БУРОВОЕ ДОЛОТО С ПРОМЫВОЧНЫМИ УЗЛАМИ
DRILL BIT WITH WASHING UNITS

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к инструменту для бурения глубоких скважин в нефтегазовой отрасли.
Известно буровое долото с промывочным узлом [1], принятое за аналог, содержащее насадку из износостойкого материала, закрепленную в отверстии гнезда на корпусе лапы с направлением исходящей из нее струи промывочной жидкости в свободное пространство поверхности забоя между соседними шарошками. Гнездо под насадку соединено каналом с внутренней полостью долота, откуда вначале поток попадает во внутреннюю полость насадки с профилем, формирующем форму струи, а затем на поверхность забоя, барботирует шлам разрушенной породы, отрывает его от забоя и уносит по затрубному пространству долота на верх скважины для очистки от шлама и новой подачи насосами на забой.
На стенке гнезда под насадку выполнен паз прямоугольной формы для установки эластичного уплотнительного кольца с внутренним диаметром, меньшим наружного диаметра насадки, и наружным диаметром, равным или несколько большим, чем наружный диаметр гнезда прямоугольного сечения. За счет эластичных свойств кольцо охватывает насадку при ее проталкивании сквозь установленное в пазу уплотнительное кольцо. Чтобы удержать насадку от выпадения при высоком давлении промывочной жидкости, перед выходом из гнезда в его стенке выполнен кольцевой полупаз полукруглого сечения и ответный ему полупаз полукруглого сечения на наружной поверхности тела насадки.
При установке насадки происходит совмещение двух полупространств на стенке гнезда и на поверхности насадки, при этом образуется торовидная кольцевая поверхность. В теле прилива под насадку на теле лапы сверлится круглое отверстие, ось которого совпадает с кольцевой осью получившегося торовидного кольцевого пространства. Через отверстие в приливе в торовидное пространство вводится стержень в виде гвоздя из мягкого материала, который является стопором от вылета насадки из гнезда во время бурения. Насадка может выпасть из гнезда во время бурения, только срезав половину профиля по всей длине гвоздя, введенного в торовидное пространство. При необходимости замены диаметра выходного сечения насадки по условиям бурения гвоздь вынимается за шляпку.
После замены размера по диаметру новая насадка вставляется на место вынутой, гвоздь распрямляется и забивается вокруг насадки снова. Эластичное резиновое кольцо может меняться при необходимости.
Этот вариант бурового долота с насадкой для промывочного сопла достаточно широко используется отечественными и зарубежными долотными фирмами для производства шарошечных долот. Однако в алмазных стальных долотах PDC и матричных такая схема крепления и уплотнения промывочных насадок практически не применяется. Это связано и с конструктивными, и с технологическими неудобствами, поскольку многочисленные промывочные отверстия с твердосплавными насадками чаще всего располагаются на выпуклых поверхностях корпуса с заглублением между лопастями, с разными расстояниями и наклонами относительно оси долота. Для сотен серийно выпускаемых алмазных типоразмеров долот необходима разработка тысяч индивидуальных программ для выполнения индивидуальных промывочных узлов. Это обстоятельство заставило изыскивать другие, более удобные варианты.
Известно другое буровое долото с промывочным узлом [2], также принятое за аналог, в котором в качестве стопорного устройства используется стальное пружинное разжимное кольцо, устанавливаемое в кольцевую проточку на стенке отверстия-гнезда под насадку, часть торцевой поверхности кольца входит в паз-проточку, а часть выступает внутрь диаметра гнезда и препятствует вылету насадки во время бурения. Существуют два варианта установки стопорного разжимного кольца. Первый вариант - стопорное кольцо устанавливается в паз-проточку гнезда ниже цельной насадки. Второй вариант - стопорное кольцо при монтаже устанавливается в проточку на самой насадке, сжимается с помощью «усиков» специальными плоскогубцами с выступами под отверстия усиков. Насадка вместе со сжатым кольцом вставляется в гнездо в лапе, и стопорное кольцо освобождается от сжатия, когда оно совпадает с шириной паза под кольцо на стенке гнезда под насадку. Смена размера отверстия насадок, необходимая по гидравлическим расчетам, производится в обратном порядке - вначале сжимается стопорное кольцо, а потом насадка выталкивается из гнезда. Схема установки уплотнительного эластичного кольца такая же, как и в предыдущем аналоге. В случае необходимости это кольцо может меняться вместе с насадкой.
Недостатки обоих вариантов следующие. Технологически сложно выполнить закалку стопорных колец - недокаленные не возвращаются в исходное положение после сжатия, перекаленные могут быть слишком хрупкими и ломаются при смене насадки. Поэтому замена насадок в полевых условиях, особенно зимних, затруднительна. Кроме того, в бурении при высоких давлениях на стояке насадки воздействуют на стандартные тонкие стопорные кольца, сгибают их по диаметру, изгибают по толщине и постепенно выдавливают насадки на забой вместе со стопорными кольцами.
