ШАРНИРНЫЙ ПЕРЕВОДНИК Российский патент 2002 года по МПК E21B7/08 E21B4/02 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно направленных скважин и боковых стволов в качестве шарнирного соединения бурильной колонны или забойного двигателя.

Известно гибкое соединение бурильной колонны, включающее верхний переводник, нижний переводник, шар с внутренней резьбой, навинченный на резьбу в верхней части нижнего переводника, верхнее и нижнее кольца с шаровым гнездом (пат. США N 3733853, 464-19, 1973).

Недостатком устройства является размещение уплотнений на контактирующих поверхностях шара и колец с шаровыми гнездами.

Наиболее близким техническим решением из известных является шарнирный переводник, содержащий корпус, полый вал со сферической опорной пятой, снабженной контактирующими элементами для передачи крутящего момента, сферические подпятники, установленные в корпусе, уплотнительный элемент (патент СССР 1776282, кл. Е 21 В 7/08, 1990 г.).

Недостатком известного устройства является ненадежность уплотнения, которое обеспечивается созданием области пониженного давления при выходе потока жидкости из канала в опорной пяте в отверстие подпятника большего диаметра. Такой механизм создания области пониженного давления сомнителен с точки зрения элементарных законов гидравлики и не сможет обеспечить работу узла значительных утечек в сопряжении сферической опорной пяты и подпятника.

Задача изобретения - повышение надежности работы устройства за счет улучшения уплотнения и повышения его несущей способности.

Поставленная задача решается за счет того, что в шарнирный переводник, содержащий корпус, полый вал со сферической опорной пятой, снабженные контактирующими элементами для передачи крутящего момента, например зубьями, сферические подпятники, установленные в корпусе, уплотнительный элемент, снабжен установленным в корпусе полым штоком с уплотнением, хвостовик которого размещен в полости полого вала, а уплотнительный элемент размещен на хвостовике штока на расстоянии не более 1/4 радиуса уплотняемой поверхности от плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты и перпендикулярной оси полого вала, при этом уплотнительный элемент выполнен в виде армированной манжеты, причем уплотняемый зазор между армирующим элементом манжеты и поверхностью полого вала размещен на расстоянии не более 1/8 радиуса уплотняемой поверхности от плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты и перпендикулярной оси полого вала или уплотнительный элемент выполнен в виде кольца круглого сечения, установленного в канавке на внутренней поверхности полого вала на расстоянии не более 1/8 радиуса уплотняемой поверхности от плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты и перпендикулярной оси полого вала.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Благодаря тому, что уплотнительный элемент размещен в полости полого вала, а именно в расточке сферической опорной пяты, расстояние от центра сферы опорной пяты до зоны контакта уплотнительного элемента и поверхности расточки сферической опорной пяты минимально, следовательно, минимальны перемещения уплотняемой поверхности относительно уплотнительного элемента и минимально изменение величины уплотняемого зазора между внутренней поверхностью полого вала и штоком.

Размещение уплотнительного элемента максимально близко к центру сферы опорной пяты, таким образом, что плоскость, проходящая через центр сферы перпендикулярно оси полого вала, проходит через уплотнительный элемент, обеспечивает наилучшие условия для работы уплотнительного элемента.

Перемещение поверхностей внутренней полости полого вала относительно штока минимальны в пересечение этой плоскости с поверхностью полого вала и в зоне вблизи линии пересечения, ширина зоны с минимальными перемещениями составляет примерно 1/2 радиуса уплотняемой поверхности, т.е. уплотнительный элемент должен быть размещен на расстоянии не более 1/4 радиуса уплотняемой поверхности от перпендикулярной плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты.

При этом обеспечивается не только минимальная величина перемещений уплотняемой поверхности относительно уплотнительного элемента, но эти перемещения направлены по касательной к этой поверхности и, следовательно, изменения величины уплотняемого зазора при этом минимальны.

Выполнение этих условий обеспечивает надежную работу уплотнения и, следовательно, всего узла шарнирного переводника в целом.

На фиг.1 изображен шарнирный переводник в продольном разрезе; на фиг.2 и 3 показаны варианты исполнения уплотнительного элемента.

Шарнирный переводник включает корпус 1 и полый вал 2, полый вал имеет сферическую опорную пяту 3, на которой выполнены наружные зубья 4, находящиеся в зацеплении с внутренними зубьями корпуса 5. В корпусе установлены подпятники в виде колец 6 и 7, имеющих сферические поверхности, контактирующие с поверхностью сферической опорной пяты полого вала. Шток 8 с уплотнением 9 установлен в корпусе и имеет хвостовик 10, размещенный в полости полого вала в зоне сферической опорной пяты, причем уплотнительный элемент 11, например, в виде манжеты установлен на хвостовике штока таким образом, что зона контакта уплотнения с поверхностью расточки сферической опорной пяты находится в плоскости, проходящей через центр сферической опорной пяты, перпендикулярно оси шарнирного переводника.

