соединительное устройство для подвода текучей среды

Формула изобретения

1. Соединительное устройство для подвода текучей среды к вращающемуся инструменту, в особенности к инструменту для бурения грунта, содержащее вращательный ввод (20) с ротором (22), выполненным с возможностью соединения с приводимым во вращение инструментом (50), и статором (24), причем ротор (22) опирается с возможностью вращения относительно статора (24), и опору (40) против проворачивания, которая соединена со статором (24) без возможности относительного вращения и содержит, по меньшей мере, один контактный элемент (42), отличающееся тем, что, по меньшей мере, один контактный элемент (42) выполнен с возможностью смещения между отведенным положением и выдвинутым положением, в котором контактный элемент (42) выдвинут по сравнению с отведенным положением для создания опоры против проворачивания для восприятия крутящего момента.

2. Соединительное устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрена соединительная колонна (12), содержащая, с одной стороны, первое соединительное средство (14) и, с другой стороны, второе соединительное средство (15) для соединения с инструментом, при этом опора (40) против проворачивания расположена на окружной периферии соединительной колонны (12).

3. Соединительное устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрен подвижный в осевом направлении исполнительный орган (30) и предусмотрено передаточное средство (44), посредством которого осевое перемещение исполнительного органа (30) может быть преобразовано в радиальное перемещение, по меньшей мере, одного контактного элемента (42).

4. Соединительное устройство по п.3, отличающееся тем, что исполнительный орган (30) может быть перемещен посредством перемещения соединительной колонны (12) относительно инструмента (50) и/или приводного устройства.

5. Соединительное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что предусмотрено натяжное устройство (34), с помощью которого, по меньшей мере, один контактный элемент (42) может удерживаться в отведенном положении.

6. Соединительное устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что исполнительный орган (30) расположен в виде кольца на соединительной колонне (12).

7. Соединительное устройство по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что несколько контактных элементов (42) распределены вдоль окружной периферии соединительной колонны (12).

8. Соединительное устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что передаточное средство (44) содержит рычажный механизм.

9. Соединительное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один контактный элемент (42) снабжен катком (43).

10. Соединительное устройство по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что первое соединительное средство (14) и/или второе соединительное средство (15) выполнено или выполнены в виде подвижного в осевом направлении соединения для совместного вращения.

11. Соединительное устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что статор (24) содержит, по меньшей мере, одно первое линейное соединение (26) для текучей среды, причем это соединение неподвижно относительно окружения, а ротор (22) содержит, по меньшей мере, одно второе линейное соединение (28), которое неподвижно относительно инструмента (50).

12. Соединительное устройство по любому из пп.2-4, отличающееся тем, что соединительная колонна (12) выполнена в виде полого вала для передачи текучей среды.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к соединительному устройству для подвода текучей среды к вращающемуся инструменту, в особенности к инструменту для бурения грунта, причем это устройство содержит вращательный ввод с ротором, выполненным с возможностью соединения с приводимым во вращение инструментом, и статором, при этом ротор поддерживается с возможностью вращения относительно статора, и опору против проворачивания, которая соединена со статором без возможности относительного вращения и содержит, по меньшей мере, один контактный элемент.

Уровень техники

Устройство такого типа известно, например, из патентного документа DE 69013666 Т2. Это известное соединительное устройство соединяет буровой инструмент с приводной колонной, при этом продувочный воздух передается через неподвижные линии подвода к вращающемуся буровому инструменту. Для этой цели на верхней части соединительного устройства предусмотрена звездообразная по форме распорная опора для восприятия крутящего момента, посредством которой статор, то есть неподвижная относительно вращающегося бурового инструмента часть, вместе с проходящими вверх линиями подвода опирается на стенку скважины.

Известное соединительное устройство может использоваться в каждом случае лишь для бурового инструмента определенного диаметра бурения. Кроме того, в зависимости от характера подлежащего разработке материала контактное давление распорной опоры на стенку скважины в некоторых случаях эксплуатации может оказаться слишком высоким или слишком низким.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание соединительного устройства, которое может использоваться особенно гибким образом.

