RU2119575C1 - Устройство управления по меньшей мере двумя стабилизирующими консолями в буровом или керновом устройстве - Google Patents

Abstract

Относится к устройствам управления в буровом или керновом устройстве. Устройство управления по меньшей мере двумя стабилизирующими консолями в буровом или керновом устройстве, в частности стабилизирующими консолями в буровом или керновом долоте, причем все консоли сдвинуты друг по отношению к другу по окружности долота и имеют концы, которые могут поворачиваться вокруг оси, параллельной оси бурового долота, таким образом, что во время бурения свободный конец консоли располагается позади поворотной оси по отношению к направлению вращения долота, причем устройство управления содержит управляющее средство и средства синхронизации, предназначенные для одновременного перемещения консолей за счет бурового раствора в одном и том же направлении и с одной и той же амплитудой. Оно для каждой консоли имеет поршень, предназначенный для поворота консоли вокруг оси так, что свободный конец консоли мог занимать два крайних положения, первое исходное положение, в котором консоль помещается в долоте, и второе рабочее положение, в котором свободный конец выступает по отношению к долоту, а управляющие средства и средства синхронизации предназначены соответственно для перемещения поршней за счет бурового раствора и для обеспечения по существу одновременного действия поршней в одном и том же направлении и с одной и той же амплитудой. Уменьшается стоимость и увеличивается надежность, а также устройство более компактно. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к устройству управления, по меньшей мере, двумя стабилизирующими консолями в буровом или керновом устройстве, в частности, стабилизирующими консолями в буровом или керновом долоте.

Из патента Франции N 1554959, кл. E 21 B 17/10, 1969 г. известно устройство управления, по меньшей мере, двумя стабилизирующими консолями в буровом или керновом устройстве, в частности, стабилизирующими консолями в буровом или керновом долоте, причем все консоли сдвинуты друг по отношению к другу по окружности долота и имеют концы, которые могут поворачиваться вокруг оси, параллельной оси бурового долота, таким образом, что во время бурения свободный конец консоли располагается позади поворотной оси по отношению к направлению вращения долота, причем устройство управления содержит управляющее средство и средства синхронизации, предназначенные для одновременного перемещения консолей за счет бурового раствора в одном и том же направлении и с одной и той же амплитудой.

Однако известное устройство управления оказывается недостаточно компактным для того, чтобы встраивать его в буровое или керновое долото. Кроме того, число его механических компонентов велико, что негативно сказывается на его стоимости и надежности.

Технической задачей настоящего изобретения является создание устройства управления, по меньшей мере, двумя стабилизирующими консолями в буровом или керновом долоте, имеющего по возможности меньшее число механических компонентов и являющегося более компактным.

Техническим результатом изобретения является увеличение надежности устройства управления и снижение его стоимости.

Данный технический результат достигается за счет того, что устройство управления, по меньшей мере, двумя стабилизирующими консолями в буровом или керновом устройстве, в частности, стабилизирующими консолями в буровом или керновом долоте, причем все консоли сдвинуты друг по отношению к другу по окружности долота и имеют концы, которые могут поворачиваться вокруг оси, параллельной оси бурового долота, таким образом, что во время бурения свободный конец консоли располагается позади поворотной оси по отношению к направлению долота, причем устройство управления содержит управляющее средство и средства синхронизации, предназначенные для одновременного перемещения консолей за счет бурового раствора в одном и том же направлении и с одной и той же амплитудой, согласно изобретению для каждой консоли имеет поршень, предназначенный для поворота консоли вокруг оси так, чтобы свободный конец консоли мог занимать два крайних положения, первое исходное положение, в котором консоль помещается в долоте, и второе рабочее положение, в котором свободный конец выступает по отношению к долоту, а управляющие средства и средства синхронизации предназначены, соответственно, для перемещения поршней за счет бурового раствора и для обеспечения, по существу, одновременного действия поршней в одном и том же направлении и с одной и той же амплитудой. При этом продольные оси поршней могут быть касательны к воображаемому цилиндру, соосному с долотом, и могут предпочтительно находиться в, по меньшей мере, одной плоскости, поперечной оси бурового долота.

