УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН Советский патент 1995 года по МПК E02F5/18 

Изобретение относится к строительному и горному делу и может быть использовано для образования криволинейных скважин малого диаметра.

Цель изобретения повышение эффективности образования скважин малого сечения при одновременном повышении надежности работы и ремонтопригодности.

На фиг.1 изображено устройство для образования скважин, разрез; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.4 сечение В-В на фиг.1; на фиг.5 сечение Г-Г на фиг.1; на фиг.6 сечение Д-Д на фиг.5; на фиг. 7, 8 варианты исполнения механизма блокировки; на фиг.9-11 варианты исполнения карданного шарнира.

Устройство для образования скважин содержит рабочий орган, состоящий из передней 1 и задней 2 секций, связанных между собой через управляемый отклонитель. На передней секции 1 установлена буровая головка 3. Задняя секция 2 имеет корпус 4 в виде полой трехгранной призмы, на внешних поверхностях которой закреплены сегменты 5 сфер. Три сегмента 5, закрепленных на одном поперечном сечении, составляют сферический опорный элемент. Всего на задней секции установлено два опорных элемента передний 6 и задний 7. В центральной полости призматического корпуса 4 размещен гибкий шланг 8 для удаления шлама и кабели 9 питания.

Габаритные размеры поперечного сечения передней и задней секции равны между собой, а опорные элементы имеют больший размер, равный диаметру рабочего органа и, следовательно, диаметру образуемой скважины. Таким образом, передняя секция размещена в скважине с зазором, опорные элементы опираются на стенки скважины, а вся задняя секция 2 с опорными элементами является опорой для консольной передней секции 1.

Управляемый отклонитель содержит три двойных карданных шарнира, размещенных равномерно через 120^о. Каждый карданный шарнир содержит входное звено 10, первое промежуточное звено 11, второе промежуточное звено 12 и выходное звено 13. Входное звено 10 выполнено в виде серьги с двумя щеками, звено 12 в виде серьги с двумя щеками с каждого конца, звено 11 в виде плоской серьги, помещенной между щеками звеньев 10 и 12, а выходное звено 13 имеет плоский конец, помещенный между щеками серьги 12. Оси 14 соединений выходных звеньев 13 и вторых промежуточных звеньев 12 расположены по радиусу устройства. Оси 15 соединений промежуточных звеньев 12, 11 и оси 16 соединений первых промежуточных звеньев 11 и входных звеньев 10 перпендикулярны осям 14.

Выходные звенья 13 связаны с передней секцией 1, а входные звенья 10 с ее задней секцией 2 силовыми элементами. По вершинам призматического корпуса 4 задней секции 2 жестко закреплены полуцилиндрические основания 17, в которых в районе заднего опорного элемента 7 установлены силовые элементы, содержащие моторы-редукторы 18, и полые цилиндры 19 дифференциально-винтовых механизмов. С валом мотора-редуктора жестко связан торсионный вал 20, на другом конце которого по шлицевой посадке установлен винт 21, имеющий на концах резьбу разного шага. На внутренней поверхности цилиндра 19 выполнена резьба 22, взаимодействующая с одной резьбой винта 21. С других концов цилиндров 19 в них установлены по подвижной вдоль и вокруг продольной оси посадке хвостовики входных звеньев 10 карданных шарниров. Хвостовики звеньев 10 имеют внутреннюю полость с резьбой, в которой установлены вторые концы винтов 21. Винт 21 с цилиндром 19 и хвостовиком звена 10 образуют дифференциально-винтовой механизм.

С корпусом секции 1 рабочего органа жестко связан толстостенный корпус 23 механизма блокировки с выполненными в его теле различными расточками для установки элементов.

На корпусе секции 1 жестко закреплен кольцевой электромагнит 24, напротив которого размещен якорь, выполненный в виде пластины 25 с тремя продольными клиньями 26. Клинья 26 установлены в продольных вырезах 27 корпуса 23. Клинья расположены равномерно по окружности через 120^о. Пластина 25 связана с внутренними торцами вырезов 27 пружинами 28.

