем и запорным органом. In addition, it is advisable to equip the device with a power hydraulic element installed in the partition with the possibility of interaction with the piston and the locking element.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2 - вариант выполнения запорного узла клапана; на фиг.3 - вариант выполнения тормозного узла клапана; на фиг.4 - вид по стрелке А на торец клапана на фиг.3. Figure 1 shows the proposed device; figure 2 is an embodiment of a locking valve assembly; figure 3 is an embodiment of a brake valve assembly; figure 4 is a view along arrow A on the end face of the valve in figure 3.

Устройство для промывки забоя скважины состоит из корпуса 1, в полости которого расположен поршень 2 с плунжером 3. Поршень ступенью 3 (плунжер) малого диаметра расположен в камере 4 высокого давления. Полость корпуса 1 имеет надпоршневую полость 5 и подпоршневую полость 6, сообщенную промывочным каналом 7 с пространством забоя скважины. Промывочный канал 8 высокого давления сообщен с камерой 4 высокого давления через канал 9 с обратным клапаном 10, полость которого сообщена с накопительной камерой 11 переменного объема. Камера 4 в свою очередь сообщается через канал 12 с клапаном 13, выполненными в плунжере 3, с подпоршневой полостью 6. В надпоршневой полости 5 расположен клапан 14, нагруженный пружиной 15. Седло 16 клапана 14 выполнено в перегородке 17, разделяющей надпоршневую полость 5. В нижней половине надпоршневой полости 5, выполненной в виде направляющего стакана для поршня 2, установлена в нагруженном состоянии пружина 18, нагружающая его относительно перегородки 17. Через седло 16 поршень 2 взаимодействует (открывает) с клапаном 14 посредством пружины 19. Полость под седлом 16 содержит канал 20 слива. В случае большого развития площади запорной тарели 21 клапана 14 целесообразно в перегородке 17 смонтировать силовой гидравлический элемент 22: поршневой или мембранный. Быстродействие устройства будет увеличено, если полый клапан 14 снабдить со стороны камеры торможения 23 подпружиненными манжетными кольцами с внутренней стороны 24 и с наружной стороны 25, при этом от торца ступени 26 до посадочной поверхности 27 колец необходимо выполнить прорези 28. The device for washing the bottom of the well consists of a housing 1, in the cavity of which a piston 2 with a plunger 3 is located. A piston with a stage 3 (plunger) of small diameter is located in the high-pressure chamber 4. The cavity of the housing 1 has an over-piston cavity 5 and a under-piston cavity 6 communicated by the flushing channel 7 with the bottomhole space. The high-pressure flushing channel 8 is in communication with the high-pressure chamber 4 through a channel 9 with a check valve 10, the cavity of which is in communication with a storage chamber 11 of variable volume. The chamber 4, in turn, communicates through a channel 12 with a valve 13, made in the plunger 3, with a sub-piston cavity 6. In the supra-piston cavity 5 there is a valve 14 loaded with a spring 15. The seat 16 of the valve 14 is made in the partition 17 separating the sup-piston cavity 5. B the lower half of the over-piston cavity 5, made in the form of a guide cup for the piston 2, is equipped with a spring 18 loaded, loading it relative to the partition 17. Through the seat 16, the piston 2 interacts (opens) with the valve 14 by means of the spring 19. The cavity under the saddle 16 contains a drain channel 20. In the case of a large development of the area of the locking plate 21 of the valve 14, it is advisable to install a hydraulic power element 22 in the partition 17: piston or membrane. The speed of the device will be increased if the hollow valve 14 is provided from the side of the braking chamber 23 with spring-loaded cuff rings from the inner side 24 and from the outer side 25, while from the end of the stage 26 to the seating surface 27 of the rings, slots 28 must be made.

