Устройство для бурения скважин (варианты)

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин преимущественно по твердым и крепким породам с использованием шарошечных долот. Техническим результатом является повышение эффективности работы долота за счет снижения энергоемкости процесса разрушения породы. 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 которой соединен с промывочной плитой. Опора шарошечного долота включает замковый элемент и роликовый подшипник качения. Подшипник качения образован роликами разного диаметра. Тела качения меньшего диаметра снабжены резиновой оболочкой, наружный диаметр которых соответствует наружному диаметру тел качения большего диаметра. Замковый элемент образован подпружиненными штифтами, установленными в радиальных каналах, выполненных в цапфе. Свободные концы штифтов имеют сферическую форму и размещены в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности шарошки. По другому варианту опора шарошечного долота включает замковый элемент и роликовый подшипник качения. Подшипник качения образован чередующимися пустотелыми роликами, выполненными из пружинного материала, и сплошными роликами такого же диаметра. Замковый элемент образован подпружиненными штифтами, установленными в радиальных каналах, выполненных в цапфе. Свободные концы штифтов имеют сферическую форму и размещены в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности шарошки. Ролики с резиновой оболочкой и пустотелые ролики установлены с чередованием с другими роликами через один. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин преимущественно по твердым и крепким породам 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 твердым и крепким породам, эффективность разрушения которых требует значительных осевых нагрузок.

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 включает замковый элемент и роликовый подшипник качения, при этом подшипник качения образован роликами разного диаметра, причем тела качения меньшего диаметра снабжены резиновой оболочкой, наружный диаметр которых соответствует наружному диаметру тел качения большего диаметра, а замковый элемент образован подпружиненными штифтами, установленными в радиальных каналах, выполненных в цапфе, верхняя часть которой установлена с зазором относительно шарошки, причем свободные концы штифтов имеют сферическую форму и размещены в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности шарошки.

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 включает замковый элемент и роликовый подшипник качения, при этом подшипник качения образован чередующимися пустотелыми роликами, выполненными из пружинного материала, и сплошными роликами такого же диаметра, а замковый элемент образован подпружиненными штифтами, установленными в радиальных каналах, выполненных в цапфе, верхняя часть которой установлена с зазором относительно шарошки, причем свободные концы штифтов имеют сферическую форму и размещены в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности шарошки, при этом стенки полых тела качения выполнены с радиальными каналами, а полости их частично заполнены смазочным материалом.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2 и 3 - варианты выполнения опоры шарошечного долота, на фиг.4 и 5 - сечение А-А и Б-Б соответственно на фиг.3 и 2, на фиг.6 - фрагмент роликового подшипника в плане и на фиг.7 - узел I на фиг.3 в увеличенном масштабе.

Устройство для бурения скважин включает долото 1 с шарошками 2, которое посредством резьбы соединено с наддолотной трубой 3, приводимого во вращение бурильной колонной колонны или 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 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 долота по первому варианту включает подшипник качения, образованный роликами разного диаметра, причем тела качения 11 меньшего диаметра снабжены резиновой оболочкой 12, наружный диаметр которых соответствует наружному диаметру тел качения 13 большего диаметра. При этом замковый элемент образован подпружиненными штифтами 14, установленными в радиальных каналах 15, выполненных в цапфе 16, верхняя часть которой установлена с зазором 22 относительно шарошки 2. Свободные концы 17 штифтов 14 имеют сферическую форму и размещены в кольцевой проточке 18, выполненной на внутренней поверхности шарошки 2. Штифты 14 своими торцами опираются на пружину 19. Тела качения меньшего 11 и большего 13 диаметра в каждом ряду могут устанавливаться по разному. Предпочтительным является их установка через одно. Однако возможна установка одного ролика 11 малого диаметра через два тела качения 13 большего диаметра. Возможны и другие варианты выполнения опоры долота, которые определяются физико-механическими свойствами разбуриваемых пород.

По другому варианту опора шарошечного долота 1 включает аналогичный замковый элемент, а роликовый подшипник качения образован чередующимися пустотелыми роликами 20, выполненными из пружинного материала, и сплошными роликами 13 такого же диаметра. Стенки полых роликов 20 выполнены с радиальными каналами 21, а полости роликов 20 частично заполнены смазочным материалом, например графитом.

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 тел качения 12 или полых роликов 20. При контакте корпуса шарошки 2 с обрезиненными 12 или полыми 20 роликами 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. При этом сила удара регулируется разностью диаметров сплошных (больших) 13 и величиной деформации обрезиненных 12 и полых 20 тел качения, а также схемой размещения сплошных 13 и деформируемых тел качения 11 и 20. Дополнительно величина деформации полых тел качения 20 регулируется и наличием радиальных каналов 21 в стенках роликов 20.

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 включает замковый элемент и роликовый подшипник качения, при этом подшипник качения образован роликами разного диаметра, причем тела качения меньшего диаметра снабжены резиновой оболочкой, наружный диаметр которых соответствует наружному диаметру тел качения большего диаметра, а замковый элемент образован подпружиненными штифтами, установленными в радиальных каналах, выполненных в цапфе, верхняя часть которой установлена с зазором относительно шарошки, причем свободные концы штифтов имеют сферическую форму и размещены в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности шарошки.

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 включает замковый элемент и роликовый подшипник качения, при этом подшипник качения образован чередующимися пустотелыми роликами, выполненными из пружинного материала, и сплошными роликами такого же диаметра, а замковый элемент образован подпружиненными штифтами, установленными в радиальных каналах, выполненных в цапфе, верхняя часть которой установлена с зазором относительно шарошки, причем свободные концы штифтов имеют сферическую форму и размещены в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности шарошки.

4. Устройство для бурения скважин по п.3, отличающееся тем, что стенки полых тел качения выполнены с радиальными каналами, а полости их частично заполнены смазочным материалом.