ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2002 года по МПК E21B10/18 

Изобретение относится к бурению скважин на карьерах шарошечными долотами с очисткой забоя сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью и может быть использовано при проходке неглубоких скважин в горной промышленности.

При проходке таких скважин призабойная часть всегда содержит буровой шлам, представляющий собой абразивную пасту, которая в случае прекращения продувки заполняет центральный продувочный канал, каналы в лапах и опоры шарошек. Длительное прекращение работы приводит к тому, что шлам цементируется в каналах и опорах шарошек и дальнейшее бурение долотом становится невозможным, оно преждевременно выходит из строя.

Чтобы предотвратить зашламование продувочных каналов и опор шарошек, долота оснащают устройством для принудительной продувки, промывки и смазки опор в виде укрепленной на ниппеле втулки и расположенного внутри втулки сопла с возможностью продольного перемещения. Втулка выполняется с кольцевой камерой, образованной по внутренней поверхности, и сообщается с полостью ниппеля отверстиями, просверленными параллельно продольной оси и сообщающими кольцевую камеру с полостью ниппеля, а сопло выполняется со сплошной перегородкой в средней части и боковыми окнами под перегородкой и в два ряда над перегородкой, один из которых расположен над камерой, а другой - под камерой, причем сопло с обоих концов подпружиненно относительно втулки, расположенной с возможностью перекрытия всех окон сопла при нерабочем положении долота и с возможностью сообщения камеры с верхним рядом отверстий при нижнем положении сопла, и с нижним, расположенным над камерой, рядом отверстий при верхнем положении сопла (авт. св. СССР 1661351, кл. Е 21 В 10/18, 1988, опубл. 1991, Бюл. 25).

Однако упомянутая конструкция обладает следующими существенными недостатками:
1) кольцевая камера сообщается с полостью ниппеля несколькими осевыми отверстиями сравнительно небольшого диаметра, что вызывает повышенное аэродинамическое сопротивление и потерю давления при подаче в забой промывочно-продувочного агента;
2) сопло шарошечного долота имеет сплошную перегородку в средней части и три ряда боковых окон и промывочно-продувочный агент, прежде чем поступить в забой скважины, проходит из полости сопла над перегородкой через верхний ряд окон в кольцевую камеру втулки, затем из кольцевой камеры втулки по осевым отверстиям идет в полость ниппеля, а из полости ниппеля через нижний ряд окон - в полость сопла под перегородкой и только потом выходит в забой между шарошками.

Естественно, что неоднократные повороты потока промывочно-продувочного агента и его турбулизация при прохождении через окна и осевые отверстия вызывают большие потери давления.

Отмеченные недостатки частично устранены в шарошечном долоте (авт. св. СССР 1819319, кл. Е 21 В 10/18, 1991, опубл. 1993, Бюл. 20), которое является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению (прототип).

В этом долоте по сравнению с аналогом увеличена примерно в два раза высота (и объем) кольцевой камеры втулки; в продувочном сопле сплошная перегородка заменена подпружиненным поршнем; вместо трех рядов боковых окон в сопле оставлено только два ряда. В результате этого удалось уменьшить потери давления, увеличить устойчивость работы узла распределения потока продувки, обеспечить приоритетную продувку и смазку опор в начальный момент подачи промывочно-продувочного агента в полости подшипников шарошек.

Тем не менее конструкция долота осталась довольно сложной, а потери давления промывочно-продувочного агента значительными, особенно при увеличении подачи в забой воды и сжатого воздуха, что предусмотрено в станках нового поколения (потери давления увеличиваются пропорционально квадрату расхода продувки).

Изобретение направлено на упрощение конструкции шарошечного долота и уменьшение потерь давления промывочно-продувочного агента при продувке скважины.

Это достигается тем, что в шарошечном долоте, содержащем корпус с ниппелем, к которому прикреплены лапы с каналами для продувки, промывки опор, установленные на цапфах лап шарошки, узел принудительной продувки, промывки и смазки опор в виде укрепленной на ниппеле втулки, сообщенной с полостью ниппеля, кольцевой камеры, образованной внутренней поверхностью втулки и расположенным внутри втулки соплом, удерживаемым пружиной, опиравшейся одним концом в дно полости ниппеля, а другим концом на четырехлапчатую шайбу, соединенную с соплом, имеющим боковые окна, которые в нерабочем положении долота перекрыты втулкой, кольцевая камера втулки выполнена открытой в полость ниппеля и оснащена боковыми окнами для подачи рабочего агента, а сопло сверху закрыто крышкой.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез шарошечного долота.

Позиции на чертеже обозначают: корпус 1, каналы в лапах 2, шарошки 3, втулка 4, кольцевая камера 5, полость ниппеля 6, сопло 7, пружина 8, четырехлапчатая шайба 9, боковые окна сопла 10, боковые окна втулки 11, крышка 12, рабочий ход сопла h.