В корпусе 23 выполнены продольные прямоугольные отверстия 29, в которых размещены концы выходных звеньев 13 карданных шарниров. На концах звеньев 13 выполнены бурты 30, размещенные в кольцевой проточке 31 корпуса 23. В корпусе 23 выполнена также кольцевая проточка 32, в которой установлены сухари 33, выполненные в виде кольцевых секторов. Всего установлено шесть сухарей по два для каждого выходного звена 13. На концах выходных звеньев 13 с боковых сторон выполнены вырезы 34, в которые входят концами сухари 33. Каждая пара сухарей 33, относящаяся к соседним звеньям 13, связана между собой пружиной 35. Клинья 27 находятся также между этими сухарями 33.

Механизм блокировки может быть выполнен по другому, упрощенному варианту (фиг.7, 8). В нем также имеется кольцевой электромагнит 24, а якорями служат торцы выходных звеньев 13 карданных шарниров. Для улучшения сцепления и для предотвращения вращения звеньев 13 на их торцах установлены башмаки 36, выполненные в виде кольцевых секторов. На концах звеньев 13 выполнены бурты 37, а на корпусе 23 упоры 38. Звенья 13 находятся также в отверстиях 29 корпуса 23.

Двойные карданные шарниры также могут быть выполнены по другому варианту, обеспечивающему наиболее близкое расположение осей соединений звеньев друг к другу (фиг.9-11).

Шарнир также содержит входное звено 10, два промежуточных звена и выходное звено 13. Входное звено 10 выполнено в виде вилки, в щеках которого по подвижной посадке установлено первое промежуточное звено. Оно выполнено в виде двух эксцентричных втулок 38, 39. Между щеками звена 10 с возможностью вращения вокруг оси поперечного сечения шарнира установлено второе промежуточное звено 40, имеющее шипы 41, 42, которые установлены по ходовой посадке в отверстиях втулок 38, 39. Таким образом оси соединений выходного звена с первым промежуточным звеном и между промежуточными звеньями параллельны между собой и смещены относительно друг друга на величины ε. Звено 40 связано посредством пальца 43 с выходным звеном 13 шарнира, причем ось этого соединения перпендикулярна осям предыдущих соединений. В устройстве шарниры устанавливаются таким образом, чтобы ось пальца 43 находилась на радиусе устройства.

Устройство работает следующим образом.

Для обеспечения проходки скважин необходимо заблокировать (зафиксировать) выходные звенья 13 карданных шарниров, чтобы они были жестко связаны с передней секцией 1 корпуса рабочего органа.

Для этого на электромагнит 24 подается электрический ток и пластина 25 якорь притягивается к нему. При этом клинья 26 раздвигают сухари 33, которые входят в вырезы 34 на концах выходных звеньев 13, фиксируя их от осевого перемещения. Пружины 35 растягиваются. Пружины 28 также растянуты. Удерживание в таком состоянии выходных звеньев 13 происходит до отключения от питания электромагнита 24.

По второму варианту исполнения блокировочного устройства при включении электромагнита 24 происходит притягивание и фиксирование хвостовиков звеньев 13 вместе с башмаками 36.

При проходке прямолинейных участков скважины винты 21 приводов всех трех карданных шарниров одинаково ввинчены во входные звенья 10, т.е. карданные шарниры имеют одинаковую длину. Благодаря тому, что оси 14 соединений звеньев карданных шарниров расположены по радиусу, т.е. в разных плоскостях, под углом друг к другу, то система из трех карданных шарниров представляет собой жесткую конструкцию, не подвергающуюся "излому" в тот момент, когда по плоскости забоя возникают различные реактивные усилия вследствие появления на забое, например, твердых включений и не происходит искривления скважины.

При необходимости начала выполнения криволинейного участка скважины производится изменение длины одного или двух шарниров путем втягивания или выдвигания входного звена 10 этого шарнира в цилиндр 19 или из него. Для этого включается мотор-редутор 18, вращение от вала которого передается торсионному валу 20 и связанному с ним винту 21. Вращение винта 21 вызывает его линейное перемещение по резьбе 22 и внутренней резьбе входного звена 10. Так как шаги резьбы винта на его концах разные, то звено получает линейное перемещение, за счет чего изменяется длина этого карданного шарнира.

Изменение длины одного шарнира вызывает угловое отклонение звеньев относительно друг друга во всех шарнирах и отклонение жестко связанных с ними передней и задней секций рабочего органа.

