АДАПТЕР ХВОСТОВИКА С УСИЛЕННЫМ ПРОМЫВОЧНЫМ ОТВЕРСТИЕМ
SHANK ADAPTER WITH REINFORCED FLUSHING HOLE

Область техники
Настоящее изобретение относится к адаптеру хвостовика для бурения горной породы и, в частности, хотя не исключительно, к адаптеру хвостовика, имеющему по меньшей мере одно промывочное отверстие, проходящее через стенку адаптера, в котором по меньшей мере зона промывочного отверстия усилена для упрочнения адаптера по сопротивлению напряжениям от изгиба, сжатия и/или растяжения.
Уровень техники
Ударное бурение является обычной методикой, в которой горную породу разрушают, производя удары, передаваемые с бурового долота для горной породы, установленного на одном конце бурильной колонны, на горную породу на забое ствола скважины. Энергия, требуемая для разрушения горной породы, создается поршнем с гидравлическим приводом, который контактирует с адаптером хвостовика, установленным напротив бурильного инструмента на конце бурильной колонны. Удар поршня по адаптеру создает волну механического напряжения (или ударную волну), которая проходит по бурильной колонне и в конце концов на горную породу забоя скважины.
Адаптеры хвостовика обычно содержат внутренний канал для обеспечения подачи промывочной текучей среды в зону бурильного инструмента. Промывочная текучая среда действует, охлаждая инструмент и удаляя выбуренную породу и мелкодисперсные частицы из ствола скважины. Обычно текучая среда вводится в адаптер хвостовика через радиально проходящее отверстие в стенке адаптера которое погружено в бак текучей среды, который уплотнен к наружной поверхности адаптера аксиально с каждой из сторон отверстия. Примеры адаптеров хвостовика с внутренними промывочными каналами описаны в публикациях EP 1077305, WO 2013/109182, WO 2004/079152 и US 4094364.
Общей проблемой существующих адаптеров хвостовика является подверженность стенки адаптера образованию трещин вследствие напряжений сжатия и растяжения, генерируемых ударным поршнем, а также изгибающих моментов вследствие боковых отклонений бурильной колонны в процессе бурения, здесь трещина возникает и распространяется от промывочного отверстия. Отказ адаптера хвостовика обычно является неожиданным и приводит к простою буровой компоновки. Хотя в WO 2004/079152 раскрыто промывочное отверстие, снижающее риск отказа адаптера, все равно требуется создание адаптера хвостовика имеющего промывочное отверстие, в котором дополнительно уменьшена или исключена вероятность образования трещин в ответ, как на сжимающие, так и растягивающие силы, а также изгибающие моменты.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение адаптера хвостовика для бурения горной породы, имеющего входное отверстие для введения промывочной текучей среды в адаптер, выполненное с возможностью минимизации или исключения вероятности разрушения стенки адаптера трещиной, распространяющейся от промывочного отверстия. Дополнительной задачей является обеспечение адаптера хвостовика, выполненного с возможностью выдерживать силы растяжения и сжатия, действующие в зоне промывочного отверстия. Дополнительной задачей является обеспечение адаптера хвостовика, имеющего усиленное промывочное отверстие со стойкостью к изгибающим моментам, передаваемым через адаптер. Дополнительно, специфической задачей является обеспечение промывочного отверстия, выполненного с возможностью содействия наведению промывочной текучей среды из наружной зоны, окружающей адаптер хвостовика, в аксиально проходящий внутренний канал.
Задачи решают, выполняя промывочное отверстие, проходящее радиально через стенку адаптера, сообщающееся с аксиально проходящим внутренним каналом, которое усилено в аксиально задней зоне. Дополнительно, настоящий адаптер хвостовика выполнен с улучшенной прочностью без ущерба от сужения для скорости текучей среды на входе в центральный канал, посредством позиционирования радиально проходящего промывочного отверстия на аксиально самом заднем конце аксиально проходящего центрального канала.
