ВСТАВНОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2001 года по МПК E21B10/64 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к вставным шарошечным долотам для бурения скважин без подъема бурильной колонны.

Известно вставное шарошечное долото, содержащее центральный шпиндель, размещенную на нем наружную обойму, шарнирно установленные на них лапы с шарошками, поршневой гидравлический механизм перевода лап из транспортного положения в рабочее [1].

Недостатком данного долота является малая надежность механизма перевода инструмента в рабочее и транспортное положение, недостаточно эффективная система промывки из-за наличия зазоров в узле посадки лап, а также пониженный ресурс работы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является вставное шарошечное долото, содержащее внутренний шпиндель с промывочными каналами и башмаком в нижней части с установленной на нем лапой с шарошкой, наружную кольцевую обойму, на которой шарнирно закреплена лапа с шарошкой или наружные кольцевые обоймы, на которых шарнирно закреплены лапы с шарошками, связанную с обоймой гильзу с радиальной опорой на наружной поверхности и поршневой гидравлический механизм перевода долота из транспортного положения в рабочее [2].

Недостатком этого долота является сравнительно низкая надежность работы, особенно в режиме проработки ствола скважины при дохождении долота до забоя, связанная с недостаточной монолитностью посадки лап шарошечного комплекта в коническое гнездо башмака механизма разворота вставного долота из-за ограниченного (активного) гидравлического усилия затягивания конических частей лап в башмак, которое создается с помощью поршневого гидравлического механизма. Кроме того, надежность долота при бурении снижается вследствие перекоса лап по плоскостям разъема от действия окружных сил при бурении, а также от воздействия моментной нагрузки на элементы обоймы, жестко связанной с гильзой, на которой расположены радиальные опоры.

Задачей изобретения является повышение надежности вставного шарошечного долота в работе.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении монолитности разъемных лап шарошечного комплекта и их сочленения с башмаком механизма разворота, а также устранении воздействия моментной нагрузки на элементы обоймы.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что во вставном шарошечном долоте, содержащем внутренний шпиндель с промывочными каналами и башмаком в нижней части с установленной на нем лапой с шарошкой, наружную кольцевую обойму, на которой шарнирно закреплена лапа с шарошкой или наружные кольцевые обоймы, на которых шарнирно закреплены лапы с шарошками, связанную с обоймой гильзу с радиальной опорой на наружной поверхности и поршневой гидравлический механизм перевода долота из транспортного положения в рабочее, ниже поршневого механизма в канале шпинделя установлено гидравлическое сопротивление в виде штуцера, обойма шарнирно соединена с гильзой с возможностью поворота посредством секторов кольцевой формы, смонтированных в канавках обоймы и гильзы и запираемых вкладышем с фиксацией его шпинделем, а гильза связана со шпинделем шлицами с возможностью восприятия момента от трения в радиальной опоре, при этом установленная в башмаке лапа снабжена жестко связанной с ней промывочным патрубком с возможностью фиксации вертикального положения лапы обоймы или лап обойм по наружной поверхности патрубка, выполненного в виде многогранника.

Сущность изобретения заключается в том, что благодаря установке в канале шпинделя ниже поршневого механизма гидравлического сопротивления в виде штуцера удается создать запас активного гидравлического усилия, способствующего полному переводу шарошечного комплекта в рабочее положение, затягиванию конусных частей лап в конусное гнездо башмака и их монолитному закреплению в нем.

Постоянно действующая на поршневой механизм снизу вверх гидравлическая сила значительно увеличивается с помощью создания перепада давления в штуцере. Суммарный перепад давления действует на поршень наружной подвижной системы и реализуется в повышенном усилии, способствующем монолитному закреплению лап шарошечного комплекта в конусном гнезде башмака механизма разворота. Этим решается задача повышения надежности работы вставного долота, особенно в режиме проработки ствола скважины при доведении долота до забоя, когда ствол скважины имеет конусную форму и со стороны стенок скважины на лапы с шарошками действуют радиальные силы, стремящиеся вывести конусные участки лап из конусного гнезда башмака, что при отсутствии их монолитного закрепления может привести к поломке обойм механизма или самих лап.

