Устройство для бурения Советский патент 1980 года по МПК E21B17/06 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ

1

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к предохранительным устройствам бурового става при вращательном бурении преимущественно взрывных скЕажин.

Известны устройства для бурения, включающие корпус, узел распределения и перераспределения осевой нагрузки, выполненный в виде шарового сегмента, секций с шарошками и толкателями, закрепленных в корпусе с возможностью осевого перемещения 1.

Основным недостатком этих устройств является сложность и недостаточная надежность, поскольку они требуют для своей работы специализированных долот с подвижными секциями. Способствуя повышению стойкости долота, эти устройства недостаточно эффективны для снижения вибраций бурового става, в связи с отсутствием угловой подвижности долота относительно оси буровых штанг.

Известно устройство для бурения, включающее корпус с закрепленным на нем долотом, вал, установленный с зазором в корпусе, упругий элемент и размещенный между валом и корпусом щарнир с опорными поверхностями для передачи осевого усилия и рабочими поверхностями, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях, для передачи крутящего момента 2,

Недостатком этого устройства является 5 то, что при угловых перемещениях вала относительно корпуса расстояние от его опорной поверхности для передачи осевого усилия изменяется, что приводит к возбуждению продольных колебаний бурового става. Кроме того, вал может совершать только плос0 ко симметричные колебания вокруг центра шарнира, в то время как долото совершает пространственные колебания в своей опорной плоскости, т.е. плоскости забоя, имея на ней свой мгновенный центр поворота. На.J личие плеча между центром вращения шарнира и мгновеннБш центром поворота долота приводит к запиранию устройства с образованием поперечной изгибаюшей силы, проложенной к центру вращения щарнира, что в конечном счете и препятствует полному совмещению зубьев долота с плоскостью забоя. При этом поворот шарнира возможен только со смещением его центра, что также возбуждает дополнительные колебания бурового става.

lJ,e,ib изобретения - повышение эффективности бурения за счет снижения уровня вибраций от долота и равномерной загрузки luapOHieK долота осевым усилием.

Указанная цель достигается тем, что шарнир выиолнеи из секций, размещенных друг над другом, причем контактирующие между собой онорные поверхности секций имеют криволинейную форму, которая может быть образована радиусом, исходящим из точки пересечения оси долота с осями шарошек.

Рабочие поверхности для передачи крутящего момента могут быть размещены вдоль дуг опорных поверхностей секций шарнира, которые могут и.меть упругие прокладки.

Криволинейная форма контактирующих между собой опорных поверхностей секций шарнира может быть образована радиусом, исходящим из середины сторон периметра, образованного точками касания горизонтальной плоскости к описывающим окружностям зубьев периферийных венцов щарошек. Число опорных поверхностей, образуемых секциями шарнира, кратно числу шарошек долота.

На фиг. 1 изображена схема устройства для бурения, продольный разрез: на фиг. 2 разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 - вариант устройства; на фиг. 4 -разрез Б-Б фиг. 3; на фиг. 5-разрез В-В фиг. 3; на фиг. 6 - схемы, поясняющие ностроение радиусов кривизны контактирующих между собой поверхностей секций щарнира по фиг. 3.

Устройство содержит вал 1, установленнь й с зазором в корпусе 2, на котором закреплено долото 3, упругий элемент 4, установленный в торцовом зазоре между валом 1 и корпусом 2 и удерживаемый упорной гайкой 5. В радиальном зазоре между валом и корпусом установлен упругий элемент 6, который центрирует вал относительно корпуса при его угловых перемещениях. Между валом 1 и корпусом 2 размещен шарнир 7, выполненный из секций 8-10 (см. фиг. 1) с контактирующими между собой опорными поверхностями С, D криволинейной формы, образованной радиусами Ri и Кг,исходящими из точки пересечения оси долота с осями щарощек или из секций 11 -14 (см. фиг. 3) с контактирующими между собой опорными поверхностями Е, F, G криволинейной формы, образованной радиусами R J, R + и R 5, исходящими из середины сторон периметра, образованного точками касания горизонтальной плоскости к описывающим окружностям зубьев периферийных венцов шарошек (см. фиг. 6). Центры О( , О г, Оз смещены от центров сторон треугольника ИКЛ на некоторый эксцентриситет fi, fa в вертикальной и горизонтальной плоскостях, который совмещен с прямой, проходящей через описывающую окружность периферийного венца параллельно касательной плоскости Р.

Опорные поверхности С, D, Е, F и G могут быть выполнены как в виде шаровых.

