РАСШИРИТЕЛЬ НАДДОЛОТНЫЙ ШАРОШЕЧНЫЙ Российский патент 1998 года по МПК E21B10/30 E21B10/22 

Данное изобретение относится к расширителям наддолотным шарошечным распространенного типа, который используется в буровых скважинах и описан и показан в более раннем патенте Австралии N 594885, принадлежащем заявителю.

Объект изобретения упомянутого более раннего патента преодолел ряд проблем, которые встречались в предшествующем уровне техники, относящемся к расширителям, в частности, ранее встречаемая проблема невозможности доступа к фиксирующим винтам была решена при помощи концевых блоков, удерживаемых клиновидными блоками. Эта система оказалась очень успешной и также предлагается в настоящем изобретении. В вышеупомянутом патенте опорные и шпиндельные узлы находились на концах каждой шарошки и внутри блоков, которые удерживались клиновидными блоками. Полезный эффект был достигнут использованием уплотнительных колец, которые уменьшили воздействие абразивного материала, находящегося между поверхностями шпинделей и опор. Однако, перепад давления между опорными поверхностями снаружи бурильной колонны может быть очень значительным при расширении скважин из-за очень высоких давлений, которые могут в некоторых случаях даже достигать 3000 psi (20000 kPa). Если расширитель прилегает к буру бурильной колонны, а это является обычной ситуацией, то требуется работать в зоне дна глубокой скважины, которое может содержать абразив или грязь. На практике было обнаружено, что абразив и грязь вдавливаются в опору между шпинделем шарошки и опорной поверхностью, и имелись случаи, когда опоры и их соответствующие уплотнения преждевременно повреждались.

Однако, даже если расширитель расположен на некотором расстоянии над дном бурильной колонны, промывочная вода будет нести твердые частицы и грязь мимо расширителя, и встречаемые очень высокие давления по обыкновению вызываются промывочной водой.

Главная цель этого изобретения - обеспечить более удовлетворительную опорную конструкцию, жесткость системы, и это было достигнуто за счет использования поршня, свободно плавающего в цилиндрическом смазочном канале между опорной поверхностью шарошки и внешней областью повышенного давления шарошки. Поршень создает то же самое давление на смазку, что и внешнее давление, уменьшая тем самым перепад давления и в свою очередь сохраняя смазку в опорной конструкции.

Из-за этого усовершенствования, в совокупности с эффектом от использования концевых блоков и удерживающих клиньев, стало возможным возвратиться к более ранней конструкции, упомянутой как предшествующий уровень техники в упомянутом патенте 594885, к шарошке, вращающейся вокруг неподвижного шпинделя. Это в свою очередь обеспечило средства, при помощи которых эффективность смазки повышается, а проникновение абразивного материала уменьшается. Становится возможным установка двойных уплотнений на каждом конце опорных поверхностей. Из-за улучшенного уплотнения, изобретение позволяет использовать шариковые или роликовые подшипники, способствующие повышению надежности свободного вращения расширителя.

Изобретение описывается ниже в некоторых деталях со ссылкой на приложенные чертежи, где дано; на фиг. 1 - частичный вид корпуса расширителя, показывающий два из трех шарошечных комплектов; на фиг. 2 - продольный разрез по фиг. 1 в большем масштабе; на фиг. 3 - поперечный разрез по линии 3-3 фиг. 2 в большем масштабе.

В данном исполнении расширитель наддолотный шарошечный 10 предназначен для расширения ствола скважины буром на конце бурильной колонны. Он должен, во-первых, поддерживать размер скважины, когда в результате износа бура вызывается уменьшение его рабочего диаметра, и, во-вторых, выравнивать поверхность буровой скважины.

Расширитель 10, показанный на фиг. 1, содержит несколько шарошек 11, каждая из которых выполнена со множеством твердосплавных вольфрамовых зубьев 12, установленных по окружности вокруг шарошки.

