Одношарошечное долото

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к одношарошечным долотам. Долото содержит корпус с промывочным каналом и смонтированную на наклонной относительно продольной оси симметрии корпуса цапфе шарошку, выполненную асимметричной относительно оси цапфы и цилиндрической относительно оси долота. Долото снабжено механизмом фиксации шарошки в транспортном положении долота, включающим соединенный с корпусом цилиндр, в котором размещены упор и подпружиненный кольцевой поршень, к которому шарнирно присоединен фиксатор шарошки в транспортном положении долота, размещенный в промывочном канале корпуса. Нижний конец фиксатора входит в углубление, выполненное в шарошке. Упор и поршень образуют проходной канал, поперечное сечение которого больше разности поперечных сечений промывочного канала и фиксатора, благодаря чему между этими каналами возникает перепад давления промывочной жидкости при работе долота, обеспечивающий вывод фиксатора из зацепления с шарошкой. По окончании бурения скважины большего диаметра, чем выше пробуренный ее ствол, прекращении промывки долота и снятии осевой нагрузки на него пружина перемещает поршень и связанный с ним фиксатор в сторону шарошки, в результате чего происходит их зацепление, обеспечивающее свободный подъем инструмента из скважины. Повышается работоспособность долота. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам.

Известно одношарошечное долото, содержащее корпус с промывочным каналом и эксцентрично смещенной относительно оси симметрии корпуса цапфой, на которой посредством подшипников смонтирована шарошка (1).

Недостатком известного долота является то, что им невозможно бурить скважину большего диаметра по сравнению с вышепробуренным интервалом.

Наиболее близким к предлагаемому является одношарошечное долото, содержащее корпус с промывочным каналом и установленную на наклонной относительно продольной оси симметрии корпуса цапфе шарошку, поверхность которой образована сопряжением цилиндрической и двух диаметрально противоположных сферических поверхностей, одна из которых расположена со стороны основания цапфы, а другая - со стороны ее конца (2).

Однако указанное долото недостаточно работоспособно из-за отсутствия механизма фиксации его шарошки в транспортном положении долота, следствием чего является самопроизвольный проворот шарошки на цапфе и заклинивание ее при прохождении долота через ранее пробуренный ствол скважины.

Целью изобретения является повышение работоспособности долота за счет обеспечения фиксации его шарошки в транспортном положении долота.

Для этого долото одношарошечное, включающее корпус с промывочным каналом и установленную на наклонной относительно продольной оси симметрии корпуса цапфе шарошку, выполненную асимметричной относительно оси цапфы и цилиндрической относительно оси долота, согласно изобретению, снабжено механизмом фиксации шарошки в транспортном положении долота, выполненным в виде соединенного с корпусом долота цилиндра и размещенных в нем упора с цилиндрическим выступом и подпружиненного в сторону корпуса долота кольцевого поршня, один конец которого телескопически соединен с цилиндрическим выступом упора, а на другом шарнирно закреплен одним своим концом фиксатор, размещенный в промывочном канале корпуса долота и входящий другим своим концом в зацепление с шарошкой, причем площадь поперечного сечения проходного канала, образованного упором и поршнем, больше разницы площадей поперечных сечений промывочного канала корпуса долота и фиксатора на величину, обеспечивающую образование перепада давления жидкости между этими каналами, необходимого для вывода фиксатора из зацепления с шарошкой при работе долота.

Такая конструкция долота обеспечивает свободное прохождение его через ранее пробуренный участок ствола при спуске долота в скважину и подъеме из нее после окончания бурения участка большего диаметра, чем предыдущий.

Предпочтительно упор устанавливать в цилиндре механизма фиксации шарошки с возможностью соосных относительно него перемещений.

Это позволяет регулировать усилие воздействия пружины на кольцевой поршень и связанный с ним фиксатор в соответствии с необходимым перепадом давления, обеспечивающим вывод его из зацепления с шарошкой во время работы долота, а также упрощает его сборку.

Другим отличием долота является то, что фиксатор механизма фиксации шарошки в транспортном положении долота выполнен в виде нескольких шарнирно соединенных между собой звеньев.

Такое выполнение фиксатора позволяет увеличить срок его службы за счет распределения воздействующих на него изгибающих усилий, возникающих при возвратно-поступательных движениях кольцевого поршня, на составляющие звенья.