Это обеспечивает минимальное расстояние от центра сферической опорной пяты до зоны контакта уплотнения и, следовательно, минимальные перемещения уплотнения относительно поверхности расточки сферической опорной пяты.

На фиг. 2 показан вариант исполнения манжеты 11 армированной металлическим кольцом 12, препятствующим выдавливанию манжеты в зазор. Такое исполнение манжеты целесообразно при работе с высоким перепадом давлений, например, при использовании в компоновке выше забойного двигателя.

На фиг. 3 показан вариант выполнения уплотнения в виде кольца 11, установленного в канавке на расточке сферической опорной пяты.

Такое выполнение уплотнения обеспечивает больший диаметр проходного сечения канала штока, который может обеспечить проход в канале штока приводного вала двигателя, например, при установке в забойном двигателе между двигательной секцией и шпинделем.

Работа устройства происходит следующим образом. Корпус 1 и полый вал 2 соединяются с элементами бурильной колонны, например с забойным двигателем и бурильной трубой. Двигатель под действием установленного на его корпусе центратора или другого технологического элемента отклоняется от оси бурильной трубы, при этом сферическая опорная пята 3 поворачивается вокруг своего центра на угол, определяемый углом отклонения двигателя. Осевая нагрузка с бурильной колонны передается через кольца 6,7 со сферической поверхностью на сферическую опорную пяту 3 и далее на забойный двигатель и долото. Промывочная жидкость по каналу штока попадает в полость полого вала и далее в забойный двигатель, при этом уплотнительный элемент 11 препятствует утечке промывочной жидкости в затрубное пространство.

При использовании этого узла в компоновке с забойным двигателем, когда перепад давлений может достигать 5-8 МПа, целесообразно использовать в качестве уплотнительного элемента 11 манжету, армированную металлическим кольцом 12, препятствующим выдавливанию манжеты в уплотняемый зазор. При этом необходимо более жестко ограничить перемещения манжеты и изменения уплотняемого зазора, поэтому уплотняемый зазор между армирующим элементом манжеты и поверхностью полого вала должен располагаться на расстоянии не более 1/8 радиуса уплотняемой поверхности от перпендикулярной плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты.

В компоновках с низким перепадом давлений до 1-2 МПа, например, при установке шарнирного переводника в забойном двигателе между двигательной секцией и шпинделем, когда необходимо пропускать через переводник поток жидкости и приводной вал двигательной секции, для увеличения проходного сечения штока, уплотнительный элемент 11 целесообразно разместить в канавке на внутренней поверхности полого вала, при этом конструктивно уплотнительный элемент можно выполнить в виде кольца круглого сечения. Учитывая малые размеры сечения уплотнительного элемента, для обеспечения надежной работы уплотнения, он должен располагаться на расстоянии не более 1/8 радиуса уплотняемой поверхности от перпендикулярной плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты.

Преимуществом заявляемого устройства по сравнению с известным является его высокая надежность работы за счет уменьшения износа уплотнительного элемента, повышение его несущей способности, что значительно увеличивает срок службы заявляемой буровой техники.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при бурении наклонно направленных скважин и боковых стволов в качестве шарнирного соединения бурильной колонны или забойного двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что шарнирный переводник состоит из корпуса, полого вала со сферической опорной пятой, при этом корпус и полый вал выполнены с контактирующими элементами для передачи крутящего момента. Устройство снабжено установленным в корпусе полым штоком с уплотнением. Полый шток имеет хвостовик, который размещен в полости полого вала, а уплотнительный элемент размещен на хвостовике штока на расстоянии не более 1/4 радиуса уплотняемой поверхности от плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты и перпендикулярной оси полого вала. Изобретение позволяет повысить надежность работы устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Шарнирный переводник, содержащий корпус и полый вал со сферической опорной пятой, снабженные контактирующими элементами для передачи крутящего момента, например зубьями, сферические подпятники установленные в корпусе, уплотнительный элемент, отличающийся тем, что он снабжен установленным в корпусе полым штоком с уплотнением, хвостовик которого размещен в полости полого вала, а уплотнительный элемент размещен на хвостовике штока на расстоянии не более 1/4 радиуса уплотняемой поверхности от плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты и перпендикулярной оси полого вала. 2. Шарнирный переводник по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент выполнен в виде армированной манжеты, причем уплотняемый зазор между армирующим элементом манжеты и поверхностью полого вала размещен на расстоянии не более 1/8 радиуса уплотняемой поверхности от плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты и перпендикулярной оси полого вала. 3. Шарнирный переводник по п. 1, отличающийся тем, что уплотнительный элемент выполнен в виде кольца круглого сечения, установленного в канавке на внутренней поверхности полого вала на расстоянии не более 1/8 радиуса уплотняемой поверхности от плоскости, проходящей через центр сферы опорной пяты и перпендикулярной оси полого вала.