ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2002 года по МПК E21B10/18 

Изобретение относится к шарошечным долотам, используемым в качестве породоразрушающего инструмента при бурении скважин с продувкой забоя сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью в горной промышленности.

При проходке таких скважин призабойная часть и затрубное пространство содержат буровой шлам в виде мелкораздробленной породы и жидкости, который во время прекращения работы и оставления долота в скважине проникает во внутреннюю полость буровых труб и в опоры шарошек, вызывая заклинивание подшипников и интенсивный износ тел качения.

Чтобы предотвратить зашламование опор и внутренней полости бурового става, в шарошечные долота встраивают обратные клапаны, которые соединяются с центральным продувочным насадком долота. В процессе бурения обратный клапан пропускает продувочно-промывочный агент в забой скважины и в каналы опор шарошек, очищая их, а в случае прекращения продувки обратный клапан перекрывает центральный канал, предотвращая поступления шлама внутрь.

Распространенные конструкции шарошечных долот оснащаются обратными клапанами тарельчатого типа (Авт. св. СССР 168211, МКИ Е 21 В 23/20, опубл. Б.И. 4, 1965) и шарового типа (Авт. св. СССР 244981, МКИ Е 21 В 9/10, опубл. Б.И. 19, 1968).

Однако данные конструкции обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением, что вызывает рост давления в пневмотранспортной системе станка.

Повышенное аэродинамическое сопротивление обратного клапана возникает в связи с тем, что, проходя через обратный клапан, поток продувочно-промывочного агента обтекает тарелку или шар в наиболее узком поперечном сечении и встречает значительные местные и лобовые сопротивления.

Отмеченный недостаток частично устранен в шарошечном долоте (Авт. св. СССР 250065, МКИ Е 21 В 9/08, опубл. Б.И. 26, 1968), которое является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению.

Упомянутая конструкция (прототип) представляет собой шарошечное долото, содержащее встроенный в ниппель обратный клапан, включающий цилиндрический корпус с боковыми отверстиями, соединенный с продувочным каналом долота, крышку с осевым отверстием, пустотелый поршень, установленный в корпусе и посредством пружины прижатый к крышке, в поршне выполнены радиальные отверстия, которые совпадают с соответствующими боковыми отверстиями при подаче в долото сжатого воздуха.

Недостатком данного шарошечного долота является то, что общее аэродинамическое сопротивление обратного клапана все еще остается значительным вследствие того, что поток продувочно-промывочного агента, прежде, чем поступить в забой скважины, должен пройти через боковые отверстия в корпусе обратного клапана и радиальные отверстия в поршне, преодолеть лобовые сопротивления сближенных витков пружины, затеняющих сечения отверстий впуска.

Изобретение направлено на уменьшение потерь давления продувочно-промывочного агента при очистке скважины.

Это достигается тем, что в шарошечном долоте для бурения скважин с продувкой забоя воздухом или воздушно-водяной смесью, содержащем встроенный в полость ниппеля обратный клапан, включающий цилиндрический корпус, имеющий впускные окна и соединенный с центральным продувочным насадком, крышку с осевым отверстием, распределитель потока продувочно-промывочного агента, расположенный внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и посредством пружины прижатый к крышке, выполнен составным, одна часть которого имеет форму цилиндрического опрокинутого стакана, а другая часть - трубчатую форму, причем обе части соединены между собой центральным стержнем и расположены одна от другой на расстоянии, равном сумме высоты впускного окна и пояска перекрытия его трубчатой частью в нерабочем положении обратного клапана.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез шарошечного долота со встроенным обратным клапаном.

Позиции на чертеже обозначают:
1 - полость ниппеля шарошечного долота; 2 - корпус обратного клапана; 3 - впускные окна; 4 - центральный продувочный насадок; 5 - крышка; 6 - осевое отверстие в крышке; 7 - пружина; 8 - стакан распределителя потока продувочно-промывочного агента; 9 - трубчатая часть распределителя потока; 10 - центральный стержень; 11 - продувочные каналы опор шарошек; 12 - часть бурового става.

Шарошечное долото для бурения скважин с продувкой забоя воздухом или воздушно-водяной смесью со встроенным в полость 1 ниппеля обратным клапаном содержит цилиндрический корпус 2, имеющий впускные окна 3 и соединенный с центральным продувочным насадком 4, крышку 5 с осевым отверстием 6, распределитель продувочно-промывочного агента, расположенный внутри корпуса 2 и посредством пружины 7 прижатый к крышке 5, выполненный составным, одна часть которого имеет форму цилиндрического опрокинутого стакана 8, а другая часть 9 - трубчатую форму. Обе части соединены между собой центральным стержнем 10 и расположены одна от другой на расстоянии, равном сумме высоты впускного окна 3 корпуса 2 и пояска перекрытия его трубчатой частью 9.

Предлагаемое шарошечное долото работает следующим образом.