Еще одним отличием описываемого долота является то, что составляющие фиксатор звенья выполнены трехгранными.

Такая форма выполнения звеньев фиксатора позволяет наилучшим образом использовать промывочный канал в корпусе долота без ущерба процессу промывки его. При этом предотвращаются поломки фиксатора за счет исключения перекосов и заклиниваний его при совершении возвратно-поступательных перемещений в промывочном канале корпуса долота; обеспечивается перепад давления промывочной жидкости, необходимый для вывода фиксатора из зацепления с шарошкой; достигается высокая механическая прочность фиксатора.

Предлагаемое долото отличается от долота, принятого за прототип, наличием механизма фиксации его шарошки во время спуско-подъемных операций в нерабочем положении, что не известно из предшествующего уровня техники. Следовательно, оно отвечает критерию изобретения - "новизна" технического решения.

Предлагаемое усовершенствование одношарошечного долота не следует явным образом из уровня техники. Следовательно, новое долото соответствует критериям "изобретательский уровень" и "промышленная применимость".

На фиг. 1 показано предлагаемое долото в транспортном положении; на фиг. 2 - долото в рабочем положении; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1.

Долото (фиг. 1) содержит корпус 1 с промывочным каналом 2 и наклонной относительно продольной оси симметрии корпуса цапфой 3, на которой с помощью подшипников 4 установлена шарошка 5 с промывочными пазами 6. Поверхность шарошки 5 образована сопряжением цилиндрической 7 и двух сферических 8 поверхностей меньшего радиуса по сравнению с радиусом, образующим основную цилиндрическую поверхность 7. При этом сферические поверхности 8 расположены на поверхности шарошки 5 диаметрально противоположно, одна - со стороны основания цапфы, а другая - со стороны ее конца. Вся поверхность шарошки 5 снабжена породоразрушающими элементами 9.

Кроме того, долото содержит также механизм (не обозначен) фиксации шарошки 5 в транспортном положении долота, состоящий из присоединенного к корпусу 1 долота с помощью резьбы 10 цилиндра 11 с боковым отверстием 12, в котором установлены упор 13 и подпружиненный в сторону корпуса 1 долота с помощью пружины 14 кольцевой поршень 15, имеющие телескопически соединенные между собой цилиндрические выступы 16 и 17 соответственно и образующие проходной канал 18. К нижнему концу кольцевого поршня 15 с помощью оси 19 присоединен фиксатор 20 шарошки 5, выполненный в виде нескольких шарнирно соединенных между собой с помощью осей 19 звеньев 21, выполненных, например, в виде трехгранников (фиг. 3). Фиксатор 20 размещен в промывочном канале 2 корпуса 1 долота, а нижний конец его входит в углубление 22, выполненное в шарошке 5.

Диаметральные размеры проходного канала 18 в упоре 3, промывочного канала 2 в корпусе 1 долота и размер поперечного сечения фиксатора 20 определяют с учетом обеспечения надежной промывки долота при определенных производительности буровых насосов и создаваемом ими суммарном напоре, а также образования перепада давления между указанными каналами 2 и 18, обеспечивающего вывод фиксатора 20 из углубления 22 шарошки 5 в рабочем положении долота.

Предпочтительным является вариант исполнения механизма фиксации шарошки, в котором упор 13 выполнен отдельно от цилиндра 11 и установлен в нем с возможностью соосных с ним перемещений (фиг. 1). В этом случае в цилиндре 11 предусматривают выступ 23 для ограничения перемещения упора 13 в сторону поршня 15 и гайку 24 для регулирования степени сжатия пружины 14, а следовательно, и усилия зацепления фиксатора 20 с шарошкой 5.

Долото работает следующим образом.

С помощью резьбы 25 долото присоединяют к колонне бурильных труб (не показана) и спускают на ней в скважину 26. При этом фиксатор 20 под действием усилия пружины 14, передаваемого через поршень 15, находится в зацеплении с шарошкой 5 долота, упираясь своим нижним концом в ее углубление 22. Таким образом шарошка 5 фиксируется от проворачивания на цапфе 3 долота, что обеспечивает свободное прохождение его через ранее пробуренный ствол скважины 26, поскольку сферические поверхности 8 шарошки при этом не выходят за пределы его диаметра.

