БУРИЛЬНАЯ ШТАНГА ДЛЯ БУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
DRILL ROD FOR PERCUSSION DRILL TOOL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройству с гидравлическим приводом, такому как бурильные инструменты ударного действия, включающие в себя погружные ударные устройства и, в частности, к бурильным штангам для погружных ударных устройств с гидроприводом.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Бурение скважин в горной породе высокой прочности с применением погружных ударных устройств является общепринятой методикой. Такие ударные устройства находят широкое применение для различных вариантов буровых работ. Практически все данные обычно применяемые ударные устройства имеют конструкцию "незамкнутой гидросистемы", где рабочая текучая среда гидросистемы применяется для передачи энергии на ударное устройство, и та же текучая среда после выпуска из ударного механизма применяетcя для промывки с удалением бурового шлама из бурящейся скважины. Чаще всего воздух применяется в качестве текучей среды в таких ударных устройствах и в большинстве случаев, является весьма подходящей промывочной средой. Вместе с тем, такие ударные устройства с пневмоприводом имеют низкий кпд и часто имеют ограничения по показателям работы, в особенности при бурении скважин малого диаметра.
Для улучшения кпд и показателей работы разработаны ударные устройства с гидроприводом. Данные устройства имеют конструктивные решения незамкнутой гидросистемы, как с водой в качестве рабочей жидкости, так и со специальными текучими средами, известными под названием "буровые растворы". Данные конструктивные решения с гидроприводом демонстрируют значительные преимущества над образцами с пневмоприводом, как по кпд, так и по показателям работы. Вместе с тем, у таких открытых гидравлических систем имеется ряд недостатков.
Первый недостаток состоит в отсутствии независимого регулирования расхода на промывку, зависящего от расхода на работу ударного механизма. Минимальный расход на промывку является расходом на работу ударного механизма. Вместе с тем, расход текучей среды, требуемый для эффективной промывки скважины, может сильно отличаться от расхода, требуемого для эффективного привода ударного механизм. В случае большой разницы между двумя требуемыми расходами приходится идти на компромисс, связанный с потерей впустую энергии и/или ухудшением показателей работы ударного устройства.
Другой недостаток состоит в ограниченном выборе текучей среды для привода ударного устройства, которая подходит как для привода ударного механизм, так и для промывки скважины. Данное почти всегда приводит к применению текучей среды, которая не является оптимальной для каждой из целей. Например, масло является предпочтительной текучей средой для привода ударного механизма, поскольку имеет широкий диапазон рабочей температуры и удовлетворительные смазывающие и антикоррозионные свойства. Вместе с тем, по известным причинам, связанным с охраной окружающей среды и экономией средств, масло не подходит для промывки бурящейся скважины. С другой стороны, вода может подходить для промывки скважины, но в общем является неудовлетворительным выбором для применения в ударном механизме.
Дополнительный недостаток незамкнутых гидросистем состоит в том, что текучая среда, выбранная для привода ударного устройства, расходуется в больших количествах или требует повторного использования после выхода из бурящейся скважины. Данное является серьезным недостатком для многих буровых работ, поскольку требуется либо подключать буровую установку к адекватному источнику снабжения очищенной текучей средой или использовать сложную систему сбора и фильтрования текучей среды. В большинстве ситуаций требуется и то и другое, что значительно уменьшает мобильность таких буровых установок.
Для преодоления данных недостатков с сохранением преимуществ в виде показателей работы и кпд ударных устройств с гидроприводом, предлагаются ударные устройства, работающие по принципу "замкнутой гидросистемы". В данных образцах, поток промывочной текучей среды отделен от потока рабочей текучей среды гидросистемы, применяемой для привода ударного устройства. Рабочая текучая среда гидросистемы вместо выпуска в бурящуюся скважину возвращается напрямую в первичный привод для повторного использования, как поток возвратной текучей среды. Данное устройство имеет много преимуществ.
Первое преимущество состоит в том, что можно независимо управлять потоками промывочной и рабочей текучей среды гидросистемы. Другое преимущество состоит в том, что подходящие текучие среды можно выбирать для каждого из потока текучей среды для ударного привода и потока промывочной текучей среды, в том числе в комбинациях, где применяют газообразную промывочную среду. В большинстве случаев предпочтительная комбинация должна представлять собой масло/воздух, или в некоторых вариантах применения, масло/воду, где обе рассматриваются как забойные текучие среды гидросистемы. Дополнительное преимущество состоит в том, что если очищенная промывочная текучая среда отсутствует в достаточных количествах, ее можно повторно использовать без строгих требований по чистоте, которые предъявляются к образцам незамкнутой гидросистемы. Другое преимущество состоит в том, что мобильность буровой установки улучшается, поскольку не требуется больших запасов очищенной текучей среды или создания систем рециркуляции.
