ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1995 года по МПК E21B10/24 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в шарошечных долотах, предназначенных для бурения скважин с очисткой забоя газообразным агентом.

Известно шарошечное долото, содержащее жестко соединенные между собой лапы, образующие корпус долота с присоединительным ниппелем, смонтированным на цапфах лап с возможностью вращения шарошки, выполненное в корпусе центральное продувочное сопло, выполненные в лапах каналы продувки опор и установленный в центральном продувочном сопле обратный клапан [1]
Недостатком этого долота является то, что оно предотвращает зашламовывание опор шарошек только со стороны центрального продувочного канала долота и не исключает при остановках бурения возможности проникновения шлама в эти опоры через зазоры между цапфами лап и шарошками со стороны торцов последних. Кроме того используемая в этом долоте шламозащита может быть применена только в долотах с центральной продувкой.

Наиболее близким к предложенному является шарошечное долото, содержащее жестко соединенные между собой лапы, образующие корпус долота с присоединительным ниппелем, смонтированные на цапфах лап с возможностью вращения шарошки, выполненные в корпусе продувочные каналы, выполненные в лапах каналы продувки опор шарошек и размещенный в ниппельной полости долота обратный клапан, включающий седло с опорным кольцевым буртом, который имеет возможность взаимодействия с торцом ниппеля через упругую прокладку, подпружиненный запорный элемент и узел крепления клапана в ниппеле.

В этом долоте независимо от схемы размещения продувочных каналов (центральная, боковая, периферийная, комбинированная и т.п.) при остановке бурения обеспечивается защита опор шарошек от шлама как со стороны продувочных каналов, так и со стороны торцов шарошек за счет создания в ниппельной полости долота воздушной подушки, которая препятствует проникновению шлама в опоры по упомянутым путям. Его недостатком является отсутствие фиксации узла крепления клапана в долоте и выполнение самого узла в виде упорной пяты, имеющей сферическую головку, взаимодействующую с центральной выемкой ограничителя, жестко установленного в полости штанги. Такое выполнение узла крепления без его жесткой фиксации в долоте не исключает смещения и переноса упорной пяты относительно клапана, в результате которого нарушается соосность клапана и резьбы долота, приводящая к перекосу опорного кольцевого бурта седла клапана относительно торца ниппеля, что может вызвать преждевременное разрушение упругой прокладки и (или) отсутствие герметичности в ниппельной полости долота относительно полости штанги, т.е. отсутствие шламозащиты долота.

Цель изобретения повышение надежности установки обратного клапана и герметичного разобщения ниппельной полости долота от полости штанги за счет соосной установки опорного кольцевого бурта седла клапана относительно торца ниппеля долота.

Для достижения поставленной цели шарошечное долото, содержащее жестко соединенные между собой лапы, образующие корпус долота с присоединительным ниппелем, смонтированные на цапфах лап с возможностью вращения шарошки, выполненные в корпусе продувочные сопла, выполненные в лапах каналы продувки опор и размещенный в ниппельной полости долота обратный клапан, включающий седло с опорным кольцевым буртом, который имеет возможность взаимодействия с торцом ниппеля через упругую прокладку, подпружиненный запорный элемент и узел крепления клапана в ниппеле долота, согласно изобретению снабжено элементом фиксации узла крепления клапана, при этом последний выполнен в виде двух распорных стержней, установленных внутри ниппеля перпендикулярно оси долота в диаметрально противоположном направлении с возможностью радиального перемещения и взаимодействия с внутренней боковой поверхностью ниппеля, причем обращенные к внутренней боковой поверхности ниппеля концы стержней оснащены упорными башмаками. Распорные стержни могут быть установлены в резьбовых отверстиях седла клапана над запорным элементом, а на их противоположных упорным башмакам концах выполнены цилиндрические головки с радиальными отверстиями на боковой поверхности, при этом элемент фиксации узла крепления клапана выполняется в виде скобы, установленной в радиальных отверстиях головок распорных стержней. В другом варианте распорные стержни могут быть размещены под запорным элементом и на их противоположных упорным башмакам концах выполнена резьба с противоположным направлением нарезки, причем эти концы соединены между собой резьбовой муфтой с радиальными отверстиями в средней части, при этом элемент фиксации узла крепления клапана выполнен в виде закрепленных на упорных башмаках распорных стержней шпилек, расположенных параллельно оси долота, а в опорном кольцевом бурте седла клапана выполнены сквозные отверстия под свободные резьбовые концы шпилек, на каждом из которых навернута прижимная гайка. Кроме того участки башмаков, контактирующие с внутренней поверхностью ниппеля, могут быть оснащены фрикционными материалами, а на внутренней боковой поверхности ниппеля в месте ее контакта с башмаками распорных стержней выполнена кольцевая расточка.

