Опорно-центрирующий узел колонны буровых труб

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей отрасли и может быть использована для бурения как на бурильных трубах, так и при бурении на обсадной колонне в процессе строительства скважины.
Известно центрирующее устройство (см. патенты RU № 63413, МПК E21B17/10, опубликован 27.05.2007 г.), содержащее трубчатый корпус и жестко установленные на корпусе рабочие центрирующие элементы, выполненные в виде трех роликов с концевыми цапфами, оси вращения которых параллельны оси корпуса, ролики сгруппированы вокруг трубчатого корпуса и установлены через 120° с помощью опор, удерживающих цапфы роликов, а сами опоры снабжены подшипниками, в которых установлены с возможностью вращения цапфы роликов, при этом опоры выполнены с плоским основанием и установлены на корпусе в гнездах с плоским дном и конфигурацией, соответствующей конфигурации основания опор, которые скреплены с корпусом с помощью болтов со стопорными элементами.
Известное устройство обеспечивает центрирование бурового инструмента и буровых труб или штанг при бурении направленных прямолинейных скважин, однако его использование проблематично при строительстве наклонных или горизонтальных скважин, поскольку повышенная нагрузка на ролики в момент их нахождения в нижнем положении относительно трубчатого корпуса приводит к их быстрому износу.
Известен скользящий центратор (см. патент RU № 127805, МПК E21B17/10, опубликован 10.05.2013 г.), включающий корпус с концевыми частями в виде центрирующих элементов и ребрами для их соединения, телами качения, расположенными в центрирующих элементах, с равномерным шагом, центрирующие элементы выполнены в виде центрирующих колец, представляющих собой подшипники, состоящих из внутреннего кольца, тел качения в виде подвижных металлических шариков и наружного кольца в виде сепаратора, отделяющего тела качения друг от друга и удерживающего их на равном расстоянии, при этом подвижные металлические шарики выполнены с возможностью точечного соприкосновения со стенками скважины.
Недостатком известного центратора является быстрый износ поверхностей тел качения за счет их истирания о стенки скважины.
Известен центратор гидравлико-механический с вращающимися центрирующими элементами (см. патент RU № 161835, МПК E21B17/10, опубликован 10.05.2016 г.), включающий муфту, с которой соединен полый шток, плашки, установленные с возможностью перемещения по конусному корпусу, переводник с гидравлическими каналами, цилиндр, поршень-толкатель, резиновое кольцо, манжету, стальное нажимное кольцо и башмак, в котором между полым штоком, конусом и муфтой установлены подшипники скольжения, позволяющие вращение центратора относительно центрирующих элементов-плашек.
Известный центратор позволяет производить центрирование бурильных труб в различных типах скважин и обеспечивает уменьшение износа центрирующих элементов и потерь крутящего момента при бурении, однако отсутствие смазки в подшипниках скольжения (либо использование в качестве смазки промывочной жидкости, обладающей абразивными свойствами) приводит к их преждевременному износу и/или возможным задирам поверхностей, что, в свою очередь, существенно увеличивает потери крутящего момента и, в пределе, может вызвать заклинивание всей системы.
Известен принятый в качестве ближайшего аналога центратор колонный вращающийся (см. патент RU № 191425, МПК E21B17/10, опубликован 05.08.2019 г.), содержащий полый корпус, верхний и нижний концы которого закреплены резьбой к бурильной колонне, втулку с возможностью вращения относительно корпуса по шарикам, равномерно размещенных в дорожках качения, выполненных соосно на внешней поверхности корпуса и на внутренней поверхности втулки, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрической формы с гладкой поверхностью, втулка выполнена с наружной поверхностью сферической формы с центрирующими ребрами, во втулке выполнены радиальные отверстия над каждой дорожкой качения для обеспечения введения шариков, отверстия закрыты заглушками, между втулкой и корпусом в верхней и нижней частях их соединения в кольцевых канавках на корпусе размещены уплотнения.
Известный центратор обеспечивает возможность работы в скважинах со сложным пространственным профилем, в том числе наклонных и горизонтальных как в обсаженных, так и в открытых стволах.
В то же время использованные в качестве элементов вращения шариковые подшипники (поскольку, по сути, радиальные канавки с введенными в них шариками являются их простейшим вариантом) подвергаются значительным осевым нагрузкам вследствие того, что осевая фиксация втулки на корпусе обеспечивается только размещенными между их поверхностями уплотнениями. Кроме того, смазка из кольцевых канавок (дорожек качения) в процессе эксплуатации может быть частично выдавлена в зазоры между внутренней поверхностью втулки и наружной поверхностью корпуса, вследствие чего существенно увеличится трение, уменьшатся сроки безаварийной эксплуатации шариков и появятся потери крутящего момента.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение надежности и эффективности работы опорно-центрирующего узла.