Устройство работает следующим образом. Оно монтируется на бурильной колонне. Промывочная жидкость заполняет надпоршневую полость 5 и подпоршневую полость 6, что может осуществляться по каналу в стенке корпуса или, как показано на фиг.1, через отверстия А и Б в перегородках корпуса 1. Растущее давление в полости 6 корпуса воздействует на нижний торец поршня 2. Верхний торец поршня изолирован от действия давления жидкости клапаном 14. Поршень от воздействия жидкости в подпоршневой полости 6 перемещается, сжимая силовую пружину 18 и пружину 19 взаимодействия поршня с клапаном 14. Когда нагрузка от пружины 19 на клапан превзойдет нагрузку от пружины 15 и давления жидкости, он выйдет из седла и его резко выбросит пружиной 19. Клапан 14 в конце хода попадает в камеру торможения 23 и удерживается в ней взведенной пружиной 19. The device operates as follows. It is mounted on a drill string. The flushing fluid fills the over-piston cavity 5 and the under-piston cavity 6, which can be carried out through a channel in the housing wall or, as shown in Fig. 1, through the holes A and B in the baffles of the housing 1. The growing pressure in the cavity 6 of the housing acts on the lower end of the piston 2 The upper end face of the piston is isolated from the action of fluid pressure by the valve 14. The piston moves from the action of fluid in the sub-piston cavity 6, compressing the power spring 18 and the piston-valve interaction spring 19. When the load from the spring 19 on the valve is surpassed If the load is exerted by the spring 15 and the fluid pressure, it will leave the saddle and be abruptly ejected by the spring 19. The valve 14 at the end of the stroke enters the braking chamber 23 and is held in it by the cocked spring 19.

Камера торможения 23 создает гидравлическое сопротивление при возвратном движении клапана на седло 16. Сопротивление уменьшится, если клапан снабдить манжетными кольцами 24, 25. При движении клапана в сторону седла манжетные кольца сдвинутся и откроют прорези 28, через которые жидкость будет проходить на другую сторону колец, таким образом увеличивается быстродействие клапана. The braking chamber 23 creates hydraulic resistance when the valve moves back to the seat 16. The resistance will decrease if the valve is provided with cuff rings 24, 25. When the valve moves towards the seat, the cuff rings will move and open the slots 28 through which the fluid will pass to the other side of the rings, thus increases the speed of the valve.

В среде бурового раствора клапан 14 тем надежнее перекрывает седло, чем больше его тарель 21. Но с увеличением площади тарели требуется и большая сила пружины 19. Чтобы уменьшить ее силу, а следовательно, и снизить сопротивление взводу поршня 2, целесообразно в перегородке смонтировать гидравлический элемент 22 (фиг.2), срабатывающий при взаимодействии с поршнем 2. При взводе поршень воздействует на гидравлический элемент 22 и последний отрывает (подъемом давления в полости под запорной тарелью) клапан от седла, после чего пружиной 19 его резко выбрасывает в камеру торможения 23. Седло 16 открывается и давление жидкости на поршень 2 растет, после чего под действием силовой пружины 18 и жидкости поршень совершает рабочий ход, вытесняя жидкость из камеры 4 под высоким давлением. Клапан 13 при этом закрывается, а клапан 10 открывается и жидкость по каналу 8 идет в сопло, направленное на забой скважины. При этом часть жидкости заполняет демпферную полость 11, которая несколько удлиняет время воздействия струи высокого давления на забой. Пружина 18 из-за короткого рабочего хода поршня предварительно нагружена с большей силой. In the medium of the drilling fluid, the valve 14 more reliably closes the seat, the larger its plate 21. But with an increase in the area of the plate, a greater force of the spring 19 is required. To reduce its strength, and therefore reduce the resistance to cocking of the piston 2, it is advisable to install a hydraulic element in the partition 22 (figure 2), triggered by interaction with the piston 2. When cocking, the piston acts on the hydraulic element 22 and the latter tears off the valve (by raising the pressure in the cavity under the locking plate) from the seat, after which the spring 19 abruptly selects it splits into the braking chamber 23. The seat 16 opens and the fluid pressure on the piston 2 rises, after which, under the action of the power spring 18 and the fluid, the piston makes a stroke, displacing the fluid from the chamber 4 under high pressure. Valve 13 closes, and valve 10 opens and fluid flows through channel 8 into a nozzle directed to the bottom of the well. At the same time, part of the liquid fills the damper cavity 11, which somewhat lengthens the time the high-pressure jet acts on the bottom. Spring 18 due to the short stroke of the piston is preloaded with greater force.

