ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2003 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.

Бурение скважин производят шарошечными долотами с центральной продувкой и со встроенными в полость ниппеля обратными клапанами при непрерывной подаче в забой продувочного агента, скорость истечения которого из насадка составляет 150-200 м/с. При этом разрушенная порода, представленная в основном крупными частицами, из центральной части мгновенно отбрасывается в зону сопряжения забоя со стенками скважины и здесь скапливается, уплотняется и повторно разрушается шарошками, так как выйти в затрубное пространство крупные частицы не могут из-за того, что навстречу им идет мощный поток продувки из центрального сопла, который вызывает эжектирующее действие и вовлекает в циркуляционные вихри от 25 до 50% поступающего в забой воздуха. Этому явлению во многом способствует наличие проемов между шарошками, где циркуляционные вихри получают наибольшее развитие. При вращении долота они перекрывают призабойную зону плотной воздушной завесой, поэтому давление в забое скважины увеличивается на 1,1-1,15 избыточной атмосферы.

Известно шарошечное долото (авт.св. СССР 283117, МКИ Е 21 В 9/10, опубл. БИ 31, 1970), в котором проемы между шарошками закрыты щитками, приваренными к корпусу долота, а продувочный агент специальными трубками, идущими от центрального продувочного насадка, подводится как можно ближе к забою в зону сопряжения его со стенками скважины.

Недостатком этого изобретения является то, что при закрытых проемах между шарошками существенно затрудняется поворот струйных потоков из периферийной части забоя к устью скважины.

Отмеченный недостаток частично устранен в долоте (заявка Франции 2352943, МКИ Е 21 В 9/35, опубл. 27.01.78 г.), у которого кроме продувочного насадка, направленного в забой скважины, имеется насадок, расположенный вблизи упорного торца долота и направленный к устью скважины.

Это изобретение запатентовано в США (патенты 4239087, МКИ Е 21 В 10/18 и 4222447, МКИ Е 21 В 9/08, опубл. в официальной газете 1980 г., 1998, 3), а также в Великобритании (патент 4240513, МКИ Е 21 В 9/08, опубл. в официальной газете 23.012, 1984 г.)
Недостатком указанных конструкций является то, что по крайней мере от 30 до 50% промывочного агента расходуется на эжектирование продувки в затрубное пространство.

Указанный недостаток устранен в шарошечном долоте со встроенным в полость ниппеля обратным клапаном (UA 36580, заявка Украины, 2000010080 от 05.01.2000, МПК 7 Е 21 В 10/08). В нем эжектирующее действие создается непосредственно в обратном клапане при входе потока в переходник и продувочный насадок долота без уменьшения количества воздуха, поступающего в забой.

В результате этого уменьшается аэродинамическое сопротивление клапана и поток воздуха под большим давлением выходит в забой скважины с увеличенной подъемной силой.

Указанное шарошечное долото со встроенным в полость ниппеля обратным клапаном является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению и поэтому принято нами в качестве прототипа.

Оно содержит обратный клапан, установленный в полости ниппеля и включающий полый корпус, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с впускными окнами, расположенными в зоне сопряжения ступеней, пустотелый поршень и пружину, размещенные в полости большей ступени, и крышку, закрывающую корпус сверху, меньшая ступень корпуса переходником соединена с продувочным насадком так, что большая ступень находится выше верхнего торца ниппеля, с внутренней стороны в полости большей ступени выше основания впускных окон образован кольцевой буртик, к которому пружиной прижат поршень закрытым торцом, имеющим в центре сквозное отверстие с резьбой, в него ввернута дистанционная трубка, сообщающая полость большей ступени с полостью переходника.

Недостатком прототипа является то, что при продувке скважины клапан остается все время открытым и, поскольку поток продувки подается в центр забоя, удаление разрушенной породы из периферийной части забоя скважины затруднено из-за повышенного давления в призабойной зоне долота и перекрытия ее вращающимися циркуляционными вихрями, выходящими из проемов в корпусе долота.

Изобретение направлено на усовершенствование конструкции шарошечного долота со встроенным в полость ниппеля обратным клапаном и повышение эффективности очистки забоя.

