Сменный опорно-центрирующий элемент

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин гидравлическими забойными двигателями. Элемент выполнен в виде металлической втулки с лопастями, связанной с ниппелем шпинделя, имеющим на наружной поверхности упорный конус для жесткого соединения с металлической втулкой по ее внутренней поверхности. Упорный конус ниппеля шпинделя выполнен со стороны конической резьбы, связывающей корпус шпинделя с ниппелем. Ниппель шпинделя имеет шлицы для соединения с металлической втулкой, а с противоположного торца металлическая втулка поджата нажимным конусом, стопорной шайбой и гайкой. Металлическая втулка выполнена с возможностью установки относительно оси ниппеля шпинделя концентрично или эксцентрично и ее наружная поверхность может иметь различную геометрическую форму и выполняться концентрично, эксцентрично или под углом, эксцентрично и под углом относительно оси ниппеля шпинделя. Изобретение обеспечивает снижение стоимости эксплуатации шпинделей. 5 ил.

 

Изобретение относится к области бурения скважин забойными двигателями.

Известны различные опорно-центрирующие элементы, которые предназначены для управления зенитным и азимутным углами скважины, а также для стабилизации ствола скважины [1, 3, 4].

Известные опорно-центрирующие элементы, как правило, выполняются в виде жесткой конструкции либо на корпусе забойного двигателя, либо в виде самостоятельного элемента, встраиваемого в колонну бурильных труб или конструкцию низа бурильной колонны.

К недостаткам известных устройств следует отнести то, что для их смены необходимо тратить очень много времени и иметь на буровой комплект необходимого оборудования. Например, при наборе или снижении зенитного угла используется шпиндель с эксцентричной накладкой, а для стабилизации угла - шпиндель гладкий или с центрирующим элементом. Причем на буровой должны одновременно находиться несколько шпинделей для выполнения различных технологических операций.

Кроме того, при использовании шпинделей-отклонителей, у которых место переноса осей удалено от долота, отмечается уменьшение эффективности и увеличено влияние колебаний осевой нагрузки на отклоняющую силу, действующую на долото, что не позволяет получать фактический радиус искривления ствола близким к расчетному.

Известен также опорно-центрирующий элемент, выполненный на ниппеле шпинделя, - центратор на резиновом каркасе ЦРК [2].

Опорно-центрирующий элемент на ниппеле шпинделя включает в себя резинометаллическую опору, расположенную на внутренней поверхности ниппеля, опорно-центрирующий элемент, снабженный жесткими лопастями и одной сменной обрезиненной лопастью, и установленное жестко между корпусом забойного двигателя и ниппелем кольцо, с помощью болтов крепящееся к опорно-центрирующему элементу.

К недостаткам известного устройства следует отнести ненадежность конструкции: болтовых соединений, которые в лучшем случае могут выдержать усилие на разрыв и срез в несколько тонн, в то время когда при выполнении спускоподъемных операций величина осевых нагрузок может достигать сотни тонн. Кроме того, наличие фасонного кольца, к которому крепится опорно-центрирующий элемент, перекрывает значительную часть кольцевого пространства скважины. Даже в случае, когда опорно-центрирующий элемент снят с ниппеля шпинделя.

В качестве прототипа выбран опорно-центрирующий элемент, выполненный в виде металлической втулки с лопастями, связанной с ниппелем шпинделя, имеющим на наружной поверхности упорный конус для жесткого соединения с металлической втулкой по ее внутренней поверхности [5].

К недостаткам известного устройства следует отнести большие линейные размеры, а также наличие подшипников, работающих в среде бурового раствора, и, как следствие, быстрый их износ и выход из строя.

Целью предлагаемого технического решения является экономия материальных и финансовых средств на содержание шпинделей, предназначенных для выполнения различных технологических операций.

Указанная цель достигается тем, что опорно-центрирующий элемент, выполненный в виде металлической втулки с лопастями, связанной с ниппелем шпинделя, имеющим на наружной поверхности упорный конус для жесткого соединения с металлической втулкой по ее внутренней поверхности, упорный конус ниппеля шпинделя выполнен со стороны конической резьбы, связывающей корпус шпинделя с ниппелем, при этом ниппель шпинделя имеет шлицы для соединения с металлической втулкой, а с противоположного торца металлическая втулка поджата нажимным конусом, стопорной шайбой и гайкой, причем металлическая втулка выполнена с возможностью установки относительно оси ниппеля шпинделя концентрично или эксцентрично и ее наружная поверхность может иметь различную геометрическую форму и выполняться концентрично, эксцентрично или под углом, эксцентрично и под углом относительно оси ниппеля шпинделя.

Сопоставительный анализ заявляемого устройства с известным позволяет устанавливать ряд отличительных признаков.

Во-первых, упорный конус ниппеля шпинделя выполнен со стороны конической резьбы, связывающей корпус шпинделя с ниппелем, что позволяет без сложных операций осуществлять смену опорно-центрирующих элементов.

Во-вторых, ниппель шпинделя имеет шлицы для соединения с металлической втулкой, что позволяет передавать большие по величине вращающие моменты со стороны шпинделя на сменные втулки, поскольку в условиях высоких динамических нагрузок только шлицевые соединения, имеющие отказ по конусной поверхности, могут справиться с такой задачей.

В-третьих, сменные втулки, относительно оси ниппеля, устанавливаются концентрично, а наружная поверхность сменных втулок может иметь различную геометрическую форму и выполняется концентрично, относительно оси ниппеля, эксцентрично или под углом, либо и эксцентрично и под углом, что способствует получению большого многообразия геометрических форм и способов их установки вблизи породоразрушающего инструмента.

