ПРОМЫВОЧНЫЙ УЗЕЛ БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 1994 года по МПК E21B10/18 

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к промывочным устройствам буровых шарошечных долот.

Известно наддолотное устройство для комбинированной промывки забоя скважины, содержащее корпус с центральным промывочным каналом, седло под шаровой клапан и наружный кожух, связанный с тремя наружными боковыми промывочными каналами, расположенными на корпусе долота, в проемах между лап.

Такой вариант позволяет изменить систему промывки забоя скважины с центрально-боковой на боковую-гидромониторную (после сбрасывания в бурильные трубы шара) и изменять положение боковых каналов, приближая или удаляя их от поверхности забоя, путем перемещения и закрепления наружной обоймы вдоль корпуса устройства перед спуском долота в скважину.

Недостатком такого устройства является сложность и ненадежность конструкции, неэффективность системы очистки забоя скважины. Насадка центрального канала устанавливается на упорный выступ центрального отверстия долота, что увеличивает расстояние выхода струи бурового раствора от забоя и приводит к снижению гидравлической энергии струи. Приближение выхода боковых каналов к забою оказывается не настолько большим из-за стесненности в кольцевом пространстве между корпусом долота и стенкой скважины, практически расстояние до забоя находится в пределах струй обычных гидромониторных долот. Как показывает практика бурения, навесные конструкции на берильный инструмент и тем более на корпус долота, крепящиеся за счет сил трения, очень ненадежны. За счет поперечных, продольных крутильных колебаний бурильного инструмента и динамического взаимодействия самого корпуса и промывочных каналов со стенками скважины происходят перекосы и интенсивные разрушения устройств. Кроме того, при работе центрального и боковых промывочных каналов создаются такие условия, когда восходящий поток (в проемах между лап) бурового раствора, пришедшего через центральный канал, оказывает отрицательное гасящее воздействие на нисходящие потоки из периферийных насадок, снижая их гидравлическую мощность, повышая гидродинамическое давление в призабойной зоне и снижая эффективность очистки забоя скважины от шлама.

Известно буровое шарошечное долото, в центральном отверстии которого установлена насадка с щелевыми прорезями.

В этом долоте промывочная жидкость, проходя через центральное отверстие и продольные прорези, оказывает гидродинамическое воздействие на большей площади забоя (в центральной его части и в проемах между шарошками), в результате чего в призабойной зоне создаются потоки, не ослабевающие от центра к периферии, обеспечивающие улучшенную очистку забоя от шлама и повышение эффективности бурения.

Недостатком такой системы промывки является невысокая эффективная очистка породоразрушающих элементов буровых шарошечных долот особенно при бурении мягких, пластичных пород. За насадкой (в результате резкого падения скорости потока) образуются застойные зоны, которые со временем заполняются шламом. Шлам постепенно уплотняется, налипает на внутренние элементы долота, плотно заполняет межзубцовое пространство периферийных, а затем и остальных частей шарошек. Контактная поверхность долота увеличивается, глубина внедрения зуба значительно уменьшается, затраты энергии на вращение долота и разрушение породы возрастают, эффективность бурения резко падает.

Практически такие явления наблюдаются каждый раз при подъеме долота из скважины, свободно при бурении верхних интервалов. Долото находится в плотном "сальнике", а шарошки выглядят в виде сплошных гладких конусных катков, с большим трудом проворачивающихся на опорах. После механического удаления сальников следов износа вооружения и опор долота, как правило, не наблюдается, хотя долото бывает поднято из-за резкого снижения механической скорости, т. е. в связи с кажущейся причиной износа вооружения. Такие долота (обычно больших диаметров: 490; 395,7) могут использоваться повторно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является долото, имеющее центральный промывочный канал, выполненный в виде удлиненного гибкого эластичного патрубка, нижний конец которого размещается над шарошками долота.

Такой вариант позволяет осуществлять последовательно-ориентировочное воздействие струи бурового раствора на забой скважины, шарошки долота, улучшая очистку забоя, породоразрушающих элементов шарошек, улучшая условия отвода тепла.

Недостатком такого варианта является набольшая зона действия струи, истекающей из насадки, не обеспечивающая промывку породоразрушающих элементов надшарошечной области и забоя скважины. К недостаткам относится и сложность конструкции: необходимость координального изменения внутреннего промывочного канала долота с целью размещения патрубка и создания необходимого пространства для обеспечения диапазона отклонения патрубка в пределах его рабочего хода, сложность крепления верхнего конца патрубка в ниппеле долота и ненадежность конструкции. Кроме того, определенная жесткость короткого резинового патрубка не обеспечивает достаточного отклонения, обеспечивающего эффективную промывку периферийных концов зубцов шарошечных долот.

Результаты промысловых испытаний показывают, что зачастую происходит вырыв патрубка в месте его крепления к долоту и разрушения резинового элемента от знакопеременных изгибающих и растягивающих напряжений.

Существенными признаками заявляемого технического решения, позволяющими отличить данный объект от другого, являются опорное кольцо с кольцевой проточкой в виде части сферы, кольцевой выступ в виде части сферы на верхнем конце патрубка, дополнительные насадки меньшего диаметра, установленные по окружности на наружной поверхности нижнего конца патрубка, расположенные под острым углом к его оси.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение совпадает с прототипом по следующим существенным признакам: удлиненный патрубок, расположенный по оси долота, нижний конец которого размещается над шарошками, центральное промывочное отверстие, которым оканчивается нижний конец патрубка и возможность перемещения нижнего конца патрубка во внутренней надшарошечной области долота.