Настоящая конфигурация промывочного отверстия приспособлена для направления промывочной текучей среды в аксиально переднем направлении в центральном канале удлиненного адаптера. Данное получают посредством радиально внутреннего участка в аксиально задней зоне промывочного отверстия усиленного для создания выступа, проходящего в промывочное отверстие. В частности, поверхность, которая образует промывочное отверстие в задней зоне, является криволинейной или наклоненной внутрь в объем промывочного отверстия (проходящей радиально через стенку адаптера) для направления к поверхности отверстия в аксиально передней зоне отверстия. Соответственно, площадь сечения отверстия на радиально внутренней кромке или боковой стороне отверстия (расположенного на внутреннем аксиальном канале адаптера) меньше соответствующей площади сечения отверстия на радиально наружной кромке или боковой стороне отверстия (расположенного на наружной поверхности адаптера), где соответствующие плоскости сечения проходят аксиально.
В частности, и согласно первому аспекту настоящего изобретения, обеспечен адаптер хвостовика для бурения горной породы, содержащий: удлиненный корпус, имеющий первый конец для установки к поршню и второй конец для установки к бурильной колонне; причем корпус содержит аксиально проходящий внутренний канал для обеспечения прохода промывочной текучей среды к бурильной колонне через второй конец; промывочное отверстие, проходящее радиально через корпус во внутренний канал, причем отверстие имеет аксиально переднюю зону, расположенную ближе ко второму концу, чем аксиально задняя зона, расположенная ближе к первому концу, и имеет радиально наружную сторону, расположенную на наружной поверхности адаптера, и радиально внутреннюю сторону, расположенную на внутреннем канале, причем наружная и внутренняя стороны соединены посредством, в общем, радиально проходящей поверхности, которая образует промывочное отверстие проходящее через корпус; отличающийся тем, что: промывочное отверстие в аксиально задней зоне усилено относительно аксиально передней зоны тем, что в радиальном направлении от наружной стороны до внутренней стороны поверхность в задней зоне по меньшей мере на радиально внутреннем участке является криволинейной или выставленной поперечно относительно самого внутреннего по радиусу участка поверхности отверстия в аксиально передней зоне в радиальном направлении.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, адаптер хвостовика для бурения горной породы отличается тем, что промывочное отверстие в аксиально задней зоне усилено относительно аксиально передней зоны, при этом в радиальном направлении от наружной стороны до внутренней стороны поверхность в задней зоне по меньшей мере на радиально внутреннем участке является криволинейной, так что поверхность в задней зоне на внутренней стороне расположена аксиально ближе ко второму концу адаптера и/или поверхности отверстия в передней зоне, чем поверхность задней зоны на наружной стороне.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, адаптер хвостовика для бурения горной породы отличается тем, что в радиальном направлении от наружной стороны до внутренней стороны поверхность в задней зоне по меньшей мере на радиально внутреннем участке является криволинейной или выставленной поперечно относительно ориентации поверхности в задней зоне на радиально наружном участке, так что поверхность в задней зоне на внутренней стороне расположена аксиально ближе ко второму концу адаптера и/или поверхности отверстия в передней зоне, чем поверхность задней зоны на наружной стороне.
Предпочтительно, поверхность стенки является вогнутой в плоскости сечения, проходящей перпендикулярно продольной оси адаптера на радиально внутреннем участке. Поверхность стенки в задней зоне отверстия можно, поэтому, считать образующей по меньшей мере часть вогнутого канала, проходящую радиально от наружной до внутренней стороны. Вогнутое искривление является предпочтительным для минимизации концентраций напряжения и турбулентности промывочной текучей среды при ее введении во внутренний канал.
Предпочтительно, отверстие образовано на наружной поверхности адаптера кромкой, имеющей прямую часть, обеспеченную в аксиально передней зоне, ограниченную на каждом конце соответствующей криволинейной частью, предпочтительно, прямая часть выставлена, в общем, перпендикулярно продольной оси адаптера. Более предпочтительно, кромка в аксиально задней зоне является вогнутой в аксиальном направлении так, что кромка в задней зоне образует часть овала, эллипса или круга. Такие конфигурации являются предпочтительными для минимизации концентраций напряжения на наружной стороне промывочных отверстий, где силы растяжения и сжатия могут быть самыми большими во время применения.