В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается в соединительном устройстве по пункту 1 формулы изобретения. Предпочтительные примеры осуществления изложены в зависимых пунктах.

Соединительное устройство по изобретению отличается тем, что, по меньшей мере, один контактный элемент выполнен с возможностью смещения между отведенным положением и выдвинутым положением, в котором контактный элемент выдвинут по сравнению с отведенным положением для создания опоры против проворачивания для восприятия крутящего момента.

Основная идея изобретения заключается в том, что на вращающемся инструменте предусматривается опора против проворачивания с контактными элементами, которые могут выдвигаться. Благодаря способности контактных элементов к выдвижению соединительное устройство может использоваться на различных инструментах с различным диаметром бурения. В этом случае регулирование опоры против проворачивания осуществляется посредством соответствующего отвода или выдвижения контактных элементов относительно диаметра инструмента. При использовании в скважинах можно также изменять контактное давление контактных элементов на стенку скважины и регулировать это давление в соответствии с требованиями материала стенки скважины.

Дополнительно соединительное устройство по изобретению может использоваться также в скважинах, имеющих переменный диаметр по направлению проходки скважины. Кроме того, в соединительном устройстве по изобретению контактные элементы могут быть откинуты при необходимости, например, при вводе или удалении бурового инструмента или в том случае, когда опора против проворачивания не требуется.

В принципе соединительное устройство может быть жестко установлено на инструменте или на приводной колонне, такой как буровая штанга. Согласно изобретению особенно предпочтительно, что предусмотрена соединительная колонна, содержащая с одной стороны первое соединительное средство и с другой стороны второе соединительное средство для соединения с инструментом, при этом опора против проворачивания расположена на окружной периферии соединительной колонны. При этом соединительная колонна может служить своего рода адаптером, расположенным между инструментом и приводным устройством, в частности приводной колонной или буровой штангой. Таким образом, соединительное устройство может использоваться гибким образом на различных буровых инструментах и буровых штангах. Соединительное устройство может содержать обычные соединения для совместного вращения, такие как многоугольные соединения с болтовыми запорами, используемые в квадратных штангах известного типа.

Далее, согласно изобретению выгодным образом предусмотрен подвижный в осевом направлении исполнительный орган и предусмотрено передаточное средство, посредством которого осевое перемещение исполнительного органа может быть преобразовано в радиальное перемещение, по меньшей мере, одного контактного элемента. В принципе исполнительный орган может быть силовым цилиндром, таким как гидроцилиндр или пневмоцилиндр, расположенный в одном направлении с осью вращения инструмента или осью бурения. При таком расположении имеется достаточно конструктивного пространства по сравнению с радиальным расположением цилиндра, которое однако тоже возможно.

По сравнению с приводным силовым исполнительным органом в особенно предпочтительном примере выполнения исполнительный орган может быть перемещен посредством перемещения соединительной колонны относительно инструмента и/или приводного устройства. Более конкретно, в буровом инструменте это может осуществляться путем того, что инструмент устанавливается буровой штангой на землю или на дно скважины. За счет осевого усилия давления в процессе бурения может вызываться перемещение исполнительного органа, так что во время бурения происходит автоматическое выдвижение, по меньшей мере, одного контактного элемента.

В связи с этим в особенно предпочтительном примере осуществления предусмотрено натяжное устройство, с помощью которого, по меньшей мере, один контактный элемент может удерживаться в отведенном положении. Так, например, если буровой инструмент поднимается с земли или со дна скважины, натяжное устройство вызывает возвратное перемещение контактного элемента в отведенное положение. Предпочтительно натяжное устройство содержит напряженные пружины, которые в зависимости от конструктивного решения могут быть пружинами сжатия или пружинами растяжения.

Согласно изобретению особенно устойчивая конструкция достигается в том случае, когда исполнительный орган расположен в виде кольца на соединительной колонне.

В особенно предпочтительном примере осуществления несколько контактных элементов распределены вдоль окружной периферии соединительной колонны. При этом достигается то преимущество, что силы выдвижения и отвода действуют в поперечном направлении к оси вращения инструмента, то есть в радиальном направлении, и в значительной степени компенсируют друг друга. В результате вся система в целом разгружена от усилий.

