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 мелко раздробленной 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 продувочный агент в забой скважины и в каналы опор шарошек, очищая их, а в случае прекращения работы обратный клапан перекрывает центральный канал, предотвращая поступление шлама внутрь.

Распространенные конструкции шарошечных долот оснащаются обратными клапанами тарельчатого типа (Авт. св. СССР 168211, МКИ Е 21 В 23/20, опубл. БИ 4, 1965) и шарового типа (Авт. св. СССР 244981, МКИ Е 21 В 9/10, опубл. БИ 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 клапан, поток продувочно-промывочного агента обтекает тарелку клапана или шар в наиболее узком поперечном сечении и встречает значительные местные и лобовые сопротивления.

Отмеченный недостаток частично устранен в шарошечном долоте (Патент SU 1806256 A3, кл. Е 21 В 10/18, 30.03.1993), которое является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению.

Упомянутая конструкция (прототип) представляет собой шарошечное долото, содержащее клапан, встроенный в виде полого цилиндра с крышкой, соединенный с ниппелем долота, имеющий сквозные радиальные отверстия, расположенные в три яруса, снабженный сплошной перегородкой, разделяющей его полость на две части, в одной из которых расположен подпружиненный в продольном направлении золотник со сквозными радиальными отверстиями, установленный так, что в нерабочем положении долота его радиальные отверстия перекрыты внутренней поверхностью клапана, а в рабочем положении они совмещаются со средними отверстиями клапана, сообщенными с кольцевой полостью ниппеля долота.

В этом шарошечном долоте по сравнению с предыдущими аналогами увеличены проходные сечения каналов, но прежде чем поступить в забой скважины, поток продувки должен неоднократно изменить свое направление, преодолевая местные сопротивления, что в конечном итоге вызывает повышенное общее аэродинамическое сопротивление клапана.

Изобретение направлено на упрощение конструкции долота со встроенным клапаном и уменьшение потерь давления продувочно-промывочного агента при очистке скважины.

Это достигается тем, что в шарошечном долоте, предназначенном для бурения скважин с продувкой забоя воздухом или воздушно-водяной смесью, содержащем встроенный в полость ниппеля обратный клапан, включающий цилиндрический корпус, соединенный с центральным продувочным насадком долота так, что впускные окна клапана располагаются выше торца ниппеля, распределитель потока с числом впускных окон, совпадающих с окнами корпуса в рабочем положении долота за счет наличия фиксатора распределителя потока от углового смещения относительно корпуса и ограничения осевого перемещения, крышку, закрывающую распределитель потока, и пружину, распределитель потока выполняется в виде ступенчатого цилиндра, меньшая ступень которого охватывает корпус, а пружина надета на корпус и одним концом опирается на шайбу, расположенную в месте соединения корпуса с продувочным насадком, а другим - на торец распределителя потока, крайнее положение которого ограничивается стопорной гайкой, соединенной со свободным концом корпуса, при этом фиксатор распределителя потока выполнен в виде направляющих штифтов.

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; 3 - продувочный насадок; 4 - впускные окна; 5 - торец ниппеля; 6 - распределитель потока; 7 - впускные окна распределителя потока; 8 - направляющие штифты; 9 - крышка; 10 - пружина; 11 - стопорная гайка; - 12 шайба; 13 - каналы продувки опор.

Предлагаемое шарошечное долото работает следующим образом.

Для проходки скважины ниппель долота соединяют со ставом буровых труб и во внутреннюю полость става нагнетают продувочно-промывочный агент (водомасловоздушную смесь), который поступает в полость 1 ниппеля долота, по продувочным каналам 13 в лапах идет в полости опор шарошек (шарошки на чертеже не показаны), продувает и охлаждает подшипники. Одновременно продувочно-промывочный агент давит на крышку 9 распределителя потока 6 и, смещая его, сжимает пружину 10 до тех пор, пока крышка 9 не упрется в свободный конец корпуса 2. В этот момент впускные окна распределителя потока 6 и окна 4 корпуса 2 будут полностью совмещены, т. к. штифты 8 препятствуют провороту распределителя 6 относительно корпуса 2, а осевое перемещение ограничено упором крышки 9 в свободный торец корпуса 2.

