БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2000 года по МПК E21B10/08 E21B27/00 

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к шарошечным долотам для бурения скважин с продувкой сжатым газом или воздухом. Эффективность работы этих долот зависит от надежности герметизации опор шарошек от попадания шлама при наращивании бурового става и аварийном прекращении подачи очистного агента на забой скважины.

Известно буровое долото, содержащее корпус с ниппелем и продувочными каналами и установленные в них клапанные узлы, состоящие из запорного органа и возвратной пружины [1].

Недостатком данного долота является выход запорного органа и части возвратной пружины во время работы за пределы корпуса долота. Это приводит к тому, что рабочая часть запорного органа попадает в зону обратного потока очистного агента, содержащего частицы абразивного шлама. В результате этого происходит абразивный износ запорного органа и пружины. Кроме того, крупные частицы шлама, попадая в открытую полость между седлом клапана и запорным органом, не позволяют сократиться пружине и тем самым нарушают герметичность клапана.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, содержащее лапы с каналами для охлаждения опор шарошек и очистки забоя от шлама и установленные в очистных каналах клапанные коробки, состоящие из корпуса со сквозными отверстиями и размещенных внутри него запорного органа и возвратного элемента [2].

Недостатком этого долота является возможность зашламования полости между запорным органом и дном-экраном клапанной коробки, а также между штоком и пружиной. Это нарушает герметичность клапана и не исключает возможность попадания шлама в опоры долота с последующим выходом долота из строя.

Техническим результатом изобретения является повышение проходки на долото и механической скорости бурения за счет повышения эффективности работы клапанного узла.

Достижение поставленного технического результата обеспечивается тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем лапы с каналами для охлаждения опор шарошек и для очистки забоя от шлама и установленные в очистных каналах клапанные коробки, состоящие из корпуса со сквозными отверстиями и размещенных внутри него запорного органа и возвратного элемента, согласно изобретению, возвратный элемент выполнен из эластичного материала и имеет в верхней части, форму, конгруэнтную внутренней поверхности корпуса коробки в зоне расположения возвратного элемента, при этом сквозные отверстия в корпусе коробки выполнены в его боковых стенках.

Дополнительно достижению указанного технического результата способствует также и то, что:
- возвратный элемент выполнен в виде эластичной камеры, объем которой в свободном состоянии больше, чем под нагрузкой;
- запорный орган выполнен с выпуклой рабочей частью, например, сферической или конической формы, причем дно запорного органа жестко соединено с эластичной камерой;
- сквозные отверстия на боковых стенках корпуса выполнены с поперечным сечением щелевидной формы и направлены под острым углом к продольной оси очистного канала;
- возвратный элемент выполнен с несколькими выемками на наружной поверхности.

На фиг. 1 изображен общий вид бурового долота; на фиг. 2 - выполнение клапанного узла в увеличенном масштабе в исходном (левая половина) и рабочем (правая половина) положениях.

Буровое долото содержит лапы 1 с ниппелем 2, каналами 3 и 4 соответственно для охлаждения опор шарошек 5 и для очистки забоя от шлама и размещенные в очистных каналах 4 клапанные узлы 6 (коробки). Последние состоят из корпуса 7, в полости которого расположены запорный орган 8 и возвратный элемент 9. Корпус 7 жестко соединен с лапами 1 посредством стопорного штифта 10 или любого другого известного приспособления, например, посредством резьбы 11 и выполнен с радиальными отверстиями 12, расположенными на боковых стенках и имеющими в поперечном сечении форму круга, эллипса, овала и т.д. Предпочтительной формой является щелевидная, ориентированная длинной стороной параллельно продольной оси очистного канала 4. При этом продольная ось радиальных отверстий 12 расположена под острым углом к боковым стенкам корпуса 7. Запорный орган 8 имеет выпуклую, например, сферическую или конусообразную рабочую часть 8а и 8б соответственно, боковая поверхность которых служит направляющей для очистного агента. Нижняя часть запорного органа 8 может иметь выпуклую, вогнутую или плоскую форму и соединена с возвратным элементом 9, верхнее основание которого соответствует форме нижней части запорного органа 8. Возвратный элемент 9 выполнен из эластичного материала, например из резины, и имеет в верхней части участок с наружной поверхностью, конгруэнтной внутренней поверхности корпуса 7 клапанной коробки в зоне расположения возвратного элемента 9. Последний может быть выполнен в виде эластичной камеры, полость 13 которой заполнена, например, сжатым воздухом или другим газом. Таких полостей 13 может быть несколько, причем они могут быть разъединены или сообщены между собой. На наружной поверхности возвратного элемента 9 выполнены одна или несколько выемок 14 для обеспечения перемещения запорного органа при минимальных потерях давления в очистных каналах 4. С этой же целью дно корпуса клапанного узла может быть выполнено с пазом 15 любой формы.

