ШАРОШЕЧНЫЙ КАЛИБРАТОР

Полезная модель относится к области породоразрушающего оборудования для строительства нефтяных и газовых скважин, а именно шарошечным калибраторам, которые предназначены для сохранения диаметра скважины и улучшению передачи крутящего момента в процессе всего времени работы породоразрушающего инструмента.
Известен калибратор-центратор, состоящий из корпуса и армированных породоразрушающими элементами (ПРЭ) лопастей с цилиндрическими и наклонными участками (патент РФ №2460867, Е21В 10/26; Е21В 17/10, оп. 10.09.2012).
Недостатком данного калибратора-центратора, как и всех калибраторов, центраторов, стабилизаторов, имеющих неподвижные лопасти, является создание высокого крутящего момента при вращении бурильной колонны за счет постоянного трения лопастей о стенки скважины, особенно при бурении горизонтального участка скважин. Таким образом, указанная конструкция калибратора-центратора не может эффективно снижать момент трения, возникающий между бурильной колонной и стенкой скважины, и, как следствие, способствовать передаче крутящего момента к забою скважины. При этом происходит интенсивный износ лопастей в связи с непрерывным контактом последних со стенками скважины, что приводит к быстрой потере диаметра калибратора-центратора.
Известен виброгаситель-центратор для снижения боковой и крутильной вибрации компоновки низа бурильной колонны, состоящий из двух переводников и лопастей, закрепленных подвижно с помощью тарельчатых пружин (патент РФ №185989, Е21В 17/10, оп. 26.12.2018).
Основным недостатком данного виброгасителя-центратора является то, что лопасти, несмотря на наличие нескольких степеней свободы, не вращаются продольно оси бурового инструмента, т.е. не перекатываются по стенке скважины, не позволяя снижать момент трения бурового инструмента о стенку скважины, что может приводить к желобообразованию. Также недостатком является конструкция виброгасителя-центратора, включающая в себя разборный корпус с резьбовым соединением, что может привести к снижению ресурсных характеристик виброгасителя-центратора.
Известен шарошечный калибратор - стабилизатор, состоящий из корпуса с пазами в которые устанавливаются валы с закрепленными на них цилиндрическими шарошками, которые фиксируются в посадочных пазах корпуса с помощью поперечных штифтов. (US patent №4508184, Е21В 10/20; Е21В 10/30, оп. 02.04.1985).
Основным недостатком данного шарошечного калибратора - стабилизатора является то, что благодаря фиксации шарошек поперечными штифтами значительно снижаются геометрические размеры центрального отверстия в корпусе, которое предназначено для циркуляции буровой промывочной жидкости и аварийного извлечения телеметрической системы. При этом имеется канал в корпусе между пазом и центральным отверстием, который при длительной эксплуатации подвержен эрозионному воздействию. Это может привести к размыву корпуса и потере шарошек или компоновки бурильного инструмента. Существенным недостатком также является фиксация штифтов, удерживающих шарошки только стопорными кольцами. Под действием вибрационных нагрузок на бурильную колонну стопорные кольца могут самопроизвольно выскочить из пазов, что также приведет к потере шарошек.
Известен шарошечный калибратор, состоящий из корпуса с пазами, в которые устанавливаются цилиндрические шарошки, которые фиксируются в посадочных пазах корпуса с помощью шариков и поджимных винтов (US patent №4548284, Е21В 10/30, оп. 22.10.1985).
Основным недостатком данного шарошечного калибратора является то, что фиксация креплений вала в корпусе осуществляется с помощью шариков. Это приводит к высоким требованиям точности изготовления деталей и сложности в разборе шарошечного калибратора в полевых условиях, так как извлечение шариков требует наличия дополнительных специальных приспособлений. Также недостатком являются не предохраненные от воздействия внешней среды контргайки фиксирующих винтов. При длительном нахождении шарошечного калибратора такой конструкции в скважине может произойти истирание или размыв фиксирующих винтов, что приведет к выпадению шарошек калибратора.
Известен шарошечный калибратор с герметизированным подшипником, состоящий из корпуса с пазами, в которые устанавливаются валы с закрепленными на них шарошками (US patent №5381868, Е21В 10/20; Е21В 10/22; Е21В 10/30, оп. 17.01.1995).
Ключевым недостатком данной конструкции является то, что позиционирование шарошки на валу осуществляется подшипником качения, где в качестве тела качения выступает шарик. В процессе бурения на шарошку воздействуют разнонаправленные переменные нагрузки, и, как следствие, возникают сдвиги и перекосы шарошки относительно вала. Это приводит к скольжению тел качения относительно дорожек качения, следовательно, будет происходить чрезмерный износ шариковых дорожек, что приведет к заклинке шарошек на валу и выходу шарошечного калибратора из строя.
Наиболее близкой к патентуемой полезной модели является конструкция шарошечного калибратора с клиновидными фиксирующими элементами, которая описана в патенте US №20130133954 А1, Е21В 10/28; Е21В 10/30, оп. 30.05.2013, и выбрана в качестве прототипа. Прототип содержит корпус с рабочими площадками, армированными твердосплавными зубками, пазы для установки секций шарошек, шарошки, армированные твердосплавными зубками, подвижно закрепленные на неподвижном валу благодаря подшипнику скольжения с системой компенсации давления, причем продольная и поперечная фиксация каждой шарошки обеспечивается клиновидным крепежным фиксатором за счет ввинчивания фиксирующего винта.
Конструкция прототипа имеет ряд недостатков:
1. Наличие одного фиксирующего винта на крепежном фиксаторе для крепления сборки шарошки. При длительной эксплуатации корпуса возникает риск износа резьбового крепления, а также вероятность произвольного отворота под действием вибраций, что может привести к потере шарошки во время бурения.
