Устройство для шламозащиты и смазки опор шарошечного долота Советский патент 1993 года по МПК E21B10/18 

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

Целью изобретения является повышение эксплуатационных качеств устройства и увеличение его долговечности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве шламозащиты и смазки опор шарошечного долота, включающем клапан в виде полого цилиндра с крышкой, соединенного с ниппелем долота, и расположенный внутри клапана золотник в виде полого подпружиненного в продольном направлении поршня, клапан выполнен со сквозными радиальными отверстиями, расположенными в три яруса, и снабжен сплошной перегородкой, разделяющей его полость на две части, в серхней из которых расположен золотник, имеющий ограничитель его перемещения в виде стержня, закрепленного на крышке клапана, причем установлен в исходном положении с возможностью перекрытия его радиальных отверстий внутренней поверхностью клапана, а в рабочем положении - с возможностью совмещения его радиальных отверстий со средними отверстиями клапана, сообщенными с кольцевой полостью ниппеля долота.

Отличительными особенностями изобретения являются выполнение клапана со сквозными радиальными отверстиями, расположенными в три яруса и оснащение его сплошной перегородкой, разделяющей внутреннюю полость на две части, в верхней из которых расположен золотник, имеющий ограничитель его перемещения в виде стержня, закрепленного на крышке клапана; расположение золотника в клапане так, чтобы в исходном положении его радиальные отверстия были перекрыты внутренней поверхностью клапана, а в рабочем положении - с возможностью совмещения его радиальных отверстий со средними отверстиями клапана, сообщенными с кольцевой полостью ниппеля долота.

(Л

С

00

о

Os

ю ел о

CJ

В предлагаемом изобретении не золотник-распределитель, а сам клапан, его основная деталь - корпус выполнен с тремя рядами радиальных отверстий и сплошной перегородкой, разделяющей его полость на две части, в верхней из которых расположен золотник, имеющий ограничитель его перемещения в виде стержня, закрепленного на крышке клапана. Таким образом, в данном случае принято новое конструктивное решение, использованное не только для распределения промывочно-продувочного агента, но и для образования замкнутой полости изменяемого обьема с целью размещения в ней наиболее ответственной детали клапана - пружины, чтобы предохранить ее от коррозионного и абразивного износа агрессивной жидкостью и песком.

Расположение золотника в клапане приводит к тому, что при внезапном отключении продувки и оставлении долота в сква- жине, выше перегородки в зоне расположения пружины образуется изолированная камера с давлением в ней сжатого воздуха или водо-масло-воздушной смеси, равным тому давлению смеси, которое предшествовало отключению продувки (обычно оно равно 4,5-5 кг/см2).

В то же время давление в кольцевой полости ниппеля долота и в полостях опор шарошек сохраняется не выше (по закону статического равновесия) величины Роп у Н, кг/м , где у - удельная масса бурового шлама или загрязненной жидкости в затрубном пространстве, кг/м ; Н - высота столба жидкости или шлама в скважине, м.

Если принять у 1200-1500 кг/м ,а , то Роп 0200-1500)- 0 1200-15000 кг/м2 1,2-1,5 кг/см2, т, е. в 3-4 раза меньше, чем в компенсационной камере, где расположена пружина. Следовательно, в первые минуты после отключения продувки повышенное давление из компенсационной камеры через возможные неплотности и каналы утечки будет создавать подпор в кольцевой полости ниппеля и в опорах шарошек, припятствуя проникновению в них загрязненной жидкости и шлама.

На чертеже изображена общая принципиальная схема предлагаемого устройства для шламозащиты и смазки опор шарошечного долита.

Оно включает клапан 1 в виде полого цилиндра с крышкой 2, соединенного с ниппелем 3 шарошечного долота, и расположенный внутри клапана 1 золотник 4 в виде полого поршня с радиальными отверстиями 5 в верхней части. Клапан 1 выполнен со

сквозными радиальными отверстиями 6-8 и снабжен сплошной перегородкой 9, разделяющей его полость на две части, в верхней из которых расположен золотник 4, имею- щий ограничитель его перемещения в виде стержня 10, закрепленного в крышке 2 клапана 1.

В исходном положении золотник 4 прижат к стержню 10 пружиной 11, расположен- ной в замкнутой камере 12 изменяемого объема при этом радиальные отверстия 5 золотника 4 перекрыты внутренней поверхностью клапана 1, а средние отверстия 7 клапана 1 перекрыты наружной поверхно- стью золотника 4.

Сверху ниппель 3 долота закрыт упругой прокладкой 13 с гайкой 14. Кроме того, для подачи промывочно-продувочного агента в полости опор шарошек из кольцевой полости 15 ниппеля 3 просверлены наклонные каналы 16, а в центральное отверстие долота вварен насадок 17. Для бурения скважины долото с предлагаемым устройством шламозащиты и смазки опор соединяют с буровым ставом станка.

Предлагаемое устройство шламозащиты и смазки опор работает следующим образом.

Поток промывочно-продувочного аген- та из внутренней полости буровых труб через радиальные отверстия 8 поступает во внутреннюю полость клапана 1 долота, давит на верхний торец золотника 4 и, сжимая пружину 11, смещает золотник 4 вниз до тех пор, пока его радиальные отверстия 5 не совместятся со средними отверстиями 7 клапана 1.

Все это время за золотник 4 действует сила S, кг, где Рс-давление в пнев- мосети станка, кг/см2;

S - площадь верхнего торца золотника 4,см2 .