Вместе с тем, несмотря на свои преимущества, ударные устройства с гидроприводом, выполненные по закрытой схеме, до их пор не находят широкого применения. Основной причиной указанного является сложность бурильных штанг, требуемых для питания таких ударных устройств, которые должны выполнять ряд требований. Первое, бурильные штанги должны создавать три отдельных пути потока текучей среды одновременно на соединении для текучей среды гидросистемы, обратной и промывочной текучей среды, и должны надежно уплотняться между различными путями потока во время работы. Штанги должны также являться достаточно прочными для обеспечения адекватного эксплуатационного ресурса в обычных буровых окружающих средах. Для бурильных штанг, применяемых в гидравлических ударных устройствах, где рабочая текучая среда для ударного устройства является маслом, штанги должны иметь функциональную возможность сохранять рабочую текучую среду внутри, без протечки, когда отсоединены, и должны обеспечивать незначительную потерю рабочей текучей среды при соединении или отсоединении. Штанги должны также обеспечивать минимальное дросселирование потоков всех трех текучих сред во время эксплуатации, поскольку если потеря давления между последовательными бурильными штангами является чрезмерной, энергосберегающие признаки ударного устройства сводятся к нулю.
Публикация европейской патентной заявки № 0 571 346 раскрывает компонент бурильной колонны с тремя коаксиальными трубами, который может применяться со снабженной гидроприводом погружной бурильной машиной. Три трубы несут три потока, требуемых для работы ударного устройства. Имеются уплотнительные устройства между трубами смежных штанг для исключения сообщения между потоками, когда штанги соединены. Вместе с тем не обеспечено сохранение рабочей текучей среды при отсоединении смежных штанг, что делает бурильную штангу, раскрытую в данном документе, неподходящей для гидравлического погружного ударного устройства.
Германский Патент No. DE 40 27 414 раскрывает бурильную штангу концентрического типа, которая имеет уплотнительные устройства для предотвращения потери текучей среды после отсоединения. Вместе с тем, образец требует двух подвижных частей в каждой половине соединений штанги для уплотнения путей рабочей текучей среды гидросистемы и возврата текучей среды, соответственно. Данное уменьшает прочность соединения между гидравлическими компонентами, отрицательно влияет на их надежность. Кроме того, гидравлические компоненты не полностью закрыты в наружной трубе, что делает их уязвимыми для повреждений.
Публикация заявки PСТ № WO 96/08632 раскрывает бурильную штангу с проходящими бок о бок путями текучей среды с одной движущейся частью в каждой половине соединений штанги и где гидравлические соединения полностью закрыты наружной трубой. В состав входит также закрывающее средство, которое закрывает пути передачи текучей среды гидросистемы, когда штанги отсоединены и автоматически открывает пути, когда штанги соединены друг с другом. Вместе с тем, образец имеет весьма значительную длину контактного взаимодействия гидравлических компонентов и не имеет адекватного средства обеспечения концентричности и углового совмещения компонентов при их сцеплении. Данные недостатки дополнительно усиливает тот факт, что уплотнения в соединениях перемещаются по соединительным патрубкам при сцеплении компонентов, что уменьшает надежность соединения. В климатических условиях с экстремально низкими или высокими температурами, соединение открыто отрицательным воздействиям, отличающееся температурное расширение при котором различных компонентов не учтено в конструкции. Также, хотя имеется только один подвижный компонент в каждой половине соединения, в одной половине компонент является внутренним, ближайшим к оси, а в другой половине компонент является внешним. Данное означает, что трудно поддерживать достаточную открытую площадь для обеспечения приемлемого уровня потерь давления на соединении во время работы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно аспекту настоящего изобретения создана бурильная штанга для устройства с гидравлическим управлением, содержащая:
первый соединительный интерфейс на первом конце и второй соединительный интерфейс на втором конце, при этом первый соединительный интерфейс предназначен для соединения бурильной штанги со вторым соединительным интерфейсом аналогичной бурильной штанги или с устройством, и второй соединительный интерфейс предназначен для соединения бурильной штанги с первым соединительным интерфейсом аналогичной бурильной штанги или со средством передачи текучей среды;
множество отдельных каналов потока текучей среды, проходящих через бурильную штангу;
первый элемент, установленный с возможностью перемещения в первом соединительном интерфейсе;
второй элемент, установленный с возможностью перемещения во втором соединительном интерфейсе; и
отличающаяся тем, что первый перемещающийся элемент является наиболее близким к центральной осевой линии компонентом в первом соединительном интерфейсе, и второй перемещающийся элемент является наиболее близким к центральной осевой линии компонентом во втором соединительном интерфейсе и, когда бурильная штанга соединена с аналогичной бурильной штангой или с устройством или со средством передачи текучей среды, установлено сообщение текучей средой по меньшей мере двух каналов потока текучей среды с соответствующими каналами аналогичной бурильной штанги или устройства или средства передачи текучей среды только с помощью перемещения первого и второго перемещающихся элементов.
Термин "наиболее близкий к центральной осевой линии", используемый в данном документе, указывает, что каждый из перемещающихся элементов является наиболее близким компонентом в своем соответствующем соединительном интерфейсе к центральной осевой линии бурильной штанги, то есть, никакой другой компонент не установлен или не размещен в перемещающемся элементе.
В одном варианте осуществления первый соединительный интерфейс является охватывающим соединительным интерфейсом, и второй соединительный интерфейс является вставным соединительным интерфейсом. В альтернативных вариантах осуществления данное устройство можно реверсировать. Бурильная штанга настоящего изобретения идеально приспособлена для применения с бурильным инструментом ударного действия с гидравлическим управлением, например, гидравлическим погружным ударным устройством, но может также применяться с любым другим средством с гидравлическим силовым управлением, которое требует дистанционного управления. Средство передачи текучей среды может также являться вращающимся средством.
