ВЕРТЛЮГ

Полезная модель относится к горизонтально-направленному бурению, а именно к вертлюгам, размещаемым между буровым расширителем и трубопроводом, затягиваемым в скважину при обратном расширении пилотной скважины.
Известен вертлюг, содержащий трубчатый корпус с головкой для присоединения трубопровода в задней части, переднюю часть с герметичными уплотнениями, опорные выступы на внутренней поверхности трубчатого корпуса и, размещенный в трубчатом корпусе, поворотный вал с головкой для присоединения бурового расширителя, опорной ступенькой и устройством для закрепления конических роликоподшипников на поворотном вале, однорядные конические роликоподшипники с промежуточными опорными элементами, контактирующие наружными кольцами с опорными выступами на внутренней поверхности трубчатого корпуса вертлюга и установленные на поворотном вале, масленку, выполненную на трубчатом корпусе в потай, и отверстие с запорным элементом для выпуска смазки (US 5529421, 25.06.1996). Данный вертлюг содержит наиболее рациональные, по сравнению с другими типами однорядных подшипников, конические роликоподшипники, обеспечивающие при одинаковых типоразмерах восприятие больших как осевых, так и радиальных нагрузок, возникающих при одновременном расширении (бурении) скважины и протаскивании в нее трубопровода.
Недостаток данного вертлюга заключается в его низкой эффективности, вследствие того, что он содержит всего два конических однорядных роликоподшипника и разного типоразмера, которые опираются широкими торцами наружных колец на размещенные между ними неподвижные опорные выступы на внутренней поверхности трубчатого корпуса и установлены на концах поворотного вала по О-образной схеме, которая предопределяет восприятие значительного одностороннего усилия протаскивания именно одним коническим роликоподшипником, что существенно увеличивает его типоразмер и габариты самого вертлюга. Увеличение габаритов вертлюга, например диаметра, при прочих неизменных технологических параметрах процесса протягивания, будет способствовать уменьшению свободного сечения скважины, снижать количество измельченного жидкого шлама с бентонитом поступающего от бурового расширителя к трубопроводу в виде смазки, приводить к увеличению потребного усилия протаскивания и, в целом, снижать производительность горизонтально-направленного бурения. При этом, наличие дорогостоящих конических роликоподшипников больших типоразмеров способствует увеличению материалоемкости и стоимости всего вертлюга, а наличие разных типоразмеров конических роликоподшипников на одном вертлюге усложняет его эксплуатацию.
Наиболее близким к предлагаемому, по технической сущности, является вертлюг, содержащий трубчатый корпус с головкой для присоединения трубопровода в задней части, переднюю часть с герметичными уплотнениями, опорные выступы на внутренней поверхности трубчатого корпуса и, размещенный в трубчатом корпусе, поворотный вал с головкой для присоединения бурового расширителя, опорной ступенькой и устройством для закрепления конических роликоподшипников на поворотном вале, собственно сами однорядные конические роликоподшипники одинакового типоразмера с промежуточными опорными элементами, контактирующие широкими торцами наружных колец внешних конических роликоподшипников с опорными выступами на внутренней поверхности трубчатого корпуса вертлюга и установленные на поворотном вале, за исключением одного, последовательно, и ориентированные широкими торцами внутренних колец в сторону устройства для закрепления конических роликоподшипников на поворотном вале, масленку, выполненную на трубчатом корпусе в потай, и отверстие с запорным элементом для выпуска смазки, размещенное в передней части трубчатого корпуса (US 5607257, 4.03.1997). Данный вертлюг содержит три одинаковых однорядных конических роликоподшипника, из которых два установлены на поворотном вале последовательно, и ориентированы однорядных конических роликоподшипников внутренних колец в сторону устройства для закрепления однорядных конических роликоподшипников на поворотном вале, т.е. стороной воспринимающей осевую нагрузку). Наличие именно одинаковых однорядных конических роликоподшипников и их последовательная установка позволяет обеспечить восприятие вертлюгом увеличенной осевой нагрузки и использовать равнозначно, например два подшипника меньшего типоразмера, вместо одного большего типоразмера, что будет способствовать уменьшению габаритов вертлюга, упрощать его изготовление и последующую эксплуатацию.
