Гидравлический аккумулятор колонны бурильных труб

1 Настоящее изобретение относится к гидравлическому аккумулятору, предназначенному для использования в колонне бурильных труб и имеющему канал для подачи текучей среды к гидравлическому инструменту колонны бурильных труб. Подземное бурение обычно предполагает использование колонны бурильных труб,имеющей сборочный узел у забоя скважины,обеспеченный инструментами, скомпонованными таким образом, чтобы выполнять разнообразные функции. Инструменты обычно приводят в действие посредством бурового раствора,нагнетаемого через колонну бурильных труб. Для некоторых инструментов колонны бурильных труб, приводимых в действие текучей средой, требуется изменяемое по времени количество подаваемой текучей среды. Примером такого инструмента является ударный молот,предназначенный для приведения в действие ударного бурового долота. В течение одной части рабочего цикла такого ударного молота требования, касающиеся подачи к нему текучей среды, выше, чем осредненные по времени требования, в то время как в течение другой части цикла эти требования ниже осредненных по времени требований. В результате давление,действующее на инструмент, также сильно изменяется. В течение части цикла с повышенными требованиями, касающимися подачи текучей среды, давление, действующее на инструмент,ниже осредненного по времени, а в течение части цикла с пониженными требованиями к подаче текучей среды давление, действующее на инструмент, выше осредненного по времени. Это изменение давления обычно называют гидравлическим ударом. Оно приводит к уменьшению эффективности бурения и потенциально будет помехой другой оснастке колонны бурильных труб, такой как коммуникационная система на основе импульсов давления. Цель изобретения заключается в создании устройства, которое позволяет уменьшить изменения давления и устранить вышеупомянутые проблемы. Согласно изобретению создан гидравлический аккумулятор, предназначенный для использования в колонне бурильных труб, имеющей канал для подачи текучей среды к гидравлическому инструменту колонны бурильных труб и содержащий корпус, снабженный соединительными средствами для соединения аккумулятора с колонной бурильных труб, и расширительную камеру, сообщающуюся с каналом для текучей среды при подсоединении аккумулятора с колонной бурильных труб посредством соединительных средств и способную расширяться между первым объемом и вторым объемом, который больше первого объема, причем расширительная камера обеспечена средством для ее перемещения от первого объема до второго объема при увеличении давления текучей 2 среды в канале и от второго объема до первого объема при уменьшении давления текучей среды в канале. Увеличение объема расширительной камеры компенсирует повышение давления текучей среды, вызываемое инструментом колонны бурильных труб, а уменьшение объема расширительной камеры компенсирует снижение давления текучей среды, вызываемое инструментом. При этом будет достигнуто сохранение в колонне бурильных труб фактически постоянного давления текучей среды. Расширительная камера может соответствующим образом перемещаться между упомянутыми объемами посредством узла, состоящего из поршня и цилиндра, при этом поршень способен перемещаться в цилиндре между первым положением, в котором камера имеет первый объем, и вторым положением, в котором камера имеет второй объем. В предпочтительном варианте осуществления конструкции аккумулятор подсоединен к колонне бурильных труб соединительными средствами, а гидравлическим инструментом колонны бурильных труб является ударный молот, предназначенный для приведения в действие ударного бурового долота колонны бурильных труб. Для того чтобы обеспечить возможность работы сборочного узла, состоящего из аккумулятора и ударного молота, независимо от типа используемого бурового долота, предпочтительна такая установка ударного молота, чтобы он принимал первый поток текучей среды от расширительной камеры, а буровое долото должно быть установлено так, чтобы оно принимало второй поток текучей среды, при этом первый поток отделен от второго потока. Ниже изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи,на которых фиг. 1 схематически представляет вариант осуществления конструкции