Выдвижное устройство, бурильная головка и способ
EXTENDING DEVICE, DRILLING HEAD AND METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к выдвижному устройству, в частности к выдвижному устройству для бурильной головки. Настоящее изобретение также относится к бурильной головке, содержащей выдвижное устройство, и к способу эксплуатации бурильной головки.
Уровень техники
Устройства и способы установки систем анкерной крепи грунта, включающие бурение горной породы, затяжки болтов или других соединительных элементов в горной породе, известны, например, из следующих документов: US 2007/0086862 A1, JPH 03125788 A, WO 2005/047649 A1, US 2007/0114070 A1 или US 2009/0304455 A1. Однако есть потребность в дополнительных усовершенствованиях указанных устройств и способов. Важным направлением для усовершенствований является, например, безопасность при эксплуатации, в частности связанная с рабочими температурами, и упрощение, например, упрощение подачи рабочей среды, такой как гидравлическое масло.
Сущность изобретения
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание выдвижного устройства, бурильной головки и способа эксплуатации бурильной головки, которые являются усовершенствованными по сравнению с существующими техническими решениями и обладают по меньшей мере одним из вышеуказанных преимуществ.
Указанная цель достигается благодаря созданию выдвижного устройства, в частности для бурильной головки, содержащего основную секцию и приводную секцию, выдвижную секцию и рабочую секцию, при этом основная секция и приводная секция выполнены с возможностью перемещения относительно выдвижной секции и рабочей секции вдоль продольной оси; приводная секция и рабочая секция жестко соединены друг с другом с возможностью вращения; основная секция и выдвижная секция жестко соединены друг с другом с возможностью вращения; приводная секция и рабочая секция соединены с выдвижной секцией с возможностью вращения.
Выдвижное устройство может использоваться для бурильной головки или, к примеру, совместно с ней. Выдвижное устройство предпочтительно может представлять собой выдвижной цилиндр, в частности его внутренние, по меньшей мере частично цилиндрические секции, которые при взаимодействии обеспечивают поступательное перемещение вдоль продольной оси. При этом значение термина «выдвижной цилиндр» также включает описанные в данном документе выдвижные устройства, которые могут не иметь цилиндрической или вращательно-симметричной наружной поверхности или внешней формы, но содержат другие узлы или элементы, такие как приводная секция, которая подробно описана далее.
Выдвижное устройство содержит основную секцию и приводную секцию, которые выполнены с возможностью совместного перемещения относительно выдвижной секции и рабочей секции вдоль продольной оси указанного устройства. Для простоты основная и приводная секции вместе также могут быть обозначены как первый узел перемещения, а выдвижная секция и рабочая секция могут быть обозначены как второй узел перемещения. Согласно этой терминологии первый и второй узлы перемещения выполнены с возможностью поступательного перемещения относительно друг друга вдоль продольной оси выдвижного устройства. В частности выдвижение выдвижного устройства так же, как и его втягивание, может быть выполнено путем поступательного перемещения первого узла перемещения, содержащего основную секцию и приводную секцию, относительно второго узла перемещения, содержащего выдвижную секцию и рабочую секцию.
Кроме того, приводная секция и рабочая секция жестко соединены друг с другом с возможностью вращения. Кроме того, основная секция и выдвижная секция соединены друг с другом с возможностью вращения. Это означает, что между первым и вторым узлами, а именно между приводной секцией и рабочей секцией с одной стороны и основной секцией и выдвижной секцией с другой стороны образованы ротационные узлы. Таким образом, хотя основная секция и приводная секция выполнены с возможностью перемещения относительно выдвижной секции и рабочей секции вдоль продольной оси, между основной и выдвижной секциями и между приводной и рабочей секциями обеспечено жесткое соединение с возможностью вращения.
Кроме того, приводная секция и рабочая секция соединены с выдвижной секцией с возможностью вращения.
