RU2105122C1

RU2105122C1 - Above-bit roller-cutter underreamer

Info

Publication number: RU2105122C1
Application number: RU95114368A
Authority: RU
Inventors: Джон Френсиз Кеннеди
Original assignee: Гиехат Юнайтид ПиТиВай, еЛТиДи
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1994-11-10
Publication date: 1998-02-20
Also published as: HU9502230D0; DE69432786D1; CA2154285C; HUT72293A; HU218196B; EP0678150B1; CA2154285A1; WO1995013452A1; BG99845A; EP0678150A4; BG62058B1; EP0678150A1; ATE242417T1; DE69432786T2

Abstract

FIELD: mining industry; drilling equipment. SUBSTANCE: underreamer for drilling bore-holes has several roller cutters and each of them is provided with fixable spindle with its ends fastened in wedge units. Spindle has two central passages, one in each end of spindle. At one end passage has piston adapted for sliding and subjected to external pressure created due to ventilation hole. Other end of passage is blocked by pressure plug which when it is removed allows for injection of lubricant into passages which create load-bearing surfaces of roller cutter and spindle. External pressure brings its action upon lubricant by means of piston. Thus, load-bearing surfaces of created bearing are not pliable to pressure differential or at least pliable in insignificant degree. EFFECT: higher efficiency. 7 cl, 3 dwg

Description

Данное изобретение относится к расширителям наддолотным шарошечным распространенного типа, который используется в буровых скважинах и описан и показан в более раннем патенте Австралии N 594885, принадлежащем заявителю. The present invention relates to wide-bore cone extenders that are used in boreholes and are described and shown in Australia's earlier patent No. 594885, which belongs to the applicant.

Объект изобретения упомянутого более раннего патента преодолел ряд проблем, которые встречались в предшествующем уровне техники, относящемся к расширителям, в частности, ранее встречаемая проблема невозможности доступа к фиксирующим винтам была решена при помощи концевых блоков, удерживаемых клиновидными блоками. Эта система оказалась очень успешной и также предлагается в настоящем изобретении. В вышеупомянутом патенте опорные и шпиндельные узлы находились на концах каждой шарошки и внутри блоков, которые удерживались клиновидными блоками. Полезный эффект был достигнут использованием уплотнительных колец, которые уменьшили воздействие абразивного материала, находящегося между поверхностями шпинделей и опор. Однако, перепад давления между опорными поверхностями снаружи бурильной колонны может быть очень значительным при расширении скважин из-за очень высоких давлений, которые могут в некоторых случаях даже достигать 3000 psi (20000 kPa). Если расширитель прилегает к буру бурильной колонны, а это является обычной ситуацией, то требуется работать в зоне дна глубокой скважины, которое может содержать абразив или грязь. На практике было обнаружено, что абразив и грязь вдавливаются в опору между шпинделем шарошки и опорной поверхностью, и имелись случаи, когда опоры и их соответствующие уплотнения преждевременно повреждались. The object of the invention of the earlier patent has overcome a number of problems that were encountered in the prior art related to expanders, in particular, the previously encountered problem of the inability to access the fixing screws was solved with the help of end blocks held by wedge-shaped blocks. This system has been very successful and is also proposed in the present invention. In the aforementioned patent, support and spindle units were located at the ends of each cone and inside the blocks, which were held by wedge-shaped blocks. A beneficial effect was achieved by using o-rings, which reduced the impact of abrasive material located between the surfaces of the spindles and bearings. However, the pressure drop between the bearing surfaces outside the drill string can be very significant when expanding the wells due to very high pressures, which in some cases can even reach 3000 psi (20,000 kPa). If the reamer is adjacent to the drill string, which is a common situation, then you need to work in the zone of the bottom of a deep well, which may contain abrasive or dirt. In practice, it was found that abrasive and dirt are pressed into the support between the cone spindle and the supporting surface, and there have been cases where the bearings and their respective seals were prematurely damaged.

Однако, даже если расширитель расположен на некотором расстоянии над дном бурильной колонны, промывочная вода будет нести твердые частицы и грязь мимо расширителя, и встречаемые очень высокие давления по обыкновению вызываются промывочной водой. However, even if the expander is located at some distance above the bottom of the drill string, flushing water will carry solid particles and dirt past the expander, and very high pressures encountered are normally caused by flushing water.