Известно другое буровое долото PDC с промывочным узлом [3], принятое за прототип. Оно включает корпус с присоединительной резьбой к бурильной колонне, породоразрушающие элементы, каналы для подвода к забою промывочной жидкости, гнезда на выходе из каналов для размещения износостойких насадок с герметизирующими и стопорными элементами, причем на входе канала для подвода к забою промывочной жидкости из ниппельной части установлена защитная втулка из износостойкого материала, выступающая одной стороной над дном отверстия в ниппельной части корпуса и имеющая на противоположном конце опорный кольцевой выступ, наружный диаметр которого больше диаметра входного канала, насадка имеет в верхней части гладкую наружную цилиндрическую поверхность, контактирующую с эластичным уплотнительным кольцом, ниже на наружной ее поверхности имеется боковая резьба, а снизу - торцевые выступы для торцевого ключа.
Недостатки прототипа следующие. Нет защиты зазора на входе между защитной втулкой и корпусом. Нет защиты зазора между торцами защитной втулки и насадки. Время эксплуатации долота PDC достигает сотен часов, поэтому возможен отворот насадок и их выпадение из-за вибрации на забой. Необходимо повышение надежности стопорного элемента. Недостаточно надежна боковая и торцевая герметизация защитной втулки и насадки.
Целью данного изобретения является создание надежного варианта бурового долота с промывочными узлами.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности бурового долота PDC со сменными промывочными узлами. Этот результат достигается тем, что в буровом долоте с промывочными узлами, включающем корпус с присоединительной резьбой к бурильной колонне, породоразрушающие элементы, каналы для подвода к забою промывочной жидкости, гнезда на выходе из каналов для размещения износостойких насадок с герметизирующими и стопорными элементами, причем на входе канала для подвода к забою промывочной жидкости из ниппельной части установлена защитная втулка из износостойкого материала, выступающая одной стороной над дном отверстия в ниппельной части корпуса и имеющая на противоположном конце опорный кольцевой выступ, наружный диаметр которого больше диаметра входного канала, насадка имеет в верхней части гладкую наружную цилиндрическую поверхность, контактирующую с эластичным уплотнительным кольцом, ниже на наружной ее поверхности имеется боковая резьба, а снизу - торцевые выступы для торцевого ключа, при этом торцевые поверхности опорного кольцевого выступа контактируют с эластичными уплотнительными кольцами, первое кольцо установлено в полости между уступом на стенке входного канала и верхней торцевой поверхностью кольцевого выступа, второе - между нижней торцевой поверхностью кольцевого выступа и верхним торцом насадки, а ниже насадки установлена на резьбе в стенке гнезда под насадку стопорная контргайка с пазами или отверстиями на торце для другого поворотного торцевого ключа.
Кроме того, в другом варианте предлагаемого долота дополнительно на входе канала зазор между выступающей защитной втулкой и стенкой отверстия под нее дополнительно герметизирован кольцевым слоем сварки, наплавки или пайки.
В другом варианте предлагаемого долота контактные торцевые поверхности: нижней у кольцевого выступа защитной втулки, верхнего торца насадки и уплотнительного кольца, установленного между ними, расположены под острым углом α=20÷45° со стороны входа в промывочное отверстие.
В следующем варианте предлагаемого долота на выступающем над дном отверстия в ниппельной части конце защитной втулки выполнена резьба, на которой навернута гайка, с ее помощью эластичное уплотнительное кольцо прижимается к поверхности дна и герметизирует зазор между ним и защитной втулкой.
В предлагаемом долоте узел промывки обеспечивает полную гарантию фиксации насадки в промывочном узле в течение всего времени работы долота, надежность и легкость замены насадки при возникновении такой необходимости в бурении.
При установке насадка заворачивается, сжимая до упора первое и второе эластичные кольца. Усилие прижима может тарироваться с помощью динамометрического ключа.
Перечень чертежей
На фигуре 1 представлен фрагмент предлагаемого бурового долота с первым вариантом промывочного узла.
На фигуре 2 и фигуре 3 представлены два варианта стопорных гаек для фиксации установленной насадки.
На фигуре 4 представлен вид А нижнего торца насадки.
На фигурах 5, 6, 7 и 8 представлены фрагменты предлагаемого бурового долота соответственно со вторым, третьим и четвертым вариантами промывочного узла.
На фигуре 1 позициями обозначены: 1 - корпус бурового долота, 2 - дно отверстия ниппельной части долота, 3 - канал из ниппельной части долота в сторону забоя, 4 - защитная втулка, 5 - первое эластичное уплотнительное кольцо, 6 - кольцевой выступ защитной втулки, 7 - внутренний торец защитной втулки, 8 - наружный торец защитной втулки, 9 - ступенька на стенке отверстия для размещения защитной втулки, 10 - второе эластичное уплотнительное кольцо, 11 - насадка, 12 - кольцевой паз на стенке отверстия под насадку, 13 - третье уплотнительное кольцо, 14 - резьба на боковой поверхности насадки, 15 - резьба на боковой поверхности отверстия под насадку, 16 - выступы на дне насадки для ключа поворота, 17 - контргайка для фиксации установленной насадки, 18 - резьба на боковой поверхности контргайки, 19 - резьба на стенке отверстия для контргайки.
