Буровое долото с герметизацией опор для бурения скважин с продувкой забоя воздухом

Изобретение относится к области буровой техники и используется при бурении скважин с продувкой забоя воздухом. Позволяет осуществлять непосредственный и эффективный контакт потока охлаждающего агента с беговыми дорожками и телами качения опоры. Охлаждение внутри герметизированной полости опоры осуществляется с помощью непосредственной циркуляции воздушных потоков в зазорах между лапой, цапфой и телами качения с вводом их через центральный канал в цапфе и отводы от него в ненагруженные зоны роликовых подшипников, а также в пазы упорной пяты с отводом потоков через одно или несколько отверстий на ненагруженной поверхности большой роликовой дорожки, соединенных с каналами, проходящими внутри цапфы и теле лапы, минуя уплотнение и отверстие под замковый палец. Выходные отверстия для отвода из полости опоры воздушных потоков в затрубное пространство расположены непосредственно на радиусной поверхности спинки лапы с направлением струй охлаждающего воздуха в зазор между спинкой лапы и стенкой скважины или выходные отверстия расположены на боковых поверхностях лап с направлением струй в затрубное пространство, минуя стенку скважины с созданием эжекционного эффекта при очистке забоя от выбуренной породы. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области буровой техники и используется при бурении скважин с продувкой забоя воздухом.

Известно буровое долото [1], содержащее корпус с продувочными каналами, породоразрушающими органами в виде шарошек с фрезерованными зубьями или твердосплавными зубками. Шарошки подвижно закреплены на цапфах лап секций долота. Полости шарошек герметизированы и маслонаполнены. В верхней части корпуса долота предусмотрен узел компенсации расхода смазки во время работы на забое с системой каналов, связывающих полость узла компенсации расхода смазки с полостью герметизированной опоры.

Недостатком аналога является то, что циркулирующий в системе очистки забоя воздух, частично заходящий в систему каналов охлаждения опор, не контактирует непосредственно с поверхностями подшипников и телами качения. Охлаждение полости опор и тел качения возможно лишь через толщу стенки и слой масла в опоре, обладающего очень низким коэффициентом теплопередачи, а потому малоэффективным.

В качестве прототипа принято буровое долото [2], в котором для более интенсивного отвода тепла используется сжатый воздух, также частично заходящий в полость внутри цапфы и не заходящий в герметизированную маслонаполненную полость опоры. Указанное долото также недостаточно эффективно обеспечивает охлаждение нагруженных зон и тел качения. Несмотря на то что в этом долоте предусмотрено значительное приближение воздушного потока к внутренней стенке цапфы, его прямого контакта с нагруженными поверхностями и телами качения также не происходит.

Как и в конструкции долота, принятого за аналог, в прототипе охлаждение полости опор и тел качения происходит лишь через стенку в цапфе лапы и слой консистентной смазки.

Целью данного изобретения является обеспечение надежной и эффективной системы охлаждения опор буровых долот.

Указанная цель достигается тем, что в буровом долоте с герметизацией опор для бурения скважин с продувкой забоя воздухом, содержащем корпус с ниппелем и продувочными каналами для очистки забоя от выбуренной породы, а также для охлаждения опор, породоразрушающие органы в виде шарошек с зубками, установленных на выполненных с каналами цапфах лап посредством опор качения, расположенный в отверстии цапфы ступенчатый замковый палец, при этом охлаждение внутри герметизированной полости опоры осуществляется с помощью непосредственной циркуляции воздушных потоков в зазорах между лапой, цапфой и телами качения с вводом их через центральный канал в цапфе и отводы от него в ненагруженные зоны роликовых подшипников, а также в пазы упорной пяты с отводом потоков через одно или несколько отверстий на ненагруженной поверхности большой роликовой дорожки, соединенные с каналами, проходящими внутри цапфы и теле лапы, минуя уплотнение и отверстие под замковый палец.

Выходные отверстия для отвода из полости опоры воздушных потоков в затрубное пространство расположены непосредственно на радиусной поверхности спинки лапы с направлением струй охлаждающего воздуха в зазор между спинкой лапы и стенкой скважины или на боковых поверхностях лап с направлением струй в затрубное пространство, минуя стенку скважины с созданием эжекционного эффекта при очистке забоя от выбуренной породы.

Выходные отверстия для отвода из полости опоры воздушных потоков могут быть также расположены комбинированно - с направлением струй в затрубное пространство под углом к стенке скважины, а также минуя стенку скважины.

На фиг.1 показан общий вид с продольным сечением секции бурового долота для бурения скважин с продувкой забоя воздухом и с герметизацией опор. На фиг.2 и 3 изображены поперечные сечения лапы долота с вариантами направления выходного отверстия на поверхности лапы в сторону стенки скважины и минуя стенку скважины. На фиг.4 и 5 показаны поперечные сечения цапфы лапы долота по большой и малой беговой роликовой дорожке. На фиг.6 и 7 показаны те же сечения с телами качения и беговыми дорожками в шарошке. На фиг.8 показано долото и вид спинки лапы с вариантами направлений выходных отверстий на ее поверхности в сторону стенки скважины и минуя стенку скважины.

Сущность изобретения состоит в следующем. В корпусе 1 долота (фиг.1) имеется система каналов для подачи сжатого воздуха из полости 3 внутри ниппеля через сопла 4 непосредственно на забой скважины для очистки его от выбуренной породы. Лапы 5, при сварке которых образуется корпус 1, снабжены цапфами 6 с подшипниковыми дорожками 7, 8 и 9, телами качения 10, 11, 12. Шарошки 13, подвижно закрепленные на цапфах 6, имеют ответные подшипниковые дорожки, соответствующие дорожкам 7, 8 и 9, выполненным на цапфах 6 лап 5.