Шарошечное долото содержит корпус 1 с полым ниппелем, к которому прикреплены лапы с каналами 2 для продувки, промывки опор, установленные на цапфах лап шарошки 3, узел принудительной продувки, промывки и смазки опор в виде укрепленной на ниппеле втулки 4, сообщенной с полостью 6 ниппеля, кольцевую камеру 5, образованную внутренней поверхностью втулки 4 и расположенным внутри втулки соплом 7, удерживаемым пружиной 8, опирающейся одним концом в дно полости 6 ниппеля, а другим концом на четырехлапчатую шайбу 9, соединенную с соплом 7, имеющим боковые окна 10, которые в нерабочем положении долота перекрыты втулкой 4, кольцевая камера 5 втулки 4 выполнена открытой в полость 6 ниппеля и оснащена боковыми окнами 11 для подачи рабочего агента, а сопло 7 сверху закрыто крышкой 12.

Рабочий ход h сопла 7 ограничивается упором крышки 12 в выступающий из ниппеля торец втулки 4, а обратный ход сопла - упором четырехлапчатой шайбы 9 в закрепленный в ниппеле торец втулки 4.

Предлагаемое шарошечное долото работает следующим образом.

Долото соединяют с буровым ставом станка посредством конической замковой резьбы. Став вращает долото и прижимает его к забою. Перекатываясь по забою, шарошки зубьями раздавливают породу и углубляют скважину. Для удаления продуктов разрушения во внутреннюю полость бурового става нагнетают водомасловоздушную смесь (промывочно-продувочный агент).

Поток промывочно-продувочного агента, поступая из бурового става, давит на крышку 12 и одновременно, проходя через окна 11, полость кольцевой камеры 5, полость 6 ниппеля, через каналы 2 идет в опоры шарошек 3, производя интенсивную приоритетную продувку и смазку их. Затем по мере роста давления промывочно-продувочного агента происходит сжатие пружины 9 и сопло 7 смещается к забою скважины на величину хода h до упора крышки 12 в выступающий торец втулки 4. В это время окна 10 сопла 7 выходят в полость кольцевой камеры 5 и совмещаются с окнами 11 втулки 4. Теперь поток промывочно-продувочного агента устремляется прежде всего в центральный канал сопла 7 и далее в забой скважины на очистку забоя. Другая меньшая часть потока поступает в опоры шарошек 3 по ранее описанному пути. Это рабочий режим продувки скважины и попутной смазки опор шарошек при углубке скважины. Если по каким-либо причинам процесс проходки скважины будет прекращен и долото оставят на забое без подачи промывочно-продувочного агента, сжатая пружина 8 переместит сопло 7 до упора четырехлапчатой шайбы 9 в закрепленный в ниппеле торец втулки 4 и окна 10 сопла 7 будут надежно закрыты втулкой 4. При этом в полости 5 кольцевой камеры, в полости 6 ниппеля, в каналах 2 и в опорах шарошек 3 будет сохранено давление промывочно-продувочного агента, равное тому давлению, которое предшествовало отключению продувки, потому что все эти полости соединены с полостью труб бурового става и пневмотранспортной системой станка, находящейся под давлением.

Вследствие этого ни загрязненная жидкость, ни шлам из затрубного пространства скважины не смогут проникнуть ни в полость опор шарошек, ни внутрь бурового става. Важно отметить, что положение сопла 7, а следовательно, и перекрытие окон 10 не будет зависеть от глубины, на которой оставлено долото в скважине, ни от плотности шлама в затрубном пространстве, а будет строго определено ограничителем хода. Наоборот, чем больше будет плотность шлама в затрубном пространстве, тем надежнее будет удерживаться сопло в закрытом положении, обеспечивая надежную герметизацию уплотняемых полостей.

После возобновления проходки скважины без подъема долота на поверхность работа повторится в описанной последовательности.

Когда же скважина будет пробурена, а долото поднимут на поверхность, предлагаемая конструкция позволяет перед началом бурения новой скважины принудительно продуть (промыть и обильно смазать) опоры шарошек, не отвинчивая долото от бурового става. Для этого, пока машинист бурового станка готовится для проходки новой скважины (горизонтирует станок, осматривает механизмы), его помощник (долото в это время находится выше механизма развинчивания) зацепляет конец сопла 7, выходящий в пространство между шарошками, крюком и, удерживая его в этом положении, включает компрессорную установку. Теперь сопло 7 не может сместиться внутрь полости 6 и окна 10 будут перекрыты втулкой 4. Поэтому под действием максимального давления промывочно-продувочный агент через окна 11 во втулке 4 поступает в кольцевую камеру 5, а из нее в полость 6 ниппеля, затем в каналы 2 и в опоры шарошек 3, происходит интенсивное удаление всех инородных загрязнений, которые могли попасть в полость подшипников.

