СКВАЖИННЫЙ ВЕРТЛЮГ

Предлагаемая полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована при бурении наклонных и горизонтальных скважин.
Известен скважинный вертлюг, который включает в себя ствол в виде вала со сквозным отверстием, коническим упорным выступом с установленным на ствол упорным кольцом из антифрикционного материала, выполняющего функцию подшипника скольжения и уплотнения соединения, на одном конце и наружной присоединительной резьбой на другом конце, корпусом в виде втулки с внутренней резьбой на одном конце и наружной резьбой на другом конце, упорным подшипником скольжения, выполненным из антифрикционного материала в виде фигурного кольца с внутренними поверхностями, взаимодействующими со стволом и корпусом, гайкой с внутренней резьбой и конической упорной поверхностью на внутреннем уступе для взаимодействия с упорным кольцом и соединения с корпусом в сборе с упорным подшипником скольжения и стволом с установленным на него упорным кольцом, причем гайка зафиксирована от отвинчивания с корпусом стопорными винтами и уплотнена со стволом и корпусом уплотнительными кольцами (по патенту RU2428556, кл. Е21В 17/05, опубл. 10.09.11).
Недостатком такого решения является невозможность фиксирования корпуса и ствола вертлюга для передачи вращения в скважине.
Известен поворотный инструмент для использования в стволе скважины, который содержит корпус инструмента и оправку, которая может перемещаться в осевом направлении относительно корпуса инструмента. Инструмент также содержит фиксирующий элемент, подвижный между первым положением, в котором оправка вращательно перемещается относительно корпуса инструмента, и вторым положением, в котором оправка и корпус инструмента вращательно соединены. Запорный элемент выполнен с возможностью перемещения между первым и вторым положениями в ответ на механическую осевую силу и вращательную силу на оправке (по патенту US20200141202, кл. Е21В 31/00, Е21В 17/07, Е21В 43/10, Е21В 17/05, опубл. 07.05.20).
Недостатком такого решения является то, что подшипниковая опора воспринимает нагрузку только в одном осевом направлении.
В качестве прототипа взят поворотный переводник, который включает в себя первое цилиндрическое тело, включая часть втулки, имеющую один или несколько зубьев, и второе цилиндрическое тело, частично расположенное внутри части втулки. Тела расположены так, чтобы вращаться относительно друг друга. Переводник также включает скользящую втулку, имеющую один или несколько зубьев, расположенных во взаимном зацеплении с первыми зубьями, которые могут перемещаться в осевом направлении между расцепленным и зацепленным положениями, в одном варианте осуществления за счет создаваемого в переводнике перепада давления. Кроме того, настоящее изобретение предоставляет способы запуска инструмента, в частности, для установки и подвешивания вкладышей и экранов (по патенту US8191639, кл. Е21В 23/04, опубл. 05.06.12).
Недостатком такого решения является отсутствие возможности смазки подшипника, что может привести к его перегреву и разрушению. Также не раскрыта конструкция и материалы подшипниковой опоры.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении надежности работы и срока службы скважинного вертлюга за счет конструкции подшипниковой опоры.
Указанный технический результат достигается тем, что скважинный вертлюг состоит из верхнего и нижнего сердечников, соединенных друг другом с возможностью вращения, на верхнем сердечнике без возможности взаимного вращения установлена опора с выполненными снизу внутренними шлицами, нижний сердечник в верхней части жестко соединен с корпусом, между корпусом и верхним сердечником установлен верхний подшипник, а между корпусом и опорой – нижний подшипник, на верхнем сердечнике под опорой подвижно установлен поршень с выполненными в верхней его части внешними шлицами, поршень выполнен с возможностью осевого перемещения внутри нижнего сердечника без возможности взаимного вращения, и отличается тем, что подшипники выполнены из керамического материала, а верхний подшипник размещен на внешней части инструмента.
Кроме того, поршень может быть зафиксирован срезными штифтами.
Кроме того, на втулках подшипников могут быть выполнены радиальные пазы.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 – скважинный вертлюг, верхний и нижний сердечники не зафиксированы;
Фиг. 2 – скважинный вертлюг, верхний и нижний сердечники зафиксированы.
Скважинный вертлюг (фиг. 1) состоит из верхнего сердечника 1 и  нижнего сердечника 2, соединенных друг другом с возможностью вращения. На верхнем сердечнике 1 установлена опора 3 с выполненными снизу внутренними шлицами 4. Опора 3 зафиксирована от вращения на верхнем сердечнике 1 шпонкой 5. Нижний сердечник 2 в верхней части жестко соединен с корпусом 6. Между корпусом 6 и верхним сердечником 1 установлен верхний подшипник 7, состоящий из втулок 8 и 9, закрепленных болтами 10. Между корпусом 6 и опорой 3 установлен нижний подшипник 11, состоящий из втулок 12 и 13, закрепленных болтами 14. На верхнем сердечнике 1 под опорой 3 подвижно установлен поршень 15 с выполненными в верхней его части внешними шлицами 16.  Поршень 15 выполнен с возможностью осевого перемещения внутри нижнего сердечника 2 и зафиксирован от вращения шпонками 17.
Поршень 15 зафиксирован срезными штифтами 18.
На втулках 8, 9 подшипника 7 и на втулках 12, 13 подшипника 10 выполнены радиальные пазы 19 и 20 соответственно.
Применение.
В горизонтальных скважинах удаленной досягаемости веса трубы зачастую недостаточно, чтобы преодолеть силы трения при поперечной загрузке и получить сборку для нижнего заканчивания на общей глубине. Чтобы облегчить заведение сборки на общую глубину необходимо преодолеть напряжение трения вращением. Но зачастую невозможно или нежелательно вращать сборку с нижним заканчиванием, чтобы не повредить сложные и чувствительные инструменты.
Вертлюг применяется для спуска бурильной колонны в наклонно-направленные и горизонтальные скважины, когда для спуска необходимо, чтобы нижняя часть под вертлюгом оставалась неподвижной, а верхняя часть вращалась для обеспечения спуска.
При спуске бурильные трубы, соединенные с верхним сердечником 1 вертлюга, имеют возможность вращаться, в то время как на нижний сердечник 2 с соединенной с ним сборкой будет передаваться минимальный или нулевой крутящий момент.
Для активации вращения нижней  сборки необходимо переместить поршень 15 вверх, создав избыточное давление под ним, при этом штифты 18 срезаются. Внешние шлицы 16 поршня 15 входят в зацепление с внутренними шлицами 4 опоры 3. Благодаря этому обеспечивается жесткая связь верхнего сердечника 1 и нижнего сердечника 2, в результате чего становится возможным передача крутящего момента на нижнюю сборку.
Выполнение подшипников из керамического материала обеспечивает их надежную работу. Преимущества керамических материалов подшипника:
низкий коэффициент трения;
высокая механическая прочность на сжатие до 1990 МПа;
стойкость к износу/истиранию – твердость по Роквеллу 45Н из 82;
коррозионная стойкость;
высокая прочность и ударопрочность;
низкая теплопроводность, выдерживает температуру до 800°C
Размещение основного подшипника на внешней части вертлюга позволяет буровым растворам обеспечить смазку и охлаждение подшипника в ходе работы. Радиальные пазы 19, 20, выполненные во втулках 8, 9, 12, 13, улучшают циркуляцию раствора через подшипники. Это значительно повышает срок службы подшипников, обеспечивая более длительную непрерывную работу вертлюга.
Таким образом, решения, используемые в полезной модели, повышают надежность работы и срок службы скважинного вертлюга и способствуют достижению технического результата.