По окончании вытеснения жидкости из камеры 4 поршень 2 займет нижнее положение в полости 5. Нагрузка на клапан 14 от пружины 19 будет меньше нагрузки от пружины 15 и тогда клапан 14 перекроет отверстие 16. При этом, когда цилиндрическая часть затвора начнет входить в седло, давление жидкости на некомпенсированную площадь клапана обеспечит его быстрое закрытие. Наличие гидравлического элемента 22 позволяет за счет его подвижки при посадке запорной тарели на седло устранить гидравлическую подушку. Это обеспечивает ускоренный герметичный контакт тарели с седлом. Давление жидкости на поршень 2 снижается до сбросового (канал слива 20 постоянно открыт) и давление в подпоршневой полости взводит поршень. Цикл работы устройства повторяется. Струя жидкости низкого давления постоянно воздействует на забой, истекая по каналу 7 из подпоршневой полости 6 и через сопло низкого давления воздействует на забой. Сопла высокого 29 и низкого 30 давления направлены на забой параллельно, что повышает эффективность воздействия за счет того, что струя высокого давления обеспечивает отрыв от забоя породы, нарушенной буровым инструментом, а струя низкого давления вслед обеспечивает унос ее с забоя, чем предотвращает возврат породы на забой. At the end of the displacement of the fluid from the chamber 4, the piston 2 will take a lower position in the cavity 5. The load on the valve 14 from the spring 19 will be less than the load from the spring 15 and then the valve 14 will block the hole 16. In this case, when the cylindrical part of the valve starts to enter the seat, the pressure liquids on the uncompensated area of the valve will ensure its quick closing. The presence of the hydraulic element 22 allows, due to its movement when landing the locking plate on the saddle to eliminate the hydraulic cushion. This provides accelerated tight contact of the plate with the seat. The fluid pressure on the piston 2 is reduced to the discharge (drain channel 20 is constantly open) and the pressure in the piston cavity cockes the piston. The cycle of the device is repeated. A low-pressure liquid jet constantly acts on the face, flowing out through the channel 7 from the sub-piston cavity 6 and through the low-pressure nozzle acts on the face. The nozzles of high 29 and low 30 pressure are directed to the bottom in parallel, which increases the impact efficiency due to the fact that the high pressure jet provides separation from the bottom of the rock disturbed by the drilling tool, and the low pressure jet subsequently carries it away from the bottom, which prevents the rock from returning to slaughter.

Claims

1. A device for flushing the bottom of the well, comprising a housing mounted therein with the formation of a piston and a piston cavity, a piston with a plunger made with axial and radial channels and included in the high pressure chamber, hydraulically connected by a channel with a check valve installed in it with a piston cavity, a spring-loaded locking body with a seat located in the supra-piston cavity with the possibility of interaction with the piston, flushing channels of low and high pressure, communicating the piston cavity and the chamber high pressure with an annular space, characterized in that, in order to increase the efficiency of the washing process by increasing the exposure time of the high pressure jet to the bottom, the supra-piston cavity is divided by a partition into the upper and lower, hydraulically connected with the annulus, the piston is spring-loaded relative to the septum, the shut-off element is loaded relative to the housing and the piston by counter springs, and its seat is made in the partition, in the housing the braking chamber of the locking member is additionally made and An accumulation chamber hydraulically connected by a check valve to a high-pressure chamber.

2. The device according to claim 1, characterized in that the locking member is made with an annular groove in the upper part with the formation of the seating surface, while the locking member has an inner and outer cuff rings located in the annular groove and spring-loaded relative to the seating surface, and on the locking the body from its end to the landing surface made slots.

3. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a power hydraulic element installed in the partition with the possibility of interaction with the piston and the locking element.