ПРОМЫВОЧНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ БУРОВОГО ДОЛОТА
FLUSHING UNIT FOR DRILLING BIT

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к инструменту для бурения 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 во внутреннюю полость насадки с профилем, формирующем форму струи, а затем через затрубное пространство, заполненное промывочной жидкостью, поток попадает на поверхность забоя, барбатирует шлам разрушенной породы, отрывает его от забоя и уносит по затрубному пространству на верх скважины для очистки и новой подачи насосами на забой.
На стенке гнезда под насадку выполнен кольцевой 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 паза в гнезде 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 в долоте многочисленные промывочные отверстия с твердосплавными насадками чаще всего располагаются на выпуклых поверхностях корпуса с заглублением между лопастями, с разными расстояниями и наклонами каналов относительно оси долота. Такое расположение промывочных узлов в долотах PDC затрудняет замену насадок в полевых условиях. 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 за ее торцем. 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 перед бурением 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 с разжимным кольцом следующие. Технологически сложно выполнить закалку 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, особенно затруднительна. Кроме того, в бурении при высоких давлениях на стояке насадки воздействуют на стандартные тонкие стопорные кольца, изгибают их по толщине, разгибают их по диаметру и постепенно выдавливают насадки на забой вместе со стопорными кольцами.
Известно другое буровое долото с промывочным узлом [3], принятое за прототип. В этом долоте используются цельные твердосплавные насадки, закрепляемые в гнездах на корпусе с помощью резьбы на их боковой поверхности. На торце насадки предусмотрен паз под ключ, а в верхней части гнезда - проточка для установки эластичного уплотнительного кольца.
Достоинство этого варианта в том, что смена насадок при необходимости происходит просто - насадка вывинчивается из гнезда обычным торцовым ключом, а новая, с другим диаметром выходного отверстия, этим же ключом заворачивается на место. К недостаткам относится трудность изготовления насадки, особенно выполнение мелкой самотормозящей резьбы по твердому сплаву. Из-за сильных вибраций бурильной колонны нередки случаи произвольного выкручивания насадок и попадания их на забой, приводящие к аварии. Встречаются случаи разгерметизации и размыва стенок каналов в зоне установки промывочных насадок из-за недостаточно плотного прижима эластичных уплотнительных колец к торцу гнезда под насадку и наличия зазора по резьбе.
Целью данного изобретения является создание надежного варианта бурового долота с насадками для промывочных узлов, простого технологически и позволяющего легко сменять насадки с различными диаметрами выходных отверстий.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности бурового долота со сменными промывочными узлами. Этот результат достигается тем, что промывочный узел для бурового долота включает каналы для подвода к забою промывочной жидкости, гнезда на выходе из каналов для размещения износостойких насадок с герметизирующими и стопорными элементами, в котором стопорный элемент выполнен в виде штифта, один конец которого имеет резьбу и завинчен в ответное отверстие в корпусе в зоне стенки гнезда под торцевым уступом насадки, запирая ее; другой конец штифта выступает из отверстия на длину порядка l=(3÷5)d диаметра штифта и загнут до поверхности упорного паза на поверхности корпуса на угол порядка α>25°.
Такой угол гарантирует невозможность отворота штифта при ударах и вибрациях во время работы долота. В то же время, запирающая часть стального штифта, работающая на срез, гарантирует стойкость стопорного узла. При необходимости смены насадки, головка штифта отгибается оправкой до выпрямления относительно оси отверстия под штифт и штифт выворачивается из отверстия, освобождая сменяемую насадку. После смены штифт снова заворачивается в отверстие и загибается до стенки упорного паза, где находится под защитой от истирания соседней поверхностью корпуса.
Такая конструкция обеспечивает полную гарантию фиксации насадки в промывочном узле в течение всего времени работы долота, надежность и легкость замены насадок в бурении.
Перечень фигур чертежей
На фигуре 1 представлен вид бурового долота PDC с промывочными узлами.
На фигуре 2 представлено сечение А-А по оси промывочного узла.
На фигуре 3 представлен контур вида Б.
На фигуре 4 представлен контур вида В.
1
На фигуре 5 представлен контур вида Б.
На фигуре 6 представлен контур вида Г.
На фигуре 1 позициями обозначены; 1 - корпус долота PDC, 2 - лопасть, 3 - породоразрушающие зубья, 4 - промывочные узлы на корпусе 1.
На фигуре 2 позициями обозначены: 1 - корпус долота; 5 - подводной канал для промывочной жидкости из внутренней полости долота к промывочному гнезду 6; 7 - кольцевой паз для эластичного уплотнительного кольца 8 на боковой стенке гнезда 6; 9 - износостойкая насадка; 10 - стопорный штифт.
На фигуре 3 позициями обозначены: 1 - корпус, 9 - насадка, 10 - завернутый стопорный штифт с выступающей частью длиной l≥3d с резьбой на конце (прямой), 11 - бобышка-ступенька на поверхности корпуса, 12 - резьбовое отверстие в корпусе диаметром d, 13 - граничный паз для загиба стопорного штифта.
На фигуре 4 позициями обозначены: 1 - корпус, 9 - насадка, 10 - штифт, 11 - бобышка.
На фигуре 5 позициями обозначены: 1 - корпус, 9 - насадка, 11 - бобышка, 13 - граничный паз для загиба стопорного штифта, 14 - стопорный штифт в загнутом положении.
На фигуре 6 позициями обозначены: 1 - корпус, 9 - насадка, 11 - бобышка, 14 - стопорный штифт в рабочем загнутом положении.
Сверление отверстия под стопорный штифт и фрезерование граничного паза для загиба стопорного штифта может осуществляться без наличия бобышки непосредственно на корпусе при наличии соответствующего понижения его профиля перед насадкой (на чертеже не показано).
Монтаж промывочного узла осуществляется следующим образом. В собранном долоте или на секциях в паз на стенках гнезда под насадки устанавливаются уплотнительные кольца, устанавливаются насадки, вставляются и завинчиваются стопорные штифты, выступающие концы штифтов загибаются до поверхности граничного паза. В случае замены насадок выступающие концы штифтов разгибаются до положения, позволяющего вывернуть штифты и извлечь насадку. После их замены монтаж промывочного узла осуществляется в вышеуказанном порядке.
Результаты промысловых испытаний образцов предлагаемых буровых долот подтверждают их 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. Каталог ОАО «Волгабурмаш» (РФ), 2003, стр.34 (прототип).