Средства для управления поршнями могут содержать кольцеобразный поршень, соосный с долотом, предназначенный для перемещения относительно их общей оси в цилиндре, сформированном в долоте и имеющем формы, с одной стороны, для приведения в действие буровым раствором, а с другой стороны, для действия на текучую среду, которая приводит в действие поршни и которая содержится в цилиндре, сообщаясь с камерами поршней, а средства синхронизации могут содержать зубчатую рейку, установленную на каждом из поршней, и коронную шестерню, которая соосна с долотом и которая имеет зубчатое зацепление со всеми зубчатыми рейками, связанными с поршнями. Кроме того, коронная шестерня может быть надета на кольцеобразный поршень таким образом, что может свободно поворачиваться вокруг этого поршня, и помещена в герметичную камеру, которая соединяется с камерами поршней и с указанным цилиндром. Камера каждого поршня и/или этот поршень могут быть расположены так, что поршень полностью подвергается действию текучей среды, а поперечное сечение штока поршня предпочтительно меньше соответствующего сечения поршня.

Другие подробности и особенности изобретения будут ясны из описания чертежей, которые приложены к данному тексту и которые иллюстрируют в виде неограничивающего примера конкретный вариант осуществления устройства управления согласно изобретению.

Фиг. 1 показывает, с разрывами, продольный разрез по линии 1-1 фиг. 2 бурового долота, снабженного устройством управления консолями согласно изобретению; фиг. 2 - в другом масштабе поперечный разрез по линии II-II устройства управления фиг. 1.

На разных чертежах одни и те же ссылочные позиции обозначают идентичные или аналогичные элементы.

Чертежи иллюстрируют устройство управления 1 тремя стабилизирующими консолями 2, расположенными для примера в буровом долоте 3. Для простоты графического изображения три консоли 2, которые равномерно распределены по окружности долота 3, расположены на одном и том же уровне долота 3 по отношению к переднему концу этого долота в соответствии с его продвижением в скважину во время бурения. Специалист в данной области техники легко представит себе другие распределения консолей 2 как по окружности долота 3, так и по продольной оси 4 этого долота.

Каждая консоль 2 может поворачиваться на одном из своих концов в буровом долоте 3 вокруг оси 5, ось 6 которой параллельна продольной оси 4, таким образом, чтобы противоположный конец 7 консоли 2 располагался позади оси 6 поворота по отношению к направлению 77 (фиг. 2) вращения долота 3 во время бурения.

Согласно изобретению, устройство управления 1 содержит для каждой стабилизирующей консоли 2 поршень 8, который расположен в соответствующей камере 9 и который предназначен для поворота соответствующей консоли 2 вокруг ее оси 6 между двумя крайними положениями. В первом крайнем положении, на чертежах показано так называемое исходное положение, консоль 2 помещена в долото 3 или, по меньшей мере, в цилиндр, который соосен с долотом 3 и проходит через точку или точки этого долота, которые наиболее удалены от продольной оси 4. Во втором крайнем положении (не показано), так называемом рабочем положении, консоли 2 выступают из долота 3 на максимальное расстояние, определяемое величиной хода каждого поршня 8, причем эта величина хода одна и та же для трех поршней 8. Как известно, во время бурения три консоли 2 выступают из долота 3 так, чтобы соприкасаться со стенкой скважины в рабочем положении, которое является промежуточным по отношению к вышеуказанным двум крайним положениям. Согласно чертежам каждая консоль 2 имеет, в благоприятном случае, для соединения с соответствующим поршнем 8, на конце 7 Т-образную выемку, идущую, по существу, от конца 7 по направлению к оси 5 в поверхности, направленной к поршню 8. В свою очередь, поршень 8 содержит шток 80, свободный конец которого имеет Т-образную форму, соответствующую Т-образной выемке, причем плечи 81 Т-образной формы утолщены в виде двойной выпуклости, так, чтобы обеспечить шарнирное соединение Т-образной формы с ограниченным зазором в указанной выемке во время перемещения консоли 2 поршнем 8.

