Устройство для бурения скважин (варианты)
Изобретение относится к устройствам для бурения скважин. Техническим результатом является снижение энергоемкости разрушения породы, повышение проходки и механической скорости бурения. 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. Узел установлен внутри наддолотной трубы и выполнен в виде осевой турбины. Вал турбины соединен с промывочной плитой. Опора, выполненная в виде подшипника качения, составлена из чередующихся стальных шаров разного диаметра. Часть шаров меньшего диаметра выполнена с резиновой оболочкой, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения большего диаметра. По другому варианту опора, выполненная в виде подшипника качения, составлена из стальных шаров. Часть шаров выполнена полой и изготовлена из пружинного материала. Полые тела качения выполнены с радиальными каналами и частично заполнены смазочным материалом, например, порошковым графитом. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 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. Е21В 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 породам перемежающейся твердости.
В связи с изложенным технической задачей изобретения является повышение эффективности работы долота за счет снижения энергоемкости процесса разрушения породы.
Поставленная техническая задача по первому варианту 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, опора шарошечного долота, выполненная в виде подшипника качения, составлена из стальных шаров разного диаметра, при этом часть шаров меньшего диаметра выполнена с резиновой оболочкой, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения большего диаметра.
Решению поставленной технической задачи способствует также и то, что тела качения большего и меньшего диаметров установлены через одно.
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, опора шарошечного долота, выполненная в виде подшипника качения, составлена из стальных шаров, часть которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала.
Решению поставленной технической задачи способствует также и то, что полые тела качения выполнены с радиальными каналами и частично заполнены смазочным материалом.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2 и 3 - варианты выполнения опоры шарошечного долота; на фиг.4 - сечение А-А на фиг.3 и на фиг.5 - шарик с резиновой оболочкой в увеличенном масштабе.
Устройство для бурения скважин включает долото 1 с шарошками 2, которое посредством резьбы соединено с наддолотной трубой 3, приводимой 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 передает часть 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 (см. фиг.2), выполненная в виде подшипника качения 11 составлена из стальных шаров разного диаметра, при этом часть шаров 12 меньшего диаметра выполнена с резиновой оболочкой 13, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения 14 большего диаметра. Тела качения 12 и 14 меньшего и большего диаметра в подшипнике 11 могут устанавливаться по разной схеме. Предпочтительным является их установка с чередованием через одно. Однако возможна установка одного шара 12 малого диаметра через два тела качения 14 большего диаметра. Схема установки шаров 12 и 14 определяется преимущественно физико-механическими свойствами разбуриваемых пород, а, следовательно, типом долота.
По другому варианту (см. фиг.3 и 4) опора шарошечного долота 1 выполнена в виде подшипника качения, составленная из цельных стальных шаров 15 и полых шаров 16, изготовленных из пружинного материала с радиальными каналами 17. Полость шаров 16 частично может быть использована для размещения смазочного материала, например, порошкового графита 18.
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 полых тел качения 15, выполненных из пружинного материала, или обрезиненных тел качения 12. При контакте корпуса шарошки 2 с обрезиненными 12 или полыми 16 телами качения величина силы реакции с их стороны по сравнению со сплошными телами качения 14 и 15 во много раз меньше. Именно благодаря этому происходит дополнительный удар породоразрушающих элементов шарошки 2 по забою, обеспечивая их ударно-импульсное воздействие на породу при каждом контакте шарошки 2 с шарами 12 и 16. Сила удара регулируется разностью диаметров 12 и 14 в первом варианте и величиной упругой деформации полых тел качения 15 по другому варианту. Кроме того, величину силы удара можно регулировать и схемой установки шаров 12-14 и 15-16, например, путем установки одного обрезиненного шара 12 через два сплошных шара 14. Аналогично можно регулировать и силу удара во втором варианте. При этом одновременно с изменением силы удара регулируется и частота удара. Использование полых тел качения с радиальными каналами 17 позволяет регулировать степень упругой деформации тел качения 16 в более широких пределах. Выполнение шаров 16 полыми позволяет использовать их как резервуары для смазочного материала 18. При этом благодаря выполнению полых шаров 16 с радиальными каналами 17 смазочный материал 18 небольшими дозами подается в опору долота. Неполное заполнение полости шаров 16 смазочным материалом 18 не препятствует деформации шаров 16 при нанесении по ним удара со стороны корпуса шарошки 2, а, следовательно, и не гасит силу удара.
Таким образом, применение предложенного устройства, благодаря более эффективной схеме разрушения породы, позволяет повысить проходку и скорость бурения, и 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 опора шарошечного долота, выполненная в виде подшипника качения, составлена из стальных шаров разного диаметра, при этом часть шаров меньшего диаметра выполнена с резиновой оболочкой, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения большего диаметра.
2. Устройство для бурения скважин по п.1, отличающееся тем, что тела качения большего и меньшего диаметров установлены через одно.
3. 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 опора шарошечного долота, выполненная в виде подшипника качения, составлена из стальных шаров, часть которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала.
4. Устройство для бурения скважин по п.3, отличающееся тем, что полые тела качения выполнены с радиальными каналами и частично заполнены смазочным материалом.
