буровое долото для бурения скважин с продувкой забоя воздухом

Формула изобретения

1. Буровое долото для бурения скважин с продувкой забоя воздухом, содержащее корпус с ниппелем и продувочными каналами для очистки забоя от выбуренной породы, породоразрушающие органы в виде шарошек, установленных на выполненных с каналами цапфах лап долота посредством герметизированных опор качения и скольжения, расположенный в отверстии цапфы замковый палец, компенсационный узел смазки герметизированных опор качения и скольжения, имеющий прямолинейный цилиндрический канал и пробку для его закрытия, отличающееся тем, что прямолинейный цилиндрический канал выполнен с наклоном под острым углом 19-27 к оси долота, при этом на замковом пальце выполнена проточка, которая образует со стенкой отверстия цапфы полость, сообщенную с прямолинейным цилиндрическим каналом, который сообщен с полостью ниппеля и с каналами цапфы лапы, при этом компенсационный узел смазки герметизированных опор качения и скольжения имеет дополнительный канал, сообщающий полость прямолинейного цилиндрического канала с боковой поверхностью лапы долота, на выходе которого расположена запирающая пробка, причем пробка для закрытия прямолинейного цилиндрического канала выполнена в виде поршня, размещенного в нем между концевыми упорами ограничения его хода.

2. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что прямолинейный цилиндрический канал имеет цилиндрическую вставку в виде гильзы с гладкой внутренней поверхностью, при этом наружные концы гильзы имеют кольцевое герметизирующее покрытие.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области буровой техники и используется при бурении взрывных 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 предусмотрен узел компенсации расхода смазки во время работы долота с системой каналов, связывающих полость узла компенсатора расхода смазки с полостью герметизированной опоры.

В каждой секции корпуса предусмотрена автономная от системы смазки система охлаждения сжатым воздухом перегревающихся зон подшипников в опоре в виде каналов. Она начинается внутри ниппельной части долота, проходит вдоль лапы и далее внутри цапфы и заканчивается выходом на боковую часть лапы в зоне, удаленной от зоны контакта козырька лапы со стенкой скважины.

Данное долото-аналог имеет существенные недостатки, относящиеся к месту расположения узла компенсации смазки при работе долота, форме и объему смазочной полости.

Узел полости компенсатора смазки расположен в традиционном месте - при переходе спинки лапы в цилиндрическую часть, близкую к ниппельной, со входом отверстия со стороны спинки лапы.

Такое расположение узла компенсации смазки при заданных габаритах долота не позволяет увеличить объем полости смазки, определяемый произведением площади среднего сечения цилиндрической (или близкой к ней) полости на ее глубину. В данном случае объем полости не может быть увеличен ни по длине полости, ни по ее диаметру. Кроме того, объем указанного обычного узла компенсации смазки неизбежно уменьшается за счет применения в его конструкции стального габаритного стаканчика, предохраняющего резиновую складывающуюся-раздвигающуюся мембрану, регулирующую подачу в зоны трения элементов опоры расходуемой во время работы долота смазки, и защитной крышки с отверстиями для передачи давления продувочного агента на мембрану, предохраняющей компенсационный узел от абразивного износа в результате воздействия выбуренной породы (шлама). Жесткая фиксация крышки, как правило, обеспечивается стальным разжимным кольцом, устанавливаемым в паз на стенке отверстия под крышку. Расположение указанных деталей узла компенсации, занимающих строго определенное (постоянное) положение относительно друг друга, невозможность увеличить их габариты в зоне перехода спинки лапы в цилиндрическую, предниппельную часть корпуса долота не позволяют предусмотреть необходимый запас смазки для компенсации ее расхода в течение многих часов работы современного долота для бурения скважин с продувкой забоя воздухом.

Известно также буровое долото [2], содержащее корпус с ниппелем и продувочными каналами для очистки забоя от выбуренной породы, породоразрушающие органы в виде шарошек, установленных на выполненных с каналами цапфах лап долота посредством герметизированных опор качения и скольжения, расположенный в отверстии цапфы замковый палец, компенсационный узел смазки опор.