Недостаток данного вертлюга заключается в его низкой эффективности при расширении скважины и протягивании трубопровода заданного диаметра в неблагоприятных условиях (обрушение грунта, значительная фильтрация грунта, обход подземных препятствий по измененной траектории, вибрации бурового расширителя при проходке грунтов различной крепости, и т.п.). Наличие только двух, последовательно установленных, одинаковых однорядных конических роликоподшипников воспринимающих повышенные осевые и радиальные нагрузки в неблагоприятных условиях будет явно недостаточно, т.к. третий конический роликоподшипник ориентирован своим широким торцом внутреннего кольца в сторону обратную тяговому усилию и не может служить полноценным резервом для данных условий. При этом, раздельная установка (не в одном комплекте) одинаковых однорядных конических роликоподшипников на поворотном вале и корпусе и наличие устройства для закрепления на поворотном вале конических роликоподшипников, установленных последовательно по длине поворотного вала, в виде индивидуального сложного закрепления каждого конического роликоподшипника с большим количеством разъемных резьбовых элементов, увеличивает стоимость вертлюга, снижает вероятность безотказной работы данного закрепления и не гарантирует равномерного распределения нагрузки между этими двумя коническими роликоподшипниками, особенно при неблагоприятных условиях. Таким образом, при использовании данного вертлюга в неблагоприятных условиях необходимо будет увеличивать типоразмеры этих двух одинаковых однорядных конических роликоподшипников, а следовательно снижать его эффективность. При этом наличие на вертлюге масленки в виде стандартной пресс-масленки с запорными шариками и пружинами, также будет снижать его эффективность, потому что вертлюг постоянно находиться в химически активной жидкостной среде бентонита с буровым шламом и это будет приводить к ржавлению и забиванию стандартной пресс-масленки. Кроме того, отверстие с запорным элементом для выпуска смазки размещено непосредственно в месте размещения герметичных уплотнений и при шприцевании и продавливании через них смазки, уже находящегося в эксплуатации вертлюга, на герметичных уплотнениях будут оставаться частицы смазки с абразивными продуктами износа и вызывать интенсивный износ как самих герметичных уплотнений, так и сопрягаемых с ними элементов вертлюга.
Полезная модель направлена на повышение эффективности вертлюга при использовании в неблагоприятных условиях, в т.ч. за счет обеспечения повышения тяговой нагрузки при сохранении его основных габаритов.
Указанная цель достигается за счет того, что в вертлюге, содержащим трубчатый корпус с головкой для присоединения трубопровода в задней части, переднюю часть с герметичными уплотнениями, опорные выступы на внутренней поверхности трубчатого корпуса и, размещенный в трубчатом корпусе поворотный вал с головкой для присоединения бурового расширителя, опорной ступенькой и устройством для закрепления однорядных конических роликоподшипников на поворотном вале, собственно сами однорядные конические роликоподшипники одинакового типоразмера с промежуточными опорными элементами, контактирующие широкими торцами наружных колец внешних конических
роликоподшипников с опорными выступами на внутренней поверхности трубчатого корпуса вертлюга и установленные на поворотном вале, за исключением одного, последовательно, и ориентированные широкими торцами внутренних колец в сторону устройства для закрепления конических роликоподшипников на поворотном вале, масленку, выполненную на трубчатом корпусе в потай, и отверстие с запорным элементом для выпуска смазки, размещенное в передней части трубчатого корпуса, все однорядные конические роликоподшипники установлены на поворотном вале в одном комплекте и закреплены на поворотном вале между устройством для закрепления конических роликоподшипников, размещенным на резьбовом конце поворотного вала, и опорной ступенькой, при этом количество однорядных конических роликоподшипников последовательно установленных и ориентированных широкими торцами внутренних колец в сторону устройства для закрепления подшипников на поворотном вале равно трем, причем между ними все промежуточные опорные элементы выполнены в виде наружных и внутренних дистанционных колец.