На торце цапфы 6 установлена упорная пята 14 с каналами 15 для прохода в пяте охлаждающего воздуха, идущего по каналам 2 и 16 с выходом 17 и 18 на беговые дорожки. Каналы 17 и 18 в предпочтительном варианте выведены на ненагруженные секторы (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7), за пределами нижней нагруженной части.

Исследования характера нагружения и износа элементов опор качения показали, что во время работы нагрузку от реакции забоя воспринимают на беговых дорожках цапфы лапы секторы с центральным углом, не превышающим 120°. Поэтому каналы 17 и 18 выполнены с учетом этого обстоятельства, с тем чтобы нагрузка на беговые дорожки под роликами в зонах выхода отверстий была минимальной или отсутствовала вообще - в соответствии с эпюрами нагружения "а" и "b" (фиг.4, 5). Из этих же соображений в ненагруженной зоне выполнены отверстия 19, 20 с выходами на поверхность лапы 21 и 22 для отвода охлаждающего агента из полости опоры через тело цапфы лапы к поверхности спинки лапы (фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7).

Варианты выхода указанных отверстий на спинке лапы могут быть различными. Например, как показано на позиции 21 - на радиальной поверхности спинки, обращенной в сторону стенки скважины, или, как показано на позиции 22, - на боковой поверхности лапы (фиг.8). Последний вариант более предпочтителен с точки зрения предотвращения возможности затирания и перекрытия выходного отверстия выбуренной породой. Такое выполнение канала способствует не только снижению возможности его засорения выбуренными частицами породы, но и повышению эжекционного эффекта, способствующего интенсивности очистки забоя от выбуренной породы. Позицией 25 обозначено уплотнительное кольцо, предохраняющее от попадания частиц выбуренной породы в полость опоры во время бурения. Сечение уплотнительного кольца может быть различной формы (например, О-образной, как показано на фиг.1). Позицией 26 (фиг.1) обозначен фильтр, предназначенный для предохранения от попадания выбуренной породы в опору. Его конструкция может быть разной (щелевой, сеточной и др.). Желательно, чтобы площади сечения отверстий внутри цапфы лапы и на выходе из лапы были примерно одинаковыми и не препятствовали прохождению охлаждающего воздуха.

Работа бурового долота осуществляется следующим образом. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, создаваемых буровым станком, долото начинает вращаться вокруг своей оси, а шарошки с породоразрушающими зубками начинают вращаться еще и вокруг своих осей, что способствует разрушению породы. Для того чтобы удалить с забоя выбуренную породу и обеспечить охлаждение опор долота, от компрессора подается сжатый воздух по трубному пространству к долоту, а затем по затрубному пространству между стенками трубы и скважины вместе с выбуренной породой подается на поверхность (к устью скважины). 60-70% всего воздушного потока подается через сопло 4 на забой, а 30-40% потока подается через каналы 2, через отверстие 15 в пяте, центральный осевой канал 16 и каналы 17 и 18 непосредственно на роликовые беговые дорожки, интенсивно охлаждает их и тела качения, способствуя повышению их работоспособности. Система каналов и направления охлаждающих потоков показаны на фиг.1, 2, 3, 4, 5 и 8 стрелками.

Преимуществом предлагаемого бурового долота являются герметизация опоры, защищающая от попадания в нее абразивных частиц выбуренной породы, неизбежного для любых вариантов открытых, негерметизированных опор, непосредственный и эффективный контакт потока охлаждающего агента с беговыми дорожками и телами качения опоры, выход потока в затрубное пространство, способствующий возникновению эжекционного эффекта при подъеме и выносе с забоя частиц разрушенной породы.

Высокая надежность в работе позволяет достигнуть требуемый результат - резко увеличить стойкость долота за счет повышения стойкости опоры, повысить проходку и механическую скорость бурения.

Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов буровых долот по предлагаемому изобретению.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1406331, кл. Е 21 В 10/18, опубл. 30.08.88 г. (аналог).

2. Авторское свидетельство №1423722, кл. Е 21 В 10/22, опубл. 15.09.88 г. (прототип).

1. Буровое долото с герметизацией опор для бурения скважин с продувкой забоя воздухом, содержащее корпус с ниппелем и продувочными каналами для очистки забоя от выбуренной породы, а также для охлаждения опор, породоразрушающие органы в виде шарошек с зубками, установленных на выполненных с каналами цапфах лап посредством опор качения, расположенный в отверстии цапфы ступенчатый замковый палец, отличающееся тем, что охлаждение внутри герметизированной полости опоры осуществляется с помощью непосредственной циркуляции воздушных потоков в зазорах между лапой, цапфой и телами качения с вводом их через центральный канал в цапфе и отвода от него в ненагруженные зоны роликовых подшипников, а также в пазы упорной пяты, с отводом потоков через одно или несколько отверстий на ненагруженной поверхности большой роликовой дорожки, соединенных с каналами, проходящими внутри цапфы и теле лапы, минуя уплотнение и отверстие под замковый палец.

2. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что выходные отверстия для отвода из полости опоры воздушных потоков в затрубное пространство расположены непосредственно на радиусной поверхности спинки лапы с направлением струй охлаждающего воздуха в зазор между спинкой лапы и стенкой скважины.

3. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что выходные отверстия для отвода из полости опоры воздушных потоков расположены на боковых поверхностях лап с направлением струй в затрубное пространство, минуя стенку скважины, с созданием эжекционного эффекта при очистке забоя от выбуренной породы.

4. Буровое долото по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что выходные отверстия для отвода из полости опоры воздушных потоков расположены комбинированно - с направлением струй в затрубное пространство под углом к стенке скважины, а также минуя стенку скважины.