так и в виде цилиндрических сегментов, причем образующие цилиндров с радиуса.ми R и 2 размещены во взаимно перпендикулярных плоскостях, а образующие цилиндров с радиусами Rs, и Rj размещены перпендикулярно плоскостям вращения радиусов, проходящим через середины сторон периметра И, К, Л и ось устройства. Выполнение поверхностей цилиндрическими является предпочтительным, поскольку промежуточные элементы для переха.ачи крутящего момента (вкладыши, размещенные в пазах) остаются практически разгруженными от крутящего момента, который передается в этом случае зацеплением в цилиндрических поверхностях и силой трения в них. Функции вкладышей 15 в этом случае сводятся к ограничению скольжения по образующим цилиндра секций 8-14 относительно друг друга, а также в обеспечении зацепления при перегрузках устройства крутящим моментом сверх расчетной величины.

Эксцентриситет ft, fa способствует повышению чувствительности устройства и снижению сил вредных сопротивлений, так как обеспечивает более точное совпадение оси поворота шарнира с фактической мгновенной осью поворота долота.

Крутящий момент от вала 1 передается долоту через вкладыши 15; пальцы 16 и переводник 17. При этом поверхности пальцев 16 и вкладыщей 15 взаимодействуют с O рабочими поверхностями шарнира (см. фиг.1), расположенными вдоль опорных поверхностей шарнира или в плоскостях, параллельных осям шарошек (см. фиг. 3). Опорные поверхности секций шарнира 7 имеют упругие прокладки 18 (упругие прокладки установленные между опорны 1и поверхностями С, D, Е, F и G условно не показаны).

В зазоре между секциями шарнира 7 и корпусом 2 установлены кольцевые прокладки 19, центрирующие секции щарнира.

Устройство работает следующим образо.м. При вращении щарощечного долота под нагрузкой с разрушением забоя опорная поверхность долота непрерывно совмещается с поверхностью разрушае.мого забоя путем смещений в опорных поверхностях шарнира с указанной кривизной, причем вертикальных перемещений центра шарнира при колебаниях плоскости забоя не происходит за счет того, что вращение щарнира осуществляетд ся по радиусам, близким центру поворота, при этом размещение рабочих поверхностей для передачи крутящего момента вдоль опорных поверхностей обеспечивает свободный ход опорных поверхностей по радиусам скольжения, поскольку смещение в каждой

5 из опорных поверхностей происходит параллельно вкладышам. Возможные неточности положения щарнира относительно центра поворота компенсируются смещениями в упругих прокладках.

Таким образом, указанное вып олнение шарнира обеспечивает пространственное перемещение долота на некоторый телесный угол, определяемый зазором между валом и корпусом, с центром поворота, совмещенным с центром поверхности забоя.

При угловых и осевых отклонениях вала относительно корпуса в упругом элементе 4 возникает упругая сила, центрирующая вал относительно корпуса. В процессе бурения ось стабилизатора несколько смещается от оси буровых щтанг не только в угловом направлении, но и параллельно ей, на величину зазоров «е, между вкладыщами 15 и пазами, в которых они размещены. Такое суммарное отклонение вызывает возникновение реакций, которые обеспечивают плотное прижатие щарошек к «углу забоя и создает эффект обкатывания щарощечным долотом стенки скважины. Причем, наиболее плотный контакт со станком осуществляется в плоскости изгиба буровых щтанг. Одновременно на буровой став действует восстанавливающая сила упругого элемента 6, которая создает восстанавливающий изгибающий момент. Смещение низа бурового става способствует сближению его центра тяжести с гео.метрической осью вращения. Указанные выше перемещения осуществляются в плоскости прогиба бурового вала за счет пространственной подвижности щарнира с минимальными сопротивлениями в нем.

Экономическая эффективность применения устройства обусловлена тем, что при вращении долота вертикальные и поперечные колебания существенно снижаются, а опоры долота загружаются более равномерно,при это.м шарощечное долото можно эксплуатировать при более высокой осевой нагрузке, увеличение которой обеспечит повыщение скорости бурения с одновременным повыщением стойкости долота. Формула изобретения

установленный с зазором в корпусе, упругий элемент и размещенный между валом и корпусом щарнир с опорными поверхностями для передачи осевого усилия, и рабочими поверхностями, для передачи крутящего мо мента, отличающееся тем, что, с целью повыщения эффективности бурения за счет снижения уровня вибраций от долота и равномерной загрузки щарощек долота осевым усилием, щарнир выполнен из секций, размещенных друг над другом, причем конт ктяр -юп1ие между собой опорные поверхности секций имеют криволинейную .

зубьев периферийных венцов щарощек.

JИсточники информации,

принятые во внимание при экспертизе

А-А

иг.1

Фиг. Z

Риг,.5