БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2002 года по МПК E21B10/18 

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

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

Недостатком данного долота является выступание запорного органа и части возвратной пружины 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 пружине сокращаться и тем самым нарушают герметичность клапана.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, содержащее корпус с присоединительной резьбой и с каналами для охлаждения опор шарошек и очистки забоя от шлама и размещенные в очистных каналах сменные обратные клапаны, включающие клапанные коробки с седлом и рабочим органом в виде шарнирно поворачивающихся подпружиненных заслонок с узлом крепления (2).

К недостаткам этого долота следует отнести значительные потери давления очистного агента в обратных клапанах, сложность конструкции клапанов и монтажа в них заслонок.

Потеря давления в клапанах, а также сложность конструкции и монтажа связаны с расположением заслонок в полости клапанных коробок, особенно с учетом малых размеров указанных элементов.

Практика показывает, что клапанные устройства без дополнительной герметизации подобно прототипу не гарантируют от проникновения шламовых масс сквозь клапан. Кроме того, необходимость поворота заслонок на большой угол (90^o) требует значительного усилия прижима возвратной пружины, приводящего к потере давления в ставе, а также увеличивает время срабатывания клапана и, следовательно, повышает вероятность попадания шлама в опоры шарошек с последующим ускоренным выходом долота из строя.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение проходки на долото и механической скорости бурения за счет повышения эффективности работы его клапанных узлов.

Достижение поставленного технического результата обеспечивается тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем корпус с присоединительной резьбой и с каналами для охлаждения опор шарошек и для очистки забоя от шлама и размещенные в продувочных каналах сменные обратные клапаны, включающие клапанные насадки с седлом и рабочим органом в виде шарнирно поворачивающейся подпружиненной заслонки с узлом крепления, согласно изобретению заслонки установлены с наружной стороны сменной насадки, выполненной со скосом, а узел крепления заслонки размещен у верхней кромки скошенного торца насадки.

Дополнительно достижению указанного технического результата способствует также и то, что возможность быстрой смены насадок в полевых условиях позволяет оптимизировать для конкретных условий давление и направление струи очищающего агента.

Уменьшение угла наклона поверхности седла относительно оси продувочного канала позволяет резко уменьшить и угол отгиба пружины, необходимый для полного исключения преграды струе продувочного агента, а, следовательно, снизит непроизводительные потери давления в ставе, уменьшит время срабатывания клапана и вероятность попадания шлама в опору при сбросе давления агента в ставе.

Этому же способствует и наличие торцевых или радиальных эластичных уплотнительных колец любого сечения, например круглого, установленных на входе в насадку, а также на скошенном торце сменных насадок или на прилегающих к ним поверхностях заслонок. Указанные эластичные кольца могут устанавливаться в проточки под эти кольца или крепиться другим способом, например приклеиванием, обеспечивая герметизацию продувочных узлов в случае падения давления воздуха (газа) в ставе и предотвращение попадания шлама в полость ниппеля долота.

При этом в зависимости от размеров выходного сечения сменной насадки угол наклона α поверхности седла к оси отверстия насадки может изменяться в пределах от 25 до 50^o с тем, чтобы обеспечить минимальный угол поворота заслонки и отгиба пружины β до практически полного исключения перегораживания струи, как показано на фиг.2.

На фиг.1 изображен общий вид долота с обратным клапаном; на фиг.2 - обратный клапан в разрезе, в увеличенном масштабе; на фиг.3 показан вид А фиг. 2; на фиг.4 - вид Б фиг.2.

Буровое долото содержит корпус с резьбовым ниппелем 2, каналами 3 для охлаждения опор шарошек 5 и 4 - для очистки забоя от шлама и обратные клапаны 6, размещенные в очистных каналах 4 (фиг.1).

Каждый обратный клапан включает клапанную насадку 7 с седлом 8 под рабочий орган в виде подпружиненной заслонки 9 с узлом крепления (фиг.2). Последний состоит из оси 10 и проушин 11 и 12. Проушины могут выполняться за одно целое с клапанной насадкой или в виде накладки с крепежными винтами, как показано на фиг.4. В качестве привода для заслонки 9 используется пружина кручения 13 или же пластинчатая пружина. Клапанная насадка 7 представляет собой втулку, внутренний канал которой формирует струю очищающего агента. В ее верхней части выполнен паз 14 под уплотнительное кольцо 15. Клапанная насадка 7 может крепиться на корпусе долота любым способом, например с помощью обводного шплинта 16 или стопорного винта 17 (фиг.2). Последний может служить и дополнительным фиксатором от проворота клапанной насадки относительно ее оси. Нижняя часть клапанной насадки 7 выполнена со скошенным торцем, оснащенным уплотнительным кольцом 18 для образующей седла 8 заслонки 9.