Предпочтительно, и в радиальном направлении, радиально наружный участок поверхности стенки в аксиально задней зоне выставлен, в общем, перпендикулярно продольной оси адаптера или выставлен поперечно или с отличающейся ориентацией к поверхности стенки на радиально внутреннем участке. Относительная разность в ориентации (угловое совмещение) поверхности отверстия на радиально наружной и внутренней зонах является предпочтительной для получения требуемой геометрии отверстия и, в частности, для ограничения площади сечения или размера отверстия на наружной поверхности адаптера. Относительные площади сечения отверстия на внутренней и наружной сторонах являются предпочтительными для минимизации напряжения и, в частности, для максимизации сопротивления изгибу без ущерба для расхода промывочной текучей среды, передаваемой во внутренний канал через промывочные отверстия.
Если необходимо, ширина отверстия в направлении перпендикулярно продольной оси адаптера на наружной поверхности равна или меньше диаметра внутреннего канала. Такая конфигурация является дополнительно предпочтительной для достижения требуемого баланса между минимизацией концентраций напряжения и максимизацией производительности, с которой промывочная текучая среда вводится во внутренний канал.
Предпочтительно, промывочное отверстие расположено на аксиально самом заднем конце внутреннего канала так, что аксиально задняя зона отверстия представляет аксиально самый задний конец или продолжение внутреннего канала, которое проходит по кривой или наклонно радиально наружу к наружной поверхности адаптера. Такая конфигурация является предпочтительной для усиления адаптер в аксиально задней зоне промывочных отверстий для улучшения прочности при сопротивлении изгибающим моментам. Данная конфигурация является дополнительно предпочтительной для минимизации турбулентности в задней зоне внутреннего канала, когда текучая среда вводится во внутренний канал. Согласно предпочтительной конфигурации, радиальный стык на центре адаптера между диаметрально противоположными внутренними каналами образует часть в виде конуса или усеченного конуса, которая выступает аксиально во внутренний канал от аксиально самого заднего конца внутреннего канала.
Предпочтительно, радиус криволинейного внутреннего участка не меньше 5, 10, 15 или 20 мм. Такое устройство является предпочтительным для получения требуемого направления промывочной текучей среды аксиально вперед во внутренний канал и для минимизации концентраций напряжения, которые в ином случае возникают вследствие резких изменений в геометрии и/или угловатой конструкции промывочного отверстия в радиальном направлении.
Адаптер дополнительно содержит боковые части, проходящие аксиально между аксиально передней и задней зонами для завершения отверстия с образованием замкнутого контура. Предпочтительно, боковые части могут быть в общем прямыми и выставленными, в общем, параллельно продольной оси адаптера.
Предпочтительно, адаптер содержит не больше двух промывочных отверстий, каждого содержащего радиально внутренний участок, который является криволинейным или выставленным поперечно. Увеличение числа отверстий больше двух ослабляет сопротивление адаптера изгибающим моментам и увеличивает концентрации напряжения от сил растяжения и сжатия. Настоящий адаптер может содержать одно промывочное отверстие. Вместе с тем, два промывочных отверстия являются предпочтительными для оптимизации адаптера по улучшенной скорости подачи промывочной текучей среды во внутренний канал. Предпочтительно, два отверстия расположены диаметрально противоположно друг другу в сообщении текучей средой с внутренним каналом. Такая конфигурация является предпочтительной для минимизации концентраций напряжения и обеспечения симметричного корпуса адаптера, который упрочнен на радиальном стыке промывочных отверстий и внутреннего канала. Данная относительная ориентация отверстий также исключает внецентренное распределение масс вокруг продольной оси адаптера, что может в ином случае отрицательно влиять на адаптер при его вращении во время применения.
Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения обеспечено устройство для бурения горной породы, содержащее адаптер хвостовика по пунктам формулы изобретения в данном документе. Если необходимо, устройство дополнительно содержит удлиненный поршень, имеющий основной отрезок длины и передающий энергию конец для контакта с первым концом адаптера; и бурильную колонну, выполненную из множества соединенных удлиненных бурильных штанг, при этом самая задняя бурильная штанга бурильной колонны соединена cо вторым концом адаптера.
Краткое описание чертежей
Конкретная реализация настоящего изобретения описана ниже только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - внешний вид в изометрии адаптера хвостовика, образующего часть устройства для бурения горной породы, также содержащего удлиненную бурильную колонну и гидравлически управляемый возвратно-поступательно перемещающийся поршень согласно конкретной реализации настоящего изобретения;
Фиг. 2 - вид сбоку с продольным сечением адаптера хвостовика с фиг. 1 согласно конкретной реализации настоящего изобретения;
Фиг. 3 - увеличенное сечение через пару промывочных отверстий, проходящих через стенку адаптера и сообщающихся с аксиально проходящим внутренним каналом согласно конкретной реализации с фиг. 2; и
Фиг. 4 - внешний вид в изометрии одного из промывочных отверстий с фиг. 3.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Как показано на фиг. 1, устройство для бурения горной породы содержит передающий энергию удлиненный адаптер 100, содержащий основной корпус (или часть отрезка длины) 101, имеющий передний конец 103 и задний конец 104 по отношению к продольной оси 109. Множество параллельных оси удлиненных шлицов 106 выступают радиально наружу из наружной поверхности 102 в задней зоне удлиненного основного корпуса 101 к заднему концу 104. Шлицы 106 выполнены с возможностью зацепления соответствующими шлицами вращательного двигателя (не показано) для сообщения адаптеру 100 вращения вокруг оси 109 во время операций бурения. Адаптер 100 дополнительно содержит промывочное отверстие (или канал) 105, расположенный аксиально между концами 103, 104 и проходящий радиально через основной корпус 101 адаптера от наружной поверхности 102 до внутренней полости или зоны, проходящей аксиально в адаптере 100.
Адаптер 100 выполнен для сцепления с удлиненной бурильной колонной и обеспечения передачи волны напряжения на бурильный инструмент (не показано), установленный в самой глубокой зоне скважины, которую бурят, для сообщения ударного действия при бурении. В частности, передний конец 103 адаптера может соединяться c задним концом самой задней удлиненной бурильной штанги 107, образующей часть бурильной колонны. Самый задний конец 104 адаптера выполнен с возможностью контакта с гидравлически управляемым поршнем 108, который создает волну напряжения в адаптере 100 и бурильной колонне. Такое устройство дополнительно содержит бак промывочной текучей среды и связанные с ним уплотнения, клапаны и насосы (не показано), установленные снаружи вокруг поверхности 102 адаптера так, что промывочные отверстия 105 заключены в бак для обеспечения введения текучей среды в адаптер 100 и последующего аксиального прохода через удлиненные бурильные штанги 107.
Как показано на фиг. 2 и 3, адаптер 100 содержит внутренний удлиненный канал 200, проходящий аксиально через большую часть аксиальной длины адаптера 100 между передним концом 103 и промывочными отверстиями 105, причем канал 200 образован, в общем, цилиндрической, обращенной внутрь поверхностью 201. Согласно конкретной реализации, пара диаметрально противоположных промывочных отверстий 105 обеспечена на самом заднем конце 206 канала 200 и эффективно завершает канал 200 на позиции, самой близкой к заднему концу 104 адаптера относительно переднего конца 103 адаптера. Каждое промывочное отверстие 105 проходит радиально через в общем цилиндрическую стенку 203 на адаптере 100 между наружной поверхностью 102 и внутренним каналом 200. Соответственно, каждое отверстие 105 содержит наружную кромку 202, расположенную копланарно с наружной поверхностью 102, и внутреннюю кромку 205, расположенную на стыке с внутренним каналом 200. Каждое промывочное отверстие 105 содержит аксиально переднюю зону указанную, в общем, ссылочной позицией 204, и аксиально заднюю зону указанную, в общем, ссылочной позицией 207.