Преимущество указанного выдвижного устройства заключается в том, что в процессе эксплуатации указанного устройства, как правило, будет обеспечена более низкая рабочая температура, в частности в ходе выполнения бурения или вращения выдвижного устройства, а точнее бурильной головки. В частности, настоящее изобретение основано на обеспечении более простой конструкции и более простых уплотнительных устройств, в частности ротационных уплотнительных устройств при том, что узлы перемещения отделены от ротационных механизмов и в частности между секциями выполнены жесткие соединения с возможностью вращения, при этом основная секция и выдвижная секция могут не иметь вращательного соединения с приводной секцией и рабочей секцией. Благодаря обеспечению более низких рабочих температур может быть повышена безопасность эксплуатации, при этом обеспечен более продолжительный срок службы, меньший износ уплотнительных устройств и других элементов конструкции, а также расширены области применения выдвижного устройства, например, в областях с ограниченными диапазонами рабочих температур. Благодаря конструкции, описанной в данном документе, могут быть обеспечены рабочие температуры порядка 80°С-100°С. Особое преимущество выдвижного устройства, описанного в данном документе, заключается в том, что ротационные уплотнения не обязательно должны выдерживать высокое давление гидравлической текучей среды, используемой при эксплуатации указанного устройства, и должны выдерживать только атмосферное давление. При этом благодаря уменьшению нагрузок и напряжений, возникающих в уплотнениях, обеспечиваются более низкие рабочие температуры. Следующее преимущество, обеспечиваемое благодаря уменьшенной нагрузке и напряжению в уплотнениях, в частности в конструкции, которая не обязательно должна содержать ротационные уплотнения для высокого давления, заключается в увеличенном сроке службы компонентов. Например, для существующих технических решений может быть необходимо использование вращательного патрубка с уплотнениями, что приводит к высокой температуре при вращении. Согласно решению, описанному в данном документе, рабочая среда, такая как гидравлическое масло, может быть подана через секцию, выполненную без возможности вращения, и, следовательно, нет необходимости использовать вращательный патрубок. Благодаря более низкой рабочей температуре уменьшается вероятность снижения эффективности, износа или разрушения смазки или смазочной пленки и, тем самым, повышается надежность и срок службы выдвижного устройства.
Особенно предпочтительным является вариант выполнения выдвижного устройства, в котором основная секция и приводная секция выполнены с возможностью вращения относительно друг друга и/или в котором основная секция и приводная секция закреплены относительно друг друга вдоль продольной оси.
В качестве дополнения или альтернативы предпочтительным является вариант выполнения, в котором выдвижная секция и рабочая секция выполнены с возможностью вращения относительно друг друга и/или в котором выдвижная секция и рабочая секция закреплены относительно друг друга вдоль продольной оси.
Например, в предпочтительном варианте выполнения приводная секция может иметь конструкцию, имеющую по существу форму вала и окружающую рабочую секцию.
В другом предпочтительном варианте выполнения на ближнем конце рабочей секции может быть выполнен выступ или шлицевое соединение, причем указанный выступ или шлицевое соединение предпочтительно жестко соединены с приводной секцией с возможностью вращения и выполнены с возможностью перемещения в продольном направлении относительно приводной секции.
Еще более предпочтительно, чтобы выдвижная секция и/или основная секция были жестко соединены с возможностью вращения с корпусом. В данном варианте выполнения выдвижная секция и/или основная секция закреплены без возможности вращения, а приводная секция и рабочая секция выполнены с возможностью вращения. Также предпочтительно, чтобы основная секция и/или приводная секция были жестко соединены с корпусом с возможностью поступательного перемещения, при этом с обеспечением возможности поступательного перемещения выдвижной секции и рабочей секции относительно основной секции, приводной секции и корпуса вдоль продольной оси. Особенно предпочтительно, чтобы основная секция была жестко соединена с возможностью вращения и поступательного перемещения с указанным корпусом.
В другом предпочтительном варианте выполнения основная секция и/или выдвижная секция содержат по меньшей мере один соединительный элемент для подачи рабочей среды. Рабочая среда может представлять собой любую среду, необходимую для обеспечения работы выдвижного устройства, в частности для приведения в действие его приводной секции и/или рабочей секции, например, посредством приводного узла, и/или для выдвижения и/или втягивания выдвижного устройства. Например, рабочая среда может представлять собой гидравлическую текучую среду, такую как смазочное масло, либо электрическую энергию. При обеспечении по меньшей мере одного соединительного элемента для подачи указанной среды в основную и/или выдвижную секцию, предпочтительно в основную секцию, которая жестко соединена с корпусом с возможностью вращения и поступательного перемещения, подача рабочей среды может быть обеспечена отдельно от ротационных узлов или частей. В частности, больше нет необходимости перемещения находящегося под давлением гидравлического масла, к примеру, через поворотный узел, если в основной секции и/или выдвижной секции расположен соединительный элемент для обеспечения подачи указанной среды, такой как находящееся под давлением гидравлическое масло, в частности, если основная секция и/или выдвижная секция жестко соединены с возможностью вращения с указанным корпусом.
Еще более предпочтительно, если рабочая секция и/или приводная секция выполнены с возможностью приведения во вращение вокруг продольной оси посредством приводного узла. Приводная секция предпочтительно соединена с приводным узлом для приведения во вращение посредством указанного узла и передачи крутящего момента от приводного узла к рабочей секции. При этом крутящий момент может быть приложен приводным узлом через приводную секцию к рабочей секции и к рабочему буровому элементу, например, соединенному с рабочей секцией для выполнения бурения.