Так же, как и у аналога, у прототипа есть еще один недостаток, заключающийся в том, что сама конструкция резиновой мембраны способна обеспечить подачу из полости узла компенсации очень малого объема смазки, равного разнице объемов внутри полости мембраны от максимально сжатого до максимально разжатого состояния. Этот объем невелик (от 1,3 см³ в долоте 120,3 мм до 4,8 см³ в долоте 311,1 мм).

Наиболее близким техническим решением в приведенном патенте-прототипе является вариант размещения компенсационного узла внутри долота, который позволяет избавиться еще от одного важного недостатка, присущего всем долотам, предназначенным для бурения скважин с продувкой забоя воздухом, с герметизированной опорой и размещением компенсационных смазочных узлов на наружной поверхности корпуса долота.

В нефтегазовом бурении компенсационный смазочный узел, размещенный со стороны затрубного пространства, находится под воздействием высокого гидравлического давления столба промывочной жидкости, колебания которого весьма значительны (при наращивании очередной трубы, при явлениях пульсации в гидравлических насосах и др.). Поэтому резиновые мембраны, следуя за колебаниями давления тяжелого столба жидкости, имеют возможность постоянно воздействовать на мембрану и смазку.

В долотах же для бурения неглубоких скважин с продувкой забоя воздухом нет высокого и тяжелого столба промывочной жидкости в затрубном пространстве, поэтому отсутствуют и значительные по величине колебания давления, позволяющие работать узлу компенсации смазки в вышеуказанных долотах для глубокого нефтегазового бурения.

Это полностью подтверждается практикой бурения. Вышеуказанные наружные узлы компенсации смазки в долотах с продувкой забоя воздухом практически не работают, поскольку не создается достаточно больших колебаний наружного избыточного давления. Более того, давление, создаваемое компенсатором в узком трубном пространстве и продувочных каналах, при выходе воздуха в межшарошечное затрубное пространство значительно падает, что еще больше препятствует развороту мембраны в сторону полости опоры и ее дозаправке смазкой.

Именно это побуждает использовать размещение смазочных компенсационных узлов в долотах с продувкой забоя воздухом не со стороны затрубного пространства, а со стороны внутритрубного и внутриниппельного пространства.

В рассмотренном варианте бурового долота-прототипа также имеются малые габариты для установки смазочного цилиндра-гильзы, обусловленные конструкцией и габаритами корпуса лапы в этой зоне и приводящие к тому, что объем компенсационной смазки относительно мал.

Целью данного изобретения является обеспечение более надежной и более эффективной работы компенсационных узлов маслонаполненных герметизированных опор.

Указанная цель достигается тем, что в буровом долоте для бурения скважин с продувкой забоя воздухом, содержащем корпус с ниппелем и продувочными каналами для очистки забоя от выбуренной породы, породоразрушающие органы в виде шарошек, установленных на выполненных с каналами цапфах лап долота посредством герметизированных опор качения и скольжения, расположенный в отверстии цапфы замковый палец, компенсационный узел смазки герметизированных опор качения и скольжения, имеющий прямолинейный цилиндрический канал и пробку для его закрытия, последний выполнен с наклоном под острым углом 19-27 к оси долота, при этом на замковом пальце выполнена проточка, которая образует со стенкой отверстия цапфы полость, сообщенную с прямолинейным цилиндрическим каналом, который сообщен с полостью ниппеля и с каналами цапфы лапы, при этом компенсационный узел смазки герметизированных опор качения и скольжения имеет дополнительный канал, сообщающий полость прямолинейного цилиндрического канала с боковой поверхностью лапы долота, на выходе которого расположена запирающая пробка. Пробка для закрытия прямолинейного цилиндрического канала выполнена в виде поршня, размещенного в нем между концевыми упорами ограничения его хода.

Прямолинейный цилиндрический канал может иметь также цилиндрическую вставку в виде гильзы с гладкой внутренней поверхностью, при этом наружные концы гильзы имеют кольцевое герметизирующее покрытие.

На фиг.1 показан общий вид бурового долота для бурения скважин с продувкой забоя воздухом.

На фиг.2 показано продольное сечение секции долота.

На фиг.3 - то же, сечение секции долота с вариантом установки цилиндрической вставки-гильзы.

На фиг.4 изображено выполнение дополнительного бокового отверстия (канала).