Как показано на фиг. 3 и 4, каждое отверстие 105, проходящее через стенку 203 адаптера, образовано множеством зон поверхности, которые вместе образуют канал замкнутого контура между наружной кромкой 202 и внутренней кромкой 205. В частности, отверстие 105 содержит самую переднюю поверхность 305, выставленную перпендикулярно оси 109. Поверхность 305 проходит полное радиальное расстояние между наружной и внутренней кромками 202, 205 и ограничена на каждом конце в ширину поперек адаптера 100 (перпендикулярно оси 109) парой криволинейных поверхностей 405, которые проходят аксиально назад от поверхности 305 к самой задней зоне 207. Отверстие 105 дополнительно содержит пару параллельных, проходящих продольно поверхностей 400, выставленных, в общем, параллельно оси 109 и, в общем, перпендикулярно самой передней поверхности 305. Самый задний конец 406, проходящих продольно поверхностей 400, переходит в криволинейную поверхность 301, которая является вогнутой в плоскости сечения адаптера 100 (проходящей перпендикулярно оси 109). Поверхность отверстия 105 в самой задней зоне 207 можно считать разделенной на радиально наружную зону, указанную, в общем, ссылочной позицией 300 и радиально внутреннюю зону, указанную, в общем, ссылочной позицией 302. Поверхность 301 в радиально наружной зоне 300 в плоскости перпендикулярной оси 109 является полукруглой, согласно конкретной реализации настоящего изобретения, и обеспечивает плавный переход кривой в проходящие продольно поверхности 400 отверстия. В радиальном направлении между наружной и внутренней кромками 202, 205 поверхность 301 в самой задней и радиально самой дальней от оси зоне 300 выставлена перпендикулярно оси 109 и, в общем, параллельно самой передней поверхности 305. Соответственно, площадь сечения каждого отверстия 105 в радиальном направлении является, по существу, неизменной в радиально наружной зоне 300 между наружной кромкой 202 и радиально внутренней зоной 302. Площадь сечения каждого отверстия 105 затем уменьшается в направлении радиально внутрь от наружной кромки 202 до внутренней кромки 205 в радиально внутренней зоне 302. Данное уменьшение площади сечения обеспечено поверхностью отверстия 105 в аксиально задней зоне 207, которая является криволинейной в аксиальном направлении от заднего конца 104 к переднему концу 103. То есть площадь сечения каждого отверстия 105 все сильнее сокращается, когда самая задняя зона 207 проходит в аксиальном направлении к переднему концу 103 адаптера. Дополнительно, поверхность 306 отверстия радиально внутренней зоны 302 является также вогнутой (в плоскости сечения адаптера 100 проходящей перпендикулярно оси 109) и содержит радиус кривизны, соответствующий радиусу кривизны поверхности 301 в радиально наружной зоне 300. Самый внутренний по радиусу конец 303 поверхности 306 в радиально внутренней зоне 302 образует, в общем, зону внутреннего канала 200 на аксиально самом заднем конце 206. Соответственно, противоположные радиально внутренние зоны 302 диаметрально противоположных отверстий 105 образуют часть 307 в виде усеченного конуса, выставленного на плоскости перпендикулярной оси 109, имеющую вогнутую наружную поверхность 306, с вершиной, центрируемой по оси 109, которая образует самый задний конец 206 внутреннего канала 200.
Криволинейная радиально внутренняя зона 302 каждого отверстия 105 эффективно упрочняет адаптер 100 в радиально внутренней зоне каждого промывочного отверстия 105, для сопротивления концентрациям напряжения и усталостным напряжениям вследствие сил растяжения и сжатия, передаваемым аксиально через адаптер 100 во время применения. Аксиально передняя зона 204 каждого отверстия 105 дополнительно упрочнена для сопротивления силам растяжения и сжатия, благодаря выставлению самой передней поверхности 305, в общем, перпендикулярно оси 109. Концентрации напряжения также уменьшены, благодаря форме профиля наружной кромки 202, проиллюстрированной на фиг. 4. В частности, наружная кромка 402 в аксиально самой передней зоне 204 отверстия 105 выставлена перпендикулярно оси 109. Указанное ограничено на каждом конце в ширину соответствующими криволинейными частями 403 кромки, которые изогнуты аксиально назад к заднему концу 104 адаптера. Кромка 202 дополнительно образована парой параллельных и противоположных продольных зон 401 кромки, которые переходят в криволинейную самую заднюю зону 404 кромки в задней зоне 207 отверстия 105.