Наличие шлицевого соединения между наружной подвижной гильзой и внутренним неподвижным шпинделем и выполнение шарнирного соединения гильзы с обоймой в виде канавок, в которые вставлены сектора кольцевой формы, запираемые изнутри вкладышем, фиксируемым шпинделем, позволит разгрузить обойму, имеющую сложную конфигурацию, от действия момента кручения, возникающего при вращении вставного долота от действия момента трения в радиальной опоре гильзы при контакте ее с неподвижной втулкой нижней части колонны. В результате исключается возникновение трещин из-за концентрации напряжений в теле обоймы, особенно в местах перехода жесткостей, что повышает надежность работы вставного долота. Благодаря наличию промывочного патрубка, жестко связанного с лапой, установленной в башмаке, и взаимодействующего с лапой обоймы или лапами обойм и выполнению наружной поверхности патрубка в виде многогранника реализуется дополнительная монолитность разъемных лап шарошечного комплекта в рабочем положении, т.к. патрубок многогранной формы выполняет роль запорного элемента, препятствующего сдвижке (перекосу) лап по плоскости(ям) разъема от действия окружных сил при бурении, что повышает надежность в работе.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими изображениями.

На фиг. 1 изображена компоновка вставного инструмента в момент окончания ее движения внутри колонны труб и посадки ее в седло.

На фиг. 2 показана та же компоновка после перевода вставного шарошечного долота в рабочее положение и начала ее работы по проработке ствола скважины для достижения забоя скважины и дальнейшего бурения.

На фиг. 3 изображен продольный разрез двухшарошечного вставного долота в рабочем положении, а на фиг. 4 - то же в транспортном положении.

На фиг. 5 представлен продольный разрез трехшарошечного вставного долота в рабочем положении, а на фиг. 6 - то же в транспортном положении.

Фиг. 7 - поперечное сечение фиг. 6 (по фиксатору, соединяющему малую обойму с башмаком и узлу присоединения верхней лапы к башмаку).

Фиг. 8 - поперечное сечение А-А фиг. 3 и 5 по шлицевому соединению гильзы со шпинделем.

Фиг. 9 - поперечное сечение Б-Б фиг. 3 и 5, поясняющее конструкцию шарнирного соединения обоймы с гильзой.

Фиг. 10 - поперечный разрез В-В фиг. 3 лап двухшарошечного комплекта, поясняющий конструкцию шарнирного узла присоединения нижней секции шарошечного комплекта к обойме и запорного центрального элемента в виде промывочного патрубка шестигранного сечения.

Фиг. 11 - поперечный разрез Г-Г лап трехшарошечного комплекта фиг. 5.

Вставное шарошечное долото, состоящее из шарошечного комплекта 1 и механизма разворота 2, является составной частью компоновки вставного инструмента, включающей забойный двигатель 3 с нагрузочным устройством 4 и головкой под овершот.

Вставной инструмент транспортируется к забою и извлекается на поверхность внутри колонны труб 5 (бурильных или обсадных). Низ колонны оборудуется посадочным седлом 6 и втулкой 7 радиальной опоры вставного долота (фиг. 1 и 2).

Вставное шарошечное долото (фиг. 3-6) включает центральный внутренний шпиндель 8 с промывочным каналом 9, разделенным выступом 10 в средней части шпинделя на верхний 11 и нижний 12 участки. К нижней части шпинделя присоединен башмак 13 с конусным гнездом 14 и отверстием 15. С верхней частью шпинделя соединен переводник 16, который резьбой 17 присоединяется к валу забойного двигателя. В нижней части на наружной поверхности шпинделя размещена большая обойма 18. В трехшарошечном вставном долоте кроме большой обоймы имеется и малая обойма 19 (фиг. 5 и 6). В обоймах выполнено отверстие 20. К верхней части большой обоймы присоединена коаксиально расположенная на шпинделе гильза 21. На наружной поверхности гильзы расположены радиальные опоры 22, а в средней части выполнена внутренняя проточка 23, образующая совместно с выступом 10 шпинделя и каналами 11 и 12 золотниковое устройство. В нижней части гильзы выполнены шлицы 24, а верхняя часть гильзы резьбой 25 связана с цангой 26. Нижний торец резьбового ниппеля цанги выполняет роль кольцевого поршня 27. Поршень в совокупности с золотниковым устройством образуют поршневой гидравлический механизм перевода долота из транспортного положения в рабочее.