Согласно другому предпочтительному варианту выполнения выдвижной цилиндр содержит канал для текучей среды, являющийся частью основной секции, и/или зажим, являющийся частью рабочей секции; причем канал для текучей среды и/или зажим образуют центральную полость для подачи текучей среды, в частности, к выдвижной секции и/или рабочей секции. Центральная полость или центральная камера, проходящая через выдвижное устройство, предназначена для подачи через указанное устройство такой текучей среды как вода или воздух в выдвижное устройство, в частности в выдвижную секцию и/или рабочую секцию, а именно к дальнему концу рабочей секции.
Другой предпочтительный вариант выполнения отличается тем, что между каналом для текучей среды и выдвижной секцией расположен первый уплотнительный комплект, и/или тем, что между указанным зажимом и выдвижной секцией расположен второй уплотнительный комплект.
Предпочтительно первый и/или второй уплотнительные комплекты представляют собой гидравлические уплотнения, обеспечивающие уплотнение центральной полости относительно выдвижной секции от текучей среды, переносимой или подаваемой в центральную полость, в частности первый и/или второй уплотнительный комплект могут представлять собой водяные уплотнения. Особенно предпочтительно, если один из первого и второго уплотнительных комплектов предназначен для обеспечения уплотнения при вращении, а другой комплект предназначен для обеспечения уплотнения при поступательном перемещении. Особенно предпочтительно, чтобы первый уплотнительный комплект был предназначен для поступательного перемещения или уплотнения, а второй уплотнительный комплект был предназначен для перемещения и/или уплотнения при вращении. Преимуществом данного разделения является повышение надежности и срока службы уплотнительных комплектов. Кроме того, предпочтительно, чтобы первый и второй уплотнительные комплекты были частично или полностью идентичными и/или взаимозаменяемыми. При этом может быть уменьшена сложность конструкции и количество разных деталей.
В другом предпочтительном варианте выполнения рабочая секция соединена с выдвижной секцией с помощью подшипника, предпочтительно двухрядного радиально-упорного шарикового подшипника. Рабочая секция предпочтительно соединена с дальним концом выдвижной секции с помощью подшипника, предпочтительно двухрядного радиально-упорного шарикового подшипника. Подшипник предпочтительно представляет собой антифрикционный подшипник, предпочтительно шариковый и/или роликовый подшипник. Соединение между рабочей секцией и выдвижной секцией предпочтительно уплотнено и/или покрыто смазкой, в частности в соответствии с ожидаемым временем работы выдвижного устройства, поскольку в течение срока службы указанного устройства ремонт и техническое обслуживание (например, с дополнительным смазыванием) подшипника может не понадобиться.
Другой предпочтительный вариант выполнения выдвижного устройства отличается тем, что между основной секцией и выдвижной секцией образован объем для обеспечения выдвижения, причем выдвижное устройство выполнено с возможностью выдвижения путем подачи в указанный объем гидравлической текучей среды.
Другой предпочтительный вариант выполнения отличается тем, что между основной секцией и выдвижной секцией имеется объем для обеспечения втягивания, причем выдвижное устройство выполнено с возможностью втягивания путем подачи в указанный объем гидравлической текучей среды.
Основная секция и/или выдвижная секция предпочтительно имеют двойную стенку, и еще более предпочтительно в указанной стенке может быть образован объем для обеспечения выдвижения, с помощью которого обеспечивается выдвижение выдвижного устройства путем подачи в данный объем гидравлической текучей среды.
Другой предпочтительный вариант выполнения отличается тем, что между рабочей секцией и приводной секцией выполнено по меньшей мере одно жесткое при кручении соединение, обеспечивающее передачу боковых усилий по меньшей мере в одном направлении, отличном от направления, параллельного указанной продольной оси.
Кроме передаваемых боковых усилий могут быть приложены дополнительные поперечные усилия. Например, поперечные усилия предпочтительно могут быть восприняты передаточными элементами, таким как подшипники скольжения, расположенные между рабочей секцией и приводной секцией, или шлицевое соединение между указанными секциями. Более предпочтительно, рабочая секция имеет конструкцию, имеющую по существу форму вала и охватывающую выдвижную секцию.
Согласно другому аспекту цель настоящего изобретения достигается благодаря обеспечению бурильной головки, содержащей вышеописанное выдвижное устройство, приводной узел, предназначенный для приведения во вращение приводной секции и/или рабочей секции указанного устройства вокруг указанной продольной оси. В отношении преимуществ, предпочтительных вариантов выполнения бурильной головки и ее элементов, а также их предпочтительных вариантов выполнения, следует сделать ссылку на соответствующие аспекты и варианты выполнения, описанные выше применительно к выдвижному устройству.
