Устройство для бурения скважин (варианты)

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин с использованием шарошечных долот. Техническим результатом является повышение эффективности работы шарошечного долота с опорой, выполненной по схеме подшипник качения - подшипник скольжения. Устройство включает шарошечное долото с опорой, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы. Узел выполнен в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой. При выполнении опоры шарошечного долота с использованием совместно с замковым шариковым подшипником качения подшипника скольжения наружная поверхность подшипника скольжения с ненагруженной стороны установлена с зазором относительно внутренней поверхности шарошки. Замковый подшипник составлен из шаров, часть которых покрыта резиновой оболочкой (обрезинена). По другому варианту замковый подшипник составлен из шаров, часть которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала. Целые и полые тела качения установлены с чередованием через одно. Стенки полых тел качения выполнены с радиальными каналами, причем полость их частично заполнена смазочным материалом. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин с использованием шарошечных долот.

Известно буровое шарошечное долото, включающее делитель осевой нагрузки, выполненный в виде шпинделя с установленными на нем тарельчатыми пружинами, и узел разгрузки, передающий часть осевой нагрузки на забой через обратные конусы шарошек и выполненный в виде дисковых роликов, установленных на цапфах корпуса разгрузки и контактирующих с обратными конусами шарошек при определенной осевой нагрузке (см. авт.св. СССР №168222, кл. Е21 В 10/08, 1965 г.).

Недостатком этого долота является сложность конструкции и, как следствие, этого малая надежность в работе и малая эффективность.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является устройство для бурения скважин, включающее шарошечное долото с опорой, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой (см. авт.св. №560053, кл. Е21В 10/08, 1977 г.).

Данное устройство благодаря использованию узла для принудительного вращения шарошек обеспечивает повышение срока службы бурового долота. К недостаткам его следует отнести сравнительно высокую энергоемкость разрушения породы, что связано с неоптимальной схемой разрушения породы. Это особенно сказывается при бурении по перемежающимся породам.

В связи с изложенным техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности работы шарошечного долота с опорой, выполненной по схеме подшипник качения - подшипник скольжения. Повышение эффективности работы долота обеспечивается за счет снижения энергоемкости процесса разрушения породы.

Поставленный технический результат по первому варианту достигается тем, что в устройстве для бурения скважин, включающем шарошечное долото с опорой, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, согласно изобретению при выполнении опоры шарошечного долота с использованием совместно с замковым шариковым подшипником качения подшипника скольжения, наружная поверхность подшипника скольжения с ненагруженной стороны установлена с зазором относительно внутренней поверхности шарошки, а замковый подшипник составлен из шаров, часть которых покрыта резиновой оболочкой.

Достижению поставленного технического результата способствует также и то, что:

- что зазор между шарошкой и цапфой образован лыской, выполненной на цапфе и расположенной со стороны ее ненагруженной части;

- зазор между шарошкой и цапфой образован эксцентрично расположенной цапфой подшипника скольжения относительно подшипника качения, при этом эксцентриситет направлен в сторону нагруженной части подшипника скольжения;

- диаметр шаров с резиновой оболочкой соответствует диаметру других шаров, расположенных в той же беговой дорожке.

По другому варианту поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для бурения скважин, включающем шарошечное долото с опорой, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, согласно изобретению при выполнении опоры шарошечного долота с использованием совместно с замковым шариковым подшипником качения подшипника скольжения наружная поверхность подшипника скольжения с ненагруженной стороны установлена с зазором относительно внутренней поверхности шарошки, а замковый подшипник составлен из шаров, часть которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала.

Решению поставленной технической задачи способствует также и то, что:

- целые и полые тела качения установлены с чередованием через одно;

- стенки полых тела качения выполнены с радиальными каналами, а полость их заполнена смазочным материалом, например порошковым графитом.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2 и 3 - варианты выполнения опоры шарошечного долота; на фиг.4-6 - соответственно сечение А-А, Б-Б и В-В: на фиг.7 - узел 1 на фиг.6.

Устройство для бурения скважин включает долото 1 с шарошками 2, которое посредством резьбы соединено с наддолотной трубой 3, приводимого во вращение бурильной колонной или от вала забойного двигателя 4. В полости корпуса долота 1 размещена промывочная плита 5 с кольцевым выступом 6, который совместно с обратными конусами 7 шарошек 2 образует фрикционные пары. Благодаря этому промывочная плита 5 обеспечивает передачу части осевой нагрузки непосредственно на корпуса шарошек 2, минуя опору долота 1 и выполняя роль узла разгрузки опоры. Промывочная плита 5 соединена с валом 8 осевой турбины 9, которая установлена на радиальных опорах 10 внутри наддолотной трубы 3 и служит узлом принудительного вращения шарошек 2 долота 1.

