Буровое долото с клапанным узлом

 

Изобретение относится к области буровой техники и может быть использовано в буровых долотах преимущественно при бурении взрывных скважин с продувкой забоя воздухом. Буровое долото с клапанным узлом содержит неподвижно закрепленное на уступе стенки ниппеля седло с центральным отверстием и герметизирующим покрытием со всех сторон, клапанную шайбу и возвратную пружину для нее, фиксирующую клапанный узел в закрытом положении. Долото имеет подвесной стакан с боковыми окнами, который размещен на уступе стенки ниппеля под седлом и имеет внутренний диаметр, который больше, чем диаметр центрального отверстия в седле. Подпружиненная клапанная шайба выполнена круглой, сплошной и расположена внутри подвесного стакана с возможностью полного и плотного перекрытия центрального отверстия седла в закрытом положении клапанного узла. Повышается надежность работы долота, а также проходка на долото и механическая скорость бурения путем обеспечения эффективной работы клапанного узла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области буровой техники и может быть использовано в буровых долотах преимущественно при бурении взрывных скважин с продувкой забоя воздухом.

Известно буровое долото, содержащее корпус с продувочными каналами и породоразрушающими органами в виде шарошек и обратный клапан, состоящий из патрубка с перфорированной воронкой и размещенный в центральной части полости корпуса для предотвращения попадания частиц выбуренной породы (шлама) и воды через каналы охлаждения в опоры шарошек бурового долота при наращивании труб или при остановке компрессора, подающего воздух в скважину [1] (аналог).

Существенным недостатком данного долота является сложность конструкции клапанного узла и, как следствие этого, значительная стоимость.

Кроме того, при остановке компрессора скважинная жидкость, попадая вместе со шламом через сопловую полость в перфорированную воронку, имеет возможность попадать в полость внутритрубного пространства над воронкой, а также и в узкое пространство между стенкой перфорированного патрубка и упругим уплотнением, уменьшая и без того ограниченное габаритами и размером отверстий сечение, затрудняя проход охлаждающего и очищающего агента (воздуха) к забою скважины. При этом конструкция узла клапана при возможном его засорении создает слишком большой перепад давления в пространствах под и над клапаном, снижая эффект охлаждения опор и очистки забоя от шлама.

Известно также буровое долото с ниппельным клапанным узлом [2] (прототип). В этой конструкции большинство проблем, касающихся сложности и громоздкости конструкции клапанного узла и снижения перепада давления в пространствах над и под клапаном, решены.

Однако с появлением у нас в стране и, особенно, за рубежом технологий с применением при бурении скважин с продувкой забоя воздухом сверхмощных компрессоров с кратным увеличением расхода воздуха (до 70 и более кубометров в секунду) конструкция долота с указанным ниппельным узлом стала препятствием для их применения. Это обусловлено перегревом компрессоров из-за слишком большого перепада давления в клапанном устройстве и недостаточного расхода воздуха в единицу времени. Компрессоры, работающие с применением электронной системы контроля, в таких условиях “задыхаются” и самоотключаются. Поэтому возникла острая необходимость в разработке нового типа клапана с кратно большим проходным сечением для пропуска сжатого воздуха.

Поскольку в долоте-прототипе входное отверстие в седле и отверстие в клапанной шайбе расположены друг под другом таким образом, чтобы в закрытом состоянии клапана отверстия в клапанной шайбе находились под круговой поверхностью седла и перекрывались ею, площадь этих отверстий можно увеличить только при уменьшении площади отверстия в седле и наоборот. Это жесткое соотношение площадей явилось непреодолимым препятствием для кратного увеличения проходного сечения в клапане.

Целью и техническим результатом данного изобретения является повышение проходки на долото и механической скорости бурения путем обеспечения более эффективной работы его клапанного узла.

Указанная цель достигается тем, что буровое долото с клапанным узлом, содержащее неподвижно закрепленное на уступе стенки ниппеля седло с центральным отверстием и герметизирующим покрытием со всех сторон, клапанную шайбу и возвратную пружину для нее, фиксирующую клапанный узел в закрытом положении, имеет подвесной стакан с боковыми окнами, который размещен на уступе стенки ниппеля под седлом и имеет внутренний диаметр, который больше, чем диаметр центрального отверстия в седле, при этом подпружиненная клапанная шайба выполнена круглой, сплошной и расположена внутри подвесного стакана с возможностью полного и плотного перекрытия центрального отверстия седла в закрытом положении клапанного узла.