Снабжение шарошечного долота элементом фиксации узла крепления клапана исключает ослабление жесткости крепления, чем достигается повышение надежности и герметичности крепления клапана в долоте. Выполнение узла крепления клапана в виде двух диаметрально расположенных распорных стержней, имеющих возможность радиального перемещения и взаимодействия с боковой поверхностью ниппеля, позволяет быстро и надежно закрепить клапан в ниппельной полости долота с гарантированным сохранением соосности установки опорного кольцевого бурта седла клапана относительно торца ниппеля долота, при этом распорные стержни в зависимости от типоразмера долота и условий его эксплуатации могут быть размещены либо над, либо под запорным элементом клапана, что существенно расширяет область применения такого крепления. Оснащение обращенных к боковой поверхности ниппеля концов распорных стержней упорными башмаками увеличивает рабочую поверхность сцепления стержней с внутренней поверхностью ниппеля. Выполнение на противоположных упорным башмакам концах распорных стержней цилиндрических головок с радиальными отверстиями на боковой поверхности или соединение этих концов резьбовой муфтой с радиальными отверстиями в средней части позволяет осуществлять распор стержней в боковую поверхность ниппеля. Оснащение контактирующих с внутренней боковой поверхностью ниппеля участков упорных башмаков распорных стержней фрикционным материалом позволяет существенно увеличить силу сцепления контактирующих поверхностей. Расточка на внутренней боковой поверхности ниппеля в месте ее контакта с башмаками позволяет более надежно фиксировать распорные стержни в ниппеле, исключив возможность их смещения вдоль оси долота за счет упора башмаков в бурт расточки, что также повышает надежность установки обратного клапана.

На фиг. 1 изображено долото, разрез; на фиг. 2 то же, с открытым клапаном; на фиг. 3 то же, второй вариант; на фиг. 4 узел I на фиг. 1; фиг. 5 узел II на фиг. 3.

