Шарнир-вертлюг для бурения скважин

005479 Известный уровень техники Многие обычные буровые установки используют верхний привод для извлечения труб и/или инструментов из буровой скважины. Мощные двигатели используются для вытягивания и наматывания проволочного троса, стального каната или троса на барабан, расположенный выше пола буровой установки. Используются вертлюги, смонтированные линейно со спирально скрученными элементами, такими как веревка, канат или трос, для обеспечения возможности вращения вокруг их продольной оси под действующей на растяжение нагрузкой для уменьшения или предотвращения распрямления спиральной намотки с целью защиты прочности и цельности веревки, каната или троса за счет компенсации крутящего усилия, индуцированного большими силами, действующими на спирально скрученный элемент в продольном направлении. Обычно такие силы могут иметь порядок нескольких тонн или больше. При одной из типичных операций, называемой операция извлечения каната, груз-оттяжка закреплен на одной линии с проволочным канатом. Грузы-оттяжки в прошлом состояли из жесткого элемента, который мог иметь форму твердого стержня длиной 4,5-6 м (15-20 футов). Использование такого груза-оттяжки при верхнем приводе создавало взаимодействие груза-оттяжки с буровым оборудованием, расположенным вертикально над бурильной колонной; поэтому необходимо было сдвигать и перемещать узел верхнего привода в сторону. Эта операция требует значительных затрат времени, и ее было бы желательно избегать. Сущность изобретения Изобретение касается использования уникального приспособления, которое здесь названо шарниром-вертлюгом и которое обеспечивает многофункциональность путем создания возможности поворота на 360 для уменьшения и/или предотвращения действия на веревку, трос или канат вышеупомянутых крутящих усилий и, кроме того, выполняет функцию шарнира для обеспечения возможности углового смещения с целью уменьшения или предотвращения изгибающих нагрузок, передаваемых на вертлюг при извлечении груза-оттяжки из буровой скважины или при протягивании других инструментов и т.п. вокруг препятствия. Настоящее изобретение особенно полезно для операций бурения скважин, включая,без ограничений, бурение с использованием наматывающего барабана с верхним приводом для вытягивания предметов из буровой скважины, а более конкретно изобретение предназначено для использования вместе со cборными гибкими грузами-оттяжками, являющимися объектом принадлежащего автору данной заявки патента США 6227292 В 1, выданного 8 мая 2001 г.; описание предшествующего патента включено сюда по ссылке. Важная особенность настоящего изобретения заключается в комбинации шарнира-вертлюга по настоящему изобретению и груза-оттяжки, который может представлять собой жесткий груз-оттяжку или, в идеале, гибкий груз-оттяжку, с целью уменьшения или устранения существовавшей до сих пор необходимости перемещения блока верхнего привода во время операции извлечения. Краткое описание чертежей Фиг. 1 представляет собой продольный разрез шарнира-вертлюга в соответствии с изобретением. Фиг. 2 представляет собой вид сбоку в разрезе шарнира-вертлюга, показывающий величину бокового вращения. Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение шарнира-вертлюга, соединенного со спирально скрученным проволочным тросом, канатом или жгутом, включая часть груза-оттяжки. Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение спирально скрученного проволочного каната, троса или жгута, отклоняемого от бурового оборудования, при шарнире-вертлюге, находящемся в устье скважины. Описание предпочтительного варианта исполнения Корпусный элемент шарнира-вертлюга, обозначенный в целом позицией 10, включает нижний переходник 14, на одном конце которого имеется резьба 16, а в противоположный полый конец 20 вставляется цапфа подшипника 18, соединенная с ним с помощью пружинного штифта с пропилом 22. Верхний переходник 24 включает первый конец с резьбой 26, соединенный с корпусным элементом шарниравертлюга 10 в одну линию с нижним переходником 14. Корпусный элемент 10 содержит пару внутренних колец подшипника 30, 30, пару наружных колец подшипника 32, 32 и пару опорных колец подшипника 34, 34, установленных на цилиндрических бабках 36, 36, расположенных на противоположных сторонах подшипниковой цапфы 18. Плоская проволочная пружина сжатия 40, представляющая собой пружину типа вершина-к-вершине, расположена между одним наружным кольцом подшипника 32 и прилегающим концом верхнего переходника 24 для создания постоянного усилия, действующего на кольцо 32 для стабилизации множества шариковых