Устройство для шламозащиты и смазки опор шарошечного долота Советский патент 1992 года по МПК E21B10/24 

Изобретение относится к бурению скважин на карьерах шарошечными долотами с очисткой забоя воздушно-водяной смесью и может быть использовано при бурении обводненных скважин.

Известны устройства для шламозащиты и смазки опор шарошечного долота, устанавливаемые непосредственно в ниппеле долота и перекрывающие во время отключения продувки как центральное продувочное отверстие в насадке долота, так и кольцевую полость ниппеля долота.

Недостатком известных устройств шламозащиты, устанавливаемых в ниппеле шарошечного долота, является то, что в связи с ограниченным рабочим пространством в ниппеле долота, в устройстве шламозащиты принимают минимальные размеры проходных сечений для пропуска промывочно-про- дувочного и смазочного агента.

В результате этого при работе устройств в пневмотранспортной сети увеличивается давление, что вызывает излишние затраты электроэнергии, уменьшает срок службы насосно-компрессорного оборудования.

Отмеченный недостаток частично устранен в шламозащитном устройстве, в котором обратные клапаны установлены в переходниках над долотом. Оно содержит верхний и нижний переходники, соединенные между собою буровой трубой, и снабжено двумя клапанами, причем один из клапанов перекрывает полость, образованную между переходниками, сверху, подпружинен относительно верхнего переходника и связан стержнем с закрепленным в нижнем переходнике другим клапаном, перекрывающим полость снизу.

Однако это устройство не обеспечивает надежной герметизации уплотняемых поло(Л

С

vi

Os

ю со

ON

стей, во-первых, из-за того, что и в верхнем, и в нижнем клапанах герметизация изолируемых полостей осуществляется по очень узкой полоске контакта клапана с клапанным гнездом.

Известно, что, если размер полоски контакта клапана с клапанным гнездом в направлении утечки равен L, ширина щели в уплотнении S и средняя скорость утечки VCp, утечка сжатого газа с динамической вязкостью ц будет происходить при перепаде давления А /и L Vcp/S1, т.е. это будет то максимальное избыточное давление, которое можно удержать в герметизируемой полости при ширине полоски контакта L в одном клапане.

При двух клапанах, изолирующих полость с обоих торцов, как принято в прототипе, утечка сжатого воздуха будет в два раза интенсивнее и будет происходить преимущественно через верхний клапан, так как именно здесь перепад давления будет наибольший.

Отсюда следует, что особенно надежным необходимо делать герметизацию каналов утечки в верхнем клапане.

Во-вторых, в рабочем положении клапаны, связанные между собою тонким и длинным стержнем (около 8 м), центрируются только в верхней втулке, которая свободно расположена в углублении переходника, поэтому при бурении в условиях поперечных биений и интенсивных вертикальных вибраций става штанг, клапаны будут раскачиваться как маятник, что обязательно приведет к повреждению уплотняющих поверхностей клапанов и их гнезд в самый первый период проходки настолько, что герметизация полостей станет невозможной.

В-третьих, верхний и нижний переходники, выполненные заодно целое с клапанными гнездами, жестко связаны между собою буровой трубой (около 8 м длиною) с резьбовыми соединениями на каждом кольце.

Практически достижимые допуски соосности отверстий (клапанных гнезд) относительно продольной оси при таком удалении их составляет 2-3 мм, а требуемое для обеспечения надежной герметизации отклонение от соосности отверстий в клапанных гнездах не должно превышать 0,02-0,03 мм, т.е. меньше достигнутого в 100 раз.

Другим недостатком прототипа является повышенное аэродинамическое сопротивление, которое возникает при пропуске промывочно-продувочного агента из-за излишнего затенения проходных сечений в верхнем переходнике, вызванное необходимостью установки упомянутой выше центрирующей втулки. Кроме того, имеет повышенную материалоемкость деталей устройства.

5Целью изобретения является увеличение надежности герметизации изолируемых полостей и повышение эксплуатационных качеств устройства.