Главная цель этого изобретения - обеспечить более удовлетворительную опорную конструкцию, жесткость системы, и это было достигнуто за счет использования поршня, свободно плавающего в цилиндрическом смазочном канале между опорной поверхностью шарошки и внешней областью повышенного давления шарошки. Поршень создает то же самое давление на смазку, что и внешнее давление, уменьшая тем самым перепад давления и в свою очередь сохраняя смазку в опорной конструкции. The main objective of this invention is to provide a more satisfactory support structure, rigidity of the system, and this was achieved through the use of a piston floating freely in the cylindrical lubricating channel between the supporting surface of the cone and the outer region of the increased pressure of the cone. The piston creates the same pressure on the lubricant as the external pressure, thereby reducing the pressure drop and, in turn, keeping the lubricant in the supporting structure.

Из-за этого усовершенствования, в совокупности с эффектом от использования концевых блоков и удерживающих клиньев, стало возможным возвратиться к более ранней конструкции, упомянутой как предшествующий уровень техники в упомянутом патенте 594885, к шарошке, вращающейся вокруг неподвижного шпинделя. Это в свою очередь обеспечило средства, при помощи которых эффективность смазки повышается, а проникновение абразивного материала уменьшается. Становится возможным установка двойных уплотнений на каждом конце опорных поверхностей. Из-за улучшенного уплотнения, изобретение позволяет использовать шариковые или роликовые подшипники, способствующие повышению надежности свободного вращения расширителя. Due to this improvement, combined with the effect of the use of end blocks and retaining wedges, it has become possible to return to the earlier design referred to in the prior art in the aforementioned patent 594885, to a roller cone rotating around a fixed spindle. This in turn provided a means by which lubrication efficiency is increased and abrasive penetration is reduced. It becomes possible to install double seals at each end of the bearing surfaces. Due to the improved sealing, the invention allows the use of ball or roller bearings, contributing to an increase in the reliability of free rotation of the expander.

Изобретение описывается ниже в некоторых деталях со ссылкой на приложенные чертежи, где дано; на фиг. 1 - частичный вид корпуса расширителя, показывающий два из трех шарошечных комплектов; на фиг. 2 - продольный разрез по фиг. 1 в большем масштабе; на фиг. 3 - поперечный разрез по линии 3-3 фиг. 2 в большем масштабе. The invention is described below in some detail with reference to the attached drawings, where given; in FIG. 1 is a partial view of an expander housing showing two of three cone sets; in FIG. 2 is a longitudinal section according to FIG. 1 on a larger scale; in FIG. 3 is a transverse section taken along line 3-3 of FIG. 2 on a larger scale.

В данном исполнении расширитель наддолотный шарошечный 10 предназначен для расширения ствола скважины буром на конце бурильной колонны. Он должен, во-первых, поддерживать размер скважины, когда в результате износа бура вызывается уменьшение его рабочего диаметра, и, во-вторых, выравнивать поверхность буровой скважины. In this design, the conic bit reamer 10 is designed to expand the borehole with a drill at the end of the drill string. It must, firstly, maintain the size of the well when, as a result of wear of the drill, a decrease in its working diameter is caused, and, secondly, level the surface of the borehole.

Расширитель 10, показанный на фиг. 1, содержит несколько шарошек 11, каждая из которых выполнена со множеством твердосплавных вольфрамовых зубьев 12, установленных по окружности вокруг шарошки. The expander 10 shown in FIG. 1, contains several cones 11, each of which is made with a variety of carbide tungsten teeth 12 mounted around the circumference of the cones.

В вышеизложенном Патенте 594885, была описана и показана конструкция в которой подпирающие клинья удерживали соответствующие блоки в углублениях, расширяющихся по оси вдоль шарошек расширителя, а блоки в этом описании содержали втулки с О-образными кольцами на каждом конце. Из-за этого подшипники устанавливались снаружи шарошек, и устройство работало при атмосферном давлении, но когда погружалось в глубокую скважину, содержащую воду, возникал большой перепад давления, в результате которого абразивный материал вдавливался за O-кольца и контактировал с опорной поверхностью, а целью этого изобретения, как это было упомянуто, было избежание этой проблемы. In the aforementioned Patent 594885, a design was described and shown in which supporting wedges held corresponding blocks in recesses expanding along the axis along the cones of the expander, and the blocks in this description contained bushings with O-rings at each end. Because of this, bearings were mounted outside the roller cones, and the device worked at atmospheric pressure, but when it was immersed in a deep well containing water, a large pressure drop occurred, as a result of which the abrasive material was pressed behind the O-rings and contacted with the supporting surface, and this The invention, as mentioned, was to avoid this problem.

