RU191488U1

RU191488U1 - SWIVEL CALIBRATOR

Info

Publication number: RU191488U1
Application number: RU2019116498U
Authority: RU
Inventors: Гниятулла Гарифуллович Ишбаев; Владимир Владимирович Мыкалкин; Карим Рамилевич Валямов; Иван Сергеевич Гуряев; Андрей Александрович Щевелёв
Priority date: 2019-05-28
Filing date: 2019-05-28
Publication date: 2019-08-07

Abstract

Полезная модель относится к области породоразрушающего оборудования для строительства нефтяных и газовых скважин. Шарошечный калибратор включает шарошки, армированные твердосплавными зубками, которые 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. Устройство данного шарошечного калибратора позволяет снизить трение бурильной колонны о стенки скважины, улучшить передачу крутящего момента, сохранить диаметр скважины и в целом гарантирует повышение надежности и долговечности работы устройства. 4 ил.The utility model relates to the field of rock cutting equipment for the construction of oil and gas wells. The cone calibrator includes cones reinforced with carbide teeth, which are mounted movably on a fixed shaft using a sliding bearing with a three-part prefabricated support sleeve, which eliminates the need for an L-shaped support ring, and with a pressure compensation system with lubricating holes that exit directly in the contact area of the bearing; the roller cone is mounted using wedge-shaped fixing clamps with two fixing screws in asymmetric grooves with an increased radius of the run-off surface of the housing reinforced with carbide teeth. The device of this cone calibrator allows you to reduce the friction of the drill string against the borehole wall, improve torque transmission, maintain the diameter of the borehole and generally guarantees increased reliability and durability of the device. 4 ill.

Description

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.The utility model relates to the field of rock cutting equipment for the construction of oil and gas wells, namely cone calibrators, which are designed to preserve the diameter of the borehole and improve torque transmission during the entire operating time of the rock cutting tool.

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).Known calibrator-centralizer, consisting of a housing and reinforced with rock cutting elements (PRE) blades with cylindrical and inclined sections (RF patent No. 2460867, ЕВВ 10/26; ЕВВ 17/10, op. 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.The disadvantage of this calibrator-centralizer, as well as all calibrators, centralizers, stabilizers with fixed blades, is the creation of high torque during rotation of the drill string due to the constant friction of the blades on the well walls, especially when drilling a horizontal section of wells. Thus, the specified design of the calibrator-centralizer cannot effectively reduce the friction moment arising between the drill string and the wall of the well, and, as a result, facilitate the transfer of torque to the bottom of the well. In this case, intensive wear of the blades occurs due to the continuous contact of the blades with the walls of the well, which leads to a rapid loss of the diameter of the calibrator-centralizer.

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).Known vibration damper-centralizer to reduce lateral and torsional vibration of the layout of the bottom of the drill string, consisting of two sub and blades, mounted movably with cup springs (RF patent No. 185989, EV 17/10, op. 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.The main disadvantage of this vibration damper-centralizer is that the blades, despite the presence of several degrees of freedom, do not rotate longitudinally along the axis of the drilling tool, i.e. do not roll along the wall of the well, not allowing to reduce the moment of friction of the drilling tool against the wall of the well, which can lead to groove formation. Another disadvantage is the design of the vibration damper-centralizer, which includes a collapsible housing with a threaded connection, which can lead to a decrease in the resource characteristics of the vibration damper-centralizer.

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).Known cone calibrator - stabilizer, consisting of a housing with grooves in which shafts are mounted with cylindrical cones fixed to them, which are fixed in the landing grooves of the housing using transverse pins. (US patent No. 4508184, ЕВВ 10/20; ЕВВ 10/30, op. 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.The main disadvantage of this cone calibrator - stabilizer is that due to the fixation of the cones by the transverse pins, the geometric dimensions of the central hole in the casing, which is intended for circulation of drilling drilling fluid and emergency extraction of the telemetry system, are significantly reduced. In this case, there is a channel in the housing between the groove and the central hole, which is subject to erosion during prolonged use. This can lead to erosion of the housing and loss of cones or layout of the drilling tool. A significant drawback is the fixation of the pins holding the cones only circlip. Under the influence of vibrational loads on the drill string, the retaining rings can spontaneously pop out of the grooves, which will also lead to the loss of cones.

