ДОЛОТО PDC С ПРОМЫВОЧНЫМИ УЗЛАМИ
PDC DRILL BIT WITH FLUSHING 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 поток вначале попадает во внутреннюю полость насадки с профилем, формирующим форму струи, а затем этот поток попадает на поверхность забоя, барботирует шлам разрушенной породы, отрывает его от забоя и уносит по затрубному пространству долота на верх скважины, где поток очищается от шлама и снова подается 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 выходному 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 выходного отверстия насадок, необходимая по гидравлическим расчетам, производится на буровой 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 насадки выдавливаются на забой вместе со стопорными кольцами.
Известно другое буровое долото PDC 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 относятся случаи разгерметизации и размыва на входе каналов из внутренней полости корпуса и стенок каналов в зоне установки промывочных насадок из-за недостаточно надежной герметизации по эластичным уплотнительным кольцам на стенке гнезда под насадку, когда время эксплуатации долота начало исчисляться сотнями часов.
Сложность защиты от размыва дна внутренней полости долот связана еще с тем, что входные кромки и поверхность дна внутренней полости корпуса труднодоступны для наплавки твердого сплава электродом или горелкой из-за относительно малого диаметра и значительной глубины полости. Эти попытки оказались недостаточно надежными и трудоемкими.
Делались попытки покрывать изнашиваемые поверхности электрохимическими способами слоями высокостойких материалов. Но их стойкости от гидроизноса также не хватало, особенно внутри подводящих каналов небольшого диаметра, в которых не удавалось обеспечить внутри электролита в ванной достаточный слой из-за слабой циркуляции сразу в нескольких каналах, направленных под разными углами.
И в этом случае проблему стойкости поверхностей корпуса удачно решить не удалось.
Наиболее удачной оказалась защита внутренней поверхности стенок подводящих каналов с помощью закрепляемых промежуточных защитных втулок, устанавливаемых и закрепляемых над насадкой.
Но кромки и места входа и открывающиеся под ними слои во внутреннюю полость продолжали оставаться малозащищенными.
Целью данного изобретения является создание надежного варианта бурового долота PDC со стойкими промывочными узлами.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности и долговечности долота PDC со стальным корпусом и сменными износостойкими твердосплавными насадками.
Этот результат достигается тем, что в долоте PDC, включающем сварной корпус, состоящий из двух частей - верхней, с присоединительной резьбой, пазами для заворота ключом на бурильной колонне, с внутренней полостью, резьбой для сборки с нижней частью корпуса, также содержащей внутреннюю полость, защитный стакан с плоским дном на дне этой полости, каналы для установки износостойких промежуточных втулок и гидромониторных насадок для прохода промывочной жидкости, лопасти с боковыми и торцевыми резцами PDC, в котором между плоским торцом в полости нижней части корпуса и защитным стаканом, по поверхности их контакта, установлена сжимаемая плоская круглая эластичная прокладка с отверстиями, ответными положению износостойких промежуточных втулок, при этом концы износостойких промежуточных втулок со стороны гидромониторных сменных насадок имеют установочную базу в виде кольцевого упора большего диаметра, чем диаметр отверстия под эти втулки, с кольцевыми пазами с верхней и нижней стороны кольцевого упора под установку ответных пазам герметизирующих уплотнительных колец круглого сечения.
Необходимое усилие прижима прокладки обеспечивается при свинчивании верхней и нижней части корпуса перед их сваркой и подбирается индивидуально в зависимости от размеров долота и может контролироваться, например динамометрическим ключом.
Защитные втулки для стенок каналов из износостойких материалов, например, вольфрамокобальтовых, устанавливаются так, чтобы входные отверстия для промывочной жидкости находились выше уровня внутренней поверхности дна стакана. Другие концы втулок имеют установочную базу, например, в виде упора кольцевого упорного кольца большего диаметра, чем диаметр отверстия под втулку. Возможно применение любых известных эластичных герметизирующих элементов на кольцевом упоре в теле нижнего корпуса в канале по наружному диаметру втулки, а также по ее другому торцу, например кольцами с круглым поперечным сечением.
Твердосплавные насадки также могут иметь любые известные геометрические, герметизирующие и стопорные элементы.
Перечень фигур чертежей
На фигуре 1 представлено осевое сечение предлагаемого долота PDC с промывочными узлами.