Преимущество данного устройства состоит в том, что благодаря установке перемещающихся элементов вдоль центральной осевой линии бурильной штанги, когда смежные бурильные штанги соединены так, что по меньшей мере два канала потока текучей среды установлены сообщающимися текучей средой, текучая среда проходит насколько возможно близко к центральной осевой линии бурильной штанги. Данное обеспечивает поддержание максимальной прочности бурильной штанги с одновременной максимизацией площади, через которую текучая среда может проходить, с удержанием, при этом, минимальной потери давления.
В некоторых вариантах осуществления, когда бурильная штанга соединена с аналогичной бурильной штангой или с устройством, по существу, отсутствует перекрывание между перемещающимися элементами в аксиальном (продольном) направлении бурильной штанги.
Данное означает, например, что ни один из первого и второго перемещающихся элементов не размещается в другом и не перекрывает другого в аксиальном (продольном) направлении. В предпочтительном варианте осуществления первый перемещающийся элемент имеет, по существу, планарную концевую поверхность, и второй перемещающийся элемент имеет, по существу, планарную концевую поверхность, и когда бурильная штанга соединена с аналогичной бурильной штангой или устройством, планарные концевые поверхности упираются друг в друга.
Преимущество данного устройства состоит в том, что поскольку отсутствует перекрывание между перемещающимися компонентами, площадь сечения бурильной штанги, занимаемая перемещающимися компонентами, минимизирована, при этом обеспечивается максимизация открытой площади (т.e. площади, через которую текучая среда может проходить). Данное обеспечивает минимизацию потери давления на каждом соединительном интерфейсе.
В варианте осуществления первый перемещающийся элемент установлен с возможностью смещения в первом соединительном интерфейсе и второй перемещающийся элемент установлен с возможностью смещения во втором соединительном интерфейсе так, что когда бурильная штанга отсоединена от аналогичных бурильных штанг или устройства или от средства передачи текучей среды, по меньшей мере два канала потока текучей среды уплотнены первым и вторым перемещающимися элементами. Так что когда бурильная штанга отсоединена на первом конце штанги от аналогичной бурильной штанги или гидравлически управляемого устройства, по меньшей мере два канала потока текучей среды уплотнены первым перемещающимся элементом. Когда бурильная штанга отсоединена на втором конце штанги от аналогичной бурильной штанги или от средства передачи текучей среды, по меньшей мере два канала потока текучей среды уплотнены вторым перемещающимся элементом.
Преимущество данного устройства состоит в том, что когда бурильные штанги отсоединены, текучая среда, содержащаяся в каждой бурильной штанге, сохраняется в ней, при этом предотвращаются потери текучей среды после отсоединения.
В варианте осуществления изобретения множество отдельных каналов потока текучей среды выполнены концентрическими по меньшей мере на значительном участке длины бурильной штанги. Данное обеспечивает создание каждого пути текучей среды прямым, насколько возможно, при этом предотвращаются потери давления при проходе через бурильную штангу.
Множество отдельных каналов потока текучей среды может включать в себя по меньшей мере нагнетательный канал рабочей текучей среды гидросистемы и канал возвратной текучей среды и, когда бурильная штанга соединена с аналогичной бурильной штангой или устройством или со средством передачи текучей среды, можно устанавливать сообщение текучей средой нагнетательного канала рабочей текучей среды гидросистемы и канала возвратной текучей среды с соответствующими каналами аналогичной бурильной штанги или устройства или средства передачи текучей среды только с помощью перемещения первого и второго перемещающихся элементов и, когда бурильная штанга отсоединена от аналогичной бурильной штанги или устройства или средства передачи текучей среды, нагнетательный канал рабочей текучей среды гидросистемы и канал возвратной текучей среды можно уплотнять первым и вторым перемещающимися элементами.
Согласно варианту осуществления изобретения бурильная штанга дополнительно содержит:
наружную трубу;
среднюю трубу, концентрически установленную в наружной трубе; и центральную трубу, концентрически установленную в средней трубе;
при этом трубы создают три отдельных канала потока текучей среды, проходящих через бурильную штангу, и при этом наружная труба проходит аксиально (продольно) за концы средней трубы и центральной трубы.
Поскольку наружная труба проходит за среднюю и центральную трубы, потенциальное повреждение средней и центральной труб предотвращается.
В варианте осуществления первый соединительный интерфейс включает в себя охватывающую часть бурильного замка, имеющую коническую резьбу, на первом конце наружной трубы, и второй соединительный интерфейс включает в себя вставную часть бурильного замка, имеющую коническую резьбу, на втором конце наружной трубы, и охватывающая часть бурильного замка предназначена для резьбового соединения бурильной штанги с вставной частью бурильного замка аналогичной бурильной штанги или устройства, и вставная часть бурильного замка предназначена для резьбового соединения с охватывающей частью бурильного замка аналогичной бурильной штанги или со средством передачи текучей среды. В альтернативных вариантах осуществления охватывающую резьбу можно создавать во втором соединительном интерфейсе, и вставную резьбу можно создавать в первом соединительном интерфейсе.
Преимущество данного устройства состоит в том, что коническая резьба имеет центрирующее воздействие на бурильные штанги, когда их стыкуют друг с другом, обеспечивая их сцепление друг с другом даже в случае, где имеется значительное осевое рассогласование.