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).Known cone calibrator, consisting of a housing with grooves in which cylindrical cones are installed, which are fixed in the landing grooves of the housing using balls and pinch screws (US patent No. 4548284, ЕВВ 10/30, op. 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.The main disadvantage of this cone calibrator is that the fixing of the shaft mounts in the housing is carried out using balls. This leads to high requirements for precision manufacturing of parts and difficulties in disassembling the cone calibrator in the field, since the extraction of balls requires additional special devices. Also the disadvantage is the lock nuts of the fixing screws that are not protected from the external environment. If the cone calibrator of this design is kept in the borehole for a long time, the fixing screws may wear out or erode, which will lead to the loss of the cone calibrator.

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).Known cone calibrator with sealed bearing, consisting of a housing with grooves in which shafts are mounted with cones mounted on them (US patent No. 5381868, ЕВВ 10/20; ЕВВ 10/22; ЕВВ 10/30, op. 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.The key disadvantage of this design is that the positioning of the cone on the shaft is carried out by a rolling bearing, where the ball acts as the rolling body. In the process of drilling, multi-directional variable loads act on the cone, and, as a result, cone shifts and skews relative to the shaft occur. This leads to the sliding of the rolling bodies relative to the raceways, therefore, excessive wear of the ball tracks will occur, which will lead to jamming of the cones on the shaft and failure of the cone calibrator.

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.Closest to the patented utility model is the design of the cone calibrator with wedge-shaped locking elements, which is described in US patent No. 20130133954 A1, ЕВВ 10/28; ЕВВ 10/30, op. 05/30/2013, and selected as a prototype. The prototype comprises a housing with working platforms reinforced with carbide teeth, grooves for installing sections of cones, cones reinforced with carbide teeth, movably mounted on a fixed shaft thanks to a sliding bearing with a pressure compensation system, and the longitudinal and transverse fixation of each cone is provided by a wedge-shaped fixing clamp by screwing fixing screw.

Конструкция прототипа имеет ряд недостатков:The design of the prototype has several disadvantages:

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.1. The presence of one fixing screw on the mounting retainer for mounting the cone assembly. With prolonged use of the housing, there is a risk of wear of the threaded fastener, as well as the likelihood of arbitrary flap under the influence of vibrations, which can lead to loss of cone during drilling.

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.2. The grooves on the body, in the area of installation of the cones, are made with the same gaps on both sides (along the axis of the cone), which can lead to the formation of a slurry plug during rotation of the cone under it and on its escaping face.

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.3. Lubrication holes in the plain bearing extend to the middle of the shaft, i.e. to a surface that is not working, which when rotating the cone on the shaft makes it difficult for the lubricant to constantly enter the contact zone between the antifriction element and the shaft.

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.4. The design of the sealing assembly includes an L-shaped support ring, which is installed between the sealing ring and the wiper for the possibility of mounting the support sleeve. When the cone is in contact with the well wall during the operation of the calibrator, transverse beats of the cone and shaft relative to each other can be created. This will lead to the formation of development on the shaft in the area of contact with the ring of the end seal and the loss of tightness of the sealing assembly. Also, the ring of the end seals can be displaced under the influence of excessive borehole pressure, which will lead to excessive preload and rapid abrasion of the seal ring.

В совокупности, приведенные выше недостатки, значительным образом влияют на технологические и ресурсные характеристики шарошечного калибратора.Together, the above disadvantages significantly affect the technological and resource characteristics of the cone calibrator.

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.The purpose of the utility model is to improve the design of the cone calibrator, which will provide a reliable reduction in torsional moment and vibrations, a high operating time, effective calibration and preservation of the diameter of the borehole walls.