Предпочтительно устройство 1 управления содержит управляющее средство 10, описанное ниже, для перемещения каждого поршня 8, на основе разности давлений бурового раствора, между двумя положениями в потоке этого раствора, и средство 11 для синхронизации поршней 8 так, чтобы они перемещались одновременно с одной и той же амплитудой и в одном и том же направлении между положением покоя и рабочим положением так, чтобы удерживать буровое долото 3 во время бурения соосно, насколько это возможно, в скважине, даже в случае отклонения профиля этой скважины от кругового, и так, чтобы они сами противодействовали известным боковым силам, которым долото 3 подвергается во время бурения.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, продольные оси 12 поршней 8 касательны к воображаемому цилиндру, соосному с долотом 3, а три оси 12 в благоприятном случае находятся, по меньшей мере, для примера, показанного на чертежах, в плоскости сечения фиг. 2, под прямыми углами к продольной оси 4. В том же самом долоте может быть предусмотрена, например, и вторая группа (не показана) из трех поршней 8, так, чтобы их оси 12 также были расположены в плоскости, параллельной плоскости вышеуказанного сечения.

Буровой раствор может действовать непосредственно на поршни 8. Однако, как уже здесь упоминалось и как будет ясно далее, буровой раствор предпочтительно должен действовать косвенно, по меньшей мере, с одной стороны, на поршни 8. С этой целью управляющие средства содержат кольцеобразный поршень 13, имеющий одну и ту же ось 4 с долотом 3 и расположенный в цилиндре 14, выполненном в этом долоте. Перемещение кольцевого поршня ограничивается, например, двумя соответствующими стопорными (пружинными) кольцами 15, расположенными в цилиндре 14. Кольцевой поршень 13 содержит полый направляющий стержень 16 и на внешней поверхности имеет два кольцевых уплотнения 17 и 18, роль которых объясняется ниже.

Кольцеобразный поршень 13 имеет осевой канал 20, предназначенный для протекания бурового раствора по направлению к разным соплам бурового долота 3. Впускное отверстие этого канала 20 в соответствии с направлением потока бурового раствора (стрелка 19) имеет поверхность 21 в форме усеченного конуса, диаметр которой уменьшается в направлении стрелки 19. Эта усеченная поверхность 21, а также краевая поверхность 22 кольцеобразного поршня 13, расположенная выше по ходу, предназначены для приема давления бурового раствора.

Кольцеобразный поршень 13 имеет также кольцевую поверхность 23, например, параллельную краевой поверхности 23, которая расположена напротив этой поверхности 22 по отношению к уплотнению 18 и которая ограничивает объем текучей среды, представляющей собой гидравлическое масло, содержащееся в цилиндре 14, с целью выдавливания этого масла из цилиндра 14, когда буровой раствор перемещается под давлением кольцеобразного поршня 13 в направлении стрелки 19. Согласно примеру на чертежах, цилиндр 14 и камеры 9 поршней 8 связаны так, что гидравлическое масло, вытесняемое из указанного цилиндра 14, перемещает каждый поршень 8, чтобы, в свою очередь, повернуть каждую консоль 2 в рабочее положение. Кольцевые уплотнения 17 и 18 защищают гидравлическое масло от утечки в буровой раствор в результате давления, которому оно подвергается.

Предпочтительно, указанные средства 11 синхронизации, согласно изобретению, содержат, например, в каждом поршне 8 цельновыточенную зубчатую рейку 24, входящую в зацепление с коронной шестерней 25, которая соосна с буровым долотом 3.