Согласно другому аспекту цель настоящего изобретения достигается благодаря способу эксплуатации вышеописанной бурильной головки, включающему соединение рабочего бурового элемента с рабочей секцией; вращение рабочей секции выдвижного устройства путем приведения во вращение приводной секции выдвижного устройства; выдвижение и/или втягивание выдвижного устройства вдоль продольной оси.
Что касается преимуществ, предпочтительных вариантов выполнения способа эксплуатации бурильной головки и его особенностей, а также их предпочтительных вариантов выполнения, следует сделать ссылку на соответствующие аспекты и варианты выполнения, в частности описанные выше применительно к выдвижному устройству и бурильной головке.
Далее описаны предпочтительные варианты выполнения настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На чертежах:
Фиг. 1 изображает вид с боку в продольном разрезе бурильной головки с выдвижным устройством во втянутом положении;
Фиг. 2 изображает вид сверху в продольном разрезе бурильной головки, показанной на Фиг. 1;
Фиг. 3 изображает вид сбоку бурильной головки со стороны, противоположной показанной на Фиг. 2;
Фиг. 4 изображает вид сверху в разрезе бурильной головки с вырезом в области прямозубой передачи;
Фиг. 5 изображает вид спереди указанной бурильной головки;
Фиг. 6 изображает в увеличении область с каналом для текучей среды, показанную на Фиг. 1;
Фиг. 7 изображает разрез бурильной головки с вырезом в области указанного дальнего конца; и
Фиг. 8 изображает трехмерный вид указанной бурильной головки.
На Фиг. 1-8 изображен предпочтительный вариант бурильной головки 5000 с выдвижным устройством 50 и приводным узлом 5100. Хотя на чертежах выдвижное устройство 50 показано во втянутом положении, оно выполнено с возможностью выдвижения вдоль его продольной оси LA путем поступательного перемещения второго узла 600 перемещения, содержащего выдвижную секцию 650 и рабочую секцию 660, относительно первого узла 500 перемещения, содержащего основную секцию 550 и приводную секцию 560. Приводная секция 560 и рабочая секция 660 жестко соединены друг с другом с возможностью вращения так же, как и основная секция 550 и выдвижная секция 650. Приводная секция 560 и рабочая секция 660 соединены с выдвижной секцией 650 с возможностью вращения.
Кроме того, основная и приводная секции выполнены с возможностью вращения относительно друг друга и закреплены относительно друг друга вдоль продольной оси LA. Подобным образом, выдвижная секция 650 и рабочая секция 660 выполнены с возможностью вращения относительно друг друга и закреплены относительно друг друга вдоль продольной оси LA. Как выдвижная секция 650, так и основная секция 550 жестко соединены с возможностью вращения с корпусом. Рабочая секция 660 и приводная секция 560 выполнены с возможностью приведения во вращение вокруг продольной оси LA посредством приводного узла 5100. Приводной узел 5100 выполнен с возможностью приведения в действие приводной секции 560 с помощью ступени 5300 прямозубой передачи, которая обеспечивает передачу крутящего момента к приводной секции. Выдвижное устройство 50 опирается на конические роликовые подшипники 5400, расположенные задними частями друг к другу. Два кольца конических роликовых подшипников 5400 предназначены для восприятия нагрузок и усилий, возникающих при работе бурильной головки 5000. За коническими роликовыми подшипниками 5400 расположены V-образные кольца 702. Указанные V-образные кольца расположены в виде сдвоенных колец на дальней стороне. Из-за ограниченного пространства указанные ротационные уплотнения или V-образные кольца 702 должны иметь компактную конструкцию. Датчики 5700 скорости предназначены для контроля скорости вращения.
Приводная секция 560 имеет по существу форму вала и окружает рабочую секцию 660. Рабочая секция 660 имеет по существу форму вала и окружает выдвижную секцию 650. Более того, на ближнем конце рабочей секции 660 выполнен выступ или шлицевое соединение 662, которое жестко соединено с возможностью вращения с приводной секцией 560, а также с возможностью продольного или поступательного перемещения относительно приводной секции 560. Кроме того, по меньшей мере одно жесткое при кручении соединение 60 расположено между рабочей секцией 660 и приводной секцией 560 для передачи боковых усилий по меньшей мере в одном направлении, отличном от направления, параллельного продольной оси LA. Дополнительные поперечные силы могут быть восприняты шлицевым соединением 622 и/или передаточным элементом 530, выполненным в виде подшипника скольжения, расположенного между рабочей секцией 660 и приводной секцией 560. Основная секция 550 уплотнена относительно выдвижной секции 650 с помощью первого и второго основных уплотнительных комплектов 700, 701. Выдвижная секция 650 имеет двойную стенку, которая содержит внутреннюю стенку 610 и наружную стенку 620. На ближнем конце 621 наружной стенки расположена уплотнительная втулка 623.