опор 42 между внутренними кольцами подшипника 30, 30 и опорными кольцами подшипника 34, 34. Предусмотрена пресс-масленка 44 для пропускания смазки через проход 46, причем предполагается, что смазка может проходить через пружину 40 и защищать разные компоненты подшипника. Как лучше показано на фиг. 1, корпусный элемент 12 имеет поверхность в форме усеченного конуса 50, которая ограничивает величину бокового вращения подшипниковой цапфы 20 углом, равным примерно 20, как лучше показано на фиг. 2. Таким образом, подшипниковая цапфа способна поворачивать-1 005479 ся на 360 вокруг своей продольной оси внутри корпусного элемента 12, а также совершать колебательные движения в конусе с углом при вершине 20. На фиг. 3 и 4 видно, что шарнир-вертлюг 10 прикреплен с помощью концевой соединительной гильзы с обжимом 60 к тросу 62, который может быть спирально скрученным проволочным канатом, тросом или жгутом. Подразумевается, что спирально скрученный трос 62 защищен шарниром-вертлюгом 10, потому что способность подшипниковой цапфы к осевому вращению на 360 уменьшает или устраняет действующее на трос 62 крутящее усилие. Без такой защиты большие осевые нагрузки будут стремиться распрямить спиральную намотку и тем самым существенно ослабить прочность троса 62. Концевая соединительная гильза 60 накручивается на переходник 14, а переходник 24 может быть соединен с помощью резьбового соединения с трубой или инструментом 64. Подразумевается, что в промышленном бурении скважин верхний привод (не показан) обычно имеет форму наматывающего барабана, расположенного в верхней части или вблизи верхней части буровой вышки или буровой установки и предназначенного для извлечения труб или инструментов из сважины. Часто между устьем скважины и наматывающим барабаном расположены какие-то элементы буровой вышки или установки. В результате, до сих пор верхний привод было необходимо устанавливать таким образом, чтобы он мог контролируемо смещаться в сторону для предотвращения взаимодействия вытягиваемого троса и буровой установки. Как лучше показано на фиг. 4, трос 62, который может быть компонентом гибкого груза-оттяжки, описанного в патенте США 6227292, может быть отклонен в сторону, оставаясь под нагрузкой, благодаря наличию шарнира-вертлюга 10. В результате удается избежать взаимодействия с оборудованием буровой установки, обозначенным в общем позицией 80, и устранить необходимость смещения или передвижения блока верхнего привода. Трос 62 может направляться с помощью направляющего ролика (не показан), расположенного выше или рядом с буровым оборудованием 80 с целью предотвращения контакта во время операции извлечения талевого каната и т.п. Из приведенного выше описания предпочтительный вариант устройства по изобретению будет понятен специалистам в данной области, однако, следует учитывать, что возможны некоторые изменения в его конструкции и работе без отступления от духа и объема изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Шарнир-вертлюг, включающий пару переходников (14 и 24), подшипниковую цапфу (18), расположенную между указанными переходниками и соединенную с ними, блок подшипника, расположенный на одном конце указанной цапфы и обеспечивающий возможность вращения ее на 360 вокруг продольной оси, корпусный элемент (12), окружающий указанный блок подшипника и включающий поверхность в форме усеченного конуса, обеспечивающую возможность вращения указанной подшипниковой цапфы с отклонением от указанной продольной оси. 2. Шарнир-вертлюг по п.1, в котором пресс-масленка (44) расположена аксиально в одном из указанных переходников для подачи смазки в указанный блок подшипника. 3. Шарнир-вертлюг по п.1, в котором указанный блок подшипника включает пару внутренних колец подшипника (30), пару наружных колец подшипника (32) и пару опорных колец подшипника, соединенных с парой цилиндрических бабок, расположенных на указанной подшипниковой цапфе (18). 4. Шарнир-вертлюг по п.3, включающий пружину (40), расположенную между одним из указанных наружных колец подшипника (32) и концом указанного переходника (24). 5. Шарнир-вертлюг по п.4, в котором указанная поверхность в форме усеченного конуса находится на одном конце указанного переходника (24) и обеспечивает возможность углового смещения указанной подшипниковой цапфы (18) на 20 от ее продольной оси. 6. Шарнир-вертлюг по п.1, дополненный натяжным тросом (62), что предназначено для уменьшения крутящих усилий, действующих на указанный трос во время операции извлечения. 7. Шарнир-вертлюг по п.6, в котором указанный трос (62) включает по меньшей мере часть грузаоттяжки.