В одном варианте осуществления бурильная штанга дополнительно содержит:
по меньшей мере один гидравлический компонент в первом соединительном интерфейсе, выполненный с возможностью несения рабочей текучей среды гидросистемы, проходящей через бурильную штангу, и имеющий выпуск для рабочей текучей среды гидросистемы на своем направленном наружу конце; и
по меньшей мере один гидравлический компонент во втором соединительном интерфейсе, выполненный с возможностью несения рабочей текучей среды гидросистемы, проходящей через бурильную штангу, и имеющий впуск для рабочей текучей среды гидросистемы на своем направленном наружу конце;
при этом, когда бурильная штанга соединена с аналогичной бурильной штангой, или с устройством, или со средством передачи текучей среды, рабочая текучая среда гидросистемы проходит из по меньшей мере одного гидравлического компонента в первом соединительном интерфейсе в гидравлический компонент во втором соединительном интерфейсе, и отсутствует перекрывание между гидравлическими компонентами в аксиальном (продольном) направлении бурильной штанги.
Термин “гидравлический компонент”, используемый в данном документе, указывает компонент, через который может проходить рабочая текучая среда. Термин “наружу”, используемый в данном документе, указывает аксиальное или продольное направление наружу из бурильной штанги (а не радиальное направление).
Преимущество данного устройства состоит в том, что поскольку отсутствует перекрывание между гидравлическими компонентами в первом и втором соединительных интерфейсах, снимается требование тщательного контроля соосности соединительных интерфейсов, когда их стыкуют друг с другом. Поскольку компоненты не перекрываются, радиальные уплотнения не требуются, и поэтому повреждение таких уплотнений при перемещении компонентов друг по другу больше не вызывает беспокойства.
В варианте осуществления по меньшей мере один гидравлический компонент в первом соединительном интерфейсе имеет первую, по существу, планарную концевую поверхность; и по меньшей мере один гидравлический компонент во втором соединительном интерфейсе имеет вторую, по существу, планарную концевую поверхность; и когда бурильная штанга соединена с аналогичной бурильной штангой, или с устройством, или со средством передачи текучей среды, первая и вторая планарные концевые поверхности расположены в сближенными друг с другом. Так что, когда бурильная штанга соединена на первом конце с аналогичной бурильной штангой, или гидравлически управляемым устройством, первая планарная концевая поверхность бурильной штанги расположена вблизи второй планарной концевой поверхностью аналогичной бурильной штанги, или гидравлически управляемого устройства. Кроме того, когда бурильная штанга соединена на втором конце с аналогичной бурильной штангой, или со средством передачи текучей среды, второй планарный конец бурильной штанги расположен вблизи первой планарной концевой поверхности аналогичной бурильной штанги или средства передачи текучей среды. Предпочтительно, две поверхности не вводятся в контакт при соединении штанги, но почти упираются друг в друга. В альтернативных вариантах осуществления гидравлически управляемое устройство и устройство передачи текучей среды дополнительно имеют компонент интерфейса с планарной концевой поверхностью.
В варианте осуществления, первая и вторая планарные концевые поверхности выполнены так, что после соединения бурильной штанги с аналогичной бурильной штангой, или с устройством или со средством передачи текучей среды поддерживается контакт первой планарной концевой поверхности бурильной штанги со второй планарной концевой поверхностью аналогичной бурильной штанги, или с устройством или со средством передачи текучей среды, при этом давление в нагнетательном канале рабочей текучей среды гидросистемы выше давления в канале возвратной текучей среды. Нагнетание давления гидравлических компонентов приводит две планарных поверхности в контакт друг с другом.
Предпочтительно, торцевое уплотнение создано по меньшей мере в одной из первой и второй планарных концевых поверхностей, для получения эффекта уплотнения с противоположной концевой поверхностью. Торцевое уплотнение является уплотнением, в котором уплотняющиеся поверхности являются нормальными к оси уплотнения, то есть действие уплотнения получают взаимодействием в основном в продольном или аксиальном направлении между первой и второй концевыми поверхностями. Торцевое уплотнение можно создавать в кольцевой выемке на первой или второй планарной концевой поверхности. Торцевое уплотнение может окружать, по меньшей мере один из выпуска для рабочей текучей среды гидросистемы или впуска для рабочей текучей среды гидросистемы.
Преимущество данного устройства состоит в том, что применение торцевого уплотнения между двумя концевыми поверхностями, которые упираются друг в друга, допускает более значительное аксиальное (параллельное) отклонение от соосности между смежными бурильными штангами на соединении, чем радиальные уплотнения в существующей технике. Данное означает, что даже если центральные оси смежных штанг являются смещенными друг от друга на соединении, можно все равно получить надежное уплотнение. Торцевые уплотнения также менее подвержены повреждениям во время соединения, чем радиальные уплотнения.
