Патент на изобретение №2333342

(54) ШАРОШЕЧНЫЙ КАЛИБРАТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к опорно-центрирующим и калибрующим устройствам низа бурильной колонны, и может быть использовано при бурении скважин. Обеспечивает повышение надежности и работоспособности устройства при выравненном рабочем ресурсе опор и вооружения шарошек. Калибратор содержит корпус 1 с центральным каналом 9 и продольными пазами на боковой поверхности. В пазах размещены шарошки 2 с цапфами 3 фигурной формы, находящиеся во вкладышах 7 с прорезями для взаимодействия с опорными кольцами 8, жестко соединенных с корпусом 1. Торцевые части каждой цапфы 3 выполнены в виде цилиндров 4,5. Диаметр поперечного сечения цилиндров 4 больше, чем диаметр поперечного сечения цилиндров 5. Средние части 6 выполнены в виде усеченного конуса. Цапфы 3 установлены с возможностью взаимодействия внешних поверхностей концевых цилиндров с внутренними цилиндрическими поверхностями вкладышей 7, а внешней поверхности средних частей 6 цапф 3 – с внешними коническими поверхностями опорных колец 8. Конические поверхности средних частей 6 цапф 3 и наружных поверхностей опорных колец 8 имеют одинаковый угол конусности, 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к опорно-центрирующим и калибрующим устройствам низа бурильной колонны, и может бать использовано при бурении скважин.

Известен шарошечный калибратор с продольными глухими пазами в корпусе, шарошки которого выполнены заодно с цапфами, размещенными во вкладышах («Разведка и охрана недр». М., 1974, №10, стр.36).

Недостатком данного калибратора является малый рабочий ресурс цапф шарошек по сравнению с рабочим ресурсом их вооружения, что приводит к преждевременному износу калибратора и выходу его из строя при вполне работоспособном вооружении шарошек.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату к настоящему изобретению является шарошечный калибратор, содержащий корпус с центральным каналом и глухими продольными пазами на боковой поверхности, в которых размещены шарошки с цапфами, установленные во вкладышах с прорезями для взаимодействия с опорными кольцами и жестко соединенные с корпусом (а.с. СССР №1108190, МКИ Е21/В 10/30, опубл. БИ №30, 1984).

Наиболее существенным недостатком данной конструкции является невозможность поддержания номинального диаметра скважины в течение всего рейса из-за износа опорных поверхностей цапф, вкладышей и колец. В результате калибратор теряет диаметр и снимается с отработки при неполном износе вооружения.

К недостаткам этого калибратора также относится недостаточная прочность из-за выполнения продольных пазов в корпусе сквозными, необходимость включения в конструкцию центральной втулки, которая обеспечивает подачу очистного агента к породоразрушающему инструменту, что также отрицательно влияет на прочностные характеристики колец, взаимодействующих с цапфами шарошек. Кроме того, не исключена возможность заклинивания колец, которые должны свободно проворачиваться от взаимодействия с цапфами, из-за значительных сил трения, возникающих при контакте колец с центральной втулкой.

Технический эффект, ожидаемый от использования изобретения, заключается в повышении надежности и работоспособности шарошечного калибратора и выравнивании рабочего ресурса опор и вооружения шарошек.

Указанный технический эффект достигается тем, что в шарошечном калибраторе, содержащем корпус с центральным каналом и глухими продольными пазами на боковой поверхности, в которых размещены шарошки с цапфами, установленные во вкладышах с прорезями для взаимодействия с опорными кольцами и жестко соединенные с корпусом, цапфы шарошек имеют фигурную форму, их торцевые части выполнены в виде цилиндров, причем диаметр поперечного сечения цилиндра, находящегося на одном конце больше, чем диаметр поперечного сечения цилиндра, находящегося на другом конце, а средняя часть выполнена в виде усеченного конуса, при этом цапфы установлены с возможностью взаимодействия внешних поверхностей концевых цилиндров с внутренними цилиндрическими поверхностями вкладышей и внешней поверхности средней части – с внешними коническими поверхностями опорных колец, при этом внешняя поверхность средней части цапфы и внутренняя коническая поверхность опорных колец имеют одинаковый угол конусности, и тем, что меньшие основания усеченных конусов цапф шарошек обращены в направлении устья, а большие основания усеченных конусов обращены к забою скважины. Технический эффект достигается еще и тем, что меньший диаметр конусной поверхности опорных колец обращен в сторону забоя, а больший – к устью скважины.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен калибратор в разрезе, на фиг.2 – сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 – сечение Б-Б на фиг.1.