Так же, передняя часть трубчатого корпуса вертлюга выполнена съемной и связана с ним посредством резьбы, выполненной на наружной поверхности трубчатого корпуса и внутренней поверхности передней части корпуса с образованием на этих поверхностях, до начала резьбы и после нее, центровочных, сопрягаемых между собой, поверхностей трубчатого корпуса и передней части корпуса, при этом в месте сопряжения собственно трубчатого корпуса и передней части корпуса по наружной поверхности, а также между широкими торцами наружных колец внешних конических роликоподшипников и опорными выступами на внутренней поверхности трубчатого корпуса, образующими на ней одно посадочное место для всего комплекта однорядных конических роликоподшипников, выполнены гарантированные монтажные зазоры.
Так же, устройство для закрепления конических роликоподшипников на поворотном вале выполнено в виде одной упорной гайки, зафиксированной на резьбовом конце поворотного вала при помощи шплинта.
Так же, на торцевой поверхности наружных дистанционных колец, контактирующих с узкими торцами наружных колец однорядных конических роликоподшипников, выполнены кольцевые впадины, для свободного размещения в них сепараторов однорядных конических роликоподшипников.
Так же, масленка выполнена в виде масляной пробки и размещена в отверстии для смазки на трубчатом корпусе вертлюга перпендикулярно оси поворотного вала напротив шплинта упорной гайки поворотного вала, при этом отверстие с запорным элементом для выпуска смазки размещено в передней части трубчатого корпуса перед герметичными уплотнениями, а запорный элемент выполнен в виде аналогичной масляной пробки.
Использование в одном комплекте (без распределения их по всей длине вала) всех однорядных конических роликоподшипников установленных на поворотном вале и закрепление их при помощи только одной упорной гайки, зафиксированной именно только на одном резьбовом конце поворотного вала и при помощи только одного шплинта, упрощает конструкцию вертлюга, придает ему компактность, способствует совместной работе однорядных конических роликоподшипников при передаче тягового усилия.
При этом количество однорядных конических роликоподшипников последовательно установленных и ориентированных широкими торцами внутренних колец в сторону устройства для закрепления однорядных конических роликоподшипников на поворотном вале равное трем выбрано исходя из того, что если при работе вертлюга в благоприятных условиях обычно двух последовательно установленных однорядных конических роликоподшипников согласованных с одним противоположно установленным подшипником указывается и достаточно для определенного срока службы в заданных условиях, то при работе в неблагоприятных условиях, где требуется увеличение тяговых усилий при одном и том же диаметре вертлюга, долговечность конических роликоподшипников будет резко уменьшаться. Применение однорядных конических роликоподшипников в количестве трех для вертлюга данного типоразмера в неблагоприятных условиях будет зависеть от требуемого увеличения тягового усилия и в каждом конкретном случае ограничиваться прочностью элементов поворотного вала и трубчатого корпуса вертлюга. В благоприятных же условиях наличие третьего подшипника будет способствовать увеличению тягового усилия вертлюга при сохранении его основных габаритов и соответственно, позволит увеличить длину трубопровода или служить своеобразным резервом, что при совместной работе подшипников позволит существенно повысить их долговечность. При этом, выполнение между последовательно установленными однорядными коническими роликоподшипниками всех промежуточных опорных элементов в виде наружных и внутренних, именно дистанционных колец, которые, как известно, обрабатываются по требуемым размерам и допускам для плотного сопряжения с конкретными поверхностями подшипников, позволяет получить комплект именно согласованных друг с другом однорядных конических роликоподшипников, снизить удельные нагрузки на их сопрягаемых поверхностях и также существенно повысить их долговечность. При этом выполнение кольцевых впадин на торцевой поверхности наружных дистанционных колец, контактирующих с узкими торцами наружных колец однорядных конических роликоподшипников, будет способствовать свободному размещению в них выступающих частей сепараторов однорядных конических роликоподшипников с соблюдением заданных монтажных зазоров и обеспечивать плотный контакт сопрягаемых поверхностей.