аккумулятора согласно изобретению в первом режиме его работы; фиг. 2 схематически представляет аккумулятор согласно фиг. 1 во втором режиме его работы; фиг. 3 схематически представляет первый вариант осуществления конструкции аккумулятора согласно изобретению; фиг. 4 схематически представляет второй вариант осуществления конструкции аккумулятора согласно изобретению. На фиг. 1 показана колонна 1 бурильных труб, имеющая канал 2 для прохождения текучей среды, в котором расположен гидравлический аккумулятор 3 согласно изобретению. Колонна 1 бурильных труб проходит в буровую скважину (не показана) и имеет сборочный узел(не показан), расположенный на забое скважины, включающий гидравлический ударный молот, предназначенный для приведения в дейст 3 вие бурового долота. Ударный молот действует на основе возвратно-поступательного движения поршня в цилиндре, посредством чего гидравлически создаваемое движение поршня обеспечивает изменяющуюся по времени подачу текучей среды через колонну бурильных труб к молоту. Гидравлический ударный молот сконструирован так, что приводится в действие только тогда, когда скорость потока текучей среды превысит определенное пороговое значение для обеспечения возможности циркуляции бурового раствора через буровую скважину без приведения в действие молота, например, для очистки буровой скважины от стружек, образуемых при бурении. Аккумулятор 3 включает трубчатый корпус 4 с наружным диаметром, фактически равным внутреннему диаметру колонны 1 бурильных труб, при этом корпус 4 жестко подсоединен к внутренней поверхности колонны 1 бурильных труб и уплотнен по отношению к ней посредством кольцеобразного уплотнения 6. Внутренняя труба 4 выполнена с нижней концевой частью, имеющей уменьшенные внутренний и наружный диаметры, которая формирует трубчатый подвод 8 для описанной ниже расширительной камеры. Трубчатый подвод 8 имеет нижнюю торцевую поверхность 10 с выполненным в ней кольцеобразным углублением 12,которое посредством текучей среды сообщается с наружной частью подвода 8 с помощью отверстий 16, образованных в стенке подвода 8. Трубчатый цилиндр 18, образованный из частей 18 а, 18b, связанных друг с другом посредством соединителя 20 и имеющих внутренний диаметр, фактически равный наружному диаметру подвода 8, в верхнем конце подсоединен к подводу 8 посредством винтового соединения (не показано). Наружный диаметр цилиндра 18 меньше внутреннего диаметра колонны бурильных труб, так что между цилиндром 20 и колонной бурильных труб 1 образовано кольцевое пространство 22. Кольцевое пространство 22 обеспечивает сообщение между кольцевым углублением 12 (через отверстия 16) и подводом текучей среды к молоту. В цилиндре 20 с возможностью скольжения и уплотнения установлен поршень 24,включающий корпус 26, который с обеспечением уплотнения может входить в соприкосновение с нижним концом подвода 8 и выполнен со сквозным отверстием 28. В сквозном отверстии 28 установлен кольцеобразный ограничитель 29 потока. Корпус 26 поршня выполнен с трубчатым удлинением 30, сцентрированным со сквозным отверстием и проходящим ниже корпуса 26. Трубчатое удлинение 30 обеспечивает сообщение между частью канала 2, расположенную за аккумулятором 3 (через сквозное отверстие 28) и соплами для текучей среды в буровом долоте (не показано). Удлинение 30 выполнено с двумя небольшими поперечными 4 каналами 32, которые обеспечивают сообщение между внутренней и внешней частями удлинения 30. Между поршнем 24 и внутренним кольцевым плечом 36, сформированным в нижнем конце цилиндра, в цилиндре 20 установлена работающая на сжатие спиральная пружина 34. Пружина 34 смещает поршень 24 в верхнем направлении, так что при отсутствии сдерживающей силы поршень 24 в его первом положении будет смещен к подводу 8, вследствие чего корпус 26 поршня с обеспечением уплотнения будет входить в соприкосновение с нижним концом подвода 8. Между верхним концом корпуса 26 поршня, внутренней поверхностью цилиндра 18 и нижней торцевой частью подвода 8 образована расширительная камера 38. Когда поршень находится в первом положении (фиг. 1), расширительная камера имеет первый, относительно небольшой объем. На фиг. 2 показан узел согласно фиг. 1, в котором поршень 24 смещен в осевом направлении