Согласно конкретной реализации, радиальная длина A радиально наружной зоны 300 поверхности отверстия 301 меньше соответствующей радиальной длины B поверхности 306 радиально внутренней зоны 302. В частности и согласно конкретной реализации, расстояние A составляет приблизительно половину расстояния B. Поверхность 306 на радиально внутренней зоне 302 каждого отверстия 105 является криволинейной для прохождения аксиально вперед на угол приблизительно 60°. Соответственно, радиально внутренняя зона 302 каждого отверстия 105 в аксиально задней зоне 207 является криволинейной в направлении к переднему концу 103 адаптера на расстоянии, которое составляет приблизительно половину общей аксиальной длины C каждого отверстия 105. То есть самый внутренний по радиусу конец 303 радиально внутренней зоны 302 расположен, в общем, на позиции 304 середины длины между самой передней кромкой 402 и самой задней частью 407 самой задней кромки 404.
Благодаря упрочнению задней зоны 207 каждого отверстия 105, адаптер 100 упрочнен для сопротивления силам растяжения и сжатия, а также изгибающим моментам в зоне промывочных отверстий 105. Дополнительно, благодаря «закруглению» внутренней зоны 302 каждого отверстия 105, промывочная текучая среда направляется для подачи аксиально в центральный канал 200 в направлении к переднему концу 103 адаптера. Соответственно, любое уменьшение в площади сечения каждого отверстия 105 в радиальном направлении от наружной кромки 202 до внутренней кромки 205 (вследствие кривизны радиально внутренней зоны 302) не уменьшает скорость потока текучей среды на входе во внутренний канал 200 в отличии от обычных конфигураций промывочных отверстий, в которых все зоны поверхности отверстия выставлены перпендикулярно оси 109. Дополнительно, обеспечение двух диаметрально противоположных промывочных отверстия 105, как установлено наблюдениями, заметно уменьшает теоретические нагрузки по Мизесу, а также предотвращает изгиб адаптера 100 хвостовика вследствие изгибающих моментов, передаваемых через адаптер (в результате боковых отклонений долота во время бурения). Ориентация самой передней поверхности 305 в передней зоне 204 перпендикулярно оси 109 при обеспечении криволинейной поверхности 306 в задней зоне 207, является эффективной для получения требуемого расхода промывочной текучей среды в канале 200 при минимизации концентраций напряжения в зоне адаптера 100 вокруг промывочных отверстий 105. Согласно конкретной реализации, требуемый расход и сопротивление напряжению получают с промывочным отверстием 105, имеющим ширину E (определена между противоположными продольными поверхностями 400), которая меньше диаметра D аксиально проходящего внутреннего канала 200. Согласно конкретной реализации, длина C отверстия (определена между самой задней поверхностью 301 и самой передней поверхностью 305) больше ширины E отверстия. Улучшенная прочность (и сопротивление концентрациям напряжения) каждого промывочного отверстия 105 достигнута благодаря дополнительной поддержке в радиально внутренней зоне 302 каждого отверстия 105 и в частности конической части 307 в самом заднем конце аксиально проходящего канала 200. Коническая часть 307 в радиальном центре адаптера 100 и на радиальный стыке противоположных промывочных отверстий 105 действует так, что она упрочняет адаптер 100 для минимизации растягивающих нагрузок. Кривизна поверхности 306 на радиально внутренних зонах 302 обеспечивает плавный профиль перехода поверхности от радиально наружной зоны 300 до самого внутреннего по радиусу конца 303 для минимизации концентраций напряжения на полной радиальной длине каждого отверстия 105 между наружной кромкой 202 и внутренней кромкой 205.