Поставленная цель достигается тем, что

10 в устройстве, содержащем переходник, ниппель которого соединен с буровым ставом, а муфта - с долотом, гнездо клапанов, установленное в ниппельной части переходника, и два клапана, подпружиненных

15 относительно переходника, гнездо клапанов выполнено в виде втулки с радиальными и соединяемыми с ними продольными каналами, а верхний и нижний клапаны объединены в одну деталь, выполненную в виде

0 поршня с тарелкой на нижнем конце, установленную во втулке с возможностью перекрытия ее каналов.

Отличительными особенностями изобретения являются выполнение гнезда кла5 панов в виде втулки с радиальными и соединяемыми с ними продольными каналами;

объединение верхнего и нижнего клапанов в одну моноблочную деталь, выполнен0 ную в виде поршня с тарелкой на нижнем конце, установка этой детали во втулке с возможностью перекрытия ее каналов.

Такое техническое решение позволяет дважды перекрыть возможные пути утечки

5 сжатого воздуха из герметизируемой полости ниппеля долота и опор шарошек, используя простейшие клапаны, к которым относятся цилиндрический поршень и плоский тарельчатый клапан.

0 Объединение верхнего и нижнего клапанов в одну деталь, выполненную в виде поршня с тарелкой на нижнем конце, позволяет с высокой точностью изготовить эту деталь, выдержав требуемые допуски на ци5 линдричность и перпендикулярность расположения уплотняющих поверхностей, чтс при установке ее в упомянутое выше гнезде клапанов гарантирует очень строгое центрирование деталей и повышенную надеж0 ность герметизации изолируемых полостей как за счет двойного перекрытия возможных путей утечки в направлении верхнего клапана, так и за счет выбора желаемого размера L-полоски контакта клапанов с кла5 панным гнездом в направлении утечки.

Изобретение позволяет уменьшить материалоемкость и аэродинамические сопротивления устройства при продувке скважин Изобретение может быть использованс не только в клапанах шламозащитных устройств, но и в других конструкциях машин и механизмов, в пневматических и гидравлических системах, где необходима повышенная надежность герметизации изолируемых полостей.

Детали устройства просты по форме и технологичны в изготовлении.

На чертеже изображена общая принципиальная схема устройства.

Оно включает переходник 1, ниппель которого соединен с буровым ставом 2, а муфта - с шарошечным долотом 3, гнездо клапанов, установленное в ниппельной части переходника 1 и выполненное в виде втулки 4 с радиальными каналами 5 исоеди- няемыми с ними продольными каналами 6. Внутри втулки 4 расположена деталь 7, объединяющая два клапана: верхний, выполненный в виде цилиндрического поршня 8, перекрывающий радиальные каналы 5 втул- ки 4, и нижний - тарельчатый клапан 9, перекрывающий продольные каналы 6.

Пружиной 10 клапаны прижаты к нижнему торцу втулки 4.

Для пропуска промывочно-продувочно- го агента из подклапанной полости 11 к шарошечному долоту 3 в переходнике 1 выполнены осевое 12 и периферийные отверстия 13, а в шарошечном долоте 3 предусмотрены центральное сопло 14 и ка- налы 15 для продувки опор шарошек.

Предложенное устройство работает следующим образом. Механизм вращения станка вращает буровой став 2 и соединенные с ним переходник 1 и шарошечное до- лото 3, прижимая его к забою углубляемой скважины. Перекатываясь по забою, зубья шарошек долота разрушают породу. Внутрь бурового става 2 от насосно-компрессорной установки станка нагнетают водо-масло- воздушную смесь (промывочно-продувоч- ный агент). Смесь, проходя по трубам бурового става 2, давит на верхний торец поршневого клапана 8 и смещает его вниз, сжимая пружину 10. Двигаясь вниз, клапан 8 открывает радиальные каналы 5, а тарельчатый клапан 9 открывает продольные кана- лы6,поэтомусмесь

промывочно-продувочного агента по каналам 5 и 6 поступает в подклапанную полость 11, а из нее по отверстиям 12 и 13 поступает в полость ниппеля шарошечного долота 3. Здесь поток смеси разделяется и часть его (примерно 70% от общего объема) через центральное сопло 14 идет в забой на очи- стку скважины, а другая часть по каналам 15 поступает в опоры шарошек на охлаждение и смазку подшипников. Это рабочий режим очистки скважины и попутной смазки опор.