от подвода 8. Это положение поршня 24 следует считать вторым положением, а соответствующий объем расширительной камеры 38 следует считать вторым объемом, который больше первого объема. Характеристики пружины 34 выбирают таким образом, чтобы поршень 24 оставался в первом положении, пока скорость потока текучей среды, нагнетаемой через колонну 1 бурильных труб, будет ниже упомянутого ранее порогового значения скорости потока. Первый вариант выполнения аккумулятора, показанного на фиг. 3, включает трубчатый корпус 40, неподвижно и с обеспечением уплотнения установленный в канале колонны бурильных труб (не показана), предназначенном для прохождения текучей среды. Подобно варианту осуществления конструкции, показанному на фиг. 1, 2, колонна бурильных труб имеет сборочный узел (не показан), находящийся на забое скважины и включающий ударное буровое долото, приводимое в действие гидравлическим ударным молотом (не показан). Корпус 40 выполнен с цилиндрическим каналом 42,имеющим закрытый нижний конец 44 и открытый верхний конец, сообщающийся с верхней частью канала для текучей среды в колонне бурильных труб. В канале 42 с обеспечением уплотнения установлен поршень 46, который смещен вверх под действием работающей на сжатие спиральной пружины 48, установленной между поршнем 46 и нижним концом 44 канала. В канале 42 между поршнем 46 и верхним концом канала 42 образована расширительная камера 50. В корпусе 40 выполнен канал 52, который обеспечивает сообщение между расширительной камерой 50 и нижней частью канала колонны бурильных труб, предназначенного для текучей среды. Кроме того, в корпусе 40 выполнен небольшой канал 54, обеспечивающий сообщение между частью канала 42, находящейся 5 ниже поршня 46, и наружной частью колонны бурильных труб. Второй вариант выполнения аккумулятора,показанный на фиг. 4, включает трубчатый корпус 60, неподвижно и с обеспечением уплотнения установленный в канале колонны бурильных труб (не показана), предназначенном для текучей среды. Подобно варианту осуществления конструкции согласно фиг. 1, 2, 3, колонна бурильных труб имеет сборочный узел (не показан), находящийся на забое скважины, включающий ударное буровое долото, приводимое в действие гидравлическим ударным молотом (не показан). Корпус 60 выполнен с цилиндрическим каналом 62, в нижнем конце 64 которого находится сквозное отверстие 65, а его верхний открытый конец сообщается с верхней частью канала колонны бурильных труб, предназначенного для текучей среды. В канале 62 с обеспечением уплотнения установлен поршень 66, который смещен вверх под действием работающей на сжатие пружины 68, установленной между поршнем 66 и нижним концом 64 канала. Между поршнем 66 и верхним концом канала 62 в этом канале 62 образована расширительная камера 70. Поршень 66 оснащен патрубком 72 для прохождения текучей среды, который с возможностью скольжения проходит через сквозное отверстие 65 нижнего конца 64 канала 62. Патрубок 72 обеспечивает сообщение между расширительной камерой 70 и нижней частью канала в колонне бурильных труб, предназначенного для прохождения текучей среды. Кроме того, в корпусе 60 выполнен небольшой канал 74, обеспечивающий сообщение между частью канала 62 под поршнем 66 и наружной частью колонны бурильных труб. При обычном использовании варианта осуществления конструкции согласно фиг. 1, 2 рабочую текучую среду в виде бурового раствора нагнетают через колонну бурильных труб к сборочному узлу, находящемуся на забое скважины. Пока скорость потока текучей среды ниже порогового значения скорости, поршень 24 остается в первом положении, и текучая среда будет проходить из канала 2 колонны 1 бурильных труб к аккумулятору 3, где она будет проходить через сквозное отверстие 28 и удлинение 30 к соплам бурового долота. Когда поршень находится в первом положении, гидравлическая площадь поршня (т.