Сплошная клапанная шайба установлена с возможностью плотного ее прилегания к нижней торцевой поверхности седла при разжатом положении пружины.

Суммарная площадь боковых окон в подвесном стакане равна или больше площади центрального отверстия седла.

На фиг.1 показан фрагмент бурового долота с клапанным узлом по настоящему изобретению.

На корпусе долота 1 имеется резьбовой ниппель 2, в полости которого размещен клапанный узел, состоящий из полностью обрезиненного в качестве герметизирующего покрытия седла 3, стакана 4, внутри которого размещена сплошная клапанная шайба 5, прижимаемая к седлу 3 пружиной 6. Упором для пружины 6 является дно стакана 4.

Седло 3 вместе со стаканом 4 устанавливаются на уступе 7 в полости ниппеля 2 и жестко фиксируются с поджимом, осуществляемым с помощью стопорного разжимного кольца 8. В стенке стакана 4 предусмотрены боковые отверстия - окна 9, сообщающиеся с расточенной специально под них кольцевой полостью 10 внутри ниппеля 2.

Клапанный узел предлагаемого долота работает следующим образом.

В процессе бурения скважины поток очищающего агента (воздуха) подается по ставу в ниппельную часть бурового долота. Под воздействием этого потока клапанная шайба 5 вместе с возвратной пружиной 6 сдвигается внутрь полости ниппеля и пропускает очищающий агент через открывшиеся боковые отверстия окна 9 в стакане 4 и полость 10 к забою скважины через сопла-насадки и через фильтры (не показаны) для охлаждения полости опор. При прекращении подачи продувочного агента сплошная клапанная шайба 5 под воздействием возвратной пружины 6 возвращается в исходное положение, плотно прижимаясь к поверхности седла 3, тем самым надежно предотвращая возможность подъема скважинной жидкости со шламом в трубное пространство.

Чтобы обеспечить надежную работу клапана в течение всего цикла работы долота, сечение, длина и наружный диаметр возвратной пружины выбираются из условий, чтобы в сжатом положении она могла обеспечивать полное и беспрепятственное открытие пространства боковых окон в стакане, а в разжатом положении - плотное прилегание сплошной клапанной шайбы к нижней торцевой поверхности седла.

Направление очищающего агента через боковые отверстия окна, а не в отверстия в клапанной шайбе (как в прототипе) позволило кратно увеличить площадь центрального отверстия в седле. Поскольку площадь отверстий-окон в стенке стакана никак не препятствует увеличению площади центрального отверстия в седле, появилась возможность увеличить кратно общий расход воздуха (в 5 раз и более).

Выполнение предлагаемой конструкции клапанного узла позволило полностью решить проблему применения сверхмощных компрессоров для бурения скважин с продувкой забоя. Другими преимуществами бурового долота по предлагаемому изобретению являются также простота устройства и высокая надежность в работе.

Данное изобретение может быть применено для бурения скважин с продувкой забоя воздухом в различных регионах РФ, странах СНГ и дальнего зарубежья.

Возможность осуществления изобретения подтверждается стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов буровых долот, изготовленных с применением клапанных узлов по настоящему изобретению.

Предлагаемое буровое долото с простым и надежным в работе клапанным узлом обеспечивает резкое увеличение проходки и механической скорости бурения в обводненных скважинах.

Источники информации

1. Патент США №4154313, кл. 175/318 (Е 21 В 9/08), опубликован 15.05.1979.

2. Патент РФ №2164284, кл. Е 21 В 10/60, опубликован 20.03.2001.

Формула изобретения

1. Буровое долото с клапанным узлом, содержащее неподвижно закрепленное на уступе стенки ниппеля седло с центральным отверстием и герметизирующим покрытием со всех сторон, клапанную шайбу и возвратную пружину для нее, фиксирующую клапанный узел в закрытом положении, отличающееся тем, что оно имеет подвесной стакан с боковыми окнами, который размещен на уступе стенки ниппеля под седлом и имеет внутренний диаметр, который больше, чем диаметр центрального отверстия в седле, при этом подпружиненная клапанная шайба выполнена круглой, сплошной и расположена внутри подвесного стакана с возможностью полного и плотного перекрытия центрального отверстия седла в закрытом положении клапанного узла.

2. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что сплошная клапанная шайба установлена с возможностью плотного ее прилегания к нижней торцевой поверхности седла при разжатом положении пружины.

3. Буровое долото по п.1 или 2, отличающееся тем, что суммарная площадь боковых окон в подвесном стакане равна или больше площади центрального отверстия седла.

РИСУНКИ

Рисунок 1