При изменении длины одного из карданных шарниров происходит отклонение звеньев по осям 14-16 относительно друг друга во всех шарнирах. Так, при необходимости отклонения передней секции рабочего органа вниз (по чертежу) необходимо увеличить длину верхнего (по чертежу) карданного шарнира. Для этого описанным способом выдвигают выходное звено 10 этого шарнира. При выдвижении звена 10 оно через ось 16 воздействует на первое промежуточное звено 11, которое воздействует через ось 15 на второе промежуточное звено 12, а оно в свою очередь через ось 14 воздействует на выходное звено 13 и жестко связанный с ним торец передней секции.

Т. е. эта область секции испытывает дополнительно осевое усилие, вызывающее отклонение всей секции в направлении вниз.

В верхнем шарнире происходит отклонение промежуточных звеньев 12, 11 по осям 15, 16. По оси 14 отклонения звена 13 не происходит, и звенья 12, 13 составляют одно жесткое звено, наклоненное вниз передней частью.

В других шарнирах происходит отклонение звеньев по всем осям 14-16. При этом оси 15 уходят внутрь устройства. Возникающие в этих карданных шарнирах тангенциальные усилия заставляют входные звенья 10 этих шарниров поворачиваться вокруг осей. Это возможно благодаря установке их в цилиндрах по подвижной посадке.

При необходимости отклонения влево длина нижнего левого шарнира оставляется без изменения, а удлиняются на расчетную длину верхний и правый нижний шарниры путем выдвижения звеньев 10. При этом поворот звеньев относительно друг друга происходит по осям: 1) в верхнем шарнире звена 13 по оси 14; 2) в нижнем правом по всем осям; 3) в нижнем левом по всем осям. Т.е. применение двойных карданных шарниров с взаимно перпендикулярными осями позволяет производить отклонение в любом направлении.

При постоянном воздействии на рабочий орган податчика (на чертеже не показан) происходит постепенное и плавное, связанное с величиной продвижения вперед, отклонение в заданное направление передней секции и образование криволинейного участка скважины. При этом передняя секция 1 занимает в скважине асимметричное положение, возможное благодаря наличию зазора между ее корпусом и стенками скважины. Задняя секция также изменяет свое положение в скважине, а опорные элементы, благодаря их сферической форме, обкатываются по стенкам скважины, обеспечивая их постоянный контакт. Крутящий реактивный момент, возникающий при отклонении передней секции, воспринимается стенками скважины через опорные элементы. Возможность углового отклонения передней и задней секций относительно продольной оси скважины в ее полости дает возможность производить отклонение передней секции на значительную величину и получать скважины с небольшими радиусами искривления.

При работе карданных шарниров по второму варианту отклонение звеньев шарниров 10, 38-40, 13 происходит по эксцентричным втулкам 38 и 39, шипам 41, 42 и пальцам 43. Работа этих шарниров аналогична работе шарниров по первому варианту. Однако этот шарнир имеет более короткую длину благодаря сближению осей шипа 41, втулки 38 и пальца 43 и обеспечивает большую жесткость шарнира при проходке скважины с большими осевыми усилиями.

После выполнения необходимого поворота и перехода снова на прямолинейную траекторию включается вновь мотор-редуктор 18, но в обратном направлении. При этом происходит обратное перемещение звена 10 карданного шарнира до установки его в первоначальное положение, одинаковое с положением этих звеньев остальных шарниров.

Торсионные валы 20 служат амортизаторами и поглощают кинетическую энергию вращающихся элементов, прежде всего ротора мотора-редуктора, уменьшая закручивающий момент. Этим предотвращается заклинивание винтового механизма в момент, когда входное звено 10 доходит до какого-либо крайнего положения.

При необходимости вывода устройства из криволинейной глухой скважины, например, для замены или ремонта рабочего органа, производится разблокировка (расфиксирование) выходных звеньев 13 карданных шарниров. Для этого отключают от питания электромагнит 24, и пластина-якорь 25 оттягивается от него за счет сил пружин 28. При этом клинья 26 перемещаются вперед по вырезам 27 корпуса 23, а освобожденные от действия клиньев соседние сухари 33 сводятся пружинами 35. Сухари 33 выводятся из вырезов 34 на боковых поверхностях выходных звеньев 13 карданных шарниров, освобождая при этом звенья, которые могут свободно совершать осевые перемещения в отверстиях 29. Бурты 30 на концах звеньев предотвращают выход последних из отверстий 29. Осевые перемещения выходных звеньев происходит автоматически при движении устройства по криволинейным участкам в зависимости от величины кривизны и направления искривления.