При продувке опор в смесь добавляют увеличенное количество воды. После удаления шлама и прочих загрязнений объем воды в смеси уменьшают, а в воздух добавляют повышенное содержание смазки и, продолжая продувку опор, смазывают их подшипники. Закончив смазку, приступают к бурению новой скважины с полной гарантией отсутствия в опорах абразивной породной пасты. Так производится принудительная продувка, промывка и смазка опор.

Из приведенного описания устройства и принципа работы предлагаемого шарошечного долота следует, что оно по сравнению с прототипом имеет более простую и технологичную конструкцию: меньшее число деталей - одну пружину вместо двух; отпала необходимость в поршне, размещавшемся в сопле и требовавшем высокой чистоты обработки поверхности и внутренней шлифовки канала продувочного сопла; существенно упрощена технология изготовления втулки - исключена внутренняя шлифовка центрального канала ниже кольцевой камеры, а осевые отверстия заменены расточкой с выходом камеры непосредственно в полость ниппеля. Это не только упростило технологию изготовления, но и резко уменьшило аэродинамические сопротивления при пропуске промывочно-продувочного агента, что имеет наиболее важное значение. С этой же целью в предлагаемом долоте в кольцевой камере над торцом ниппеля выполнены впускные окна 11, причем число их, а следовательно, и проходные сечения в 1,5-2 раза больше, чем площадь сечения впускных окон 11 в прототипе, а аэродинамические сопротивления, как известно, уменьшаются обратно пропорционально проходному сечению в третьей степени, т. е. уменьшения аэродинамического сопротивления впуска рабочего агента в узел принудительной продувки, промывки и смазки опор следует ожидать не менее чем в 3-8 раз.

В прототипе весь поток промывочно-продувочного агента после впуска в кольцевую камеру поступает в полость ниппеля долота, предварительно проходя через ограниченные сечения нескольких осевых отверстий 6 (указаны позиции, принятые в прототипе), и только здесь разделяется на одну струю (большая часть), идущую через внутренние окна сопла 12 в забой скважины, и на три струи, которые идут в опоры шарошек по наклонным каналам 2.

В предлагаемом долоте уже в кольцевой камере 5 происходит разделение потока на две части и большая часть его, не изменяя направления, поступает в попутном движении в окна 10 продувочного сопла 7 и далее в забой скважины, а меньшая часть, поворачиваясь на 90^o, идет в полость 6 ниппеля и здесь, формируясь в отдельные три струи, идет в каналы 2 продувки и смазки опор шарошек 3. Из описания и чертежа видно, что в предлагаемом долоте большая часть потока по кратчайшему пути с минимально возможным местным сопротивлением поступает в центральный канал продувочного сопла и далее в забой скважины.

Таким образом, трудно представить себе более простую и рациональную систему принудительной продувки, промывки и смазки опор шарошек.

Изобретение относится к буровому инструменту, в частности к шарошечному долоту, предназначенному для бурения скважин на карьерах. Шарошечное долото содержит корпус с полым ниппелем, к которому прикреплены лапы с каналами для продувки, промывки опор, установленные на цапфах лап шарошки, узел принудительной продувки, промывки и смазки опор в виде укрепленной на ниппеле втулки, сообщенной с полостью ниппеля, кольцевой камеры, образованной внутренней поверхностью втулки и расположенным внутри втулки соплом, удерживаемым пружиной, опирающейся одним концом в дно полости ниппеля, а другим концом на четырехлапчатую шайбу, соединенную с соплом, имеющим боковые окна, которые в нерабочем положении долота перекрыты втулкой. Кольцевая камера втулки выполнена открытой в полость ниппеля и оснащена боковыми окнами для подачи рабочего агента, а сопло сверху закрыто крышкой. Упрощается конструкция шарошечного долота и повышается надежность его работы. 1 ил.

Шарошечное долото, содержащее корпус с полым ниппелем, к которому прикреплены лапы с каналами для продувки, промывки опор, установленные на цапфах лап шарошки, узел принудительной продувки, промывки и смазки опор в виде укрепленной на ниппеле втулки, сообщенной с полостью ниппеля, кольцевой камеры, образованной внутренней поверхностью втулки и расположенным внутри втулки соплом, удерживаемым пружиной, опирающейся одним концом в дно полости ниппеля, а другим концом - на четырехлапчатую шайбу, соединенную с соплом, имеющим боковые окна, которые в нерабочем положении долота перекрыты втулкой, отличающееся тем, что кольцевая камера втулки выполнена открытой в полость ниппеля и оснащена боковыми окнами для подачи рабочего агента, а сопло сверху закрыто крышкой.