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.This goal is achieved by the fact that cones reinforced with carbide teeth are mounted movably on a fixed shaft using a sliding bearing with a three-part prefabricated support sleeve, which allows not to use the L-shaped support ring and with a pressure compensation system with lubricating holes that exit directly into the contact area of the bearing; the roller cone is mounted using wedge-shaped fixing clamps with two fixing screws in asymmetric grooves with an increased radius of the run-off surface of the housing reinforced with carbide teeth.

На фиг. 1 показан главный вид, на фиг. 2, 3, 4 показаны конструктивные особенности шарошечного калибратора, как пример реализации полезной модели.In FIG. 1 is a top view; FIG. 2, 3, 4 show the design features of the cone calibrator, as an example of the implementation of the utility model.

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.The cone calibrator is arranged as follows. It includes an all-metal casing 1 with three asymmetrically milled grooves 2 along the axis of the casing with working platforms 3 reinforced with carbide teeth 4. The casing has a central through hole 5 for circulating drilling drilling fluid and emergency removal of the telemetry system. The body is equipped with locking threads from the ends, with a nipple thread 6 made in the lower part and a female thread 7 made in the upper part so that it can be assembled as part of the drill string to transmit torque and axial loads along the drill string and rotate it. An asymmetrically milled groove 2 serves for mounting cylindrical cones 8 reinforced with carbide teeth 4 in it, assembled with a shaft 9, using pairs of wedge-shaped fixing clamps 10, 11. The wedge-shaped clamp 11 is made with two fixing screws 12 and 13. On the cutter 8 in assembled with a shaft 9, wedge-shaped clamps 10 reinforced with carbide teeth 4 are inserted from the ends, which fix the structure (roller cone) in the longitudinal plane, and wedge-shaped clamps 11 fix it in the transverse plane by screwing in fixing wines 12 and 13. The shaft 9 is fixed from longitudinal rotation around its axis by the shaft stopper 14. To ensure free rotation of the cylindrical cone 8 in the assembled state and to compensate for axial clearances, a thrust washer made of antifriction material 15 is installed on the shaft 9 between the wedge-shaped clamp 10 and the cone 8 Thus, the cone 8 freely rotates on the shaft 9 due to the sliding bearing 16, the sleeve of which is made of a team of three parts of antifriction material, which are laid in the cone during assembly, sealing plotneniya 17, scraper 18, which prevents the abrasive particles in the seal assembly. The sliding bearing 16 is equipped with a pressure compensation system containing lubricating holes 19, in which the external medium communicates with the internal cavity through the channel 20 and the plug 21, and the spring-loaded movable piston 22 acts as a compensator.

Работа устройства заключается в следующем.The operation of the device is as follows.

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.The cone calibrator is included in the drill string for drilling a directional or horizontal well at calculated intervals. In the process of drilling a vertical section of the well, the cone calibrator rotates as part of the drill string and alternately touches the walls of the well with cones, increasing the uniformity of torque transmission to the bottom, calibrating the wellbore and centering the drill string. When drilling a directional well or a well with a horizontal end, the roller cone calibrator, like the drill string, “lies” on the wall of the well under the action of gravity. During rotation of the drill string, the cone calibrator will be in constant contact with the borehole wall, rotating longitudinally to the axis, and moving cones rolling along the borehole wall will significantly reduce torque losses from friction of the drill string against the borehole wall, while calibrating and preventing their narrowing.

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.The design features of the proposed utility model of the cone calibrator can reduce the friction of the drill string against the borehole wall, improve torque transmission, maintain the borehole diameter, and generally guarantee increased reliability and durability of the device.

Claims

Roller cone calibrator, which includes a housing, grooves for installing sections of cones; cones reinforced with carbide teeth, movably mounted on a fixed shaft thanks to a sliding bearing with a sleeve and a pressure compensation system with lubrication holes, mounted on the shaft using wedge-shaped fixing clamps, each of which is attached with one fixing screw, characterized in that the sliding bearing sleeve is assembled of three parts, the wedge-shaped fixing clamp is fastened with a second fixing screw, the grooves for installing the sections of the cones are made asymmetrically with an enlarged size iusom trailing surface, and the oil holes are located directly in the nip of a plain bearing.