В основной секции 550 выполнены соединительные элементы, предназначенные для подачи гидравлической текучей среды и выполненные в виде источника 800 указанной среды, а именно в виде источника 810 для радиальной подачи и источника 820 для продольной подачи указанной текучей среды, которую подают в первый и второй каналы 830, 840 для обеспечения поступления находящейся под давлением гидравлической текучей среды в объем 850 для обеспечения выдвижения, расположенный между основной секцией 550 и выдвижной секцией 650, и в объем 860 для обеспечения втягивания, расположенный между основной секцией 550 и выдвижной секцией 650. Выдвижное устройство 50 выполнено с возможностью выдвижения путем подачи гидравлической текучей среды в объем 850 и с возможностью втягивания путем подачи гидравлической текучей среды в объем 860 для обеспечения втягивания. Пространство 880 соединено с проточным каналом для обеспечения возможности выдвижения и втягивания указанного выдвижного устройства. Гидравлическая защита всей работы выдвижного устройства 50 от избыточных нагрузок или избыточного давления обеспечена с помощью нагнетательного клапана 870.
Канал 540 для текучей среды является частью основной секции 550, а зажимной патрон 900 является частью рабочей секции 660. Канал 540 для текучей среды и зажимной патрон 900 вместе образуют центральную полость 541 или центральную камеру для подачи текучей среды, в частности воды или воздуха, к выдвижной секции 650 и в частности к рабочей секции 660, а именно к дальнему концу рабочей секции 660. Между каналом 540 для текучей среды и выдвижной секцией 650 расположен первый уплотнительный комплект 710, предназначенный для обеспечения поступательного перемещения или уплотнения. Второй уплотнительный комплект 720 расположен между зажимным патроном 900 и выдвижной секцией 650 и предназначен для обеспечения вращательного перемещения или уплотнения. Как можно видеть в частности на Фиг. 6, оба уплотнительных комплекта 710, 720 являются одинаковыми или взаимозаменяемыми и содержат первые водяные уплотнения 750, вторые водяные уплотнения 760 и первую и вторую водоуплотняющие втулки 730, 740. На ближнем конце зажимного патрона 900 так же, как и на дальнем конце канала 540 для текучей среды, расположены гайки 703.
Рабочая секция 660 соединена с выдвижной секцией 650 с помощью двухрядного радиально-упорного шарикового подшипника 5200, расположенного между внутренней втулкой 910 подшипника, удерживающей втулкой 920, первым корпусом 930 подшипника и вторым корпусом 940 подшипника.
ПЕРЕЧЕНЬ ОБОЗНАЧЕНИЙ
LA
продольная ось
d
дистальный
р
проксимальный
50
выдвижное устройство
60
жесткое при кручении соединение
500
первый узел перемещения
530
передаточный элемент
540
канал для текучей среды
541
центральная полость
550
основная секция
560
приводная секция
600
второй узел перемещения
610
внутренняя стенка выдвижной секции
620
наружная стенка выдвижной секции
621
ближний конец выдвижной секции
622
шлицевое соединение
623
уплотнительная втулка
650
выдвижная секция
660
рабочая секция
700
первый основной уплотнительный комплект
701
второй основной уплотнительный комплект
702
V-образное кольцо
703
гайка
710
первый уплотнительный комплект
720
второй уплотнительный комплект
730
первая водоуплотняющая втулка
740
вторая водоуплотняющая втулка
750
первое водяное уплотнение
760
второе водяное уплотнение
800
источник гидравлической текучей среды
810
источник для радиальной подачи гидравлической текучей среды
820
источник для продольной подачи гидравлической текучей среды
830
первый канал для гидравлической текучей среды
840
второй канал для гидравлической текучей среды
850
объем для обеспечения выдвижения
860
объем для обеспечения втягивания
870
нагнетательный клапан
880
пространство
900
зажимной патрон
910
внутренняя втулка подшипника
920
удерживающая втулка
930
первый корпус подшипника
940
второй корпус подшипника
5000
бурильная головка
5100
приводной узел
5200
двухрядный радиально-упорный шариковый подшипник
5300
ступень прямозубой передачи
5400
конические роликовые подшипники
5700
датчики скорости