С помощью отверстия 15 в башмаке 13 осью 28 присоединена лапа 29 с шарошкой 30, образующая верхнюю секцию шарошечного комплекта 1. Фиксация оси осуществлена штырем 31 и пружиной 32 (фиг. 7).

Посредством отверстия 20 в обоймах 18 и 19 осью 33 присоединены лапа 34 с шарошкой 35, образующая нижнюю секцию шарошечного комплекса, и лапа 36 с шарошкой 37, образующая среднюю секцию шарошечного комплекта (в трехшарошечном вставном долоте). Запирание оси осуществлено шайбой 38, штырем 39 и пружиной 40 (фиг. 10, 11).

В нижней части шпинделя выполнены шлицы 41, по которым могут передвигаться шлицы 24 гильзы 21.

В канале 12 шпинделя жестко установлен штуцер 42 и уплотнительная втулка 43 с возможностью передвижения.

В верхней части обоймы 18 выполнена внутренняя расточка 44 с канавкой 45 прямоугольной формы, а нижняя часть гильзы 21 имеет наружную проточку 46 с канавкой 47 прямоугольной формы и окном 48. Обойма 18 связана с гильзой 21 посредством посадки по поверхностям 44 и 46 и введения в канавки 45 и 47 через окно 48 секторов 49 кольцевой прямоугольной формы.

Окно запирается вкладышем 50 и наружной поверхностью шпинделя 8 (фиг. 9).

В трехшарошечном вставном долоте (фиг. 5 и 6) в расточку большой обоймы 18 своей кольцевой частью 51 вложена малая обойма 19.

Цилиндрическая расточка 44 имеет внутренний торец 52. В обоймах 18 и 19 выполнены фигурные вырезы 53.

В нижней части башмака 13 выполнен выступ с проушинами 54. В диаметральной плоскости башмака трехшарошечного вставного долота расположен подпружиненный фиксатор 55 для взаимодействия с большой обоймой 18 и малой 19. Герметизация подпоршневой полости цанги 26 осуществлена уплотнением 56.

Верхняя лапа 29 имеет жестко связанный с ней и расположенный по центру промывочный патрубок 57, наружная поверхность которого выполнена в виде многогранника (например, шестигранника). Верхний торец 58 патрубка уплотняется торцем уплотнительной втулки 43. Верхняя часть лапы представлена секториальной частью конуса 59. (У двухшарошечного комплекта 1/2 конуса, у трехшарошечного комплекта 1/3 конуса). Над конусной частью расположен хвостовик 60 лапы с отверстием 61, через которое с помощью оси 28 лапа соединена с башмаком 13. Ниже конусной части в лапе выполнена выборка 62 под проушины 54 башмака. К боковой поверхности лапы приварена накладка 63 для взаимодействия с фигурным вырезом 53 обоймы 18.

Нижняя лапа 34 (средняя лапа 36) имеет центральный продольный паз 64 соответственной формы для взаимодействия с промывочным патрубком 57 верхней лапы 29, наружная поверхность которого выполнена в виде многогранника. В средней части лапы расположена проушина 65 с отверстием 66 для соединения посредством оси 33 с обоймой 18 (19). К боковой поверхности средней лапы 36 приварена накладка 67. Верхняя часть лапы имеет секториальную часть конуса 68 (фиг. 4).

Вставное шарошечное долото работает следующим образом.