Согласно другому аспекту изобретения создана бурильная штанга для устройства с гидравлическим управлением, содержащая:
первый соединительный интерфейс на первом конце и второй соединительный интерфейс на втором конце, при этом первый соединительный интерфейс предназначен для соединения бурильной штанги со вторым соединительным интерфейсом аналогичной бурильной штанги или с устройством, и второй соединительный интерфейс предназначен для соединения бурильной штанги с первым соединительным интерфейсом аналогичной бурильной штанги или со средством передачи текучей среды;
по меньшей мере один гидравлический компонент в первом соединительном интерфейсе, выполненный с возможностью несения рабочей текучей среды гидросистемы, проходящей через бурильную штангу, и имеющий выпуск для рабочей текучей среды гидросистемы на своем направленном наружу конце; и
по меньшей мере один гидравлический компонент во втором соединительном интерфейсе, выполненный с возможностью несения рабочей текучей среды гидросистемы, проходящей через бурильную штангу, и имеющий впуск для рабочей текучей среды гидросистемы на своем направленном наружу конце;
при этом, когда бурильная штанга соединена с аналогичной бурильной штангой, или с устройством, или со средством передачи текучей среды, рабочая текучая среда гидросистемы проходит от по меньшей мере одного гидравлического компонента в первом соединительном интерфейсе по меньшей мере до одного гидравлического компонента во втором соединительном интерфейсе аналогичной бурильной штанги или устройства или средства передачи текучей среды, и отсутствует перекрывание между гидравлическими компонентами в аксиальном направлении бурильной штанги.
В одном варианте осуществления первый соединительный интерфейс является охватывающим соединительным интерфейсом, и второй соединительный интерфейс является вставным соединительным интерфейсом. В альтернативных вариантах осуществления данное устройство можно реверсировать. Бурильная штанга настоящего изобретения идеально подходит для применения с бурильным инструментом ударного действия с гидравлическим управлением, например, гидравлическим погружным ударным устройством, но может также применятьcя с любым другим средством с гидравлическим силовым управлением, которое требует дистанционного управления. Средство передачи текучей среды может также являться вращающимся средством.
Вариант осуществления изобретения описан ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показано сечение гидравлической погружной бурильной системы, включающей в себя бурильные штанги согласно настоящему изобретению.
На фиг. 2 показано сечение компонентов бурильной штанги согласно варианту осуществления настоящего изобретения в разобранном состоянии.
На фиг. 3 показано сечение собранной бурильной штанги фиг. 2.
На фиг. 4 показано сечение двух смежных бурильных штанг сближающихся для выполнения соединения.
На фиг. 5 показано сечение частично сцепленных бурильных штанг фиг. 4.
На фиг. 6 показано сечение полностью сцепленных бурильных штанг фиг. 4.
На фиг. 7 в сечении участка бурильных штанг фиг. 6 показан путь потока рабочей текучей среды гидросистемы, проходящей через соединение.
На фиг. 8 в сечении участка бурильных штанг фиг. 6 показан путь потока возвратной текучей среды, проходящей через соединение.
На фиг. 9a показано сечение по линии A-A на фиг. 6.
На фиг. 9b показано сечение по линии В-В на фиг. 6.
На фиг. 9c показано сечение по линии C-C на фиг. 6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Гидравлическая погружная бурильная система, имеющая в составе две бурильные штанги 2, 3, согласно настоящему изобретению, показана на фиг. 1. Система включает в себя ударное устройство 1, на которое подается рабочая текучая среда гидросистемы и промывочная текучая среда, и которое выпускает возвратную текучую среду через бурильные штанги 2, 3.
На фиг. 2 и 3 показана бурильная штанга 2 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Бурильная штанга 2 имеет охватывающий соединительный интерфейс 100 на первом конце 101 и вставной соединительный интерфейс 102 на втором конце 103. Охватывающий соединительный интерфейс 100 предназначен для соединения бурильной штанги 2 со вставным соединительным интерфейсом 102 аналогичной бурильной штанги 3 или с ударным устройством 1, как показано на фиг. 1. Бурильная штанга 2 имеет множество отдельных каналов 4, 6, 8 потока текучей среды, созданных конструкцией из концентрических труб. Бурильная штанга содержит центральную трубу 4, которая несет рабочую текучую среду гидросистемы, и которая окружена средней трубой 5. Возвратная текучая среда переносится в кольцевом канале 6, образованном между центральной трубой 4 и средней трубой 5. Средняя труба окружена наружной трубой 7. Промывочная текучая среда переносится в кольцевом канале 8, образованном между средней трубой 5 и наружной трубой 7.
Охватывающий соединительный интерфейс 100 включает в себя усиленный кожух или охватывающую часть 10 бурильного замка, сваренную с первым концом наружной трубы 7. Охватывающая часть бурильного замка является в общем цилиндрической и имеет внутренний канал, созданный в ней. Коническая резьба выполнена на внутренней поверхности стенки части бурильного замка. Вставной соединительный интерфейс 102 включает в себя усиленный кожух или вставную часть 9 бурильного замка, сваренную со вторым концом наружной трубы 7. Вставная часть бурильного замка является в общем цилиндрической и имеет коническую резьбу, выполненную на наружной поверхности своей стенки. Охватывающая часть 10 бурильного замка предназначена для резьбового соединения бурильной штанги 2 со вставной частью 9 бурильного замка аналогичной бурильной штанги или с ударным устройством 1, и вставная часть 9 бурильного замка предназначена для резьбового соединения с охватывающей частью 10 бурильного замка аналогичной бурильной штанги 3 или с вращающимся средством, как показано на фиг. 1. В альтернативных вариантах осуществления части бурильных замков можно неподвижно крепить к наружной трубе средством иным, чем сварка.