Калибратор состоит из корпуса 1, шарошек 2 с фигурными цапфами 3, расположенными в одной плоскости под углом 120° относительно друг друга.

Торцевые части каждой из фигурных цапф 3 шарошек 2 выполнены в виде цилиндров 4 и 5, причем диаметр поперечного сечения цилиндра 4 больше, чем диаметр поперечного сечения цилиндра 5. Средняя часть 6 выполнена в виде усеченного конуса. Цапфы 3 шарошек 2 размещены с возможностью вращения в жестко соединенных посредством сварки с корпусом 1 вкладышах 7 и опорных кольцах 8. В корпусе калибратора 1 выполнен центральный канал 9 для прохода очистного агента на забой скважины. Между верхними торцами цилиндров 5 фигурных цапф 3 и внутренними стенками вкладышей 7 имеются компенсационные зазоры 10. Для соединения калибратора с породоразрушающим инструментом и буровым снарядом использованы переходники 11 и 12.

Для установки шарошек 2 с вкладышами 7, выполняющих роль опор скольжения, в корпусе калибратора выполнены три глухих паза 13 (см. фиг.3). Цилиндры 4 фигурных цапф 3 своей внешней поверхностью прилегают к телу шарошек 2 и размещены в передней части вкладышей 7, а цилиндры 5 фигурных цапф 3 размещены в задней части вкладышей 7. Выполнение цилиндрических поверхностей фигурных цапф 3, а соответственно и вкладышей 7, различного диаметра вытекает из необходимости свободного перемещения большего основания средней части 6 фигурных цапф 3, которая выполнена в виде усеченного конуса, в направлении устья скважины.

Опорные кольца 8 установлены в прорезях вкладышей 7, которые ограничивают их перемещение в вертикальной плоскости, и своими коническими поверхностями взаимодействуют с поверхностью средней части 6 фигурных цапф 3 шарошек 2 по принципу подшипников качения.

В теле корпуса 1 калибратора выполнены монтажные отверстия 14 и 15 с резьбой для соединения с переходниками 11 и 12 имеющими резьбу с шагом, равным шагу резьбы монтажных отверстий 14 и 15.

Из практики отработки шарошечных долот известно, что после проходки определенного интервала скважины долота теряют первоначальный диаметр. Это приводит к сужению призабойного участка скважины, что особенно заметно при бурении крепких горных пород. В результате при спуске в скважину нового долота ему приходится разбуривать этот зауженный интервал, что весьма отрицательно сказывается как на работе долота, которое дойдя до забоя уже теряет часть своего рабочего ресурса из-за износа периферийного вооружения, так и на технологии бурения скважины, т.к. процесс разбуривания требует дополнительных затрат времени и связан с возможностью возникновения аварийной ситуации.

Применение калибратора в значительной степени сокращает зауженный интервал скважины и увеличивает среднюю износостойкость шарошечного долота примерно на 25-30%.

Шарошки калибратора вступают в работу после того, как долото потеряет первоначальный диаметр даже на незначительную величину. В начальный момент работы предлагаемого калибратора в контакте находятся только цилиндрические части фигурных цапф 3 шарошек 2 (фиг.1), представляющие собой опоры скольжения, на которые действует сила реакции со стороны стенок зауженной скважины, направленная к оси калибратора. Конические поверхности фигурных цапф 3 шарошек 2 и опорных колец 8 не соприкасаются, т.к. между ними имеется минимальный зазор, предусмотренный конструкцией калибратора, исходя из условий его сборки.

Средняя часть 6 фигурных цапф 3, которая выполнена в виде усеченного конуса, и коническая поверхность колец 8 начнут взаимодействовать после того, как внешняя поверхность цилиндров 4 и 5 цапф 3 и сопряженные с ними цилиндрические поверхности вкладышей 7 износятся на величину, равную величине зазора между ними (на фиг.2 сечение А-А на фиг.1 показан один из моментов контакта конических поверхностей средней части 6 фигурных цапф 3 шарошек 2 и опорных колец 8). К этому моменту калибратор уже произведет определенную работу по калибровке стенок зауженной скважины.

