БУРОВОЕ ДОЛОТО С ПРОМЫВОЧНЫМ УЗЛОМ
DRILLING BIT WITH WASHING UNIT

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, барботирует 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 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 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, разгибают их по диаметру, изгибают их по толщине 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 - проточка для установки эластичного уплотнительного кольца.
Достоинство этого варианта в том, что смена насадок при необходимости происходит просто - насадка вывинчивается из гнезда обычным ключом, а новая, с другим диаметром выходного отверстия, этим же ключом заворачивается. К недостаткам относится трудность изготовления, 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.
Целью данного изобретения является создание надежного варианта бурового долота с насадками для промывочных узлов и простого технологически.
а
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности бурового долота со сменными промывочными узлами. Этот результат достигается тем, что в долоте с промывочным узлом, 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, в котором торец гнезда под насадку выполнен с кольцевым защитным заглублением  вершины насадки, его боковая цилиндрическая поверхность выполнена с кольцевым фигурным пазом для размещения эластичного уплотнительного кольца круглого сечения, сужающимся к выходу под острым углом α=12÷20° к оси гнезда, на выходе из которого выполнена резьба для установки поджимной гайки и стопорной контргайки с элементами для поворота и разворота гаек в гнезде, а также центральными отверстиями для прохода промывочной жидкости.
Поскольку выход из подводящего канала расположен ниже входа в насадку и металл корпуса, окружает вершину насадки, защищая ее, стойкость узла от размыва повышается. Чтобы еще больше замедлить возможность размыва и вылета насадки на забой, на боковой цилиндрической поверхности гнезда выполнен фигурный паз для размещения эластичного уплотнительного кольца, преимущественно круглого сечения, сужающийся на конус с острым углом α=12÷20° к оси гнезда. Это обеспечивает при большем давлении промывочной жидкости гарантию повышения уплотнения. Чем больше давление, тем глубже в сужающееся коническое пространство сдвигается уплотнительное эластичное кольцо и тем надежнее становится уплотнение.
Угол α=12÷20° установлен экспериментально. Именно в таких пределах угла дополнительное уплотнение возникает наиболее эффективно.
Стопорный узел представлен в виде резьбы, предпочтительно самотормозящей, на выходе из гнезда и двух гаек - поджимающей и стопорной контргайки с центральными отверстиями для прохода промывочной жидкости. Этот узел обеспечивает полную гарантию фиксации насадки в промывочном узле в течение всего времени работы долота, надежность и легкость замены насадки при возникновении необходимости в бурении. Для удобства свинчивания и развинчивания гаек поодиночке (разом две гайки не отворачиваются теоретически), каждая из гаек снабжена сквозными отверстиями в теле или открытыми снаружи пазами под выступы торцевых ключей. При замене насадки сначала отворачивается верхняя, стопорная контргайка с помощью ударной нагрузки на рукоятку торцевого ключа, а затем также отворачивается нижняя поджимающая гайка.
Перечень фигур чертежей
На фигуре 1 представлен вид бурового долота PDC с насадками для промывочных узлов.
На фигуре 2 представлено сечение узла А-А по оси промывочного узла.
На фигуре 3 представлен контур сечения корпуса по А-А.
На фигуре 4 представлен вариант поджимающей гайки.
На фигуре 5 представлен вариант стопорной гайки.
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: 5 - подводной канал для промывочной жидкости из внутренней полости долота к промывочному гнезду 6; 7 - кольцевое защитное заглубление для вершины насадки 8; 9 - кольцевой фигурный паз для эластичного уплотнительного кольца 10 на боковой стенке гнезда 6; 11 - поджимная резьбовая гайка, 12 - стопорная контргайка, 13 - резьба на входе в гнездо 6 для гаек 11 и 12; 14 - вариант поджимной гайки со сквозными отверстиями 15 для выступов торцевого ключа и центральным отверстием 16; 17 - вариант стопорной гайки со сквозными пазами 18 для торцевого ключа и центральным отверстием 19.
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. Каталог ОАО «Волгабурмаш» (РФ), 2003, стр.34 (прототип).