Так как клинья и их блоки могут быть легко удалены, в предлагаемом конструктивном исполнении шпиндель 13 удерживается относительно блоков 14 тем или другим фиксирующим крепежом, в данном случае, установленными внутри блоков винтами 15, которые выходят с блоками 14, когда те удаляются, и, в последующем, могут заменяться, при этом не возникает трудности доступа, как это имеет место в предшествующем уровне техники. Since the wedges and their blocks can be easily removed, in the proposed design, the spindle 13 is held relative to the blocks 14 by one or another fixing fixture, in this case, the screws 15 installed inside the blocks, which come out with the blocks 14 when they are removed, and, in subsequently, can be replaced, while there is no difficulty in access, as is the case in the prior art.

По центральной оси шпинделя 13 выполнены сквозные каналы 19, частично показанные на фиг. 2, образованные стенками отверстия, простирающегося от одного конца и частично отверстием трубки 20, простирающимся от другого конца. Стенка трубки 20 функционирует как теплообменная стенка и уменьшает поверхностные температуры прилегающего подшипника. Трубка 20 показана содержащей поршень 21, который может быть выполненным из эластичного материала. Поршень установлен с возможностью свободного скольжения в трубке 20. Внешний конец трубки 20 сообщен с вентиляционным отверстием 22, выполненным в корпусе расширителя. Поршень, будучи подвижным, передает давление внутрь канала 19 то же самое, что и давлению вокруг бурильной колонны, с очень небольшим перепадом. The through channels 19 are made along the central axis of the spindle 13, partially shown in FIG. 2 formed by the walls of an opening extending from one end and partially by an opening of the tube 20 extending from the other end. The wall of the tube 20 functions as a heat exchange wall and reduces the surface temperatures of an adjacent bearing. The tube 20 is shown containing a piston 21, which may be made of elastic material. The piston is installed with the possibility of free sliding in the tube 20. The outer end of the tube 20 is in communication with the ventilation hole 22 made in the housing of the expander. The piston, being mobile, transfers the pressure inside the channel 19 to the same as the pressure around the drill string, with a very small differential.

Это в свою очередь создает возможность создать значительно более удовлетворительную конструкцию подшипника, чем это было достигнуто в вышеизложенном патенте. Шпиндель 13 фиксируется, как это было выше сказано, а шарошка вращается по шпинделю 13 с большой опорной областью, таким образом, уменьшая давление на трущиеся поверхности. Поскольку расширитель вдавливается, имеется большое осевое давление, и оно ранее поглощалось без пользы всей конструкцией упорного подшипника. В предлагаемом конструктивном исполнении некоторая часть осевого давления принимается кольцевым рядом шариков 24, находящимся между пазами 25 в шпинделе и 26 во внутренней стенке шарошки 11. Эти шарики могут быть вставлены до установки зубьев 12, как это показано на фиг. 2. Поэтому они функционируют, как глубокий паз шарикоподшипника, который будет сопротивляться и радиальному, и осевому давлению при работе. This in turn makes it possible to create a significantly more satisfactory bearing design than was achieved in the above patent. The spindle 13 is fixed, as mentioned above, and the cone rotates on the spindle 13 with a large supporting region, thereby reducing the pressure on the friction surfaces. Since the expander is pressed in, there is a large axial pressure, and it was previously absorbed without benefit by the entire design of the thrust bearing. In the proposed embodiment, a certain part of the axial pressure is received by the annular row of balls 24 located between the grooves 25 in the spindle and 26 in the inner wall of the cutter 11. These balls can be inserted before installing the teeth 12, as shown in FIG. 2. Therefore, they function as a deep groove of a ball bearing, which will resist both radial and axial pressure during operation.

