Шарошечное долото Советский патент 1992 года по МПК E21B10/24 

Изобретение относится к буровой технике, а именно к шарошечным долотам для бурения взрывных скважин в абразивных крепких обводненных горных породах, преимущественно, с очисткой газообразным агентом.

Шарошечное долото при бурении взрывных скважин в абразивных крепких горных породах испытывает большие динамические нагрузки. Тяжелые условия механического разрушения горных пород и незащищенность продувочных каналов лап от бурового шлама обуславливает износ опор качения шарошек, Зашламление буровым шламом продувочных каналов лап долота ухудшает продувку опор шарошек, а следовательно, способствует нарушению теплового режима подшипников качения и преждевременному выходу их из строя. Для уменьшения зашламления опор шарошек необходима установка дополнительных обратных клапанов в продувочные каналы лап долота для уменьшения объема воздушной подушки и повышение герметичности обратных клапанов.

Известно устройство шарошечного долота, у которого в каналах лап установлены обратные клапаны.

Недостатком известного долота является низкая продувка опор шарошек за счет большого перепада давления на дополнительных клапанах, зашламление подшипников буровым шламом, в результате этого ухудшение работоспособности опор шарошек, плохая герметичность клапанов,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является шарошечное долото, содержащее центральный и дополнительные клапаны с резиновой прокладкой, размещенной в корпусе клапана,

Недостатком этого шарошечного долота является значительное зашламление опор шарошек из-за плохой их продувки в результате большого перепада давления на клапанах и плохой обтекаемости их формы.

Целью изобретения является повышение эффективности работы долота за счет увеличения срока службы периферийного обратного клапана.

Для этого в известном шарошечном долоте, содержащем ниппель, закрепленные к ниппелю лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников шарошки, продувочные каналы в лапах и сообщенные с ними продувочные каналы в цапфах, центральный обратный клапан, расположенный во внутренней полости ниппеля, и периферийные обратные клапаны, последние выполнены в виде полого конуса из эластичного материала, например

из резины, угол вершины конуса клапанов равен оптимальной величине 20-25°, клапаны размещены в нижней части продувочных каналов лап, в вершине полого конуса каж- дого клапана закреплен один конец стержня, а другой конец этого стержня шарнирно соединен с элементами конструкции шарошечного долота.

Клапан каждого продувочного канала

0 лапы, выполненный в виде полого конуса с оптимальным углом а при вершине 20-25° из эластичного материала, например из резины, и размещенный в нижней части этого продувочного канала лапы, может взаимо5 действовать с его внутренней цилиндрической поверхностью, в результате чего сокращается количество деталей клапана, улучшается обтекаемость клапана, обеспечивается более свободный проход газооб0 разного агента, а следовательно, уменьшается перепад давления на клапане. При этом продувочный канал выполняет функции корпуса клапана и обеспечивает направленность струи газообразного аген5 та, ее неразрывность потока и скорость. Нераздробленность потока газообразной струи в продувочном канале способствует изгибанию клапана, который выполнен эластичным, что улучшает продувку опор шаро0 шек. Следует также отметить, что установка клапана в нижней части продувочного канала уменьшает объем воздушной подушки долота по сравнению с серийными долотами.

5Ve.n V0 + VK,(1)

где V0 - объем воздушной подушки в опорах шарошек, const;

VK - объем воздушной подушки продувочного канала лап долота, который опреде0 ляется по выражению

VK F -1к,(2)

где RK - радиус отверстия продувочного канала;

IK - длина продувочного канала.

На фиг. 1 изображено шарошечное долото с клапанами, установленными в нижней части продувочных каналов; на фиг, 2 - клапан.

