Буровое шарошечное 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. Позволяет увеличить проходку на долото и повысить механическую скорость бурения путем обеспечения более эффективной работы его клапанного узла. Долото содержит неподвижно закрепленный на уступе стенки ниппеля подвесной стакан с боковыми окнами, внутри которого размещены клапанная шайба и возвратная пружина, позволяющие фиксировать закрытое положение клапанного узла. Клапанный узел имеет эластичную фасонную манжету, служащую герметизирующим элементом одновременно для подвесного стакана и клапанной шайбы при разжатой возвратной пружине. С торца, обращенного к подвесному стакану, эластичная фасонная манжета имеет кольцевую полость, ответную по форме верхней части хвостовика подвесного стакана и с размерами, обеспечивающими натяг и герметизацию по поверхностям контакта с внутренней и наружной стороны стакана. 1 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 скважины сжатым воздухом.

Известно буровое долото с ниппельным клапанным узлом [1], принятое за аналог.

С появлением в Российской Федерации и за рубежом технологий бурения скважин с продувкой забоя воздухом, использующих сверхмощные компрессоры со значительно увеличенным расходом очищающего агента (воздуха) до 70 м³/с и более, конструкция долота с ниппельным клапанным узлом (аналога) стала препятствием для их применения. Это обусловлено перегревом компрессоров из-за слишком большого перепада давления в клапанном устройстве, препятствующего прохождению необходимого объема воздуха в единицу времени. Компрессоры, работающие с применением электронной системы контроля продувки, в таких условиях "задыхаются" и самостоятельно отключаются.

В связи с этим возникла острая необходимость в разработке нового типа клапанного устройства бурового долота, имеющего кратно большее проходное сечение для пропуска на забой скважины сжатого воздуха. Соответственно, кратно больший объем сжатого воздуха, проходящего в единицу времени через ниппельную часть бурового долота, способствует резкому повышению эффективности очистки забоя от выбуренной породы, а также позволяет осуществлять интенсивное охлаждение нагруженных зон и тел качения в опорах шарошек долота.

В буровом долоте [1] входное отверстите в седле клапана и отверстие в клапанной шайбе расположены друг под другом таким образом, чтобы в закрытом состоянии клапана указанные 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 отверстий в седле и клапанной шайбе явилось непреодолимым препятствием для осуществления кратного увеличения проходного сечения в клапане.

Эта проблема решается в буровом долоте [2], принятом за прототип. В этом долоте, предназначенном для бурения взрывных скважин с использованием продувки забоя воздухом, имеется клапанный узел, содержащий 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, подвесной стакан с боковыми окнами, который размещен на уступе стенки ниппеля под седлом и имеет площадь сечения окон, равную или большую, чем площадь сечения по диаметру 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 торцовой поверхности седла при разжатом положении пружины.

Недостатком прототипа является следующее обстоятельство. При уменьшении диаметров долот значительно уменьшаются габариты конического резьбового хвостовика - ниппеля долота, служащего для соединения с колонной бурильных труб. Соответственно, снижается и площадь входного сечения внутри ниппеля для прохода сжатого воздуха, служащего одновременно для охлаждения опор и для очистки забоя от выбуренной породы.

Например, в долотах диаметром 215,9 мм, в ниппеле со стандартной резьбой З-117 площадь максимального сечения седла с учетом минимальной толщины стенок ниппеля составляет 2800 мм². Для долота диаметром 142,9 мм со стандартной резьбой З-88 площадь максимального сечения резко уменьшается (до 1100 мм² или в 2,5 раза), а для долота диаметром 76 мм со стандартной резьбой З-42 площадь максимального сечения седла умещается еще резче (до 340 мм² или в 3,2 раза по сравнению с долотом диаметром 142,9 мм, а по сравнению с долотом диаметром 215,9 мм - более чем в 8,2 раза).

Резкое уменьшение площади максимального сечения (квадратичная зависимость от диаметра входного отверстия) в долотах уменьшенного и малого размеров не позволяет использовать клапанное седло, конструкция которого используется в прототипе, поскольку возможность максимального увеличения его входного диаметра ограничивается формой, габаритами и прочностными свойствами металлического каркаса, выполненного в форме диска с центральным отверстием, а также толщиной обязательного обрезиненного слоя, которая, в свою очередь, дополнительно ограничивает возможность увеличения площади входного отверстия в клапане.

Важность проблемы можно проиллюстрировать примером. Буквально каждый миллиметр ширины обрезиненного седла, выполненного по образцу прототипа, становится очень значимым препятствием для увеличения проходного сечения клапанного седла в долотах уменьшенного и малого диаметра. Так, уменьшение входного диаметра в долоте с ниппельной резьбой З-42 всего на 2 мм уменьшает площадь входного сечения на 22% или сразу около его четверти.