2. Пазы на корпусе, в области установки шарошек, выполнены с одинаковыми зазорами с обеих сторон (вдоль оси шарошки), что может привести к образованию шламовой пробки при вращении шарошки под ней и на ее сбегающей грани.
3. Смазочные отверстия в подшипнике скольжения выходят на середину вала, т.е. на поверхность, которая не является рабочей, что при вращении шарошки на валу затрудняет постоянное поступление смазочного агента в контактную зону между антифрикционным элементом и валом.
4. Конструкция уплотнительного узла включает в себя L-образное опорное кольцо, которое устанавливается между уплотнительным кольцом и грязесъемником для возможности монтажа опорной втулки. При контакте шарошки со стенкой скважины в процессе работы калибратора могут создаваться поперечные биения шарошки и вала относительно друг друга. Это приведет к образованию выработки на валу в области контакта с кольцом концевого уплотнения и потере герметичности уплотнительного узла. Также, кольцо концевых уплотнений может смещаться под действием избыточного скважинного давления, что приведет к чрезмерному поджатию и быстрому истиранию уплотнительного кольца.
В совокупности, приведенные выше недостатки, значительным образом влияют на технологические и ресурсные характеристики шарошечного калибратора.
Цель полезной модели заключается в совершенствовании конструкции шарошечного калибратора, которая обеспечит надежное снижение крутильного момента и вибраций, высокую продолжительность работы, эффективное калибрование и сохранение диаметра стенок скважины.
Указанная цель достигается тем, что шарошки, армированные твердосплавными зубками, монтируются подвижно на неподвижном валу с использованием подшипника скольжения со сборной опорной втулкой, состоящей из трех частей, что позволяет не использовать L-образное опорное кольцо и с системой компенсации давления со смазочными отверстиями, выходящими непосредственно в зону контакта подшипника; шарошка на валу крепится с помощью клиновидных крепежных фиксаторов с двумя фиксирующими винтами в ассиметричные пазы с увеличенным радиусом сбегающей поверхности армированного твердосплавными зубками корпуса.
На фиг. 1 показан главный вид, на фиг. 2, 3, 4 показаны конструктивные особенности шарошечного калибратора, как пример реализации полезной модели.
Шарошечный калибратор устроен следующим образом. Он включает в себя цельнометаллический корпус 1 с тремя ассиметрично фрезерованными пазами 2 вдоль оси корпуса с рабочими площадками 3, армированными твердосплавными зубками 4. Корпус имеет центральное сквозное отверстие 5 для циркуляции буровой промывочной жидкости и аварийного извлечения телеметрической системы. Корпус оснащен замковыми резьбами с торцов, причем в нижней части выполнена ниппельная резьба 6, а в верхней части выполнена муфтовая резьба 7 с целью возможности сборки в составе бурильной колонны для передачи крутящего момента и осевых нагрузок по бурильной колонне и вращения в ее составе. Ассиметрично фрезерованный паз 2 служит для установки в него цилиндрических шарошек 8, армированных твердосплавными зубками 4, в сборе с валом 9, с помощью пар клиновидных крепежных фиксаторов 10, 11. Клиновидный фиксатор 11 выполнен с двумя фиксирующими винтами 12 и 13. На шарошку 8 в сборе с валом 9 с торцов насаживаются клиновидные фиксаторы 10, армированные твердосплавными зубками 4, которые фиксируют конструкцию (шарошка с валом) в продольной плоскости, а клиновидные фиксаторы 11 закрепляют ее в поперечной плоскости ввинчиванием фиксирующих винтов 12 и 13. Вал 9 фиксируется от продольного вращения вокруг своей оси стопором вала 14. Для обеспечения свободного вращения цилиндрической шарошки 8 в собранном состоянии и компенсации осевых зазоров предусмотрена установка на валу 9 между клиновидным фиксатором 10 и шарошкой 8 упорной шайбы из антифрикционного материала 15. При этом шарошка 8 свободно вращается на валу 9 за счет подшипника скольжения 16, втулка которого выполнена сборной из трех частей из антифрикционного материала, которые закладываются в шарошку при сборе, герметизирующего уплотнения 17, грязесъемника 18, который предотвращает попадание абразивных частиц в уплотнительный узел. Подшипник скольжения 16 снабжен системой компенсации давления, содержащей смазочные отверстия 19, в которой внешняя среда сообщается с внутренней полостью через канал 20 и заглушку 21, а роль компенсатора выполняет подпружиненный подвижный поршень 22.
Работа устройства заключается в следующем.
Шарошечный калибратор включается в состав бурильной колонны для бурения наклонно-направленной или горизонтальной скважины через рассчитанные промежутки времени. В процессе бурения вертикального участка скважины шарошечный калибратор вращается в составе бурильной колонны и попеременно касается шарошками стенок скважины, увеличивая равномерность передачи крутящего момента к забою, калибруя ствол скважины и центрируя бурильную колонну. При бурении наклонно-направленной скважины или скважины с горизонтальным окончанием, шарошечный калибратор, как и бурильная колонна, под действием силы тяжести «ложится» на стенку скважины. Шарошечный калибратор при вращении бурильной колонны будет находиться в постоянном контакте со стенкой скважины, вращаясь продольно оси, а подвижные шарошки, перекатываясь по стенке скважины, позволят значительно снизить потери крутящего момента от трения бурильной колонны об стенки скважины, при этом калибруя и предотвращая их сужение.
Конструктивные особенности предложенной полезной модели шарошечного калибратора позволяют снизить трение бурильной колонны о стенки скважины, улучшить передачу крутящего момента, сохранить диаметр скважины и в целом гарантируют повышение надежности и долговечности работы устройства.