Шарошечное долото содержит ниппельную часть 1 и лапы 2 с цапфами и шарошками. В лапах 2 выполнены каналы 3 для продувки опор шарошек. Между лапами 2 выполнено сопло 4, в которое при помощи электросварки вварена втулка 5, в верхней части которой выполнена резьба для установки центрального обратного клапана (на фиг. 1 показан штриховой линией). Между втулкой 5 и обратным клапаном установлен выступ 6 в виде дополнительного кольца

5

0

втулки. На кольце 6 установлены три крбн- штейна 7, выполненные в виде шайб с ripo- ушинами и расположенные напротив каждого продувочного канала 3. Для фиксации кольца на втулке 5 в рабочем положении на нем выполнен прямоугольный шлиц 8, а на втулке 5 - соответствующий паз 9.

В нижней части продувочного канала 3 размещен клапан 10, выполненный в виде полого конуса из эластичного материала, например резины. В вершине 11 полого конуса, имеющего оптимальный угол а 20- 25°, закреплен один конец стержня 12. Для надежности закрепления ла этом конце имеется шайба 13. Другой конец стержня 12 шарнирно соединен с кронштейном 7. Для этого на конце стержня выполнена резьба 14. Шарнирное соединение состоит из упорной гайки, пружины, двух шайб со сферической поверхностью и гайки. Шарнирное соединение стержня 12 к корпусу долота может быть осуществлено по разным вариантам..-у

Подготовка долота к эксплуатации заключается в установке во все продувочные каналы 3 клапанов 10, соединении стержней 12 с кронштейнами 7 при помощи шарнирных соединений и закреплении выступа 6 к долоту. Для этого совмещают шлиц 8 на выступе 6 с пазом 9 на втулке бив таком положении центральным клапаном прижимают выступ 6 к втулке 5. После этого долото готово к работе.

Долото работает следующим образом.

В процессе бурения поток газообразно- го агента непрерывно подается через внутреннюю полость буровой штанги на забой скважины. При этом газообразный агент по,- падает на конусный рассекатель центрального клапана (на фиг. 1 показан штриховой линией), в его проходные окна, продувочные каналы 3 лап 2 и далее на опоры шарошечного долота. При попадании потока газообразного агента в продувочные каналы 3 в нижней части он воздействует на клапан 10. Под действием потока газообразного агента резиновый конусный клапан 10 сжимается и пропускает газообразный агент дальше вглубь продувочной системы опор шарошек..Поток газообразного агента воздействует равномерно на всю конусную поверхность клапана 10, форма которого обладает наилучшей обтекаемостью по сравнению с известными запорными устройствами, так как оптимальный угол при вершине конуса равен 20-25°. Закрепленный в вершине 11 полого конуса один конец тонкого стержня 12 также обеспечивает этому клапану высокие характеристики обтекаемости. Такая форма клапана способствует

более свободному проходу газообразного агента, а следовательно, и минимальному перепаду давления на клапане.

При проходе газообразного агента через клапан 10 продувочный канал 3 выполняет функцию корпуса клапана, т.е. канал 3 обеспечивает направленность, неразрывность и высокую скорость потока газообраз- ного агента. Так как клапан имеет оптимальный угол при вершине а 20-25° и установлен в нижней части, вход продувочного канала освобожден от беспрепятственного прохода газообразного агента, в результате чего уменьшаются сопротивление и перепад давления на клапане. Под действием потока газообразного агента в продувочном канале 3 резиновый конусный клапан 10 изгибается. При этом его рабочие кромки прекращают контактировать с внут1 ренней цилиндрической поверхностью продувочного канала 3. Отсутствие взаимодействия между рабочими кромками клапана 10 и внутренней цилиндрической поверхностью продувочного канала обеспечивает дальнейший проход газообразного агента в опоры шарошек для их продувки и охлаждения. При проходе газообразного агента по продувочному каналу 3 стержень 12 за счет шарнирного соединения с кронштейном 7 самоустанавливается по продольной оси этого продувочного канала. Высота установки клапана 10 определяется предварительно и обеспечивается длиной стержня 12 с таким расчетом, чтобы клапан 10 не упирался в торец продувочного канала 3. Шарнирное соединение обеспечивает также соосность расположения стержней 12 клапана 10 в продувочном канале 3.

