устройство для бурения скважин (варианты)

Формула изобретения

1. Устройство для бурения скважин, включающее шарошечное долото с опорой и замковым узлом, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, отличающееся тем, что каждая шарошка выполнена, по меньшей мере, в виде двух независимо вращающихся элементов: центрального и периферийного, при этом центральный элемент шарошки зафиксирован от осевого перемещения замковым узлом, а опора периферийного элемента выполнена в виде подшипника качения, составленная из тел качения разного диаметра, при этом часть тел качения меньшего диаметра выполнена с резиновой оболочкой, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения большего диаметра.

2. Устройство для бурения скважин, включающее шарошечное долото с опорой и замковым элементом, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, отличающееся тем, что каждая шарошка выполнена, по меньшей мере, в виде двух независимо вращающихся элементов: центрального и периферийного, при этом центральный элемент шарошки зафиксирован от осевого перемещения замковым узлом, а опора периферийного элемента выполнена в виде подшипника качения, составленная из тел качения одного диаметра, часть которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала.

3. Устройство для бурения скважин по п.2, отличающееся тем, что полые тела качения выполнены с радиальными каналами и частично заполнены смазочным материалом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин с использованием шарошечных долот.

Известно буровое шарошечное долото, включающее делитель осевой нагрузки, выполненный в виде шпинделя с установленными на нем тарельчатыми пружинами, и узел разгрузки, передающий часть осевой нагрузки на забой через обратные конусы шарошек и выполненный в виде дисковых роликов, установленных на цапфах корпуса разгрузки и контактирующих с обратными конусами шарошек при определенной осевой нагрузке (см. авт.св. СССР №168222, кл. Е21В 10/08, 1965 г.).

Недостатком этого долота является сложность конструкции и, как следствие этого, малая надежность в работе и малая эффективность.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является устройство для бурения скважин, включающее шарошечное долото с опорой и замковым узлом, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой (см. авт.св. №560053, кл. Е21В 10/08, 1977 г.).

Данное устройство благодаря использованию узла для принудительного вращения шарошек обеспечивает повышение срока службы бурового долота. К недостаткам его следует отнести сравнительно высокую энергоемкость разрушения породы, что связано с неоптимальной схемой разрушения породы. Это особенно сказывается при бурении по твердым и крепким породам, эффективность разрушения которых, особенно в периферийной части забоя, в значительной степени зависит от удельной осевой нагрузки на породоразрушающие элементы.

В связи с изложенным технической задачей изобретения является повышение эффективности работы долота за счет снижения энергоемкости разрушения породы путем оптимизации схемы разрушения породы и увеличения ударных нагрузок на породоразрушающие элементы шарошек.

Поставленная техническая задача по первому варианту решается тем, что в устройстве для бурения скважин, включающем шарошечное долото с опорой и замковым узлом, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, согласно изобретению каждая шарошка выполнена, по меньшей мере, в виде двух независимо вращающихся элементов: центрального и периферийного, при этом центральный элемент шарошки зафиксирован от осевого перемещения замковым узлом, а опора периферийного элемента выполнена в виде подшипника качения, составленная из тел качения разного диаметра, при этом часть тел качения меньшего диаметра выполнена с резиновой оболочкой, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения большего диаметра.

По второму варианту поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для бурения скважин, включающем шарошечное долото с опорой и замковым узлом, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, согласно изобретению каждая шарошка выполнена, по меньшей мере, в виде двух независимо вращающихся элементов: центрального и периферийного, при этом центральный элемент шарошки зафиксирован от осевого перемещения замковым узлом, а опора периферийного элемента выполнена в виде подшипника качения, составленная из тел качения одного диаметра, часть которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала.

Решению поставленной технической задачи способствует также и то, что полые тела качения выполнены с радиальными каналами и частично заполнены смазочным материалом.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2 и 3 - варианты выполнения опоры шарошечного долота, на фиг.4 и 5 соответственно элементы качения в виде шара и роликов; на фиг.6 - сечение А-А на фиг.3 и на фиг.7 - элемент качения в виде полого ролика.

