Устройство для шламозащиты и смазки опор шарошечного долота

 

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.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (21) 4901424/03 (22) 09.01.91 (46) 30.03,93. Бюл. N. 12 (71) Новочеркасский политехнический институт им. Серго Орджоникидзе (72) В, И, Дусев, А. Ф, Грибовода и В. Г.

Ковалевич (73) Докучаевский флюсодоломитный комбинат (56) Авторское свидетельство СССР

N. 250065, кл, Е 21 В 10/22, 1968, Авторское свидетельство СССР

¹ 1661351, кл. Е 21 В 10/18, 1991.

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 шарошечногодолота, 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 верхней из которых расположен золотник, имеющий ограничитель его перемещения в виде стержня, закрепленного на крышке клапана, причем установлен в ис„, . Ж„„1806256 А3 (я)з Е 21 В 10/18 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ШЛАМОЗАЩИТЫ И

СМАЗКИ ОПОР ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА (57) 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, ходном 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.

1806256

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 реше- ние, 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>кине, 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/см ).. г

B то же время давление в кольцевой полости ниппеля долота и в полостях опор шарошек сохраняется не выше (по закону статического равновесия) величины Pan= у Н, кгlм, где — удельная

2 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

Н=10 м, то Рол=(1200 — 1500) — 10=1200 — 15000 кг/м2=1,2 — 1,5 кг/см, т, е. в 3 — 4 раза мень2 ше, 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 долота.

Оно включает клапан 1 в виде полого цилиндра с крышкой 2, соединенного с ниппелем 3 шарашечного 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, имею5 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, расположен10 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 поверхно15 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

20 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

25 с буровым ставом станка.

Предлагаемое устройство шламозащиты и смазки опор работает следующим образом.

Поток промывочно-продувочного аген30 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

35 пор, пока его радиальные отверстия 5 не совместятся со средними отверстиями 7 клапана 1.

Все это время за золотник 4 действует сила F3=Pc S, кг, где Pc — давление в пнев40 мосети станка, кг/см; г.

S — площадь верхнего торца золотника

4,см2.

При совмещении отверстий 5 золотника

4 с отверстиями 7 клапана 1 поток промы45 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 цент50 ральный насадок 17 и далее в забой скважины, Во все это время золотник 4 удерживается в крайнем нижнем положении силой лобового сопротивления F, . c., которая рас55 считывается по выражению ., г

FFC. =C - — " S, КГ. гц S где С=1,2 — коэффициент лобового сопротивления;

1806256

15

Елс. =1,2 2 981 х 0,001256 = 38,1 кг .

25

40

50

55 та

y=2,04 кг/м удельная масса смеси и роз мывочно-продувочного агента;

v=500 м/с скорость потока промывочнопродувочного агента;

g,9,81 м/с — ускорение силы тяжести; г

S = S — соответственно суммарная площадь поперечного сечения радиальных отверстий 7 и площадь верхнего торца золотника 4 м, S=0,785 (j, Для рассматриваемого случая б=0,04 м, откуда S=0,001256 м .

Если подставить числовые значения в формулу силы лобового сопротивления, получим

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 промывочнопродувочного 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-продувочного агента внутри бурового става уменьшается, перекрывается ее поступление в кольцевую полость 15, Вследствие этого сжатая пружина 11 переместит золотник 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 шарашек, 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 зашламовФния.

При возобновлении продувки порядок работы шламозащитного устройства повторится в описанной последовательности, 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 направляет отделенную жидкость и смазку в опоры шарашек.

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

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, При каждом повороте происходит турбулизация потока, сталкивание и "слипание" капелек жидкости, многократное увеличение сил инерции капелек и выделение их из смеси с направлением в каналы

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

Устройство для шламозащиты и смазки опор шарошечного долота, включающее клапан в виде полого цилиндра с крышкой, соединенного с ниппелем долота и расположенный внутри клапана золотник в виде полого подпружиненного в продольном направлении поршня, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эксплуатационных качеств и увеличения долговечности, 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, имеющий ограничитель его перемещения в виде стержня, закрепленного на крышке клапана, причем золотник 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 доло1806256

Составитель В,Дусев

Техред М.Моргентал Корректор М Ткач

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 969 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5