Следующий предпочтительный пример осуществления заключается в том, что передаточное средство содержит рычажный механизм. С помощью соответствующего расположения рычагов, шарнирно соединенных друг с другом, можно генерировать желаемые исполнительные перемещения и контактные усилия с затратой относительно небольших усилий.

Другой особенно полезный пример осуществления состоит в том, что, по меньшей мере, один контактный элемент снабжен катком. Каток находится в контакте с окружением, в особенности со стенкой скважины. Предпочтительно ось качения катка направлена тангенциально оси бурения или продольной оси инструмента, так что при перемещении опоры против проворачивания в осевом направлении происходит ее качение и, несмотря на это, при выполнении этой опорой ее функции достигается хорошая опора для восприятия крутящего момента в окружном направлении.

В соответствии с изобретением эффективное действие способных к выдвижению контактных элементов достигается за счет того, что первое соединительное средство и/или второе соединительное средство выполнено или выполнены в виде подвижного в осевом направлении соединения для совместного вращения. При этом жесткое соединение для совместного вращения может достигаться известным образом путем многоугольного, в особенности квадратного, соединения. Осевая фиксация может достигаться с помощью болта, который проходит поперечно продольной оси или оси бурения, выступая через удлиненную прорезь. Удлиненная прорезь направлена вдоль продольной оси или оси бурения. Это соединение допускает относительное осевое перемещение между соединительной колонной и инструментом или приводным устройством.

Имеющийся в устройстве вращательный ввод выполнен известным образом со статором и ротором. Согласно изобретению предусмотрено, что статор содержит, по меньшей мере, одно первое линейное соединение для текучей среды, причем это соединение неподвижно относительно окружения, а ротор содержит, по меньшей мере, одно второе линейное соединение, которое неподвижно относительно инструмента, Линейное соединение статора может представлять собой обычный шланг или линию сообщения для текучей среды или газа. Как правило, статор имеет на своей внутренней стороне кольцевой проход, который соответствует ответному проходу или каналам в роторе. Таким образом, при соответствующем расположении уплотнений может осуществляться передача текучей среды от неподвижного компонента к вращающемуся компоненту.

Предпочтительно в соответствии с изобретением предусмотрено выполнение соединительной колонны в виде полого вала для передачи текучей среды. Линейное соединение или сообщение, ведущее от ротора или к ротору, может быть образовано с помощью одной или нескольких радиальных проточек в трубчатой соединительной колонне.

Краткий перечень чертежей

Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения. На чертежах:

фиг.1 изображает соединительное устройство по изобретению на виде сбоку,

фиг.2 схематично изображает устройство по фиг.1 в частичном разрезе,

фиг.3 схематично изображает на виде сбоку соединительное устройство по изобретению с буровым инструментом.

Осуществление изобретения

На фиг.1 и 2 показано соединительное устройство 10 по изобретению, содержащее трубчатую соединительную колонну 12, проходящую вдоль продольной оси или оси 16 бурения. В центральной части соединительной колонны 12 на ее окружной периферии расположены кольцевой вращательный ввод 20, являющийся также промывочной головкой, и опора восприятия крутящего момента или опора 40 против проворачивания.

На верхней стороне соединительная колонна 12 снабжена первым соединительным средством 14, в котором имеется квадратная полость 17 для соединения с не показанной здесь буровой штангой. Через соответствующие поперечные проточки 13 с помощью удерживающих болтов может осуществляться соединение и осевая фиксация буровой штанги. На нижнем конце соединительной колонны 12 расположен соответствующий квадратный наконечник 18 с удлиненной прорезью 19 для осевой фиксации буровой штанги. Удлиненная прорезь 19 направлена вдоль продольной оси или оси 16 бурения для прохода поперечного болта с возможностью его осевого перемещения. Таким образом, второе соединительное средство 15 выполнено в виде соединения для совместного вращения с обеспечением осевой подвижности относительно бурового инструмента.