При работе долота в процессе бурения возникает необходимость в технологических перерывах. Для этого,в начале останавливают вращатель бурового станка, а затем прекращают подачу газообразного агента на долото. После прекращения подачи газообразного агента на долото клапан 10 функционирует следующим образом. Под действием остаточного давления воздуха в опоре шарошки и забое рабочая кромка клапана 10 прижимается к внутренней цилиндрической поверхности продувочного канала 3, т.е. остаточное давление воздуха действует на внутреннюю полость конусного клапана 10. В результате этого происходит герметизация продувочного канала 3 в его нижней части. Отсекаемый при этом объем воздушной подушки, т.е. объем продувочных каналов VK, уменьшается с Д° VKMMH и составляет 2/3 частей общего ©бье- ма воздушной подушки. Оставшийся объем

воздушной подушки, т.е. обьем в порах шарошек V0, составляет 1/3 часть общего объема воздушной подушки. Этот оставшийся малый обьем воздушной подушки меньше сжимается со стороны забоя скважины. Сокращение границ сжимаемости воздушной подушки до минимума обуславливает минимальную величину зашламления опор шарошек буровым шламом во время технологических перерывов.

По окончании технологического перерыва в начале на долото подается поток газообразного агента, а затем пускается вращатель бурового станка. При подаче газообразного агента на долото его клапаны освобождают проход в продувочных каналах и происходит продувка опор шарошек и очистка забоя скважины. В дальнейшем работа предложенного шарошечного долота происходит по описанной схеме.

Преимущества предлагаемого долота заключаются в следующем.

Долото позволяет за счет улучшения обтекаемости клапана и уменьшения перепада давления на клапанах продувочных каналов уменьшить зашламление опор шарошек буровым шламом, а следовательно, значительно повысить стойкость и проходку долота. Улучшение технико-эксплуатационных показателей позволяет уменьшить трудоемкость буровых работ и сократить эксплуатационные затраты на подготовку горной массы к транспортированию.

Конструкция шарошечного долота не предъявляет высоких требований к точно

сти изготовления его элементов, что позволяет упростить и удешевить технологию серийного изготовления. Благодаря улучшению проходки долот повышается производительность буровых работ, что дает возможность получить значительный экономический эффект.

Формула изобретения

Шарошечное долото, включающее ниппель, закреплённые к ниппелю лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников шарошки, продувочные каналы в лапах и сообщенные с ними продувочные каналы в цапфах, центральный обратный клапан, расположенный во внутренней полости ниппеля, и периферийные обратные клапаны, установленные с возможностью перекрытия полости подшипников, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности работы долота за счет увеличения срока службы периферийного обратного клапана, периферийные обратные клапаны выполнены в виде полого конуса из эластичного материала со стержнем и установлены в нижней части продувочных каналов лап, а угол вершины конуса периферийных клапанов находится в пределах 20-25°, причем один конец стержня закреплен в вершине полого конуса каждого периферийного клапана, а другой конец стержня шарнирно соединен с корпусом долота посредством кронштейна.

Јus.2

Изобретение относится к буровой технике. Цель - повышение эффективности работы долота за счет увеличения срока службы периферийного обратного клапана. Шарошечное долото содержит ниппельную часть 1, закрепленные к части 1 лапы 2 с цапфами. На цапфах установлены шарошки посредством подшипников. Продувочные каналы 3 расположены в лапах 2 и цапфах. Во внутренней полости части 1 расположен обратный клапан. Периферийные обратные клапаны (ПК) 10 установлены с возможностью перекрытия полости подшипников, - выполнены в виде полого конуса из эластичного материала и размещены в нижней части продувочных каналов 3. Под действием потока газообразного агента резиновый конусный ПК 10 сжимается и пропускает газообразный агент внутрь. Форма клапана обеспечивает более свободный проход газообразного агента, что позволяет создать минимальный перепад давления на клапане. 2 ил. СП с