Согласно изобретению, коронная шестерня 25, преимущественно, установлена в герметичной камере 26, расположенной в продолжении цилиндра 14 ниже по ходу от этого цилиндра по отношению к потоку бурового раствора. Таким образом, коронная шестерня 25 свободно поворачивается вокруг стержня (штока) 16 поршня, который служит ей в качестве оси вращения в зависимости от перемещения поршней 8. В узле, иллюстрируемом на фиг. 1, коронная шестерня 25 окружена по оси, с одной стороны, кольцом 27, удерживаемым одним из указанных стопорных колец 15, расположенным на нижней стороне цилиндра 14, а с другой стороны, дном камеры 26, расположенным внизу этой камеры. О-образное уплотнение 17 расположено на штоке 16 поршня ниже дна камеры 26 в отверстии, служащем в качестве направляющей с плотной посадкой этого штока 16 поршня. При этом вышеупомянутое гидравлическое масло заполняет также камеру 26 и служит в качестве смазки при вращении и зубчатом зацеплении коронной шестерни 25. Кроме того, камера 26 обеспечивает связь по маслу между цилиндром 14 и дном камер 9 на стороне напротив штоков 80 поршней 8.

Согласно изобретению, каждый поршень 8 предпочтительно должен полностью подвергаться действию гидравлического масла, что означает, например, что через поршень 8 формируется канал 27 (фиг. 2, правый поршень), чтобы гидравлическое масло присутствовало на обеих сторонах поршня 8 в камере 9 и, благодаря рабочему зазору, на боковой поверхности поршня 8. Таким способом достигается смазка поршня 8 и предотвращается попадание бурового раствора в камеры 9, когда поршни 8 возвращаются в эти камеры. Эта камера 9 герметично изолирована от внешней части бурового долота 3 крышкой - лентой 28, которая сама по себе известна и которая снабжена О-образным уплотнением 29 между ней и долотом 3 и О-образным кольцом 30 между ней и штоком 80 поршня.

Каждый поршень 8 содержит, преимущественно вокруг штока 80, поперечное сечение которого меньше соответствующего сечения поршня 8, возвратную пружину 31 с заданным усилием. Эта пружина 31 зацепляется с лентой 28 так, чтобы толкать поршень 8 в положение покоя, когда давление бурового раствора недостаточно для преодоления усилия этой пружины 31.

Во время работы бурового долота 3 давление бурового раствора, текущего вверх по кольцеообразному поршню 13, выше, чем давление раствора, текущего в скважине, между буровым долотом 3 и стенкой скважины. Эта разность давлений, приложенная к усеченной поверхности 21 и к краевой поверхности 22, заставляет кольцеообразный поршень 13 перемещаться в направлении по стрелке 19, начиная от положения покоя, показанного на чертежах. В результате его перемещения кольцеобразный поршень 13 вытесняет гидравлическое масло, содержащееся в цилиндре 14, через камеру 26 к трем камерам 9. Объем масла, вытесненного таким способом для заполнения принимающего объема, выталкивает каждый из поршней 8 из их камер 9 к наружной стороне бурового долота 3, тогда как масло, находящееся после штоков 80 в камерах 9, автоматически посылается в сторону дна камер 9 через каналы 27, так, что оно добавляется к вытесненному объему масла, и так, что поршни 8 дополнительно выступают наружу. Поршни 8 толкают соответствующие консоли 2 до тех пор, пока они не придут в соприкосновение со стенкой скважины. Коронная шестерня 25 и зубчатые рейки 24 расположены так, чтобы во время этого движения три консоли перемещались одновременно с одной и той же амплитудой, так, чтобы они удерживали или возвращали буровое долото 3 на ось скважины путем касания всех трех с указанной стенкой. Путем задания размеров поверхностей 21, 22, под давлением бурового раствора и действием пружин 31, можно регулировать силу действия стабилизирующих консолей 2, чтобы противодействовать вредным боковым силам, которым подвергается долото 3 во время бурения и которые стремятся сместить его относительно боковой стенки скважины.

Величину хода и размеры используемых элементов специалисты в данной области техники могут легко вычислить.