В вышеизложенном Патенте 594885, была описана и показана конструкция в которой подпирающие клинья удерживали соответствующие блоки в углублениях, расширяющихся по оси вдоль шарошек расширителя, а блоки в этом описании содержали втулки с О-образными кольцами на каждом конце. Из-за этого подшипники устанавливались снаружи шарошек, и устройство работало при атмосферном давлении, но когда погружалось в глубокую скважину, содержащую воду, возникал большой перепад давления, в результате которого абразивный материал вдавливался за O-кольца и контактировал с опорной поверхностью, а целью этого изобретения, как это было упомянуто, было избежание этой проблемы.

Так как клинья и их блоки могут быть легко удалены, в предлагаемом конструктивном исполнении шпиндель 13 удерживается относительно блоков 14 тем или другим фиксирующим крепежом, в данном случае, установленными внутри блоков винтами 15, которые выходят с блоками 14, когда те удаляются, и, в последующем, могут заменяться, при этом не возникает трудности доступа, как это имеет место в предшествующем уровне техники.

По центральной оси шпинделя 13 выполнены сквозные каналы 19, частично показанные на фиг. 2, образованные стенками отверстия, простирающегося от одного конца и частично отверстием трубки 20, простирающимся от другого конца. Стенка трубки 20 функционирует как теплообменная стенка и уменьшает поверхностные температуры прилегающего подшипника. Трубка 20 показана содержащей поршень 21, который может быть выполненным из эластичного материала. Поршень установлен с возможностью свободного скольжения в трубке 20. Внешний конец трубки 20 сообщен с вентиляционным отверстием 22, выполненным в корпусе расширителя. Поршень, будучи подвижным, передает давление внутрь канала 19 то же самое, что и давлению вокруг бурильной колонны, с очень небольшим перепадом.

Это в свою очередь создает возможность создать значительно более удовлетворительную конструкцию подшипника, чем это было достигнуто в вышеизложенном патенте. Шпиндель 13 фиксируется, как это было выше сказано, а шарошка вращается по шпинделю 13 с большой опорной областью, таким образом, уменьшая давление на трущиеся поверхности. Поскольку расширитель вдавливается, имеется большое осевое давление, и оно ранее поглощалось без пользы всей конструкцией упорного подшипника. В предлагаемом конструктивном исполнении некоторая часть осевого давления принимается кольцевым рядом шариков 24, находящимся между пазами 25 в шпинделе и 26 во внутренней стенке шарошки 11. Эти шарики могут быть вставлены до установки зубьев 12, как это показано на фиг. 2. Поэтому они функционируют, как глубокий паз шарикоподшипника, который будет сопротивляться и радиальному, и осевому давлению при работе.

Внутренняя сторона шарошки заполняется смазкой через нажимную пробку 27, и эта смазка находится под давлением поршня 21, таким же, как внешнее давление. Можно использовать два эластичных уплотнения - эластичные уплотнения 28 между шпинделем 13 и шарошкой 11, смазываемые смазкой и предотвращающие ее утечки, и эластичные уплотнения 29 между упомянутым блоком 14, шпинделем 13 и шарошкой 11, выполняющие первичную функцию уменьшения попадания абразивного материала в уплотнения 28 и вторичную функцию частичного уплотнения против проникновения влаги.

Чтобы гарантировать, что между трущимися поверхностями находится смазка, шпиндель 13 обеспечен двумя плоскими срезами 30, связанными с каналами 19 через диаметральные отверстия 31. Подобный метод смазывания имеет большое значение в сложной окружающей среде скважины. Поток смазки приводится в движение от трубки 20 к плоским срезам 30, и таким образом, к опорной поверхности шпинделя 13, под внешне поддерживаемым давлением.

В силу вышеизложенного, предлагаемое согласно данному описанию изобретение обеспечивает значимое усовершенствование вышеизложенного патента Австралии 594885 и любого другого соответствующего, предшествующего уровня техники, известного заявителю.