Выполнение передней части трубчатого корпуса вертлюга съемной, с уже имеющейся опорной поверхностью для конических роликоподшипников, позволяет установить на стенде на поворотный вал с начала ее и затем произвести качественную сборку и закрепление комплекта согласованных однорядных конических роликоподшипников поворотного вала. При этом наличие резьбы, выполненной на наружной поверхности трубчатого корпуса и внутренней поверхности передней части корпуса с образованием на этих поверхностях именно, до начала резьбы и после нее, центровочных, сопрягаемых между собой, поверхностей трубчатого корпуса и передней части корпуса, а также зазора в месте сопряжения собственно трубчатого корпуса и передней части корпуса по наружной поверхности позволяет осуществить более точное плотное сопряжение и повысить прочность данного резьбового соединения.
Образование монтажных зазоров между широкими торцами наружных колец внешних конических роликоподшипников и опорными выступами на внутренней поверхности трубчатого корпуса, позволяет при протягивании трубопровода обеспечить плотный контакт широкого торца наружного кольца внешнего конического роликоподшипника, опирающегося на опорную ступеньку поворотного вала, данного согласованного комплекта с опорным выступом на внутренней поверхности трубчатого корпуса в его передней части, с образованием необходимого компенсационного зазора между широким торцом наружного кольца внешнего конического роликоподшипника, и опорным выступом на внутренней поверхности трубчатого корпуса в его задней части, что в свою очередь, предопределяет обеспечение одновременного прижатия конических роликов всех согласованных конических роликоподшипников к наружным и внутренним кольцам, равно как и к опорным торцам больших бортиков внутренних колец (размещены напротив широких торцов внутренних колец) данных конических роликоподшипников и, как следствие, обеспечивает достаточную «посадочную силу» конических роликов для надежной работы всего комплекта. Аналогично, в случаях появления незапланированного тягового усилия обратного направления будет обеспечиваться плотный контакт широкого торца наружного кольца внешнего конического роликоподшипника, взаимодействующего с упорной гайкой, опирающегося на опорный выступ на внутренней поверхности трубчатого корпуса в его задней части и соответственно, будет образоваться необходимый компенсационный зазор между широким торцом наружного кольца крайнего внешнего конического роликоподшипника, опирающегося на опорную ступеньку поворотного вала, и опорным выступом на внутренней поверхности трубчатого корпуса в его передней части.
При этом, образование на внутренней поверхности трубчатого корпуса только одного посадочного места для всего комплекта однорядных конических роликоподшипников позволяет не только упростить изготовление трубчатого корпуса, но и способствует согласованной работе данного комплекта однорядных конических роликоподшипников и повышает его долговечность.
Кроме того, выполнение масленки в виде масляной пробки, а не стандартной пресс-масленки с запорными шариками и пружинами, склонными к ржавлению и забиванию в химически активной жидкостной среде, позволяет надежно предотвратить, даже при повышении давления жидкости в скважине более нормативного, забивание масленки, попадание бурового шлама внутрь вертлюга и продлить срок службы его конических роликоподшипников. Размещение же в отверстии для смазки масляной пробки на трубчатом корпусе вертлюга перпендикулярно оси поворотного вала именно напротив шплинта упорной гайки поворотного вала, позволяет, в отличие от аналогов, производить контроль элементов фиксации упорной гайки, например шплинтов, методом прямого диагностирования визуально или при помощи щупа, без затрат времени на разборку-сборку самого вертлюга. Кроме того, размещение отверстия с запорным элементом для выпуска смазки в передней части трубчатого корпуса именно перед герметичными уплотнениями позволяет, при заполнении смазкой уже находящегося в эксплуатации вертлюга, исключить попадание продуктов износа в герметичные уплотнения и продлить тем самым его срок службы.