В случае внезапного отключения продувки давление смеси в буровом ставе 2 уменьшается и сжатая пружина 10 прижимает тарельчатый клапан 9 к клапанному гнезду 4, при этом тарельчатый клапан 9 перекрывает устья продольных каналов 6 а поршневой клапан 8 в это же время перекрывает радиальные каналы 5, ведущие во внутреннюю полость клапанного гнезда 4.

Таким образом каналы 5 и 6, сообщающие внутреннюю полость бурового става 2 с полостью ниппеля долота 3 и затрубным пространством скважины, оказываются перекрыты дважды, что гарантирует надежную герметизацию изолируемых полостей и сохраняет во внутренней полости ниппеля долота 3 повышенное давление промывочно-продувочного агента, равное тому давлению, которое предшествовало отключению продувки, поэтому ни шлам, ни загрязненная жидкость не смогут проникнуть ни в опоры шарошек, ни в ниппель долота 3, ни в подклапанную полость 11 переходника 1.

При возобновлении продувки порядок работы шламозащитного устройства повторится в описанной выше последовательности.

Следует отметить, что предлагаемое устройство не только надежно герметизирует изолируемые полости, но и отделяет большую часть жидкости и смазки, содержащейся в той части смеси, которая идет в центр забоя, и направляет отделенную жидкость и смазку в опоры шарошек.

Это обусловлено тем, что поток смеси, поступающий во внутреннюю полость гнез да 4 клапанов, разделяется на 9-12 параллельных струек (по числу продольных каналов 6). При этом движение смеси подвергается высокой степени турбулизации. Капельки жидкости и смазки сталкиваются между собой и объединяются, прилипают к стенкам каналов 6 и стекают по ним в подклапанную полость 11.

Следуя к ниппелю долота 3, поток смеси повторно проходит через отверстия 13 и еще раз подвергается осушению. Это приводит к тому, что у стенок устройства идет обогащенная жидкостью и смазкой смесь продувочного агента, а в центральной части идет осушенный воздух. Из ниппеля долота 3 обогащенная жидкостью и смазкой смесь поступает по каналам 15 в опоры шарошек.

Процесс водо-масло-отделения может быть существенно усилен, если в центральное сопло 14 ввернуть маслоотдели- тельную трубку или клапан, например, КОП-2. Предлагаемое устройство не исключает такой возможности.

Формула изобретения Устройство для шламозащиты и смазки опор шарошечного долота, содержащее полый корпус, размещенный между буровым ставом и долотом, и установленные в полости корпуса два соединенных между собой подпружиненных обратных клапана, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности его работы за счет лучшей стабилизации перемещения клапанов при од0

новременном снижении их металлоемкости, обратные клапаны выполнены в виде поршня с тарелкой на нижнем конце, а седло клапанов - в виде втулки с радиальными и соединенными с ними продольными каналами, при этом поршень установлен в осевом канале втулки с возможностью перекрытия ее радиальных каналов, а тарелка - с возможностью перекрытия продольных каналов.

Использование: бурение скважин шарошечными долотами с очисткой забоя воздушно-водяной смесью. Сущность изобретения: устройство включает корпус, размещенный между буровым ставом и шарошечным долотом. В полости корпуса установлены два подпружиненных обратных клапана, один из которых выполнен в виде поршня, а другой - в виде соединенной с ним тарелки. Седло клапана выполнено в виде втулки с радиальными каналами и соединенными с ними продольными каналами. При срабатывании устройства радиальные каналы перекрываются поршнем, а продольные - тарелкой. 1 ил.

15