Это достигается тем, что в шарошечном долоте со встроенным в полость ниппеля обратным клапаном, включающим полый корпус, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с впускными окнами, расположенными в зоне сопряжения ступеней, пустотелый поршень и пружину, размещенные в полости большей ступени, и крышку, закрывающую корпус сверху, меньшая ступень корпуса переходником соединена с продувочным насадком так, что большая ступень находится выше верхнего торца ниппеля, а в полости ее выше основания впускных окон образован кольцевой буртик, к которому пружиной прижат поршень закрытым торцом, имеющим в центре отверстие с резьбой, в которое ввернута дистанционная трубка, входящая верхним концом в полость поршня, а нижним - в полость переходника, в центре крышки корпуса выполнено отверстие, в нем установлен с возможностью осевого перемещения толкатель с продольной прорезью так, чтобы при закрытом клапане между головкой толкателя и торцом дистанционной трубки был разрыв, причем величина разрыва, длина толкателя и высота продольной прорези выбраны так, что в верхнем положении поршня продольная прорезь выходит из крышки, а нижняя часть ее остается открытой в полость клапана.

Сущность изобретения поясняет чертежом, на котором показан вертикальный разрез шарошечного долота со встроенным в полость ниппеля обратным клапаном.

Позиции на чертеже обозначают: полость ниппеля 1; корпус клапана 2; впускные окна 3; поршень 4; пружина 5; полость большей ступени 6; крышка 7; меньшая ступень 8; переходник 9; продувочный насадок 10; верхний торец ниппеля 11; кольцевой буртик 12; резьбовое отверстие 13; дистанционная трубка 14; отверстие 15; толкатель 16; продольная прорезь 17; шайба 18; штифт 19.

Шарошечное долото для бурения скважин с продувкой воздухом или воздушно-водяной смесью со встроенным в полость ниппеля 1 обратным клапаном содержит полый корпус 2, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с впускными окнами 3, расположенными в зоне сопряжения ступеней, пустотелый поршень 4 и пружину 5, размещенные в полости большей ступени 6, и крышку 7, закрывающую корпус 2 сверху, меньшая ступень 8 корпуса переходником 9 соединена с продувочным насадком 10 так, что большая ступень находится выше верхнего торца 11 ниппеля, а в полости 6 выше основания впускных окон 3 образован кольцевой буртик 12, к которому пружиной 5 прижат поршень 4 закрытым торцом, имеющим в центре отверстие 13 с резьбой, в которое ввернута дистанционная трубка 14, входящая верхним концом в полость поршня 4, а нижним - в полость переходника 9, в центре крышки 7 корпуса выполнено сквозное отверстие 15, в нем установлен с возможностью осевого перемещения толкатель 16 с продольной прорезью 17 так, чтобы при закрытом клапане между головкой толкателя 16 и торцом дистанционной трубки 14 был разрыв, причем величина разрыва, длина толкателя 16 и высота продольной прорези 17 выбраны так, что в верхнем положении поршня 4 продольная прорезь 17 выходит из крышки 7, а нижняя часть ее остается открытой в полость клапана 6. В нерабочем положении, как видно из чертежа, впускные окна 3 перекрыты наружной поверхностью поршня 4, а полость меньшей ступени 8 перекрыта торцом поршня 4.

Предлагаемое долото работает следующим образом. Перед началом бурения во внутреннюю полость бурового става нагнетают продувочный агент, который, поступая во впускные окна 3, воздействует на периферийную торцевую часть поршня 4, неперекрытую кольцевым буртиком 12, и, так как давление его в полости бурового става больше, чем в забое буримой скважины и в полости 6, неуравновешенная аэростатическая сила поднимает поршень 4, сжимая пружину 5. При этом сразу открывается все сечение полости меньшей ступени 8 и продувочный агент при минимальном аэродинамическом сопротивлении устремляется в забой скважины через внутренние полости переходника 9 и продувочного насадка 10, подхватывает буровую мелочь и эффективно выносит ее в затрубное пространство, так как в забое в начальный момент поступления продувки давление минимальное, но по мере заполнения призабойной зоны воздухом давление возрастает как за счет накопления продуктов разрушения, так и за счет образования круговых зон циркуляции в области проемов долота между шарошками. Вынос буровой мелочи уменьшается. Однако к этому моменту торец дистанционной трубки 14 соприкоснется с торцом толкателя 16 и они вместе будут идти вверх пока продольная прорезь 17 не выйдет из крышки 7 в полость бурового става и не соединит ее с полостью клапана 6.

В результате этого давление в полости 6 будет таким же, как в полости бурового става, и сжатая пружина 5 переместит поршень 4 вниз, он перекроет полость меньшей ступени 8, прекращая поступление продувочного агента в забой скважины, но движение воздуха из забоя к устью скважины не прекратится, так как сжатый в забое поток продувочного агента будет расширяться по направлению к устью скважины в сторону минимального давления. При этом будет проявляться эффект пылесоса, буровая мелочь будет подниматься с забоя и эффективно устремляться к устью скважины.

Аэрации продуктов разрушения будет способствовать также тот факт, что выходу частиц с забоя скважины в затрубное пространство не будет препятствовать мощный встречный поток продувки из насадка 10, так как поступление воздуха в забой в этот период будет прекращено. Не будет и образования круговых циркуляционных вихрей, так как не будет эжектирования продувки потоком, выходящим из насадка 10.