По достижении долотом забоя скважины в колонну бурильных труб начинают закачивать буровой раствор, вследствие чего в полости 27 за счет разности площадей поперечных сечений каналов 18 - в упоре 13 и 2 - в корпусе долота образуется перепад давлений, под воздействием которого кольцевой поршень 15, сжимая пружину 14, перемещается в сторону упора 13 и выводит фиксатор 20 из зацепления его с шарошкой 5 (фиг. 2), о чем судят по возрастанию давления на устьевом манометре и крутящего момента на моментомере ротора. При этом избыток жидкости из полости 28, герметизированной от проходного канала 18, и полости 27 цилиндра 11 через отверстие 12 изливается в затрубное пространство скважины.

Далее начинают вращать бурильный инструмент с одновременным созданием нагрузки на долото. При этом цапфа 3 будет описывать окружности вокруг продольной оси симметрии корпуса 1 и скважины 26, а шарошка 5 при этом будет перекатываться по забою скважины и своими породоразрушающими элементами 9 скалывать и срезать породу. В результате этого диаметр образующегося нового ствола 29 (фиг. 2) скважины 26 будет больше диаметра предыдущего ее ствола на удвоенную высоту сферических поверхностей 8, возвышающихся над поверхностью шарошки 5. Промывка забоя скважины осуществляется через проходной канал 18 упора 13, промывочный канал 2 корпуса 1 и пазы 6 шарошки 5.

По окончании бурения скважины с расширенным стволом 29 снимают нагрузку и прекращают вращать долото и закачивать буровой раствор в колонну бурильных труб. В результате этого давление в полости 27 цилиндра 19 упадет, и поршень 15 с фиксатором 20 под действием пружины 14 переместятся вниз до упора в шарошку 5. Далее, при подъеме инструмента из скважины шарошка 5 за счет самоориентации на цапфе 3 займет положение, при котором фиксатор 20 совпадет с ее углублением 22 и зафиксирует шарошку 5 в удобном для подъема долота из скважины положении, как показано на фиг. 1, что обеспечивает беспрепятственный подъем всего инструмента.

Использование предлагаемого долота позволяет бурить скважину большего диаметра по сравнению с предыдущим ее стволом без применения специальных расширителей и исключить при этом аварии, связанные с застреванием долота при прохождении его через ранее пробуренный ствол скважины.

Источники информации: 1. Зубарев А.В. и др. Одношарошечные долота. - М.: Недра, 1971, с. 16, рис. 12.

2. Патент РФ N 2036294, E 21 B 10/08, 1995.

Формула изобретения

1. Одношарашечное долото, включающее корпус с промывочным каналом и установленную на наклонной относительно продольной оси симметрии корпуса цапфе шарошку, поверхность которой образована сопряжением цилиндрической и двух диаметрально противоположных сферических поверхностей, одна из которых расположена со стороны основания цапфы, а другая - со стороны ее конца, отличающееся тем, что оно снабжено механизмом фиксации шарошки в транспортном положении долота, выполненным в виде соединенного с корпусом долота цилиндра и размещенных в нем упора с цилиндрическим выступом и подпружиненного в сторону корпуса долота кольцевого поршня, один конец которого телескопически соединен с цилиндрическим выступом упора, а на другом шарнирно закреплен одним своим концом фиксатор, размещенный в промывочном канале корпуса долота и входящий другим своим концом в зацепление с шарошкой, причем площадь поперечного сечения проходного канала, образованного упором и поршнем, больше разницы площадей поперечных сечений промывочного канала корпуса долота и фиксатора на величину, обеспечивающую образование перепада давления жидкости между этими каналами, необходимого для вывода фиксатора из зацепления с шарошкой при работе долота.

2. Одношарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что упор установлен в цилиндре с возможностью соосных с ним перемещений.

3. Одношарошечное долото по п. 1 или 2, отличающееся тем, что фиксатор механизма фиксации шарошки в транспортном положении долота выполнен в виде нескольких шарнирно соединенных между собой звеньев.

4. Одношарошечное долото по п.3, отличающееся тем, что звенья фиксатора механизма фиксации шарошки выполнены трехгранными.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3