е. площадь, к которой проходит текучая среда) будет равна площади внутреннего поперечного сечения подвода 8. Когда скорость потока текучей среды в колонне бурильных труб превышает пороговое значение скорости, текучая среда вначале слегка подталкивает поршень 24 вниз, преодолевая силу действия пружины 34. При ослаблении контакта поршня с подводом 8 гидравлическая площадь поршня резко возрастает до площади поперечного сечения цилиндра 18. В результате поршень 24 будет подвергнут ступенчатому 6 смещению в нижнем направлении ко второму положению, вследствие чего пружина 34 будет значительно сжата. В течение резкого перемещения поршня 24 поперечные каналы 32 обеспечивают равновесие давления текучей среды внутри поршня 24 и снаружи от него. Когда поршень 24 находится во втором положении, часть текучей среды будет проходить из канала 2 к расширительной камере 38 и отсюда через отверстия 16 и кольцевое пространство 22 к подводу для текучей среды у ударного молота. Другая часть текучей среды проходит через сквозное отверстие 28 и расширение 30 к соплам бурового долота. Изменяемая по времени подача текучей среды, потребляемой ударным молотом, вызывает колебания давления текучей среды до молота. Когда давление текучей среды до молота увеличивается в течение хода вверх поршня молота, давление в расширительной камере 38 также увеличивается, что приводит к увеличению объема расширительной камеры 38 посредством перемещения вниз поршня 24 с преодолением при этом силы действия пружины 34. Поскольку подача текучей среды к колонне бурильных труб остается по времени фактически постоянной, результатом увеличения объема камеры 38 будет уменьшение давления текучей среды в колонне бурильных труб до аккумулятора 3. Уменьшение давления текучей среды компенсирует увеличение давления, вызываемое ходом молота вверх. Напротив, когда давление текучей среды до молота уменьшается в течение хода поршня молота вниз, давление в расширительной камере 38 также будет уменьшаться, что приводит к уменьшению объема камеры 38 вследствие движения поршня вверх под действием силы пружины 34. Уменьшение объема камеры 38 вызывает увеличение давления текучей среды до аккумулятора 3, посредством чего будет обеспечена компенсация уменьшения текучей среды, вызываемого ходом молота вниз. Таким образом, достигается то, что давление текучей среды до аккумулятора фактически будет оставаться постоянным независимо от требований, касающихся изменения по времени поступления текучей среды к молоту. Обычная работа первого альтернативного варианта осуществления конструкции (фиг. 3),по существу, подобна обычной работе вариантов конструкции согласно фиг. 1, 2. Различие заключается в том, что поршень 46 не имеет сквозного отверстия, и поэтому вся текучая среда проходит через канал 52 к гидравлическому ударному молоту. Когда в течение хода вверх поршня молота давление текучей среды до молота увеличивается, давление в расширительной камере 50 также увеличивается, что приводит к увеличению объема камеры 50 посредством перемещения вниз поршня 46, который преодолевает при этом силу действия пружины 48. По 7 скольку подача текучей среды к колонне бурильных труб по времени фактически остается постоянной, в результате увеличения объема камеры 50 произойдет уменьшение давления текучей среды в колонне бурильных труб до аккумулятора. Уменьшение давления текучей среды компенсирует увеличение давления, вызываемое ходом молота вверх. Напротив, когда в течение хода поршня молота вниз давление текучей среды до молота уменьшается, давление в расширительной камере 50 также будет уменьшаться, что приводит к уменьшению объема камеры 50 посредством движения поршня вверх под действием силы пружины 48. Уменьшение объема камеры 50 приводит к увеличению давления текучей среды ближе по ходу от аккумулятора, за счет чего будет компенсировано уменьшение текучей среды, вызываемое ходом молота вниз. Обычная работа второго альтернативного варианта осуществления конструкции (фиг. 4) подобна работе первого варианта конструкции,а различие заключается в том, что теперь вся текучая среда будет проходить через патрубок 72 к гидравлическому ударному молоту вместо прохождения через канал 52 первого альтернативного варианта осуществления конструкции. Кроме того, патрубок 72 посредством скольжения перемещается через отверстие 65 в течение движения поршня 66 вверх и вниз. Вместо использования аккумулятора согласно изобретению для компенсации изменений давления ударного молота аккумулятор может быть использован для компенсации изменений давления, вызываемых каким-либо другим инструментом колонны бурильных труб. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Гидравлический аккумулятор для использования в колонне бурильных труб, имеющий канал для подачи текучей среды к гидравлическому инструменту колонны бурильных труб и содержащий корпус, снабженный соединительными средствами для соединения аккумулятора с колонной бурильных труб, и расширительную камеру, сообщающуюся с каналом текучей среды при подсоединении аккумулятора к колонне бурильных труб соединительными средствами и способную расширяться между первым объемом и вторым объемом, который больше первого объема, при этом расширительная камера обеспечена средством для ее перемещения от первого ко второму объему при увеличении давления текучей среды в канале и для ее перемещения от второго к первому объему при уменьшении давления в канале, причем расширительная камера имеет первое выходное отверстие, сообщающееся с входным отверстием гидравлического инструмента колонны бурильных труб при подсоединении аккумулятора к колонне бурильных труб соединительными 8 средствами, при этом средство для перемещения расширительной камеры от первого объема ко второму объему и от второго объема к первому объему обеспечивает возможность прохождения текучей среды из канала через расширительную камеру к первому входному отверстию, когда расширительная камера перемещена до ее второго объема, и упомянутое средство препятствуют прохождению текучей среды из канала через расширительную камеру к первому выходному отверстию, когда расширительнаякамера перемещена до ее первого объема, причем расширительная камера имеет второе выходное отверстие, сообщающееся с частью канала для текучей среды далее по ходу от аккумулятора при подсоединении аккумулятора соединительными средствами к колонне бурильных труб. 2. Аккумулятор по п.1, в котором расширительная камера подвижна между первым и вторым объемами посредством узла из поршня и цилиндра, при этом поршень подвижен в цилиндре между первым положением, в котором камера имеет первый объем, и вторым положением, в котором камера имеет второй объем. 3. Аккумулятор по п.2, в котором поршень в первом положении способен блокировать поток текучей среды из канала для текучей среды через расширительную камеру к первому выходному отверстию, вследствие чего такой поток предотвращается. 4. Аккумулятор по п.2 или 3, в котором узел из цилиндра и поршня обеспечен пружиной, смещающей поршень из второго в первое положение. 5. Аккумулятор по пп.2, 3 или 4, в котором гидравлическая площадь поршня меньше при нахождении поршня в первом положении по сравнению со вторым положением. 6. Аккумулятор по п.5, в котором расширительная камера снабжена подводом, сообщающимся с каналом для текучей среды, при этом подвод имеет кольцеобразный торец, к которому поршень смещен в его первом положении, причем кольцеобразный торец имеет меньший диаметр, чем диаметр поршня. 7. Аккумулятор по любому из пп.2-6, в котором цилиндр расположен в колонне бурильных труб фактически концентрично с кольцевым пространством между цилиндром и колонной бурильных труб при подсоединении аккумулятора к колонне бурильных труб соединительными средствами, при этом первое выходное отверстие сообщено с упомянутым кольцевым пространством. 8. Аккумулятор по любому из пп.1-7, в котором сообщение обеспечено через второе выходное отверстие, когда расширительная камера перемещена до ее первого объема. 9. Аккумулятор по п.8 или 9, когда они зависят от любого одного из пп.2-7, который имеет второе выходное отверстие, выполненное в поршне. 10. Аккумулятор по любому из пп.1-9, который подсоединен к колонне бурильных труб соединительными средствами, и гидравлический инструмент колонны бурильных труб представляет собой ударный молот, предназначенный для приведения в действие ударного бурового долота колонны бурильных труб. 11. Аккумулятор по п.10, в котором первый поток текучей среды из расширительной камеры принимается ударным молотом, второй 10 поток текучей среды из канала принимается буровым молотом, причем первый поток отделен от второго потока. 12. Аккумулятор по п.11, в котором первый поток текучей среды через первое выходное отверстие принимается ударным молотом, второй поток текучей среды принимается буровым молотом через второе выходное отверстие.