Угол скоса торца в зависимости от типоразмера долота может изменяться в значительных пределах. Оптимальным является значение угла 25 - 50^o. Причем, с целью смещения результирующего потока от оси долота, в разных очистных каналах 4 могут устанавливаться клапанные насадки с разным углом наклона торца. При этом узел крепления заслонки 9 всегда располагается у верхней кромки торца, что обеспечивает открытие и закрытие заслонки 9 при повороте ее на минимальный угол, что в свою очередь ведет к минимизации затрат времени на эту операцию.

Буровое долото работает следующим образом. В процессе бурения нагнетаемый поток очищающего агента под давлением подается через колонну бурильных труб в ниппель 2 долота, проходит через очистные каналы 4 и направляется на забой скважины и на охлаждение опор шарошки 5. Под действием потока очищающего агента каждая заслонка 9, преодолевая сопротивление возвратной пружины 13, поворачивается на оси 10 до вертикального положения, открывающего полностью проходное сечение очистных каналов и образуя свободный проход для очищающего агента. При этом, благодаря наклонному расположению заслонок 9, необходимое усилие для их открытия значительно (кратно) ниже, чем в прототипе, поскольку угол отгиба идентичной по усилию прижима пружины будет больше (до 90^o). Следовательно, потери давления очищающего агента в предлагаемом обратном клапане бурового долота будут значительно ниже.

После поворота заслонки 9 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, заслонка 9 под действием возвратной пружины 13 быстро садится на седло и перекрывает выходную часть очистного канала 4, занимая исходное положение. Учитывая малый угол поворота заслонки 9, необходимый для перекрытия очистного канала 4, этот процесс занимает очень небольшой промежуток времени (в несколько раз меньше, чем у известных устройств) и зашламованный очистной агент не может попасть в полость ниппеля 2 долота, а следовательно, и в опоры шарошек 5 бурового долота.

Все это позволяет повысить эффективность работы долота, а именно обеспечить рост механической скорости бурения и проходки на долото и тем самым снизить затраты на проведение буровых работ.

Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными испытаниями опытных образцов буровых долот, изготовленных с применением клапанных узлов по настоящему изобретению.

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

2. Патент США 3685601, кл. 175-318, 1972 г.

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к буровым шарошечным долотам. В буровом шарошечном долоте клапанный узел довольно прост и надежен в работе. Размещаемые в продувочных каналах долота обратные клапаны включают клапанные насадки с седлом и рабочим органом в виде шарнирно поворачивающейся подпружиненной заслонки с узлом крепления. Заслонка устанавливается с наружной стороны сменной насадки, выполняемой со скосом, а узел крепления заслонки размещен у верхней кромки скошенного нижнего торца насадки. Возможность быстрой смены насадок в полевых условиях позволяет устанавливать оптимальные для конкретных условий бурения давление и направление струи очищающего рабочего агента. Так как насадка на нижнем торце имеет скос 25-50^o, это позволяет значительно уменьшить угол отгиба пружины, что уменьшает время срабатывания клапана и, следовательно, уменьшает непроизводительные потери давления рабочего агента в системе продувки забоя. Увеличивается проходка на долото и механическая скорость бурения. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Буровое шарошечное долото, содержащее корпус с присоединительной резьбой, с каналами для охлаждения опор шарошек и для очистки забоя скважины от шлама, установленные в очистных каналах сменные обратные клапаны, включающие насадку с седлом и рабочий орган в виде шарнирно поворачивающейся подпружиненной заслонки с узлом крепления, отличающееся тем, что заслонки установлены с наружной стороны насадок, в качестве седла для рабочего органа в виде заслонки использован их нижний торец, выполненный под острым углом к оси насадки, при этом узел крепления заслонки размещен у верхней кромки скошенного торца насадки. 2. Долото по п. 1, отличающееся тем, что на периферийной части насадки установлено торцевое или радиальное уплотнительное эластичное кольцо любого сечения, например, круглого. 3. Долото по п. 1 или 2, отличающееся тем, что на скошенном торце насадки или на ответной поверхности прилегающей к нему заслонки установлено уплотнительное эластичное кольцо любого сечения, например, круглого. 4. Долото по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что углы скоса торцов насадок составляют 25-50^o.