На фигурах 2, 3 и 4 показаны элементы одного из предлагаемых вариантов крепления промежуточной защитной втулки и твердосплавной промывочной насадки. На фигуре 2 - вариант торцевых пазов насадки для торцевого ключа заворота - отворота, на фигуре 3 показан вариант заворотной гайки с пазами для ключа, а на фигуре 4 - вариант стопорной контргайки с отверстиями под ключ для гайки заворотной.
На фигуре 5 представлен фрагмент сечения А-А фигуры 1 с примерной схемой расположения выходов промежуточных защитных втулок на уровне плоской круглой эластичной прокладки.
На фигуре 1 позициями обозначены: 1 - верхняя часть корпуса, 2 - нижняя часть корпуса, 3 - присоединительная резьба, 4 - пазы для заворота на бурильной колонне, 5 - внутренняя полость верхней части корпуса, 6 - внутренняя полость нижней части корпуса, 7 - резьба для сборки частей корпуса, 8 - каналы для подвода к забою промывочной жидкости, 9 - износостойкие втулки для защиты стенок подводящих каналов 8; 10 - износостойкие сменные насадки, 11 - уплотнительные элементы для втулок и насадок 10; 12 - стопорная гайка, 13 - контргайка, 14 - резьба для гаек 12 и 13; 15 - лопасти для размещения боковых защитных пластин PDC 16, а также породоразрушающих пластин 17; 25 - защитный стакан, 26 - верхняя торцевая поверхность стакана, 27 - сварочный шов верхней и нижней части корпуса долота, 28 - плоское дно стакана, 29 - внутренняя стенка нижней части корпуса, 30 - плоская круглая эластичная прокладка.
На фигуре 2 позициями обозначены: 18 - центральное отверстие в сменной твердосплавной насадке, 19 - крестовидный паз для торцевого ключа для отворачивания - заворачивания насадок.
На фигуре 3 позициями обозначены: 20 - центральное отверстие, 21 - шлицевые пазы для торцевого ключа, 22 - резьба.
На фигуре 4 позициями обозначены: 22 - резьба, 23 - центральное отверстие, 24 - отверстие для выступов торцевого ключа.
На фигуре 5 показан фрагмент сечения А-А, позициями обозначены: 29 - стенка внутренней полости нижней части корпуса 2; 9 - износостойкие втулки для защиты стенок подводящих каналов со схемой варианта их размещения, 30 - плоская круглая эластичная прокладка.
Сборка промывочного узла (фиг.1) или замена насадки в полевых условиях производится следующим образом. Верхнее уплотнительное кольцо 11 надевается до упора в выступ наружной поверхности износостойкой втулки 9. Затем втулка 9 с уплотнительным эластичным кольцом круглого сечения вставляется в отверстие в нижней части 2 корпуса долота, устанавливаются среднее кольцо 11 и нижнее кольцо 11 для герметизации насадки. Затем с помощью торцовых ключей насадка 10 заворачивается до упора, зажимая последовательно по резьбе 14 гайку 12 и контргайку 13.
Затем, ориентируясь на выступающие износостойкие втулки 9, на дно полости нижней части корпуса 2 укладывается плоская круглая эластичная прокладка 30. Затем во внутреннюю полость устанавливается стакан 25, ориентируемый отверстиями в дне таким образом, чтобы они совпали с выступающими износостойкими втулками 9 в нижней части корпуса 2. Затем верхняя часть корпуса завинчивается в нижнюю и, упираясь в верхний торец стакана 25, плотно прижимает круглую эластичную прокладку к плоскому торцу дна нижней части корпуса ровно по всей поверхности контакта, надежно герметизируя все детали узла промывки. При необходимости замены размера насадки вначале отвинчивается контргайка 13, затем гайка 12 и заменяемая насадка. После замены насадки и ее заворота до упора во втулку 9 вновь заворачивается гайка 12 и контргайка 13.
Результаты промысловых испытаний образцов предлагаемых буровых долот подтверждают их преимущества по стойкости и удобству замены насадок в полевых условиях.
Источники информации
1. Патент США №3084751 С1, 175-340 «Насадка бурового долота» (аналог).
2. Композит - каталог фирмы «Варел» (США), изд. «PENDEMAK INDUSTRIES LTD», Канада, 1995, стр.14 (аналог).
3. Каталог ОАО «Волгабурмаш» (РФ), изд. ОАО «Волгабурмаш», г. Самара, 2003, стр.34 (прототип).