Теперь продувочно-промывочный агент будет беспрепятственно поступать не только в опоры шарошек, но и в центральный канал корпуса 2, а по нему к продувочному насадку 3 и в забой скважины между шарошками на вынос продуктов разрушения. Важно отметить, что, пройдя впускные окна устройства, продувочно-промывочный агент не встречает на пути к забою никаких аэродинамических сопротивлений, кроме сопротивлений трения, а они пренебрежимо малы. Это рабочий режим продувки скважины и попутной смазки опор шарошек.

Если по каким-либо причинам процесс проходки скважины и подача продувочно-промывочного агента будут прекращены, а долото будет оставлено на забое, сжатая пружина 10 переместит распределитель 6 в крайнее положение, т. е. до тех пор, пока торец меньшей ступени распределителя потока 6 не упрется в шайбу 12. В этом положении впускные окна 7 будут полностью перекрыты цилиндрической поверхностью корпуса 2, забой скважины и затрубное пространство скважины будут надежно изолированы от поступления в полость 1 ниппеля, в полость бурового става и в продувочные каналы 13 опор шарошек бурового шлама и загрязненной жидкости, т.к. в отмеченных полостях будет сохранено давление продувочно-промывочного агента, равное тому давлению, которое предшествовало моменту отключения продувки.

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

Из приведенного описания устройства и принципа работы предлагаемого шарошечного долота следует, что оно в период прекращения продувки и оставления долота в скважине надежно защищает опоры шарошек от проникновения в их полости загрязненной жидкости и шлама за счет того, что центральный канал продувочного насадка и канал корпуса 2 герметично перекрываются только одной парой деталей (корпус 2 - распределитель потока 6), причем надежность герметичности изолируемых полостей может быть гарантирована установкой стандартных манжетных или кольцевых уплотнений в двух местах на корпусе 2: одно у впускных окон 4; второе - у стопорной гайки 11.

Следует особо отметить, что предлагаемое шарошечное долото имеет простую конструкцию, низкую материалоемкость и трудоемкость изготовления, высокую эксплуатационную надежность.

Используется при бурении скважин в горной промышленности с продувкой забоя сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью. Шарошечное долото содержит обратный клапан, который встроен в полость ниппеля и включает цилиндрический корпус, соединенный с центральным продувочным насадком долота так, что впускные окна цилиндрического корпуса расположены выше торца ниппеля, распределитель потока с числом впускных окон, совпадающих с окнами корпуса в рабочем положении долота за счет наличия фиксатора распределителя потока от углового смещения относительно корпуса и ограничения осевого перемещения, крышку, закрывающую распределитель потока, и пружину. Распределитель потока выполнен в виде ступенчатого цилиндра, меньшая ступень которого охватывает корпус, а пружина надета на корпус и одним концом опирается на шайбу, расположенную в месте соединения корпуса с продувочным насадком, а другим - на торец распределителя потока, крайнее положение которого ограничивается стопорной гайкой, соединенной со свободным концом корпуса. Фиксатор распределителя потока выполнен в виде направляющих штифтов. Упрощается конструкция и повышается надежность работы шарошечного долота. 1 ил.

Шарошечное долото, содержащее обратный клапан, который встроен в полость ниппеля и включает цилиндрический корпус, соединенный с центральным продувочным насадком долота так, что впускные окна цилиндрического корпуса расположены выше торца ниппеля, распределитель потока с соответствующим числом впускных окон, совпадающих с окнами корпуса в рабочем положении долота за счет наличия фиксатора распределителя потока от углового смещения относительно корпуса и ограничения осевого перемещения, крышку, закрывающую распределитель потока, и пружину, отличающееся тем, что распределитель потока выполнен в виде ступенчатого цилиндра, меньшая ступень которого охватывает корпус, а пружина надета на корпус и одним концом опирается на шайбу, расположенную в месте соединения корпуса с продувочным насадком, а другим - на торец распределителя потока, крайнее положение которого ограничивается стопорной гайкой, соединенной со свободным концом корпуса, при этом фиксатор распределителя потока выполнен в виде направляющих штифтов.