В транспортном положении (фиг. 1, 4, 6) спуск вставного шарошечного долота осуществляется внутри колонны труб 5 (фиг. 1) посредством сбрасывания вставного инструмента. Для ускорения процесса спуска может применяться прокачивание буровой жидкости. После посадки вставного инструмента в седло 6 (фиг. 1, 4, 6) промывочная жидкость проходит по каналу 11 шпинделя 8 и действует на кольцевой поршень 27 цанги 26, перемещая связанные с ней гильзу 21 и обойму 18 вверх.

В трехшарошечном вставном долоте (фиг. б) в это время малая обойма 19 стоит на месте, связанная с башмаком 13 подпружиненным фиксатором 55. При движении вверх обойма 18 своим скосом 53 воздействует на накладки 63 верхней лапы 29 и отводит ее в рабочее положение.

Одновременно лапа 34 откидывается от упора шарошки 30 в плоскость разъема и заходит в конусное гнездо 14 башмака 13, и обе лапы устанавливаются в рабочем положении (для двухшарошечного долота, фиг. 3).

В трехшарошечном долоте (фиг. б) при движении вверх большая обойма 18 своим скосом 53 воздействует на накладку 63 лапы 29 и отводит ее в рабочее положение. Одновременно другим своим скосом большая обойма 18 отводит и среднюю лапу 36 в рабочее положение. При дальнейшем перемещении большой обоймы ее торец 52 входит в соприкосновении с торцем малой обоймы 19, что сопровождается утопанием фиксатора 55 и освобождением малой обоймы 19.

Далее большая 18 и малая 19 обоймы двигаются вместе, надвигая среднюю 36 и нижнюю 34 лапы на верхнюю 29.

В конце хода и занятия шарошечным комплектом рабочего положения открывается золотниковое устройство, образованное поверхностями 10 и 23, и промывочная жидкость проходит через канал 11 в канал 12, башмак 13 и через промывочный патрубок 57 шарошечного комплекта выходит на забой и далее в затрубное пространство. Вместе с открытием протока жидкости запускается забойный двигатель 3 и вставное шарошечное долото начинает вращаться. Штуцер 42, расположенный в канале 12 шпинделя ниже золотникового устройства, создает дополнительное активное гидравлическое усилие, действующее на кольцевой поршень 27 наружной подвижной системы и заставляющее лапы долота плотно расположиться в конусном гнезде 14 башмака 13, повышая монолитность сочленения разъемных лап шарошечного комплекта с механизмом разворота.

При занятии вставным шарошечным долотом рабочего положения его радиальные опоры 22 располагаются внутри втулки 7 нижней части колонны, образуя радиальный подшипник вставного долота.

Во время работы момент от сил трения в радиальных опорах долота воспринимается внутренним несущим шпинделем 8 через шлицы 24 и 41 (фиг. 8). Шарнирное соединение гильзы 21 с обоймой 18, выполненное в виде канавок прямоугольной формы 45 и 47, в которые вставлены через окно 48 гильзы сектора 49, запираемые вкладышем 50 и наружной поверхностью шпинделя 8, позволяет исключить действие моментных нагрузок от сил трения в радиальных опорах на обойму, имеющую сложную конфигурацию (фиг 9).

Осевые и моментные нагрузки бурения воспринимаются конусным гнездом 14, а также проушинами 54 башмака 13.

Действию со стороны стенки скважины окружных сил на шарошки 35, 37, стремящихся сдвинуть (перекосить) лапы 34, 36 по плоскости(ям) разъема, препятствует промывочный патрубок 57, жестко связанный с верхней лапой 29, которая смонтирована на башмаке 13 при помощи проушин 54 и хвостовика 60, которые не допускают перекоса верхней лапы от действия окружных сил бурения.

В рабочем положении лепестки цанги 26 выступают за диаметральный транспортный габарит вставного шарошечного долота.

Перевод в транспортное положение после окончания бурения осуществляется с помощью цанги, которая при движении вставного долота вверх (с помощью обратной циркуляции жидкости либо каната, захватывающим посредством овершота головку вставного инструмента) упирается во внутренний упор нижней части колонны и обеспечивает перемещение наружной подвижной системы вставного долота относительно внутренней (шпинделя) и складывание раздельных секций шарошечного комплекта для транспортировки.