На чертеже показан общий вид вертлюга в разрезе.
Вертлюг, содержит трубчатый корпус 1 с головкой 2 для присоединения трубопровода в задней части, переднюю часть 3 с герметичными уплотнениями 4, опорные выступы 5 на внутренней поверхности 6 трубчатого корпуса 1 и, размещенный в трубчатом корпусе поворотный вал 7 с головкой 8 для присоединения бурового расширителя упорной ступенькой 9 и устройством для закрепления однорядных конических роликоподшипников одинакового типоразмера 10 на поворотном вале 7, в виде одной упорной гайки 11, зафиксированной на резьбовом конце поворотного вала 7 при помощи шплинта 12. Однорядные конические роликоподшипники одинакового типоразмера 10 с промежуточными опорными элементами, контактируют широкими торцами 13 наружных колец 14 внешних конических роликоподшипников 10 с опорными выступами 5 на внутренней поверхности 6 трубчатого корпуса 1 вертлюга и установлены на поворотном вале 7, за исключением одного, последовательно, и ориентированы широкими торцами 15 внутренних колец 16 в сторону устройства для закрепления конических роликоподшипников 10 на поворотном вале 7, т.е. в сторону упорной гайки 11. При этом, все однорядные конические роликоподшипники 10 установлены на поворотном вале 7 в одном комплекте и закреплены на поворотном вале 7 между упорной гайкой 11, размещенной на резьбовом конце поворотного вала 7, и его опорной ступенькой 9, при этом количество однорядных конических роликоподшипников последовательно установленных и ориентированных широкими торцами 15 внутренних колец 16 в сторону упорной гайки 11 равно трем, причем между ними все промежуточные опорные элементы выполнены в виде наружных 17 и внутренних 18 дистанционных колец.
При этом передняя часть 3 трубчатого корпуса 1 вертлюга выполнена съемной и связана с ним посредством резьбы 19, выполненной на наружной поверхности трубчатого корпуса 1 и внутренней поверхности передней части 3 трубчатого корпуса 1 с образованием на этих поверхностях, до начала резьбы 19 и после нее, центровочных, сопрягаемых между собой, поверхностей 20 трубчатого корпуса 1 и передней части 3 трубчатого корпуса 1, причем в месте сопряжения собственно трубчатого корпуса 1 и передней части 3 трубчатого корпуса 1 по наружной поверхности, а также между широкими торцами 13 наружных колец 14 внешних конических роликоподшипников 10 и опорными выступами 5 на внутренней поверхности 6 трубчатого корпуса 1, образующими на ней одно посадочное место для всего комплекта однорядных конических роликоподшипников 10, выполнены гарантированные монтажные зазоры, соответственно, 3.1 и 3.2.
Причем, для обеспечения плотного контакта между собой несущих, последовательно установленных трех однорядных конических роликоподшипников 10, на торцевой поверхности наружных дистанционных колец 17, контактирующих с узкими торцами 21 наружных колец 14 однорядных конических роликоподшипников 10, выполнены кольцевые впадины 22, для свободного размещения в них выступающих частей сепараторов 23 однорядных конических роликоподшипников 10. Для нагнетания смазки во внутрь вертлюга на трубчатом корпусе 1 в потай, выполнена масленка в виде масляной пробки 24, которая размещена на трубчатом корпусе 1 вертлюга перпендикулярно оси поворотного вала 7 напротив шплинта 12 его упорной гайки 11. Для контроля смазки в передней части 3 трубчатого корпуса 1 имеется отверстие 25 с запорным элементом, в виде аналогичной масляной пробки 26, для выпуска смазки, которое размещено в передней части 3 трубчатого корпуса 1 перед герметичными уплотнениями 4.