Долото содержит жестко соединенные между собой лапы, образующие корпус долота 1 с присоединительным ниппелем 2. На цапфах лап смонтированы с возможностью вращения шарошки (на чертежах не показаны). В корпусе 1 выполнены продувочные сопла 3, а в лапах каналы 4 продувки опор шарошек. В ниппельной полости 5 долота размещен обратный клапан с узлом крепления и элементом фиксации узла крепления. Обратный клапан включает седло 6 и подпружиненный запорный элемент 7. Седло 6 имеет кольцевой опорный бурт 8, который опирается на торец ниппеля 2. Между буртом 8 и торцом ниппеля 2 помещена упругая прокладка 9. Узел крепления клапана выполнен в виде двух распорных стержней 10, установленных внутри ниппеля 2 перпендикулярно оси долота в диаметрально противоположном направлении с возможностью радиального перемещения и взаимодействия с внутренней боковой поверхностью ниппеля 2. Обращенные к внутренней боковой поверхности ниппеля 2 концы стержней 10 оснащены упорными башмаками 11. Стержни 10 могут быть размещены как над запорным элементом 7 клапана, так и под ним. В первом случае стержни 10 устанавливаются в резьбовых отверстиях седла 6 и на их противоположных упорным башмакам 11 концах выполняются цилиндрические головки 12 с радиальными отверстиями 13 на боковой поверхности, а элемент фиксации узла крепления выполняется в виде П-образной скобы 14, своими концами установленной в радиальных отверстиях 13 головок 12. П-образная скоба (возможна и другая форма) изготавливается из упругого материала, позволяющего скобе дефоpмиpоваться в вертикальной и горизонтальной плоскостях с тем, чтобы компенсировать возможные несовпадения расстояний между отверстиями 13 в головках распорных стержней, возникающих вследствие колебания размеров ниппельной полости, имеющего место у разных долот, или неодинаковости первоначального расстояния каждого башмака относительно стенки ниппеля при установке клапана в долоте. Во втором случае на противоположных упорным башмакам 11 концах распорных стержней 10 выполняется резьба с противоположным направлением нарезки и они соединяются между собой резьбовой муфтой 15 с радиальными отверстиями 16 в средней части, а элемент фиксации узла крепления клапана выполняется в виде закрепленных на упорных башмаках 11 шпилек 17, расположенных параллельно оси долота. При этом в опорном кольцевом бурте 8 седла 6 клапана выполняются сквозные отверстия 18, через которые проходят свободные резьбовые концы шпилек 17. На эти концы наворачиваются гайки 19, которыми седло притягивается к торцу ниппеля 2. Участки башмаков 11 распорных стержней 10, контактирующие с внутренней боковой поверхностью ниппеля 2, могут быть оснащены фрикционным материалом 20 для увеличения силы сцепления. Фрикционный материал может быть упругим, тогда при раздвижении башмаков увеличивается поверхность их контакта с ниппельной полостью и соответственно сила, удерживающая клапан от перемещения в ниппеле. Если фрикционный материал достаточно жесток, то увеличение силы сцепления клапана с ниппелем долота может достигаться за счет увеличения коэффициента трения пары: стальной ниппель фрикционный материал относительно пары трения сталь по стали. На внутренней боковой поверхности ниппеля 2 в месте ее контакта с башмаками 11 может быть выполнена кольцевая расточка 21, которая препятствует смещению распорных стержней 10 вдоль оси долота за счет взаимодействия боковой поверхности упорных башмаков 11 с буртом расточки 21.

Последовательность монтажа обратного клапана в долоте зависит от места расположения узла крепления клапана.

Если узел крепления клапана размещен выше запорного элемента 7 клапана, то при монтаже клапан в сборе устанавливается в ниппельной полости 5 долота так, чтобы кольцевой бурт 8 седла 6 клапана опирался на торец ниппеля 2. Затем клапан прижимают к торцу ниппеля с некоторым усилием и в таком положении начинают вращать поочередно распорные стержни 10, используя радиальные отверстия в головке 12, до тех пор, пока они не вступят в контакт с внутренней боковой поверхностью ниппеля. После создания необходимого распорного усилия в радиальные отверстия головок 12 стержней 10 вставляется П-образная скоба 14, препятствующая самопроизвольному отвороту стержней. Прижатие клапана к торцу ниппеля можно осуществлять, например, с помощью накидной гайки, навинчиваемой на ниппель с заданным моментом поворота. Если узел крепления клапана размещен ниже запорного элемента 7 клапана, то при монтаже в ниппельную полость долота сначала вводятся распорные стержни 10 со шпильками 17, соединенные между собой муфтой 15. Затем путем вращения муфты 15 распирают стержни 10 в ниппельной полости 5. После этого на свободные концы шпилек 17 одевается через отверстия в опорном кольцевом бурте 8 седла 6 клапан в сборе и прижимается гайками 19 к торцу ниппеля 2.

Долото работает следующим образом.

В процессе бурения на долото передается осевая нагрузка и крутящий момент, под действием которых шарошки разрушают забой. Для очистки скважины от продуктов разрушения в долоте подается газообразный агент. Под действием давления потока клапан открывается и газообразный агент по каналам 4 долота поступает на забой. Часть агента по каналам 4 в лапах поступает в опоры шарошек для охлаждения подшипников. При прекращении подачи газообразного агента клапан закрывается и в ниппельной полости 5 долота создается воздушная подушка, препятствующая проникновению шлама в опоры долота как со стороны продувочных каналов, так и со стороны шарошек.