Концевая деталь 13 создана на первом конце центральной трубы 4. На втором конце центральной трубы 4 держатель 11 уплотнения сварен с трубой и снабжен уплотнением 12. Аналогично, концевая деталь 16, сварена с первым концом средней трубы 5 и держатель 14 уплотнения, снабженный уплотнением 15, сварен со вторым концом средней трубы 5. В альтернативных вариантах осуществления концевые детали можно неподвижно крепить к центральной и средней трубам средством иным, чем сварка.
Бурильную штангу 2 собирают, вначале вталкивая гидравлическую вставку 17 охватывающей части в охватывающую часть 10 бурильного замка до упора конца вставки 17 в направленный внутрь заплечик в охватывающей части 10 бурильного замка. Затем подают среднюю трубу 5 в наружную трубу 7 через вставную часть 9 бурильного замка до упора держателя 14 уплотнения в направленный внутрь заплечик 18 во вставной части 9 бурильного замка. Уплотнение 15 входит в контактное взаимодействие с внутренней поверхностью части 9 бурильного замка. Когда средняя труба 5 установлена в нужное положение, ее концевая деталь 16 входит в контактное взаимодействие с радиальным уплотнением 19, созданным в проходящем по окружности пазу во внутренней поверхности стенки охватывающей части 10 бурильного замка. Гидравлическую вставку 20 вставной части затем вталкивают во вставную часть 9 бурильного замка до упора в держатель 14 уплотнения. Центральную трубу 4 затем подают внутрь через гидравлическую вставку 20 вставной части до получения контактного взаимодействия держателя 11 уплотнения с направленным внутрь заплечиком 21, выполненным на гидравлической вставке 20. Когда центральная труба установлена в нужное положение, ее концевая деталь 13 входит в контактное взаимодействие с радиальным уплотнением 28, созданным в проходящем по окружности пазу в гидравлической вставке 17. Как показано на фиг. 3, когда трубы собраны, наружная труба 7 проходит аксиально за концы средней трубы и центральной трубы.
Бурильная штанга дополнительно содержит управляющий золотник 23 охватывающей части, установленный с возможностью перемещения в охватывающем соединительном интерфейсе 100, и управляющий золотник 22 вставной части, установленный с возможностью перемещения во вставном соединительном интерфейсе 102. Управляющий золотник 23 охватывающей части установлен с возможностью смещения в охватывающем соединительном интерфейсе 100 с помощью пружины 25, и управляющий золотник вставной части установлен с возможностью смещения во вставном соединительном интерфейсе 102 с помощью пружины 24. Как показано на фиг. 3, управляющий золотник 23 охватывающей части является наиболее близким к центральной осевой линии компонентом в охватывающем соединительном интерфейсе 100, и управляющий золотник 22 вставной части является наиболее близким к центральной осевой линии компонентом во вставном соединительном интерфейсе 102, то есть, никакой другой компонент не расположен или не размещен в любом из управляющих золотников 22, 23.
Для завершения сборки управляющие золотники 22 и 23 со своими пружинами 24 и 25 подаются в гидравлические вставки 17, 20, вставной и охватывающей частей соответственно, и останавливающие упоры 26 и 27 золотников вставной и охватывающей частей ввинчиваются в гидравлическую вставку 20 вставной части и гидравлическую вставку 17 охватывающей части, соответственно. Каждый из останавливающих упоров 26, 27 золотников имеет, по существу, планарную концевую поверхность. Останавливающий упор 27 золотника имеет выпуск для рабочей текучей среды гидросистемы в своей концевой поверхности, и останавливающий упор 26 золотника имеет впуск для рабочей текучей среды гидросистемы в своей концевой поверхности. Торцевое уплотнение 34 создано в кольцевой выемке в планарной концевой поверхности останавливающего упора 26 золотника, при этом торцевое уплотнение 34 окружает впуск для рабочей текучей среды гидросистемы. Резьбы на данных останавливающих упорах 26, 27 золотников выполнены с дополнительным аксиальным зазором, так что останавливающие упоры 26, 27 золотников могут перемещаться на небольшое расстояние в аксиальном направлении. При "приведении в рабочее состояние" приложением давления останавливающие упоры 26, 27 золотников приводятся в контакт друг с другом. Уплотнения 29 и 30 на управляющих золотниках 22 и 23 обеспечивают предотвращение утечки масла, содержащегося в центральной трубе 4, наружу из бурильной штанги, когда бурильная штанга отсоединена от другой бурильной штанги. Уплотнения 31 и 32 на управляющих золотниках 22 и 23 обеспечивают предотвращение утечки масла, содержащегося в кольцевом возвратном пути 6 потока наружу после отсоединения. Таким образом, когда бурильная штанга отсоединена от аналогичных бурильных штанг или бурильного инструмента, каналы рабочей текучей среды гидросистемы, а также потока возвратной текучей среды уплотнены управляющими золотниками вставной и охватывающей частей.
Будучи полностью собранными, центральная и средняя трубы 4 и 5 закреплены в заданном положении вследствие их контактного взаимодействия с заплечиками 21 и 18, соответственно, только во вставном соединительном интерфейсе 102. Концевые детали 13 и 16 на противоположных концах труб свободны для перемещения аксиально в уплотнениях 28 и 19. Данное обеспечивает небольшие изменения длины в трубах, если их когда-нибудь индивидуально заменяют, и, что более важно, также обеспечивает отличающиеся изменения длины под действием температуры или давления различных труб во время эксплуатации.