Давление в полости бурового става в это время будет повышаться до тех пор, пока неуравновешенная сила аэростатического давления, действующая на поршень 4 снизу, не преодолеет сопротивления пружины 5 и не переместит поршень 4 вверх. Теперь воздушный поток при повышенном давлении и с увеличенной плотностью со значительно большей скоростью, чем та, при которой происходило закрытие клапана, через выпускные окна 3, внутреннюю полость меньшей ступени 8, полость переходника 9 и продувочного насадка 10 устремится в забой скважины, где давление также будет меньше давления в момент закрытия клапана. В итоге подъемная сила потока F возрастет пропорционально произведению плотности потока ρ на квадрат скорости V. Мощный импульс продувки эффективно очистит весь забой скважины от частиц разрушенной породы, что исключит повторное дробление ее шарошками и существенно уменьшит интенсивность пылевыделения. Когда продольная прорезь 17 толкателя 16 при ходе поршня 4 вверх снова выйдет в полость бурового става, пружина 5 опять переместит поршень 4 вниз и он снова закроет проход продувки в забой скважины, цикл работы клапана повторится.

Таким образом, как следует из описания работы долота и чертежа, предлагаемое шарошечное долото со встроенным клапаном обеспечивает импульсную очистку забоя скважины, которая по сравнению с непрерывной продувкой имеет отмеченные ранее преимущества и, кроме того, создает более благоприятные условия работы опор шарошек, так как в периоды прекращения подачи воздуха в забой скважины через центральный насадок 10 в ниппеле 1 повышается давление и воздух интенсивнее и в большем количестве поступает в полости опор шарошек через продувочные каналы в лапах и эффективно охлаждает их, удаляет из полостей подшипников попавшие в них частицы породы и грязь.

Выполненные нами расчеты применительно к условиям бурения взрывных скважин диам. 250 мм шарошечным станком СБШ-250 при использовании предлагаемого шарошечного долота по сравнению с бурением при непрерывной подаче воздуха в забой позволяют на 40% увеличить скорость истечения воздуха из продувочного насадка при прочих равных условиях и в два раза увеличить подъемную силу потока.

Предварительные испытания опытного образца шарошечного долота с импульсной подачей в забой продувочного агента полностью подтвердили высокую эффективность очистки забоя и увеличение износостойкости опор долота, уменьшение пылевыделения при бурении.

Изобретение используется при бурении скважин с продувкой забоя воздухом или воздушно-водяной смесью в горной промышленности. Долото содержит встроенный в полость ниппеля обратный клапан, включающий полый корпус, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с впускными окнами, расположенными в зоне сопряжения ступеней, пустотелый поршень с дистанционной трубкой, закрепленной в его торце так, что один конец ее входит в полость поршня, а второй - в полость переходника, соединяющего меньшую ступень корпуса с продувочным насадком, пружину, расположенную в полости поршня, крышку, закрывающую корпус сверху. В центре крышки выполнено отверстие, в нем установлен с возможностью осевого перемещения толкатель с продольной прорезью так, чтобы при закрытом клапане между головкой толкателя и торцом дистанционной трубки был разрыв. Величина разрыва, длина толкателя и высота продольной прорези выбраны так, что в верхнем положении поршня продольная прорезь выходит из крышки, а нижняя часть ее остается открытой в полость клапана. Повышается эффективность очистки забоя. 1 ил.

Шарошечное долото со встроенным в полость ниппеля обратным клапаном, включающим полый корпус, выполненный в виде ступенчатого цилиндра с впускными окнами, расположенными в зоне сопряжения ступеней, пустотелый поршень и пружину, размещенные в полости большей ступени, и крышку, закрывающую корпус сверху, меньшая ступень корпуса переходником соединена с продувочным насадком так, что большая ступень находится выше верхнего торца ниппеля, а в полости ее выше основания впускных окон образован кольцевой буртик, к которому пружиной прижат поршень закрытым торцом, имеющим в центре отверстие с резьбой, в которое ввернута дистанционная трубка, входящая верхним концом в полость поршня, а нижним - в полость переходника, отличающееся тем, что в центре крышки корпуса выполнено отверстие, в нем установлен с возможностью осевого перемещения толкатель с продольной прорезью так, чтобы при закрытом клапане между головкой толкателя и торцом дистанционной трубки был разрыв, причем величина разрыва, длина толкателя и высота продольной прорези выбраны так, что в верхнем положении поршня продольная прорезь выходит из крышки, а нижняя часть ее остается открытой в полость клапана.