Для бурового долота 3, имеющего номинальный диаметр в 8 1/2 дюйма (215,9 мм), и для разности давлений в 100 фунтов-сил на квадратный дюйм (0,689 МПа), на конце этой консоли 2 может быть получено усилие в 180 кг (1764 Н), когда одна консоль 2 касается стенки скважины, и сила в 60 кг (588 Н) на конце каждой консоли 2 - когда три консоли 2 касаются стенки, и это обеспечивается зацеплением коронной шестерни 25 с тремя поршнями 8, имеющими зубчатые рейки 24.

Необходимо понимать, что это изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления и что в них можно внести много изменений, не выходя за объем изобретения.

Так, консоли 2 можно снабдить износоустойчивым покрытием и выбрать для них формы, которые наиболее соответствуют скважине во время бурения.

Claims (6)

1. Устройство (1) управления по меньшей мере двумя стабилизирующими консолями (2) в буровом или керновом устройстве, в частности стабилизирующими консолями (2) в буровом или керновом долоте (3), причем все консоли (2) сдвинуты друг по отношению к другу по окружности долота (3) и имеют концы, которые могут поворачиваться вокруг оси (6), параллельной оси (4) бурового долота (3) таким образом, что во время бурения свободный конец (7) консоли (2) располагается позади поворотной оси (6) по отношению к направлению (77) вращения долота (3), причем устройство управления содержит управляющее средство (10) и средства (11) синхронизации, предназначенные для одновременного перемещения консолей за счет бурового раствора в одном и том же направлении и с одной и той же амплитудой, отличающееся тем, что оно для каждой консоли (2) имеет поршень (8), предназначенный для поворота консоли (2) вокруг оси (6) так, чтобы свободный конец (7) консоли (2) мог занимать два крайних положения, первое исходное положение, в котором консоль помещается в долоте (3), и второе рабочее положение, в котором свободный конец (7) выступает по отношению к долоту (3), а управляющие средства (10) и средства (11) синхронизации предназначены соответственно для перемещения поршней (8) за счет бурового раствора и для обеспечения по существу одновременного действия поршней (8) в одном и том же направлении и с одной и той же амплитудой.

2. Устройство (1) управления по п.1, отличающееся тем, что продольные оси (12) поршней (8) касательны к воображаемому цилиндру, соосному с долотом (3), и предпочтительно тем, что они находятся в по меньшей мере одной плоскости, поперечной оси (4) бурового долота (3).

3. Устройство (1) управления по п.1 или 2, отличающееся тем, что средства (10) для управления поршнями (8) содержат кольцеобразный поршень (13), соосный с долотом (3), предназначенный для перемещения относительно их общей оси (4) в цилиндре (14), сформированном в долоте (3) и имеющем формы, с одной стороны, для приведения в действие буровым раствором, а с другой стороны, для действия на текучую среду, которая приводит в действие поршни (8) и которая содержится в цилиндре (14), сообщаясь с камерами (9) поршней (9).

4. Устройство (1) управления по п.1 или 2, отличающееся тем, что средства (11) синхронизации содержат зубчатую рейку (24), установленную на каждом из поршней (8), и коронную шестерню (25), которая соосна с долотом (3) и которая имеет зубчатое зацепление со всеми зубчатыми рейками (24), связанными с поршнями (8).

5. Устройство (1) управления по п.4, отличающееся тем, что коронная шестерня (25) надета на кольцеобразный поршень таким образом, что может свободно поворачиваться вокруг этого поршня, и помещена в герметичную камеру (26), которая соединяется с камерами (9) поршней (8) и с указанным цилиндром (14).

6. Устройство (1) управления по п.5, отличающееся тем, что камера (9) каждого поршня (8) и/или этот поршень расположены так, что поршень (8) полностью подвергается действию текучей среды, а поперечное сечение штока (80) поршня предпочтительно меньше соответствующего сечения поршня (8).

Images