По сравнению с прототипом предложенное долото обеспечивает более качественную шламозащиту опор шарошек за счет повышения надежности и герметичности крепления обратного клапана в ниппельной полости долота.

Использование: горная промышленность, в частности шарошечные долота для бурения скважин с очисткой забоя газообразным агентом. Сущность: шарошечное долото имеет элемент фиксации узла крепления клапана. Элемент фиксации может быть выполнен в виде скобы или шпилек. Скоба установлена в радиальных отверстиях головок. Шпильки закреплены на упорных башмаках а расположены параллельно оси долота. Узел крепления клапана выполнен в виде двух распорных стержней. Стержни установлены внутри ниппиля перпендикулярно оси долота в диаметрально противоположном направлении. Концы стержней, обращенные к нипелю, оснащены упорными башмаками. Стержни могут быть установлены в резьбовых отверстиях сидла над запорным элементом. Стержни могут быть установлены под запорным элементом. На концах стержней могут быть выполнены цилиндрические головки с радиальными отверстиями на боковой поверхности. На концах стержней может быть выполнена резьба с противоположным направлением нарезки, они соединены между собой резьбовой муфтой с радиальными отверстиями в средней части. В опорном кольцевом бурте седла выполнены сквозные отверстия, через которые проходят свободные резьбовые концы шпилек. На этих концах навернуты гайки. башмаки могут быть оснащены фрикционным материалом. На внутренней поверхности ниппеля в месте контакта с башмаками может быть выполнена кольцевая расточка. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО, содержащее жестко соединенные между собой лапы, образующие корпус долота с присоединительным ниппелем, смонтированные на цапфах лап с возможностью вращения шарошки, расположенные в корпусе продувочные сопла, расположенные в лапах каналы продувки опор шарошек и размещенный в ниппельной полости долота обратный клапан, включающий седло с опорным кольцевым буртом, который имеет возможность взаимодействия с торцом ниппеля через упругую прокладку, подпружиненный запорный элемент и узел крепления клапана в ниппеле долота, отличающееся тем, что оно снабжено элементом фиксации узла крепления клапана, выполненного в виде двух распорных стержней, установленных в ниппеле перпендикулярно оси долота в диаметрально противоположном направлении с возможностью радиального перемещения и взаимодействия с внутренней боковой поверхностью ниппеля, причем обращенные к внутренней боковой поверхности ниппеля концы стержней оснащены упорными башмаками. 2. Долото по п.1, отличающееся тем, что распорные стержни установлены в резьбовых отверстиях седла клапана над запорным элементом, а на их противоположных упорным башмакам концах выполнены цилиндрические головки с радиальными отверстиями на боковой поверхности, при этом элемент фиксации узла крепления клапана выполнен в виде скобы, установленной в радиальных отверстиях головок распорных стержней. 3. Долото по п.1, отличающееся тем, что распорные стержни размещены под запорным элементом клапана и на их противоположных упорным башмакам концах выполнена резьба с противоположным направлением нарезки, причем эти концы соединены между собой резьбовой муфтой с радиальными отверстиями в средней части, при этом элемент фиксации узла крепления клапана выполнен в виде закрепленных на упорных башмаках распорных стержней шпилек, расположенных параллельно оси долота, а в опорном кольцевом бурте седла клапана выполнены сквозные отверстия под свободные резьбовые концы шпилек, на каждый из которых навернута прижимная гайка. 4. Долото по пп.1 3, отличающееся тем, что участки башмаков распорных стержней, контактирующие с внутренней боковой поверхностью ниппеля долота, оснащены фрикционным материалом. 5. Долото по пп. 1 4, отличающееся тем, что на внутренней боковой поверхности ниппеля долота в месте ее контакта с башмаками выполнена кольцевая расточка.