Опора этого долота по первому варианту выполнена в виде замкового шарикового подшипника качения и подшипника скольжения 11 (фиг.2). При этом наружная поверхность подшипника скольжения 11 с ненагруженной стороны установлена с зазором 12 относительно внутренней поверхности шарошки 2, а замковый подшипник составлен из шаров, часть которых представлена стальными шарами 13, и с резиновой оболочкой (обрезиненными) шарами 14, имеющими в исходном положении одинаковый диаметр. Зазор 12 между шарошкой 2 и цапфой 15 образован в одном случае лыской 16, выполненной на цапфе 15 и расположенной со стороны ее ненагруженной части. В другом случае зазор 12 между шарошкой 2 и цапфой 15 образован эксцентрично расположенной цапфой 15 подшипника скольжения 11 относительно подшипника качения, при этом эксцентриситет ε направлен в сторону нагруженной части подшипника скольжения 11. Тела качения 13 и 14 в каждом ряду могут устанавливаться по-разному. Предпочтительным является их установка с чередованием через одно.

По другому варианту замковый подшипник качения опоры шарошечного долота 1 представлен стальными шарами, часть 17 которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала, а другая часть 13 выполнена цельными, как в первом варианте. При этом стенки полых тел качения 17 выполнены с радиальными каналами 18, а полость их частично заполнена смазочным материалом, например порошковым графитом 19. Толщина стенок полых тел качения 17 выбирается с таким расчетом, чтобы шары 17 не гасили ударные нагрузки, но в то же время обеспечивали их упругую деформацию.

Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы шарошек 2 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. Разрушенная порода выносится промывочной жидкостью, прокачиваемой через бурильную колонну 4 и промывочную плиту 5. При этом благодаря использованию специальной опоры с учетом передачи осевой нагрузки непосредственно через корпус шарошки 2 обеспечивается эффективное разрушение породы за счет создания ударных нагрузок при деформации обрезиненных 14 и полых 17 тел качения, выполненных из пружинного материала. При контакте корпуса шарошки 2 с обрезиненными 14 или полыми 17 телами качения величина силы реакции с их стороны по сравнению со сплошными телами качения 13 во много раз меньше и именно поэтому происходит удар породоразрушающих элементов шарошки 2 по забою, обеспечивая ударно-импульсное воздействие на породу. Благодаря наличию зазора 12 между шарошкой 2 и цапфой 11 удар не гасится и при выполнении опоры долота с дополнительной рабочей поверхностью, в данном случае - с подшипником скольжения 11. При этом сила удара регулируется в первом варианте разностью диаметров сплошных 13 и обрезиненных 14 шаров, а во втором случае - величиной деформации полых 17 тел качения, а также схемой размещения сплошных 13 и деформируемых тел качения 14 и 17. Величина деформации полых тел качения 17 дополнительно регулируется и наличием радиальных каналов 18 в стенках шаров 17. При этом частичное заполнение полости шаров 17 смазочным материалом 19, например порошковым графитом, практически не влияет на величину упругости шаров 17. В процессе работы долота при нанесении ударных нагрузок на полые шары 17 графит через радиальные каналы 18 попадает на беговую дорожку и смазывает ее и тела качения, что благоприятно сказывается на работоспособности опоры долота в целом.

Таким образом, применение предложенного устройства благодаря более эффективной схеме разрушения породы позволяет повысить проходку и скорость бурения, тем самым снизить себестоимость буровых работ.

1. Устройство для бурения скважин, включающее шарошечное долото с опорой, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, отличающееся тем, что при выполнении опоры шарошечного долота с использованием совместно с замковым шариковым подшипником качения подшипника скольжения, наружная поверхность подшипника скольжения с ненагруженной стороны установлена с зазором относительно внутренней поверхности шарошки, а замковый подшипник составлен из шаров, часть которых покрыта резиновой оболочкой.

2. Устройство для бурения скважин по п.1, отличающееся тем, что зазор между шарошкой и цапфой образован лыской, выполненной на цапфе и расположенной со стороны ее ненагруженной части.

3. Устройство для бурения скважин по п.1, отличающееся тем, что зазор между шарошкой и цапфой образован эксцентрично расположенной цапфой подшипника скольжения относительно подшипника качения, при этом эксцентриситет направлен в сторону нагруженной части подшипника скольжения.

4. Устройство для бурения скважин по п.1, отличающееся тем, что диаметр шаров с резиновой оболочкой соответствует диаметру других шаров, расположенных в той же беговой дорожке.

5. Устройство для бурения скважин, включающее шарошечное долото с опорой, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, отличающееся тем, что при выполнении опоры шарошечного долота с использованием совместно с замковым шариковым подшипником качения подшипника скольжения, наружная поверхность подшипника скольжения с ненагруженной стороны установлена с зазором относительно внутренней поверхности шарошки, а замковый подшипник составлен из шаров, часть которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала.

6. Устройство для бурения скважин по п.1, отличающееся тем, что целые и полые тела качения установлены с чередованием через одно.

7. Устройство для бурения скважин по п.3, отличающееся тем, что стенки полых тел качения выполнены с радиальными каналами, а полость их заполнена смазочным материалом, например, порошковым графитом.