Как показано на фиг. 4, смежные бурильные штанги 2, 3 соединяют вместе вводом в зацепление резьбы охватывающей части 10 бурильного замка на бурильной штанге 3 с резьбой вставной части 9 бурильного замка на бурильной штанге 2, и с помощью вращения штанги 3 относительно штанги 2.
Как показано на фиг. 5, когда штанги сходятся вместе, управляющие золотники 22 и 23 входят в контакт друг с другом. Как показано на чертежах, каждый из управляющих золотников имеет, по существу, планарную концевую поверхность, и когда бурильные штанги сводят вместе, планарные концевые поверхности упираются друг в друга. Пружина 25 прикладывает более высокую силу предварительного нагружения на управляющий золотник 23 охватывающей части, чем пружина 24 на золотник 22 вставной части. Продолженное контактное взаимодействие резьбового соединения между бурильными штангами обеспечивает золотнику 22 вставной части перемещение от его останавливающего упора 26 до входа в контакт с держателем 11 уплотнения на центральной трубе 4, на данной точке дальнейшее перемещение становится невозможным. Дополнительное контактное взаимодействие соединения обеспечивает управляющему золотнику 23 охватывающей части перемещение от его останавливающего упора 27 золотника. В точке, показанной на фиг. 5, управляющий золотник 22 вставной части переместился на предельно возможное расстояние и находится в контакте с держателем 11 уплотнения, и управляющий золотник 23 охватывающей части находится вблизи выхода из контактного взаимодействия с останавливающим упором 27 золотника. Поскольку охватывающий соединительный интерфейс расположен на стороне соединения выше по потоку, когда золотник 23 охватывающей части отходит от останавливающего упора 27 золотника, масло из центральной трубы 4 должно выпускаться из штанги 3 для заполнения соединительной зоны. Данное обеспечивает удовлетворительную смазку соединительной зоны до конечного участка ее прохода. Также в данном положении радиальное уплотнение 33, созданное в проходящем по окружности пазу на наружной поверхности стенки гидравлической вставки 17 охватывающей части, взаимодействует с носом вставной части 9 бурильного замка для предотвращения вытекания наружу текучей среды, которая заполняет соединительную зону.
Как показано на фиг. 6, когда соединение является полностью сцепленным, два останавливающих упора 26, 27 золотников сходятся в положение, где находятся очень близко друг к другу. Планарные концевые поверхности останавливающих упоров золотников упираются друг в друга и, как показано на чертеже, отсутствует перекрывание в продольном или аксиальном направлении между, как перемещающимися управляющими золотниками 22, 23, так и останавливающими упорами 26, 27 золотников. Торцевое уплотнение 34 на останавливающем упоре 26 золотника вставной части входит в контактное взаимодействие с планарной концевой поверхностью останавливающего упора 27 золотника охватывающей части и создает уплотнение вокруг пути потока рабочей текучей среды гидросистемы на интерфейсе между бурильными штангами 2,3. В положении, показанном на фиг. 6, золотник 23 охватывающей части переместился от своего останавливающего упора 27 на расстояние, одинаковое с перемещением золотника 22 вставной части от своего останавливающего упора 26 так, что установлено сообщение текучей средой канала 4 потока рабочей текучей среды гидросистемы и канала 6 потока возвратной текучей среды бурильной штанги 3 с соответствующими каналами бурильной штанги 2 только с помощью перемещения управляющих золотников. Как показано на фиг. 7 и 8, каналы потока являются, по существу, симметричными.
Как показано на фиг. 7 и 8, перемещение золотников 22, 23 от своих останавливающих упоров 26, 27 открывает пути потока рабочей текучей среды гидросистемы и потока возвратной текучей среды, по существу, одновременно. Рабочая текучая среда гидросистемы проходит через центральную трубу 4 бурильной штанги 3 и управляющий золотник 23 охватывающей части в управляющий золотник 22 вставной части и центральную трубу 4 бурильной штанги 2. Поток возвратной текучей среды проходит из кольцевого канала 6 в бурильной штанге 2, в выемку в наружной поверхности стенки управляющего золотника 22, через многочисленные сверления в гидравлической вставке 20 и затем между вставной частью 9 бурильного замка 9 и гидравлическими вставками 20 и 17, через сверления в гидравлической вставке 17 в бурильной штанге 3 в выемку в наружной поверхности стенки управляющего золотника 23 и в кольцевой канал 6 в бурильной штанге 3. После отсоединения проходит реверс, и пути потока закрываются, по существу, одновременно, непосредственно до выхода носа вставного части 9 бурильного замка из контактного взаимодействия с уплотнением 33. Данное обеспечивает незначительные потери текучей среды гидросистемы в каждом цикле соединения/отсоединения.
В сечениях на фиг. 9а-9c показаны промывочные каналы в виде продольных сверлений, проходящих через вставную часть 9 и охватывающую часть 10 бурильного замка, и сверления возвратных каналов в гидравлических вставках 17, 20.