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

Указанная цель достигается тем, что в буровом долоте с клапанным узлом содержится неподвижно закрепленный на уступе стенки ниппеля подвесной стакан с боковыми окнами, внутри которого размещены клапанная шайба и возвратная пружина, позволяющие фиксировать закрытое положение клапанного узла. Клапанный узел имеет эластичную фасонную манжету, служащую герметизирующим элементом одновременно для подвесного стакана и клапанной шайбы при разжатой возвратной пружине.

С торца, обращенного к подвесному стакану, эластичная фасонная манжета имеет кольцевую полость, ответную по форме верхней части хвостовика подвесного стакана и с размерами, обеспечивающими натяг и герметизацию по поверхностям контакта с внутренней и наружной стороны стакана.

На чертеже показан фрагмент бурового шарошечного долота с клапанным узлом по настоящему изобретению.

На корпусе долота имеется ниппель 1 с наружной резьбой 2, в полости которого размещен клапанный узел, состоящий из разжимного стопорного кольца 3, эластичной фасонной манжеты 4, подвесного стакана 5 с боковыми окнами 6, клапанной шайбы 7, возвратной пружины 8, полостей 9 в стенке ниппеля 1, сообщающихся с окнами 6 в стакане. Упором для возвратной пружины 8 является дно подвесного стакана 5. Эластичная фасонная манжета 4 имеет внутреннюю кольцевую полость, ответную внутренней и наружной форме хвостовика 11 стакана 5 и обеспечивающую натяг и герметизацию с внутренней и наружной его стороны.

Наружная сторона 12 эластичной фасонной манжеты 4 со стороны стенки ниппеля 1 выполнена с размером по диаметру, также обеспечивающим натяг и герметизацию. Разжимное стопорное кольцо 3 фиксирует положение всего клапанного узла после его установки. Поскольку размер эластичной фасонной манжеты 4 регламентируется только по диаметру и не лимитируется по высоте, размером по высоте внутренней ее части можно регулировать сопротивление смятию.

Клапанный узел предлагаемого бурового долота работает следующим образом. В процессе бурения скважины поток очищающего забой и охлаждающего опоры агента (сжатого воздуха) подается по ставу в ниппельную часть долота. Под воздействием этого потока клапанная шайба 7 вместе с возвратной пружиной 8 сдвигается внутрь полости ниппеля 1 и пропускает воздух через открывшиеся боковые окна 6 и полости 9 к забою скважины через центральное отверстие в корпусе или боковые сопла, а также через каналы в лапах (не показано) в полости опор шарошек для охлаждения зон их нагрева.

При прекращении подачи продувочного агента и падении давления его в ставе сплошная клапанная шайба 7 под воздействием возвратной пружины 8 возвращается в исходное положение, плотно прижимаясь к внутреннему торцу 10 эластичной фасонной манжеты 4, тем самым надежно предотвращая возможность подъема скважинной жидкости с выбуренной породой в трубное пространство и во внутренюю полость долота.

Чтобы обеспечить надежную работу клапанного узла в течение всего цикла работы долота, сечение, длина и наружный диаметр возвратной пружины 8 выбираются из условий, чтобы в сжатом положении она могла обеспечивать полное и беспрепятственное открытие пространства боковых окон 6 в стакане 5, а в разжатом положении - плотное прилегание сплошной клапанной шайбы 7 к нижней торцовой поверхности 10 эластичной фасонной манжеты 4.

Выполнение предлагаемой конструкции клапанного узла в буровых долотах уменьшенного и малого диаметра обеспечивает надежность герметизации, позволяет значительно расширить внутренний диаметр клапана, до 80% повысить расход сжатого воздуха, т.е. способствовать применению современных компрессоров при бурении с резким повышением механической скорости и увеличением проходки на долото в обводненных скважинах.

Другим преимуществом бурового долота по предлагаемому изобретению является простота устройства и высокая надежность в работе.

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

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

Источники информации

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

2. Патент РФ №2230877, кл. Е 21 В 10/60, опубликован 20.06.2004.

1. Буровое шарошечное долото с клапанным узлом, содержащее неподвижно закрепленный на уступе стенки ниппеля подвесной стакан с боковыми окнами, внутри которого размещены клапанная шайба и возвратная пружина, позволяющие фиксировать закрытое положение клапанного узла, отличающееся тем, что клапанный узел имеет эластичную фасонную манжету, служащую герметизирующим элементом одновременно для подвесного стакана и клапанной шайбы при разжатой возвратной пружине.

2. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что с торца, обращенного к подвесному стакану, эластичная фасонная манжета имеет кольцевую полость, ответную по форме верхней части хвостовика подвесного стакана и с размерами, обеспечивающими натяг и герметизацию по поверхностям контакта с внутренней и наружной стороны стакана.