Предлагаемый вертлюг работает следующим образом. После выполнения буровой установкой (не показана) пилотной скважины (прокола) малого диаметра из начальной точки забуривания и выхода на поверхность в заданной точке конца буровой колонны(не показан),протягивание по ней трубопровода(не показан) большего диаметра выполняется следующим образом. На противоположной от буровой установки стороне пилотной скважины раскладывается готовая к прокладыванию плеть трубопровода. К переднему концу плети трубопровода (к оголовку) крепится головка 2, а к расширителю, предварительно закрепленному на конце буровой колонны, головка 8 вертлюга (шарнира). После этого буровой колонне с расширителем придается обратное тяговое усилие и вращающий момент от буровой установки, находящейся на противоположном конце пилотной скважины в начальной точке забуривания, т.е. осуществляется обратное протягивание трубопровода с одновременным расширением (резанием породы различной крепости) диаметра пилотной скважины. При этом подаваемый по буровой колонне к расширителю под давлением раствор бентонита не только способствует разрушению горных пород и их транспортированию, но и перемещаясь вместе с измельченным шламом за расширитель и вертлюг, в нужном количестве, обеспечивает смазку трубопровода, уменьшая тем самым потребное усилие протаскивания трубопровода. Передаваемое тяговое усилие и вращающий момент от расширителя передаются через головку 8 поворотному валу 7 вертлюга, который установлен на однорядных конических роликоподшипниках 10 относительно трубчатого корпуса 1 и благодаря этому шарниру вращательное движение на затягиваемую плеть трубопровода не передается, и трубопровод поступательно протягивается через расширенную скважину до проектной отметки. При этом, тяговое усилие передается от упорной гайки 11 со шплинтом 12 одновременно всему комплекту однорядных конических роликоподшипников 10 с дистанционными кольцами 17, 18 и, при этом, воспринимается одновременно тремя согласованными однорядными коническими роликоподшипниками 10 последовательно установленными и ориентированными широкими торцами 15 внутренних колец 16 в сторону упорной гайки 11 поворотного вала 7, т.е. в сторону восприятия осевой нагрузки. Затем тяговое усилие через конические ролики (позицией не обозначены) комплекта из одновременно трех согласованных однорядных конических роликоподшипников 10 посредством контакта широкого торца 13 наружного кольца 14 внешнего конического роликоподшипника 10, опирающегося своим внутренним кольцом 16 на опорную ступеньку 9 поворотного вала 7, передается на опорную поверхность 5 на съемной передней части 3 трубчатого корпуса 1 и через резьбу 19, надежно зафиксированную центровочными поверхностями 20, непосредственно к трубчатому корпусу 1 и головке 2 связанной с трубопроводом. При этом, в соответствии с инструкцией по эксплуатации, после протягивания трубопровода, перед следующим протягиванием, особенно на длинные дистанции, вертлюг должен проверяться на плавность вращения поворотного вала 7 и на наличие смазочного материала внутри трубчатого корпуса 1, на состояние элементов фиксации устройств для закрепления однорядных конических роликоподшипников. В предложенном вертлюге контроль состояния шплинта 12 упорной гайки 11, например его отгиб или даже отсутствие части шплинта 12, можно осуществлять без разборки вертлюга, через отверстие для смазки образующееся при выкрученной из трубчатого корпуса 1 масляной пробки 24, визуально или при помощи щупа, контактирующего с элементами шплинта 12 при прокручивании поворотного вала 7. После проверки состояния шплинта 12, через данное отверстие осуществляется нагнетание свежей смазки, при заранее вывернутой масляной пробки 26, до момента появления из отверстия 27 чистой смазки. При этом продукты износа, находящиеся внутри трубчатого корпуса 1 вертлюга не попадают на поверхности сопряжения герметичных уплотнений 4 с поворотным валом 1 и выходят на поверхность, т.к. отверстие 25 для выпуска смазки, связывающее внутреннюю полость вертлюга с атмосферой, размещено перед герметичными уплотнениями 4. После смазки масляные пробки устанавливаются на место и вертлюг может быть использован для последующей работы.
Таким образом, выполнение вертлюга указанным образом позволяет повысить эффективность его применения в неблагоприятных условиях, в том числе, за счет обеспечения повышения тягового усилия при сохранении его основных габаритов.