Технический результат заключается в увеличении межсервисного периода эксплуатации устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в опорно-центрирующем узле колонны буровых труб, содержащем полый корпус, верхний и нижний концы которого выполнены с возможностью присоединения к примыкающим трубам бурильной колонны, центрирующую втулку с наружной поверхностью сферической формы, установленную на корпусе с возможностью осевого вращения относительно него посредством сопряжения через, по меньшей мере, одну подшипниковую секцию, с образованием смазочной камеры подшипниковой секции между корпусом и втулкой, и размещенные в местах примыкания втулки к корпусу уплотнения, на корпусе установлены фиксаторы осевого смещения втулки, подшипниковые секции представляют собой подшипники скольжения, выполненные из износостойких инженерных пластиков, во втулке выполнено, по меньшей мере, одно отверстие с заглушкой для введения смазки в камеру подшипниковой секции, а уплотнения представляют собой манжеты.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором схематически представлен продольный осевой разрез опорно-центрирующего узла.
Опорно-центрирующий узел колонны буровых труб содержит корпус 1, центрирующую втулку 2, смазочную камеру 3 с подшипниковой секцией 4, уплотнительные манжеты 5, фиксаторы 6 осевого смещения, отверстие 7 для введения смазки, заглушку 8.
Сборку заявляемого узла производят следующим образом.
На корпус 1 устанавливается подшипниковая секция 4, далее сверху на нее устанавливается втулка 2. Затем производится наполнение смазкой камеры 3 через кольцевые зазоры между втулкой 2 и корпусом 1. После этого в кольцевые зазоры устанавливают уплотнительные манжеты 5 и на корпус 1 по окружностям смыкания втулки 2 и корпуса 1 закрепляют фиксаторы 6 осевого смещения. Производят дополнительное введение смазки через отверстие 7 таким образом, чтобы полностью заполнить ей камеру 3 и прижать манжеты 5 к фиксаторам 6, и закрывают отверстие 7 заглушкой 8.
Опорно-центрирующий узел готов к работе.
Эксплуатация опорно-центрирующего узла происходит следующим образом.
Производят присоединение заявляемого узла к примыкающим секциям труб бурильной колонны. В случае необходимости опорно-центрирующие узлы устанавливают с интервалом по всей длине колонны. Их количество в колонне зависит от профиля, интенсивности искривления и глубины скважины. Чем больше опорно-центрирующих узлов применяется в интервале максимального искривления, тем ниже трение колонны бурильных труб в процессе бурения. При этом опорно-центрирующий узел может применяться как в обсаженных, так и в открытых стволах скважинах. В процессе спускоподъемных операций наружная сферическая поверхность втулки 2 снижает потери энергии на трение из-за малой площади соприкосновения со стенками обсадной колонны скважины, тем самым уменьшается износ, что особенно важно в наклонных или на горизонтальных участках скважины. В процессе бурения корпус 1 вращается совместно с бурильной колонной, при этом втулка 2, находясь в контакте со стенками скважины, остается неподвижной. При этом наличие фиксаторов 6 гарантирует отсутствие осевых смещений втулки 2 относительно корпуса 1.
Конструктивные отличия заявляемого технического решения от аналогов обеспечивают следующие преимущества:
- использование уплотнительных манжет 5 позволяет регулировать давление в смазочной камере 3 подшипниковой секции 4, сглаживая его перепады внутри камеры 3 при погружении в скважину;
- наличие герметичной смазочной камеры 3 позволяет использовать для смазки специальные составы на графитовой основе, в то время как в аналогах обычно в качестве смазки используют буровой раствор, в котором содержатся, в том числе абразивные частицы, что уменьшает срок службы оборудования. Применение очищенной от абразивных частиц смазки, в свою очередь, увеличивает срок службы подшипниковой секции 4, и, соответственно, оборудования;
- использование в подшипниковой секции 4 подшипников скольжения из износостойких инженерных пластиков позволяет снизить износ при высоких боковых нагрузках, а также работать на более высоких оборотах и нагрузках без критических перекосов за счет существенно большей площади опорной поверхности подшипников скольжения;
- наличие отверстия 7 для введения смазки в камеру 3 позволяет производить сервисные работы без разбора бурильной колонны на отдельные секции.
Заявляемое техническое решение является технологичным в производстве и обеспечивает надежную и эффективную эксплуатацию бурильной колонны в процессе формирования скважин различной конфигурации.