Для дополнительной герметизации обратного клапана используется уплотнительное кольцо 16.

Буровое долото работает следующим образом. В процессе бурения нагнетаемый поток очистного агента под давлением подается через колонну бурильных труб в ниппель 2 долота, проходит через клапанный узел 6 и направляется на забой скважины и на шарошки 5. Под действием потока очистного агента запорный орган 8, преодолевая сопротивление возвратного элемента 9, который при этом сжимается, уменьшаясь по высоте, перемещается вниз и открывает боковые отверстия 12. Уменьшение высоты возвратного элемента 9 происходит благодаря заполнению выемок 14 на его боковой и торцевой поверхностях или же благодаря сжатию полости 13, заполненной сжатым воздухом или газом. После смещения запорного органа 8 вниз через отверстия 12 очистной агент поступает на забой скважины и удаляет образующийся в процессе разрушения забоя шлам, который через кольцевое пространство между стенками скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. В случае прекращения подачи очистного агента, например, при наращивании бурильной колонны или в случае аварийного отключения компрессора запорный орган 8 под действием возвратного элемента 9 поднимается вверх и занимает исходное положение, перекрывая боковые отверстия 12. При этом благодаря тому, что внутренняя полость корпуса 7 клапанного узла полностью закрыта возвратным элементом 9, попадание шлама и засорение полости клапанного узла после прекращения подачи очистного агента полностью исключаются, а следовательно, исключается и попадание шлама в опоры шарошек 5. Это позволяет увеличить срок работы долота и тем самым повысить эффективность его работы.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1492018, кл. E 21 B 27/00, 1989 г.

2.Патент Российской Федерации 2098596, кл. E 21 B 27/00, 1995 г.

Использование: изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам для бурения с продувкой воздухом. Долото включает лапы с ниппелем, каналами для охлаждения опор шарошек и для очистки забоя от шлама и размещенные в очистных каналах клапанные коробки. Каждый клапан состоит из жестко соединенного с лапами корпуса, в полости которого расположены запорный орган и возвратный элемент. Боковые стенки корпуса выполнены с радиальными сквозными отверстиями, преимущественно щелевидной формы. Верхняя часть запорного органа имеет выпуклую форму и служит направляющей для очистного агента. Возвратный элемент выполнен из эластичного материала. В верхней части запорного органа выполнен участок с наружной поверхностью, конгруэнтной внутренней поверхности корпуса клапанной коробки в зоне расположения возвратного элемента. Такое выполнение клапанного узла позволяет исключить попадание шлама в опоры долота в случае прекращения подачи очистного агента и тем самым повысить эффективность работы долота. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Буровое шарошечное долото, содержащее лапы с клапанами для охлаждения опор шарошек и для очистки забоя от шлама и установленные в очистных каналах клапанные коробки, состоящие из корпуса со сквозными отверстиями и размещенных внутри него запорного органа и возвратного элемента, отличающееся тем, что возвратный элемент выполнен из эластичного материала и имеет в верхней части форму, конгруэнтную внутренней поверхности корпуса коробки в зоне расположения возвратного элемента, при этом сквозные отверстия в корпусе коробки выполнены в его боковых стенках. 2. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что возвратный элемент выполнен в виде эластичной камеры, объем которой в свободном состоянии больше, чем под нагрузкой. 3. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что запорный орган выполнен с выпуклой рабочей частью, например, сферической или конусообразной формы, причем дно запорного органа жестко соединено с эластичной камерой. 4. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что сквозные отверстия на боковых стенках корпуса выполнены с поперечным сечением щелевидной формы и направлены под острым углом к продольной оси очистного канала. 5. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что возвратный элемент выполнен с одной или несколькими выемками на наружной поверхности.