Отмеченные признаки заявляемого технического решения позволяют сделать вывод о соответствии технического решения критерию "новизна". При сравнении заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями не обнаружены решения, обладающие сходными признаками. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Долото состоит из корпуса 1 с лапами 2 на которых установлены шарошки 3, с упорной пятой 4 и кольцевой проточкой в виде части сферы, закрепляемой в корпусе 1 по оси долота, и удлиненного патрубка 5. Верхний конец патрубка 5 представляет собой кольцевой выступ 6 в виде части сферы. Нижний конец патрубка 5 расположен над шарошками 3 внутри его устанавливается центральная абразивно-стойкая насадка 7 диаметром d₁, а с наружной стороны - дополнительные боковые насадки 8 меньшего диаметра d₂ (d₁ > d₂), расположенные под острым углом к центральной оси патрубка, гидравлически связанные с центральным каналом.

Долото работает следующим образом.

В процессе бурения долото вращается, поток промывочной жидкости проходит через патрубок 5 и у нижнего конца разделяется на два потока, одна часть потока направляется по центральному каналу патрубка 5 через насадку 7 и попадает на забой скважины. Другая часть потока поступает через боковые каналы нижнего конца патрубка 5 и насадки 8, омывает вооружение шарошек 3 долота и попадает в проемы между шарошками 3. Угол наклона боковых насадок 8 выбирается в зависимости от конструктивных размеров долота с учетом того, что в условиях статического состояния, когда ось патрубка 5 совпадает и находится на продолжении оси долота, поток бурового раствора направлен в область периферийных венцов шарошек 3. При работе долота бурового раствора с большой скоростью (порядка 40-100 м/с) и под большим давлением (перепад давления может быть в пределах 25-80 кгс/см²) истекает из насадок долота.

За счет действия реактивного момента сил истекающих из насадок струй бурового раствора, действия центробежных сил на нижний конец патрубка 5, вызванных вращением инструмента (частота вращения 60-120 об/мин), и различных колебаний, обусловленных работой долота, промывочный узел начинает проворачиваться в упорной пяте 4. Линейный контакт кольцевой проточки упорной пяты 4 со сферической поверхностью 6 верхнего конца патрубка 5 обеспечивает необходимую свободу относительного перемещения и необходимую герметизацию шарнирного соединения. Герметизация и плотное прижатие сферической поверхности 6 к кольцевой проточке упорной пяты 4 осуществляется за счет действия гидродинамического давления на Миделевое сечение верхнего конца 6 патрубка 5.

За счет хаотичности действия всех сил нижний конец патрубка 5 совершает непрерывное и хаотическое движение в надшарошечной зоне, в результате чего потоки бурового раствора интенсивно промывают забой, надшарошечную область и элементы вооружения долота. Последнее особенно важно при бурении мягких, пластичных пород в верхних интервалах, которые обладают повышенными адгезионными свойствами, налипают на вооружение шарошек, постепенно уплотняются, заполняют межзубцовое пространство, уменьшают глубину внедрения зубьев в породу, резко снижают разрушающую способность буровых долот, приводят к необходимости подъема инструмента, удаления сальника или в большинстве случаев к смене практически неизношенных долот.

Преимущество заявляемого технического решения в сравнении с прототипом заключается в расширении зоны промывки путем установки дополнительных боковых насадок, ориентированных на очистку элементов вооружения и большого угла отклонения промывочного узла за счет его шарнирного соединения.

Преимущества выражаются также в простоте конструкции (две детали вместо шести у прототипа), в отсутствии необходимости изменения внутреннего промывочного канала буровых долот и надежности конструкции (рабочие элементы не работают на растяжение и изгиб). (56) Авторское свидетельство СССР N 891883, кл. E 21 B 10/18, 1981.

Авторское свидетельство СССР N 1514900, кл. E 21 B 10/08, 1989.

Использование: бурение скважин. Сущность изобретения: буровое долото содержит корпус 1 с лапами 2 и цапфами, шарошки 3, удлиненный патрубок 5. Долото снабжено шаровым шарниром в виде закрепленной в корпусе с возможностью охвата верхнего конца патрубка 5, пяты 4 с кольцевой проточкой в виде части сферы. Кольцевой выступ расположен в верхнем конце патрубка 5. Дополнительные насадки 8 равномерно закреплены по окружности на наружной поверхности нижнего конца патрубка под острым углом к его оси. 1 ил.

ПРОМЫВОЧНЫЙ УЗЕЛ БУРОВОГО ДОЛОТА, содержащий корпус с лапами и цапфами, установленные на цапфах шарошки и удлиненный патрубок, установленный верхним концом в корпусе по оси долота с возможностью вращательного кругового движения нижним концом, расположенным между шарошками, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности долота путем расширения зоны промывки шарошек, оно снабжено шаровым шарниром в виде закрепленной в корпусе с возможностью охвата верхнего конца патрубка пяты с кольцевой проточкой в виде части сферы и расположенного на верхнем конце патрубка кольцевого выступа в виде части сферы и направленными вниз дополнительными насадками, равномерно закрепленными по окружности на наружной поверхности нижнего конца патрубка под острым углом к его оси.