Таким образом, предлагаемое устройство обладает не только новыми элементами, но и новыми связями между элементами.

На фиг.1, 2, 2a, 3, 4 представлены схемы различных сменных опорно-центрирующих элементов, выполненных на ниппеле шпинделя.

На фиг.1 представлена схема устройства со сменным опорно-центрирующим элементом, наружная поверхность которого может быть установлена концентрично относительно оси ниппеля.

Устройство состоит из ниппеля шпинделя 1, снабженного упорным конусом и шлицами, сменной втулки 2, нажимного конуса 3, стопорной шайбы 4 и гайки 5.

На фиг.2 и 2a представлены сечения сменных опорно-центрирующих элементов, выполненных концентрично относительно оси ниппеля (2) и с эксцентриситетом (2а) - эксцентричная накладка.

На фиг.3 показан вариант устройства с гладкой втулкой, которая используется при стабилизации зенитного угла, а также для заворота и отворота конической резьбы, по которой происходит соединение корпуса и ниппеля.

На фиг.4 представлена схема устройства со сменным опроно-центрирующим элементом, наружная поверхность которого выполнена по типу кривого переводника.

Сборка устройства осуществляется следующим образом. В соответствии с требуемой по технологии бурения операцией: набор или снижение зенитного угла или стабилизация прямолинейного участка, на ниппеле 1 шпинделя устанавливается соответствующая сменная втулка 2. Для замены одной втулки на другую необходимо вал шпинделя установить на роторе или захватить в клиновом захвате, отогнуть лапки стопорной шайбы 4 и с помощью ключа отвернуть гайку 5. Сменная втулка 2 по шлицам вместе с нажимным конусом 3 соскальзывает с ниппеля шпинделя 1 и на ее место устанавливается другая сменная втулка 2, которая поджимается нажимным конусом 3, и вся система затягивается стопорной шайбой 4 и гайкой 5.

Для стабилизации угла рекомендуются сменные втулки, выполненные в виде трех-шестилопастных центраторов.

Для набора и снижения зенитного угла целесообразно использовать втулки с различными углами наклона наружной поверхности к оси ниппеля, а также сменные втулки с различной величиной эксцентриситета относительно оси ниппеля (опорных элементов).

Для очень интенсивного набора и снижения зенитных углов можно использовать сменные втулки, в которых имеются эксцентриситет относительно оси ниппеля, а также наружная поверхность сменной втулки выполнена под углом α, который изменяется в пределах от 0° до 3° 30'.

Для стабилизации азимутального угла целесообразно использовать сменные втулки концентричные или эксцентричные с одной, двумя и более лопастями. Следует указать, что применение сменной втулки с одной лопастью делает систему статически неустойчивой, и при возникновении реактивного момента на корпусе забойного двигателя втулка стремится найти вторую точку опоры. Поэтому для стабилизации азимутального угла лучше использовать сменные втулки с двумя - тремя эксцентричными или концентричными лопастями, что позволит устранить эффект «рысканья» ствола по азимутальному углу, поскольку результирующая сила всегда направлена по правилу параллелограмма сложения сил.

Целесообразно обратить внимание, что кроме выполнения своего основного назначения установка втулок на ниппеле шпинделя способствует лучшей работе всего забойного двигателя, поскольку позволяет снизить уровень динамических нагрузок в радиальном направлении.

Аналогично предложенному устройству на ниппеле шпинделя можно использовать данное техническое решение в конструкции низа бурильной колонны, например на верхнем переводнике шпинделя, забойного двигателя и т.д.

Технико-экономические преимущества предлагаемого устройства по сравнению с прототипом заключены в том, что в условиях буровой установки для выполнения различных технологических операций можно использовать только один шпиндель вместо двух или трех. Кроме того, предложенное техническое решение достаточно успешно реализуется при использовании забойного двигателя в габарите 195 мм и долота 215,9 мм, без какого-либо ухудшения гидравлической обстановки в зоне размещения устройства. Использовать известные решения в указанном сочетании просто невозможно по причине перекрытия части кольцевого пространства.

Следует указать также, что исполнение сменных опорно-центрирующих элементов заодно с втулкой значительно повышает их надежность и практически исключает возможность выхода из строя самой втулки при эксплуатации по причине разрушения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Иогансен К.В. «Спутник буровика», изд. 3., М., Недра, 1990.

2. Труды ВНИИБТ «Временная инструкция по предупреждению искривления скважин», М., 1967.

3. РД 39-0148052-514-86 «Инструкция по предупреждению искривления вертикальных скважин», М., 1986.

4. РД 39-2-810-83 «Инструкции по бурению наклонно-направленных скважин», М., 1983.

5. Авт.св. СССР №314874 А, кл. Е 21 В 4/02, 1999 г.

Опорно-центрирующий элемент, выполненный в виде металлической втулки с лопастями, связанной с ниппелем шпинделя, имеющим на наружной поверхности упорный конус для жесткого соединения с металлической втулкой по ее внутренней поверхности, отличающийся тем, что упорный конус ниппеля шпинделя выполнен со стороны конической резьбы, связывающей корпус шпинделя с ниппелем, при этом ниппель шпинделя имеет шлицы для соединения с металлической втулкой, а с противоположного торца металлическая втулка поджата нажимным конусом, стопорной шайбой и гайкой, причем металлическая втулка выполнена с возможностью установки относительно оси ниппеля шпинделя концентрично или эксцентрично и ее наружняя поверхность может иметь различную геометрическую форму и выполняться концентрично, эксцентрично или под углом, либо эксцентрично и под углом относительно оси ниппеля шпинделя.