Сущность изобретения состоит в следующем. В теле лапы 4 (фиг.2) бурового долота, начиная от поверхности внутриниппельного пространства, выполняется цилиндрический прямолинейный канал 14 до поверхности отверстия под замковый палец 7 под острым углом к оси долота, находящимся в пределах 19-27. Ось этого отверстия расположена в плоскости, проходящей через ось цапфы лапы. Нижняя часть 10 масляного канала, в зависимости от диаметра долота и габаритов лапы, может иметь уменьшенный диаметр, выполненный таким образом, чтобы обеспечить размещение его правого края у границы внутреннего правого торца-уступа 9 проточки 22 замкового пальца 7 со стороны его завариваемой части или на некотором расстоянии от него (h) так, чтобы отверстие не перекрывалось наружным диаметром замкового пальца. Указанное положение края отверстия и его диаметр определяют нижнюю точку направления сверления. Верхняя точка начала направления сверления определяется конструктивно исходя из выбираемых диаметра отверстия и расстояния от его стенки до торца цапфы (h’).

В прямолинейном канале 14, выполняющем роль цилиндра, предусмотрено размещение подвижной плотной пробки-поршня 15 с уплотнительными кольцами 16.

Выше пробки в стенке цилиндрического прямолинейного канала 14 предусмотрен концевой уступ любой конструкции, определяющий верхнюю границу хода пробки-поршня 15, например стопорное кольцо 17, или полая гайка, или жестко фиксируемый фильтр 19, как показано на фиг. 2.

В масляном канале 10 (выше замкового пальца 7) предусмотрено выполнение дополнительного бокового отверстия (канала) 21 до поверхности лапы 4 в сторону ее сбегающей стороны с осью, совпадающей с осью масляного канала 10, такого же или несколько меньшего диаметра (фиг.4). На выходе из дополнительного бокового отверстия (канала) 21 предусмотрена резьба для установки резьбовой пробки 24, о назначении которой будет сказано ниже.

Сложная технология обработки длинной цилиндрической поверхности отверстия относительно малого диаметра с высокой чистотой, необходимой для беспрепятственного хода поршня, может быть заменена установкой цилиндрической вставки-гильзы 23 с гладкой внутренней поверхностью (фиг.3). В этом случае наружные концы цилиндрической вставки-гильзы 23 должны быть обрезинены или покрыты герметизирующим составом с целью обеспечения вакуума в полости опоры и компенсационного узла смазки при его заправке.

Заправка компенсационного узла смазкой производится следующим образом. При вывернутой резьбовой пробке 24 заправочная установка осуществляет вакуумирование внутренней полости опоры. При этом пробка-поршень 15 уходит в нижнее положение до упора. После проверки степени вакуумирования переключением клапана все вакуумированное пространство под давлением заполняется смазкой. При этом пробка-поршень 15 перемещается в верхнее положение до упора. После завинчивания и закрепления резьбовой пробки 24 долото готово к работе.

Буровое долото для бурения скважин с продувкой забоя воздухом, имеющее компенсационный узел смазки, работает следующим образом. В процессе бурения скважины поток очищающего и охлаждающего агента (сжатого воздуха) подается в ниппельную часть бурового долота. Под действием этого потока воздуха пробка-поршень 15 давит на смазку, находящуюся в цилиндрическом прямолинейном канале 14, и постоянно компенсирует ее расход в трущихся парах опоры долота.

Преимуществом бурового долота для бурения скважин с продувкой забоя воздухом, имеющего компенсационный смазочный узел по предлагаемому изобретению, является возможность увеличить объем компенсационной смазки в 12-20 раз, в зависимости от диаметра долота, обеспечить надежность работы поршневого узла до полного расхода смазки из цилиндрического прямолинейного канала 14 практически при любом давлении воздуха во внутриниппельном пространстве, не нуждаясь в его перепадах. Выполнение компенсационного смазочного узла несложно технологически. Возможность перемещения пробки-поршня из нижнего положения в верхнее позволяет дозаправлять опоры после того, как заканчивается смазка в каналах, когда это необходимо.

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

Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов буровых долот по настоящему предлагаемому изобретению, как в сухих, так и в обводненных скважинах.

Литература

1. Авторское свидетельство № 1559095, E 21 B 10/22, 23.04.1990 г., бюл. № 15.

2. Патент Великобритании GB № 2326894, E 21 B 10/24, 06.01.1999 г.