Внутренняя сторона шарошки заполняется смазкой через нажимную пробку 27, и эта смазка находится под давлением поршня 21, таким же, как внешнее давление. Можно использовать два эластичных уплотнения - эластичные уплотнения 28 между шпинделем 13 и шарошкой 11, смазываемые смазкой и предотвращающие ее утечки, и эластичные уплотнения 29 между упомянутым блоком 14, шпинделем 13 и шарошкой 11, выполняющие первичную функцию уменьшения попадания абразивного материала в уплотнения 28 и вторичную функцию частичного уплотнения против проникновения влаги. The inner side of the cone is filled with grease through the pressure plug 27, and this grease is under the pressure of the piston 21, the same as the external pressure. Two elastic seals can be used - elastic seals 28 between spindle 13 and roller cone 11, lubricated by the lubricant and preventing leakage, and elastic seals 29 between said block 14, spindle 13 and roller cone 11, which perform the primary function of reducing the abrasive material entering the seals 28 and the secondary partial seal function against moisture penetration.

Чтобы гарантировать, что между трущимися поверхностями находится смазка, шпиндель 13 обеспечен двумя плоскими срезами 30, связанными с каналами 19 через диаметральные отверстия 31. Подобный метод смазывания имеет большое значение в сложной окружающей среде скважины. Поток смазки приводится в движение от трубки 20 к плоским срезам 30, и таким образом, к опорной поверхности шпинделя 13, под внешне поддерживаемым давлением. In order to ensure that lubricant is located between the rubbing surfaces, the spindle 13 is provided with two flat sections 30 connected to the channels 19 through the bore holes 31. Such a lubrication method is of great importance in a complex well environment. The lubricant flow is driven from the tube 20 to the flat cuts 30, and thus to the bearing surface of the spindle 13, under externally supported pressure.

В силу вышеизложенного, предлагаемое согласно данному описанию изобретение обеспечивает значимое усовершенствование вышеизложенного патента Австралии 594885 и любого другого соответствующего, предшествующего уровня техники, известного заявителю. In view of the foregoing, the invention proposed according to this description provides a significant improvement of the foregoing Australian patent 594885 and any other relevant prior art known to the applicant.

Claims

1. The extender supra-conic cone for boreholes, comprising a housing having cones located in corresponding grooves formed by walls longitudinal to the housing, characterized in that it comprises pairs of blocks, means for fixing the blocks at the ends of said grooves, corresponding spindles mounted between the blocks of each pairs on said blocks, supporting surfaces between the spindle and blocks, walls forming a cylindrical channel axially located in each said spindle, additional walls, ar a hole located between said cylindrical channel and the outer surface of said spindle, a piston mounted to move in said channel between the outer end of said channel and said hole, and two pairs of seals, one pair at each end of said spindle, wherein said cone mounted rotatably on the outer surface of said spindle and with the possibility of transferring pressure from the outer end of said piston to said lubricant piston when it is in said channel and with the possibility of driving the flow of said lubricant through said hole to said supporting surface, moreover, one seal of each pair is installed between the roller cutter and the supporting surfaces of the spindle with the supplied lubricant with the possibility of preventing the leakage of lubricant, and another seal of each pair is installed between the spindle, block and roller cone with the possibility of preventing the penetration of abrasive material to the supporting surfaces.

2. The expander according to claim 1, characterized in that said cylindrical channel is made open at one end of said spindle with the formation at this end of the walls of the ventilation cavity located from the outer end of said channel, open to the external environment around said expander, while said ventilation the cavity is connected to the outer end of said channel so that said pressure created at the outer end of said piston is the pressure of the environment around said expander.

3. The extender according to claim 1, characterized in that it comprises walls forming an additional second cylindrical channel axially located from the other end of said spindle, and walls forming a second hole located between said second cylindrical channel and said outer surface of said spindle, each said hole is diametrically located.

4. The expander according to claim 3, characterized in that the said second cylindrical channel is made ending at the other end of said spindle in a pressure plug.

5. The expander according to claims 1 to 4, characterized in that it comprises a tube mounted in said spindle, wherein the first said channel is formed by the inner surface of said tube.

6. The expander according to claim 1, characterized in that the outer surface of the spindle is cylindrical and has a flat part in which each of the aforementioned diametrical holes are open.

7. The expander according to claims 1 to 6, characterized in that it comprises a ball bearing with a deep groove between the pairs of seals, mounted between the spindle and roller cone as a thrust bearing.

8. The expander according to claims 1 to 7, characterized in that it comprises fixing elements for restricting rotation of said spindle mounted between said blocks and said spindle.