После того как конические поверхности средней части 6 фигурных цапф 3 шарошек 2 и колец 8 вступят во взаимодействие, интенсивность износа опорных поверхностей цилиндров 4 и 5 фигурных цапф 3 шарошек 2 и вкладышей 7 заметно снизится, т.к. бóльшую часть работы примут на себя конические поверхности средней части 6 фигурных цапф 3 шарошек 2 и колец 8, которые работают по принципу подшипников качения, а не скольжения, как это имеет место у цилиндрических опорных поверхностей калибратора.

По мере износа уже всех трущихся поверхностей фигурных цапф 3 шарошек 2, вкладышей 7 и опорных колец 8, на которые помимо силы реакции со стороны стенок скважины действует еще и сила реакции от ее забоя, направленная к устью скважины, шарошки 2 будут стремиться сместиться в том же направлении, т.е. вверх от забоя. Благодаря тому, что конусности поверхностей средней части 6 фигурных цапф 3 шарошек 2 и опорных колец 8 направлены в противоположные стороны, шарошки 2 будут отжиматься в направлении стенок скважины вследствие того, что сила реакции с их стороны всегда меньше силы реакции со стороны забоя.

Такое смещение шарошек 2 будет происходить до тех пор, пока полностью не ликвидируются компенсационные зазоры 10 между верхними торцами цилиндров 5 фигурных цапф 3 шарошек 2 и внутренними стенками вкладышей 7. Иными словами, износ трущихся поверхностей фигурных цапф 3 шарошек 2, вкладышей 7 и опорных колец 8 будет компенсироваться постепенным поднятием шарошек по коническим поверхностям, сохраняя диаметр скважины в пределах первоначального диаметра долота более продолжительное время, чем это имеет место у известных калибраторов, а следовательно, и износостойкость его будет выше. К моменту предельного износа трущихся поверхностей фигурных цапф 3 шарошек 2, сопряженных с ними поверхностей вкладышей 7 и опорных колец 8, износ вооружения шарошек также достигнет максимально допустимой величины, т.е. произойдет выравнивание рабочих ресурсов опор и вооружения шарошек 2.

Исполнение пазов 13 глухими обеспечивает большую площадь поперечного сечения корпуса 1 калибратора в его опасном сечении, что в значительной степени снижает возможность его обрыва в скважине.

Сборка калибратора производится следующим образом.

В корпус 1 вставляются опорные кольца 8, затем в продольных пазах 13 корпуса 1 размещаются шарошки 2 с надетыми на их фигурные цапфы 3 вкладышами 7 до упора последних в донышки продольных пазов 13, после чего вкладыши 7 привариваются к корпусу 1. После этого переходники 11 и 12 навинчиваются на корпус калибратора 1. Калибратор готов к работе.

Таким образом, предлагаемое техническое решение калибратора имеет следующие преимущества перед известными:

1. Увеличивается рабочий ресурс цапф шарошек, обеспечивая большую износостойкость калибратора.

2. Выравниваются рабочие ресурсы опор и вооружения шарошек.

3. Более надежная конструкция корпуса гарантирует безаварийность работы в скважине.

Источники информации

1. «Разведка и охрана недр», м. 1974, №10, стр.36.

2. А.с. СССР №1108190, МКИ Е21/В 10/30, опуб. БИ №30, 1984 – прототип.

Формула изобретения

1. Шарошечный калибратор, содержащий корпус с центральным каналом и продольными пазами на боковой поверхности, в которых размещены шарошки с цапфами, находящиеся во вкладышах с прорезями для взаимодействия с опорными кольцами, жестко соединенных с корпусом, отличающийся тем, что цапфы шарошек имеют фигурную форму и торцевые части каждой цапфы выполнены в виде цилиндров, причем диаметр поперечного сечения цилиндров, находящихся на одном конце цапф, больше, чем диаметр поперечного сечения цилиндров, находящихся на другом конце, а средние части выполнены в виде усеченного конуса, при этом цапфы установлены с возможностью взаимодействия внешних поверхностей концевых цилиндров с внутренними цилиндрическими поверхностями вкладышей, а внешней поверхности средних частей цапф – с внешними коническими поверхностями опорных колец, при этом конические поверхности средних частей цапф и наружных поверхностей опорных колец имеют одинаковый угол конусности.

2. Шарошечный калибратор по п.1, отличающийся тем, что меньшие основания усеченных конусов цапф шарошек обращены в направлении устья, а большие основания усеченных конусов обращены к забою скважины.

3. Шарошечный калибратор по п.1, отличающийся тем, что меньший диаметр конусной поверхности опорных колец обращен в сторону забоя, а больший – к устью скважины.

РИСУНКИ