По второму варианту исполнения при отключении питания на электромагните 24 якори-башмаки 36 выходных звеньев освобождаются от действия притягивающих сил и звенья могут совершать осевые перемещения, необходимые при движении устройства по криволинейным участкам. Бурты 37, башмаки 36 и упоры 38 предотвращают выход звеньев 13 из отверстий 29.

При расфиксированном положении выходных звеньев 13 карданных шарниров происходит и ввод устройства в скважину для продолжения работы после ремонта рабочего органа. По достижении рабочим органом забоя подается питание на электромагнит 24, происходит притягивание якоря 25 и блокировка от осевого перемещения выходных звеньев 13 карданных шарниров. Устройство вновь готово к работе.

По сравнению с прототипом изобретение может иметь меньший поперечный габарит, благодаря исполнению шарнирного механизма в виде нескольких карданных шарниров, установленных равномерно по периферии и имеющих в сумме меньшую площадь поперечного сечения, чем шаровые шарниры, используемые в прототипе.

Это позволяет использовать устройство для образования скважин малого диаметра. Такое выполнение шарнирного механизма оставляет свободными значительные площади поперечного сечения, в которых можно размещать другие элементы, например, кабели питания, приводы буровой головки, различные датчики и т.д.

Изобретение относится к горному делу и строительству и м. б. использовано для образования криволинейных скважин малого сечения. Цель изобретения повышение эффективности образования скважин малого сечения при одновременном повышении надежности работы и ремонтопригодности. Рабочий орган выполнен в виде передней 1 и задней 2 секций. Они связаны посредством управляемого отклонителя в виде шарнирного механизма. Буровая головка 3 закреплена на передней секции 1. Шарнирный механизм выполнен в виде установленных соосно силовым элементам двойных карданных шарниров с входными 10 и выходными 13 звеньями, соединенными осями с промежуточными звеньями 11, 12. Входные звенья жестко связаны с передней секцией 1 буровой головки. Выходные звенья 13 установлены на задней секции 2 по подвижной вдоль и вокруг продольной оси посадке. Они связаны с силовыми элементами. Часть осей соединений входных и промежуточных шарниров установлена радиально, а остальные оси ориентированы перпендикулярно к ним. Механизм блокировки шарниров содержит электромагнит. При подаче устройства буровая головка 3 разрабатывает забой и устройство перемещается по образуемой скважине. В случае необходимости поворота включаются моторредукторы силовых элементов и длина соответствующего шарнира изменяется, при этом остальные шарниры автоматически принимают нужное положение. После прохождения криволинейного участка шарниры принимают исходные размеры. 2 з. п. ф-лы, 11 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН включающее рабочий орган, выполненный в виде передней и задней секций, связанных посредством управляемого отклонителя в виде шарнирного механизма и размещенных равномерно на задней секции параллельно оси устройства силовых элементов и буровую головку, связанную с передней секцией, отличающееся тем, что с целью повышения эффективности образования скважин малого сечения при одновременном повышении надежности работы и ремонтопригодности, шарнирный механизм выполнен в виде установленных соосно силовым элементам двойных карданных шарниров с входными и выходными звеньями, соединенными осями с первыми и вторыми промежуточными звеньями, причем выходные звенья жестко связаны с передней секцией буровой головки, а входные звенья установлены на задней секции с возможностью поворота и перемещения относительно ее продольной оси и связаны с силовыми элементами, при этом часть осей соединений входных и промежуточных звеньев установлена радиально, а остальные оси ориентированы перпендикулярно к ним. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по крайней мере одно из выходных звеньев выполнено в виде вилки со щеками, причем первое промежуточное звено выполнено в виде двух эксцентричных втулок, а второе промежуточное звено выполнено с шипами для взаимодействия с полостями втулок по подвижной посадке с возможностью вращения вокруг оси поперечного сечения шарнира, связано шарнирно с вторым выходным звеном и установлено между щеками первого выходного звена, которые связаны с первым промежуточным звеном с возможностью вращения последнего вокруг оси. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено с механизмом блокировки в виде электромагнита, а выходные звенья карданных шарниров, связанные с передней секцией рабочего органа, установлены с возможностью осевого перемещения и фиксации посредством электромагнита, при этом последний закреплен на передней секции.