Устройство для бурения скважин включает долото 1 с шарошками 2, которое посредством резьбы соединено с наддолотной трубой 3, приводимой во вращение бурильной колонной или от вала забойного двигателя 4. В полости корпуса долота 1 размещена промывочная плита 5 с кольцевым выступом 6, который совместно с обратными конусами 7 шарошек 2 образует фрикционные пары. Благодаря этому промывочная плита 5 обеспечивает передачу части осевой нагрузки непосредственно на корпуса шарошек 2, минуя опору долота 1 и выполняя роль узла разгрузки опоры. Промывочная плита 5 соединена с валом 8 осевой турбины 9, которая установлена на радиальных опорах 10 внутри наддолотной трубы 3 и служит узлом принудительного вращения шарошек 2 долота 1.

По первому варианту каждая шарошка 2 (см. фиг.2) выполнена, по меньшей мере, в виде двух независимо вращающихся элементов: центрального 11 и периферийного 12. При этом центральный элемент 11 шарошки 2 зафиксирован от осевого перемещения замковым узлом, выполненным, например, в виде шарикового подшипника 13 или штифтового соединения (не показан), а опора периферийного элемента 12 выполнена в виде подшипника качения, составленного из тел качения разного диаметра в виде шаров или роликов. При этом часть тел качения меньшего диаметра - шары 14 и ролики 15 выполнены с резиновой оболочкой 16, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения большего диаметра: шаров 17 и роликов 18. Тела качения меньшего 14, 15 и большего 17 и 18 диаметров в опоре периферийного элемента 12 могут устанавливаться по разной схеме. Предпочтительным является их установка с чередованием тел качения меньшего и большего диаметров через одно. Однако возможна установка тел качения малого диаметра через два тела качения большего диаметра. Схема установки выбирается в зависимости от типа долота, т.е. в первую очередь от физико-механических свойств разбуриваемых пород.

По другому варианту (см. фиг.3) опора шарошечного долота 1 выполнена в виде подшипника качения, составленная из цельных шаров 19 или роликов 20 и полых шаров 21 или полых роликов 22, изготовленных из пружинного материала. Стенки полых шаров 21 выполнены с радиальными каналами 23, а стенки полых роликов 22 - с радиальными пазами 24. Полость шаров 21 частично может быть использована для размещения смазочного материала, например, порошкового графита.

Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы шарошек 2 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. Разрушенная порода выносится промывочной жидкостью, прокачиваемой через бурильную колонну 4 и промывочную плиту 5. При этом благодаря использованию специальной опоры с учетом передачи осевой нагрузки непосредственно через корпус шарошки 2 обеспечивается эффективное разрушение породы за счет создания ударных нагрузок при деформации полых тел качения 21 и 22, выполненных из пружинного материала, или обрезиненных тел качения 14 и 15. При контакте корпуса шарошки 2 с обрезиненными 14, 15 или полыми 21 и 22 телами качения величина силы реакции с их стороны по сравнению со сплошными телами качения 17 и 18 во много раз меньше и именно поэтому происходит удар породоразрушающих элементов шарошки 2 по забою, обеспечивая ударно-импульсное воздействие на породу рабочих элементов шарошки 2. Сила удара регулируется разностью диаметров тел качения 14-17 и 15-18 в первом варианте и величиной упругой деформации полых тел качения 21 и 22 по другому варианту. Кроме того, величину силы удара можно регулировать и схемой установки тел качения разного диаметра, например, путем установки одного обрезиненного тела качения через два сплошных цельных тела качения. Аналогично можно регулировать и силу удара во втором варианте. При этом одновременно с изменением силы удара регулируется и частота удара. Использование полых тел качения с радиальными каналами 23 и пазами 24 позволяет регулировать степень упругой деформации тел качения 21 и 22 в более широких пределах. Кроме того, выполнение тел качения полыми позволяет использовать их полости как резервуары для смазочного материала. При этом благодаря выполнению полых тел качения с радиальными каналами или пазами смазочный материал небольшими дозами подается в опору долота. Неполное заполнение полости тел качения смазочным материалом не препятствует деформации полых тел качения при нанесении по ним удара со стороны корпуса шарошки 2, а следовательно, и не уменьшает силу удара.

Снижению энергоемкости разрушения породы способствует также и выполнение шарошек 2 составными. Благодаря этому ударная нагрузка, передаваемая через корпус шарошек 2, распределяется на меньшую контактную поверхность, что значительно увеличивает удельную нагрузку на породоразрушающие элементы шарошек и тем самым повышает эффективность разрушения породы.

Таким образом, применение предложенного устройства, благодаря более эффективной схеме разрушения породы, позволяет повысить проходку и скорость бурения и тем самым снизить себестоимость буровых работ.