На фигуре 2 позицией обозначены: 20 - пазы под торцевой ключ поворота на первом варианте стопорной гайки 17, остальные позиции те же, что и на фигуре 1.
На фигуре 3 позицией обозначены: 21 - отверстия под торцевой ключ поворота на втором варианте гайки 22, остальные позиции те же, что и на фигуре 1.
На фигуре 4 позициями обозначены: 23 - выступы на нижнем торце насадки, 24 - пазы для торцевого ключа поворота на нижнем торце насадки, 25 - центральное отверстие в насадке.
На фигуре 5 изображен следующий вариант предлагаемого долота, позицией обозначен: 26 - герметизирующий кольцевой слой сварки, наплавки или пайки перехода с поверхности дна 2 в зазор между защитной втулкой 4 и стенкой отверстия под нее. Остальные позиции те же, что и на предыдущих фигурах.
На фигуре 6 изображен следующий вариант предлагаемого долота, позициями обозначены: 27 - уплотнительное кольцо с другой формой, близкой к конической, поперечного сечения и с расположением под защитой скоса 28 на защитной втулке, расположенного под острым углом α=20÷45° к оси втулки. Остальные позиции те же, что и на предыдущих фигурах. Это позволяет обеспечить одновременный прижим уплотнительного кольца и к торцу защитной втулки, и к стенке гнезда под насадку.
На фигуре 7 предложена разновидность варианта 1 предлагаемого долота без эластичного уплотнительного кольца 5. Остальные позиции те же, что и на предыдущих фигурах.
На фигуре 8 предложен следующий вариант предлагаемого долота, без кольцевого слоя сварки 26. В этом варианте на выступающем конце защитной втулки 4 выполнена резьба (предпочтительно самотормозящая) 29. Уплотнительное эластичное кольцо 31 прижимается, например, гайкой 30 к поверхности дна 2, обеспечивая герметизацию перехода с поверхности дна в зазор между защитной втулкой 4 и стенкой отверстия под нее.
Сборка узла промывки по первому варианту (фиг.1) или замена насадки в полевых условиях производится следующим образом. Эластичное уплотнительное кольцо 5 надевается до упора в выступ 6 защитной втулки 4. Затем втулка 4 с кольцом 5 вставляется в отверстие в корпусе долота 1, устанавливаются эластичные уплотнительные кольца 10 и 13, с помощью торцового ключа насадка 11 заворачивается до упора, зажимая кольца 5 и 10. Надежность прижима может проверяться, например, с помощью динамометрического ключа с экспериментальным подбором минимального усилия по шкале ключа. Затем торцовым ключом заворачивается стопорная гайка 17, гарантирующая отсутствие произвольного отворота насадки. При смене насадки операции осуществляются в обратном порядке.
Сборка узла промывки по второму варианту (фиг.5) отличается от сборки первого варианта наличием сварки, наплавки или пайки 26. Она может проводиться после полной сборки узла. Во избежание подгорания колец 5, 10, 13 во время сварки корпус долота должен во время сварки опускаться в резервуар с водой, уровень которой со стороны насадки должен перекрывать уплотнительное кольцо 5.
При замене размера насадки вначале выворачивается стопорная гайка 17, насадка 11, и в случае повреждения заменяются эластичные уплотнительные кольца 13 и 10. Затем на место заворачиваются новая насадка 11 и стопорная гайка 17.
Сборка узла промывки по третьему варианту (фиг.6) отличается от первого варианта наличием конического эластичного уплотнительного кольца 27, защищенного от размыва скосом 28 на нижнем торце защитной втулки 4, выполненным под углом к оси втулки α=20÷45°, при завороте насадки, также снабженной скосом на верхней, контактирующей с кольцом, поверхности.
Сборка узла промывки и замена насадки по четвертому варианту (фиг.8) отличаются от первых четырех вариантов наличием механического уплотнения 31, резьбы 29 на конце защитной втулки 4 и прижимной гайки 30. После сборки защитной втулки 4 с кольцом 5, установки колец 10 и 13, заворота насадки 11 и контргайки 17 на конец защитной втулки 4 надевается уплотнительное кольцо 31, сечение которого может быть различным (например, плоским, как показано на фиг.8). С помощью заворота гайки 30 кольцо 31 плотно герметизирует зазор между защитной втулкой 4 и стенкой отверстия под нее. При необходимости гарантии от отворота гайки 30 и абразивного ее износа потоком промывочной жидкости над ней может быть установлена еще одна контргайка (не показано).
При замене насадки вначале отворачивается гайка 30, а затем разборка и сборка производятся аналогично варианту 1 с последующим креплением уплотнения 31 гайкой 30.
Результаты промысловых испытаний образцов предлагаемых буровых долот подтверждают их значительное преимущество по стойкости и упрощенной замене насадок в полевых условиях.
Источники информации
1. Патент США №3084751 С1, 175-340, «Насадка бурового долота» (аналог).
2. Композит - каталог фирмы «Варел» (США), 1995, стр.14 (аналог).
3. Espacenet WO 2008/060561 A1, 22.05.2008, E21B 10/61 (прототип).