Для проходки скважины в буровой став 12 нагнетают продувочно-промывочный агент, который поступает в полость 1 ниппеля долота, оттуда по продувочным каналам 11 в лапах идет в полости опор шарошек (шарошки на чертеже не показаны), продувает и охлаждает, смазывает подшипники. Одновременно продувочно-промывочный агент, проходя через осевое отверстие 6 в крышке 5, давит на стакан 8 распределителя потока и смещает его вниз вместе с трубчатой частью 9, сжимая пружину 7 до тех пор, пока трубчатая часть 9 полностью не откроет впускные окна 3. При этом продувочно-промывочный агент поступит во внутреннюю полость корпуса 2, далее - в забой через продувочный насадок 4 на вынос продуктов бурения.

Важно отметить, что, пройдя впускные окна 3, продувочно-промывочный агент поступает в забой скважины по каналам, сечения которых на всем пути не меньше, чем сечение центрального продувочного насадка 4, что обеспечивает наименьшие аэродинамические сопротивления клапана и минимальные потери давления при продувке в рабочем режиме.

Если по каким-либо причинам процесс проходки скважины и подача продувочно-промывочного агента будут прекращены, а долото будет оставлено на забое, сжатая пружина 7 переместит распределитель потока до упора стакана 8 в крышку 5. При этом трубчатая часть 9 распределителя потока надежно перекроет впускные окна 3, уплотняя их по всей цилиндрической поверхности, которая нигде не нарушается разрывами сплошности, как это имеет место во всех известных конструкциях клапанов, которые имеют окна не только в корпусе, но и в распределителях потока продувочно-промывочного агента.

Надежная герметизация впускных окон 3 предотвратит поступление в полость 1 ниппеля долота и в опоры шарошек бурового шлама и загрязненной жидкости, так как в указанных полостях будет сохранено давление продувочно-промывочного агента, равное тому давлению, которое предшествовало моменту отключения продувки.

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

Как следует из описания и чертежа, предлагаемая конструкция долота со встроенным обратным клапаном по сравнению с известными шарошечными долотами и прототипом обладает следующими преимуществами:
1) имеет наибольшую площадь поперечного сечения впускных окон при наименьшей толщине стенок, так как ранее окна выполнялись в корпусе клапана и в распределителе потока, а в предлагаемом шарошечном долоте окна выполняются только в корпусе обратного клапана, а в распределителе потока функцию впускных окон выполняет промежуток между частями распределителя, соединенными между собой центральным стержнем, который затеняет осевой канал не более чем на 10% от его сечения. Это обеспечивает наименьшие аэродинамические сопротивления при проходе через обратный клапан продувочно-промывочного агента и минимальные потери давления;
2) в нерабочем положении обратного клапана при отключении продувки трубчатая часть распределителя потока продувочно-промывочного агента надежно изолирует полость ниппеля шарошечного долота и полость бурового става от забоя скважины и затрубного пространства за счет того, что впускные окна корпуса обратного клапана перекрываются сплошной боковой поверхностью трубчатой части, которая нигде не нарушается разрывами сплошности в виде отверстий или окон. Это исключает уменьшение давления в полости ниппеля шарошечного долота и внутри бурового става и проникновение в них загрязненной жидкости и шлама из скважины;
3) конструкция скомпонована из минимально возможного числа простых и технологичных в изготовлении деталей, она компактна и обладает минимальной материалоемкостью.

Шарошечное долото предназначено для бурения скважин в горной промышленности с продувкой забоя сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью. Шарошечное долото содержит встроенный обратный клапан, цилиндрический корпус которого имеет впускные окна, соединен с продувочным насадком долота, сверху закрыт крышкой с осевым отверстием. Внутри корпуса расположен распределитель потока продувочно-промывочного агента, прижатый пружиной к крышке и выполненный в виде двух частей, одна из которых - верхняя - представляет собой форму цилиндрического опрокинутого стакана, другая - нижняя - трубчатую форму. Части соединены между собой центральным стержнем и расположены одна от другой на расстоянии, равном сумме впускного окна и пояса перекрытия его трубчатой частью в нерабочем положении клапана. Уменьшаются потери давления промывочно-продувочного агента при очистке скважины. Повышается надежность работы. 1 ил.

Шарошечное долото, содержащее встроенный в полость ниппеля обратный клапан, включающий цилиндрический корпус, имеющий впускные окна и соединенный с центральным продувочным насадком, крышку с осевым отверстием, распределитель потока продувочно-промывочного агента, расположенный внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и посредством пружины прижатый к крышке, отличающееся тем, что распределитель потока продувочно-промывочного агента выполнен составным, одна часть которого имеет форму цилиндрического опрокинутого стакана, а другая часть - трубчатую форму, причем обе части соединены между собой центральным стержнем и расположены одна от другой на расстоянии, равном сумме высоты впускного окна и пояска перекрытия его трубчатой частью в нерабочем положении обратного клапана.