При совмещении отверстий 5 золотника 4 с отверстиями 7 клапана 1 поток промы- вочно-продувочного агента устремляется в кольцевую полость ниппеля 15.

Отсюда часть его (около 30%) по каналам 16 идет в опоры шарошек, а другая часть (70%). через отверстия 6 поступает в цент- ральный насадок 17 и далее в забой скважины.

Во все это время золотник 4 удерживается в крайнем нижнем положении силой лобового сопротивления РЛ.С.. которая рас- считывается по выражению

г-г Y V О М о

РЛ.С. -g---- S,КГ,

где ,2 - коэффициент лобового сопротивления;

,04 кг/м удельная масса смеси про- мывочно-продувочного агента;

м/с скорость потока промывочно- продувочного агента;

д.9,81 м/с2 - ускорение силы тяжести;

5м S - соответственно суммарная площадь поперечного сечения радиальных отверстий 7 и площадь верхнего торца золотника 4 м2, ,785 d2.

Для рассматриваемого случая ,04 м, откуда ,001256 м2.

Если подставить числовые значения в формулу силы лобового сопротивления, получим

Рл.с. 1,2

2.04 ( 500 ): 2 9,81

х 0,001256 38,1 кг.

Как видно из расчета, значение силы лобового сопротивления вполне достаточно, чтобы удержать золотник 4 в рабочем положении.

В приведенном расчете мы не учли того, что отверстия 5 золотника 4 находятся в зоне интенсивного движения промывочно- продувочного агента (скорость 500 м/с) и поэтому во внутренней камере 12 создается разряжение, способствующее увеличению активной силы, удерживающей золотник 4.

В случае внезапного отключения продувки давление смеси промывочно-проду- вочного агента внутри бурового става уменьшается, перекрывается ее поступление в кольцевую полость 15. Вследствие этого сжатая пружина 11 переместит золот; ник 4 в крайнее верхнее положение до упора его в ограничительный стержень 10.

Теперь все пути поступления загрязненной жидкости и шлама из затрубного пространства и забоя скважины в полости опор долота, в кольцевую полость 15, а осевое отверстие.центрального насадка 17 и внутрь бурового става будут перекрыты.

Причем самое большое давление примерно 4,5-5 атм, будет во внутренней полости 12 золотника 4 (в компенсационной камере), примерно в два раза меньшее давление (при высоте столба жидкости в скважине 10 м и более) будет в кольцевой полости 15 и в полостях опор шарошек.

Поэтому в начальный момент после отключения продувки утечка смеси будет происходить из компенсационной камеры 12 в кольцевую полость 15 и в полости опор шарошек, создавая в них подпор, препятствующий проникновению шлама.

Это очень важная особенность предлагаемого устройства, т. к. оно позволяет существенно увеличить время поддержания в уплотняемых полостях повышенного давления, а следовательно, и время гарантированной защиты полостей от зашламоваЧния. При возобновлении продувки порядок работы шламозащитного устройства повторится в описанной последовательности.

0 Следует отметить, что предлагаемое устройство не только надежно герметизирует изолируемые полости, но и отделяет большую часть жидкости и смазки, содержащейся в смеси, которая идет в центр забоя, и

5 направляет отделенную жидкость и смазку в опоры шарошек.

Это обусловлено тем, что поток смеси, поступающей во внутреннюю полость клапана 1, поворачивается на 90° и через окна

0 8 входит в кольцевую полость 15, здесь снова происходит поворот потока на 90° и, наконец, прежде чем поступить в осевое отверстие центрального насадка 17, происходит еще один поворот под прямым углом.

5 При каждом повороте происходит тур- булизация потока, сталкивание и слипание капелек жидкости, многократное увеличение сил инерции капелек и выделение их из смеси с направлением в каналы

0 16, ведущие в полость опор шарошек. Подача обогащенной смеси жидкостью и смазкой дополнительно приводит к увеличению долговечности работы долот за счёт меньшей интенсивности износа подшипников.

5 Формула изобретения

Устройство для шламозащиты и смазки опор шарошечного долота, включающее клапан в виде полого цилиндра с крышкой, соединенного с ниппелем долота и располо0 женный внутри клапана золотник в виде полого подпружиненного в продольном направлении поршня, отличающееся тем, что, с целью повышения эксплуатационных качеств и увеличения долговечности,

5 клапан выполнен со сквозными радиальными отверстиями, расположенными в три яруса, и снабжен сплошной перегородкой, разделяющий его полость на две части, в верхней из которых расположен золотник,

0 имеющий ограничитель его перемещения в виде стержня, закрепленного на крышке клапана, причем золотник установлен в исходном положении с возможностью перекрытия его радиальных отверстий

5 внутренней поверхностью клапана, а в рабочем положении - с возможностью совме- щения его радиальных отверстий со средними отверстиями клапана, сообщенными с кольцевой полостью ниппеля долота.

L

Использование: бурение скважин на карьерах. Сущность изобретения: устройство содержит клапан в виде полого цилиндра с крышкой и золотник. Клапан выполнен со сквозными радиальными отверстиями. Сплошная перегородка разделяет полость клапана на две части. В верхней части расположен золотник. Ограничитель его перемещения выполнен в виде стержня. Золотник установлен с возможностью перекрытия его радиальных отверстий внутренней поверхностью клапана. 1 ил.