Предлагается расширитель наддолотный шарошечный для буровых скважин, содержащий несколько шарошек. Каждая шарошка снабжена фиксируемым шпинделем, закрепленным концами в клиновых блоках. Шпиндель имеет два центральных канала, по одному на каждом конце. С одного конца канал содержит установленный с возможностью скольжения поршень, который подвергается воздействию внешнего давления, создаваемого посредством вентиляционного отверстия. Другой конец прохода блокирован нажимной пробкой, которая при ее снятии позволяет впрыск смазки в каналы, которые образуют несущие поверхности шарошки и шпинделя. Внешнее давление воздействует на смазку посредством поршня и, таким образом, на несущих поверхностях образованного подшипника не сказывается перепад давления, а, если сказывается, то в незначительной величине. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Расширитель наддолотный шарошечный для буровых скважин, содержащий корпус, имеющий шарошки, расположенные в соответствующих пазах, образованных продольными к корпусу стенками, отличающийся тем, что он содержит пары блоков, средства фиксирования блоков на концах упомянутых пазов, соответствующие шпиндели, установленные между блоками каждой пары на упомянутых блоках, опорные поверхности между шпинделем и блоками, стенки, образующие цилиндрический канал, аксиально расположенный в каждом упомянутом шпинделе, дополнительные стенки, образующие отверстие, расположенное между упомянутым цилиндрическим каналом и внешней поверхностью упомянутого шпинделя, поршень, установленный с возможностью перемещения в упомянутом канале между внешним концом упомянутого канала и упомянутым отверстием, и две пары уплотнений, по одной паре на каждом конце упомянутого шпинделя, при этом упомянутая шарошка установлена с возможностью вращения на внешней поверхности упомянутого шпинделя и с возможностью передачи давления от внешнего конца упомянутого поршня упомянутым поршнем на смазку при ее нахождении в упомянутом канале и с возможностью привода в движение потока упомянутой смазки через упомянутое отверстие к упомянутой опорной поверхности, причем одно уплотнение каждой пары установлено между шарошкой и опорными поверхностями шпинделя с подаваемой смазкой с возможностью препятствия утечки смазки, а другое уплотнение каждой пары установлено между шпинделем, блоком и шарошкой с возможностью препятствия проникновению абразивного материала к опорным поверхностям. 2. Расширитель по п.1, отличающийся тем, что упомянутый цилиндрический канал выполнен открытым на одном из концов упомянутого шпинделя с образованием на этом конце стенок вентиляционной полости, расположенной от внешнего конца упомянутого канала, открытого внешней среде вокруг упомянутого расширителя, при этом упомянутая вентиляционная полость связана с внешним концом упомянутого канала так, чтобы упомянутое давление, создающееся на внешнем конце упомянутого поршня, было давлением внешней среды вокруг упомянутого расширителя. 3. Расширитель по п.1, отличающийся тем, что он содержит стенки, образующие дополнительный второй цилиндрический канал, аксиально расположенный от другого конца упомянутого шпинделя, и стенки, образующие второе отверстие, расположенное между упомянутым вторым цилиндрическим каналом и упомянутой внешней поверхностью упомянутого шпинделя, при этом каждое упомянутое отверстие диаметрально расположено. 4. Расширитель по п.3, отличающийся тем, что упомянутый второй цилиндрический канал выполнен заканчивающимся на упомянутом другом конце упомянутого шпинделя в нажимной пробке. 5. Расширитель по пп.1 4, отличающийся тем, что он содержит трубку, установленную в упомянутом шпинделе, при этом первый упомянутый канал образован внутренней поверхностью упомянутой трубки. 6. Расширитель по п.1, отличающийся тем, что внешняя поверхность шпинделя выполнена цилиндрической и имеет плоскую часть, в которой каждое упомянутое диаметральное отверстие открыто. 7. Расширитель по пп.1 6, отличающийся тем, что он содержит шарикоподшипник с глубокой канавкой между парами уплотнений, установленный между шпинделем и шарошкой в качестве упорного подшипника. 8. Расширитель по пп.1 7, отличающийся тем, что он содержит фиксирующие элементы ограничения вращения упомятого шпинделя, установленные между упомянутыми блоками и упомянутым шпинделем.