Хорошо известным образом вращательный ввод 20 обеспечивает сообщение линий для текучей среды, которые неподвижны относительно своего окружения, с кольцевым статором 24 через первое линейное соединение 26. Статор 24 в форме втулки имеет центральный кольцевой проход 27, уплотненный соответствующими уплотнительными кольцами 25 с двух сторон в осевом направлении и изнутри относительно имеющего форму втулки ротора 22, который вращается относительно статора. На высотном уровне кольцевого прохода 27 в роторе 22 выполнено множество поперечных радиальных проточек, которые образуют второе линейное соединение 28 с внутренним пространством соединительной колонны 12, выполненной в виде полого вала. Внутреннее пространство соединительной колонны 12 уплотнено сверху закрывающим элементом 29, так что внутреннее пространство соединительной колонны 12 может служить линией сообщения для текучей среды, ведущей к буровому инструменту. Опора вращения статора 24 относительно ротора 22, который жестко соединен с соединительной колонной 12, осуществлена известным образом с помощью подшипников 23 вращения.

Для обеспечения опоры статора 24 относительно стенки буровой скважины, которая здесь не показана, опора 40 против проворачивания содержит несколько контактных элементов 42 в форме плоских башмаков, причем с внутренней стороны каждого контактного элемента 42 расположен каток 43, установленный с возможностью вращения вокруг оси 41. Ось 41 качения катка направлена тангенциально продольной оси или оси 16 бурения, что обеспечивает возможность качения опоры 40 против проворачивания в направлении продольной оси или оси 16 бурения. Для этого катки 43 частично выдвинуты через окна в контактных элементах 42 в форме плоских башмаков.

С помощью верхних рычагов 46 контактные элементы 42 поддерживаются на опорном кольце 47 таким образом, что могут выдвигаться в радиальном направлении. Кроме того, верхние рычаги 46 шарнирно прикреплены к верхним концам нижних рычагов 45, которые в свою очередь установлены на кольцевом исполнительном органе 30 и шарнирно соединены с ним. С помощью натяжного устройства 34, которое содержит две пружины сжатия на каждом из нижних рычагов 45, соответствующий контактный элемент 42 удерживается в отведенном внутрь или втянутом положении по фиг.1. Нижние рычаги 46 и натяжное устройство 34 образуют передаточное средство 44, посредством которого осевое перемещение исполнительного органа 30 преобразуется в радиальное перемещение контактных элементов 42. Когда исполнительный орган 30 перемещается вверх в осевом направлении, контактные элементы 42 с катками 43 перемещаются радиально наружу, чтобы войти в контакт со стенкой буровой скважины и тем самым образовать опору против проворачивания. При этом процессе радиального выдвижения в выдвинутое положение пружины сжатия натяжного устройства 34 напрягаются. В данном примере выполнения осевое перемещение исполнительного органа 30 вызывается осевым давлением соединительной колонны 12 вниз на буровой инструмент. Это давление создается автоматически при операции бурения. Таким образом, в соответствии с изобретением опора 40 против проворачивания надежно устанавливается в свое рабочее положение. В результате контактные элементы 42 выдвигаются из отведенного или втянутого положения, в котором они упираются в упоры 48, в радиальном направлении наружу в выдвинутое положение и приводятся в контакт со стенкой буровой скважины.

По окончании операции бурения при осевом подъеме соединительной колонны 12 с буровым инструментом осевое усилие снимается, и кольцевой исполнительный орган 30 отжимается натяжным устройством 34 обратно в нижнее исходное положение. При этом контактные элементы 42 перемещаются обратно в отведенное положение по фиг.1.

На фиг.3 очень схематично показана установка соединительного устройства 10 по изобретению на буровом инструменте 50, который в показанном примере осуществления выполнен в виде цилиндрического керноотборника. На верхнем первом соединительном средстве 14 может быть известным образом укреплена квадратная штанга или другая буровая штанга 11. Она может быть известным образом оснащена другими опорными или буровыми элементами. Предпочтительно в верхней части буровой штанги 11 может быть предусмотрено устройство 36 для намотки шланга, которое при удлинении буровой штанги 11 позволяет соответственно удлинять линии подачи текучей среды. Буровая штанга 11 может быть известным образом подсоединена к буровому приводу для привода бурового инструмента 50 во вращение.