После извлечения вставного долота на поверхность осуществляется замена изношенного шарошечного комплекта в транспортном положении.

В начале демонтируют лапы(у) 34, 36 обойм(ы). Для этого утапливается штырь 39, извлекается из пазов шайба 38 и выбивается палец 33 (фиг. 10, 11).

Для съема верхней лапы утапливается подпружиненный штырь 31 и выбивается ось 28 (фиг. 7).

Монтаж нового шарошечного комплекта производится в обратном порядке.

Использование предлагаемого технического решения при бурении без подъема труб забойными гидравлическими двигателями позволяет избежать аварийных ситуаций, возникающих в процессе проработки и бурения ствола скважины вставными долотами, и повысить надежность работы.

Источники информации
1. Авт. св. СССР N 113676, E 21 В 11/00, 1958.

2. Мищевич В.И., Сидоров Н.А. Справочник инженера по бурению, т.II, М.: Недра, 1973, с.192, рис. ХХ2.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту для бурения скважин, а именно к вставным долотам. Вставное шарошечное долото состоит из шарошечного комплекта и механизма разворота. Вставной инструмент, включающий в себя вставное шарошечное долото, забойный двигатель с нагрузочным устройством и головкой под овершот, транспортируется к забою и извлекается на поверхность после окончания бурения внутри колонны бурильных труб. Низ колонны оборудуется посадочным седлом и втулкой радиальной опоры вставного долота. Вставное шарошечное долото содержит внутренний шпиндель с промывочными каналами, выступом в средней части и башмаком в нижней части, с установленной на нем лапой с шарошкой, наружную кольцевую обойму, на которой шарнирно закреплена лапа с шарошкой или наружные кольцевые обоймы, на которых шарнирно закреплены лапы с шарошками. На лапе имеется жестко связанный с ней промывочный патрубок, наружная поверхность которого выполнена в виде многогранника с возможностью взаимодействия с соответственными поверхностями лапы или лап. Обойма шарнирно соединена с гильзой посредством канавок, в которых установлены сектора кольцевой формы, запираемые изнутри вкладышем, фиксируемым шпинделем. Гильза связана со шпинделем шлицами. В гильзе выполнена внутренняя проточка, образующая с выступом шпинделя золотниковое устройство. Кольцевой поршень вместе с золотниковым устройством образуют поршневой гидравлический механизм перевода долота из транспортного положения в рабочее. Ниже поршневого механизма в канале шпинделя установлен штуцер. Техническим результатом изобретения является повышение монолитности разъемных лап шарошечного комплекта вставного долота и их сочленения с башмаком механизма разворота, а также устранение воздействия моментной нагрузки на элементы обоймы механизма разворота. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Вставное шарошечное долото, содержащее внутренний шпиндель с промывочными каналами и башмаком в нижней части, с установленной на нем лапой с шарошкой, наружную кольцевую обойму, на которой шарнирно закреплена лапа с шарошкой или наружные кольцевые обоймы, на которых шарнирно закреплены лапы с шарошками, связанную с обоймой гильзу с радиальной опорой на наружной поверхности и поршневой гидравлический механизм перевода долота из транспортного положения в рабочее, отличающееся тем, что ниже поршневого механизма в канале шпинделя установлено гидравлическое сопротивление в виде штуцера, обойма шарнирно соединена с гильзой с возможностью поворота посредством секторов кольцевой формы, смонтированных в канавках обоймы и гильзы и запираемых вкладышем с фиксацией его шпинделем, а гильза связана со шпинделем шлицами с возможностью восприятия момента от трения в радиальной опоре, при этом установленная в башмаке лапа снабжена жестко связанным с ней промывочным патрубком с возможностью фиксации вертикального положения лапы обоймы или лап обойм по наружной поверхности патрубка. 2. Долото по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность промывочного патрубка выполнена в виде многогранника.