Как изложено выше, имеется только один перемещающийся компонент в каждом соединительном интерфейсе, а именно, управляющий золотник, и отсутствует перекрывание между управляющими золотниками в аксиальном направлении, т.e. никакой перемещающийся компонент не размещается в другом. Каждый перемещающийся компонент является наиболее близким к центральной осевой линии компонентом соединительного интерфейса. Перемещение управляющих золотников управляет обоими потоками рабочей текучей среды гидросистемы в каждой половине соединения.
В варианте осуществления, показанном на чертежах и описанном выше, рабочая текучая среда гидросистемы проходит из охватывающего соединительного интерфейса в одной бурильной штанге во вставной соединительный интерфейс в примыкающей бурильной штанге. В альтернативных вариантах осуществления соединительные интерфейсы можно реверсировать для прохода рабочей текучей среды гидросистемы из вставного соединительного интерфейса в одной бурильной штанге в охватывающий соединительный интерфейс в примыкающей бурильной штанге. Единственным изменением, которое требуется для бурильной штанги такого варианта осуществления должен являться реверс пружин 24 и 25.
Имеются ряд преимуществ, связанных с данным конструктивным решением. Решение обеспечивает прочную конфигурацию бурильного замка с применением конических резьб промышленного стандарта, что обеспечивает частям бурильных замков контактное взаимодействие и направление для соединения друг с другом, даже когда имеется начальное отклонение от параллельности. Гидравлические вставки в бурильных замках можно выполнять такими, что противоположная часть бурильного замка не может вводить их в контакт во время по меньшей мере первых 80% хода свинчивания резьбы, даже когда имеется значительный угловое смещение осей. Если контакт между данными компонентами является невозможным, то можно обеспечить исключение износа или повреждения, значительно улучшая надежность соединения по сравнению с образцами существующей техники. Как изложено выше и как показано на фиг. 5, контактное взаимодействие между вставной частью бурильного замка и гидравлической вставкой охватывающей части отсутствует до достижения управляющим золотником вставной части своего положения завершенного перемещения, т.е. точки, в которой нос вставной части 9 бурильного замка входит в контактное взаимодействие с уплотнением 33 на гидравлической вставке 17 охватывающей части. Кроме того, поскольку минимальная площадь сечения занята управляющими золотниками, гидравлические вставки можно выполнить очень прочными, с площадью сечения и прочностью на изгиб, которые сравнимы с такими показателями бурильных замков. Данное дополнительно повышает надежность. Площадь, имеющуюся для каждого пути потока на бурильных замках, можно сохранять составляющей до 20% общей внутренней площади сечения бурильного замка, без компромисса по надежности. Данное уменьшает потерю давления на каждом соединении между смежными бурильными штангами.
Применение торцевого уплотнения вместо радиального уплотнения на соединении пути потока рабочей текучей среды гидросистемы обеспечивает ряд дополнительных преимуществ. Соединение является значительно более стойким к повреждению или износу во время контактного взаимодействия, поскольку отсутствует перемещение компонентов по уплотнению. Соединение может допускать значительное отклонение от параллельности и большее угловое смещение осей, чем соединение с радиальным уплотнением. Поверхность останавливающего упора золотника охватывающей части, которая взаимодействует с уплотнением, никогда не касается любого другого компонента, даже когда соединение смещено от оси. Данное обеспечивает исключение износа или повреждения, которые могут влиять на надежность уплотнения между останавливающими упорами золотников. Небольшое аксиальное перемещение останавливающих упоров 26, 27 золотников для контакта друг с другом под давлением обеспечивает работу торцевого уплотнения 34 без экструзионного зазора, что дополнительно повышает надежность.
Радиальное уплотнение 33 в наружной поверхности стенки гидравлической вставки 17 подвергается воздействию только возвратной текучей среды низкого давления, и длина его контактного взаимодействия с вставной частью бурильного замка является весьма небольшой, составляя приблизительно 10% диаметра штанги. Данное улучшает надежность уплотнения, поскольку вставная часть бурильного замка перемещается по уплотнению только на небольшом участке всей длины свинчивания резьбы.
Поскольку концевые детали труб 4 и 5 размещены в радиальных уплотнениях и не закреплены неподвижно, конструктивное решение обеспечивает отличающееся температурное расширение данных компонентов.
Бурильная штанга является полностью модульной, и каждый компонент можно индивидуально заменить при необходимости.
Конструкция из концентрических труб обеспечивает любым небольшим количествам текучей среды утечки из нагнетательного канала во время работы полное удержание в возвратном канале, при этом обеспечивая отсутствие потерь рабочей текучей среды. Данное устройство также удерживает рабочую текучую среду в случае отказа уплотнения в любом месте нагнетательного канала.
Слова "содержит/содержащий" и слова "имеющий/включающий в себя" при использовании в данном документе в отношении настоящего изобретения указывают на присутствие заявленных элементов, целых чисел, этапов или компонентов но не исключают присутствие или добавление одного или нескольких других элементов, целых чисел, этапов, компонентов или их групп.
Понятно, что некоторые признаки изобретения, которые для ясности описаны в контексте отдельных вариантов осуществления, можно также создавать в комбинации в одном варианте осуществления. Наоборот, различные признаки изобретения, которые для ясности описаны в контексте одного варианта осуществления, можно также создавать отдельно или в любой подходящей подкомбинации.