Стандартный промывочный узел в шарошечных и алмазных долотах, применяемый ведущими мировыми долотными фирмами долгое время, считался достаточно надежным [1]. Этот узел содержит гнездо под промывочную насадку, выполненное в конце промывочного канала, соединяющего внутреннюю полость долота с выходом на забой. На внутренней стенке такого гнезда выполняются канавки. Одна из них в верхней части канала гнезда для установки эластичного уплотнительного кольца круглого сечения между стенкой гнезда и насадкой.

Крепление насадки в гнезде обеспечивается установкой упругого разжимного стопорного кольца под нижним торцем насадки в другой канавке. Предварительно сжатое пружинное кольцо после установки насадки в гнезде, вставляется и разжимается внутри канавки, замыкая насадку.

Если по условиям бурения в том или ином интервале по гидравлическому расчету буровиков требуется изменить расход и давление промывочного раствора для очистки забоя от выбуренной породы, размер насадки из твердого сплава по выходному промывочному диаметру может заменяться. Для этого достаточно сжать и вынуть из стопорной канавки стопорное кольцо, со стороны ниппеля выколоткой выдавить насадку из ее гнезда, в паз гнезда вставить новое уплотнение, вдвинуть сквозь него насадку с новым выбранным выходным промывочным диаметром и снова установить разжимное стопорное кольцо.

В 1980 году фирма "Дрессер" (США) продала ОАО "Волгабурмаш" лицензию на производство высокоэффективных 37 низкооборотных долот, технологию их производства, состав основных и вспомогательных материалов, а также полный состав технологического оборудования, необходимого для организации нового производства. В состав технической документации, прилагаемой к договору о лицензии, входил список передаваемых патентов, защищавших отдельные узлы лицензионных долот.

В числе этих семи патентов был патент, защищавший промывочный узел долота, отличавшийся от вышеуказанного стандартного промывочного узла тем, что в стопорном узле вместо разжимного кольца использовался стопорный стержень в виде гвоздя со шляпкой, вводимого в торовидное кольцевое пространство, образованное наполовину в поверхности стенки самой насадки и наполовину в поверхности на стенке гнезда под насадку. Полученное при перемещении насадки торовидное пространство с помощью цилиндрического отверстия связывается с наружной поверхностью на приливе промывочного узла корпуса лапы. При введении в это отверстие изгибающегося по его форме мягкого стержня-гвоздя по всей длине торовидного пространства, насадка надежно фиксировалась в своем гнезде. Вставленный в торовидное пространство стержень-гвоздь позволял многократно (до 20 раз) повышать надежность крепления насадки.

Однако такое решение не могло повысить стойкость от размыва стандартного герметизирующего эластичного кольца круглого сечения, а значит всего промывочного узла.

В патенте США [2] эта проблема была решена заменой эластичного кольца с круглым сечением на эластичное, более износостойкое кольцо с сечением, близким к прямоугольному. Такое уплотнительное кольцо со значительно большей контактной площадью с промывочной насадкой и стенкой гнезда, значительно надежнее уплотняло насадку даже при увеличенном давлении промывочной жидкости во время применения форсированных режимов бурения. Насадка могла, благодаря указанным изменениям, крепления и уплотнения могла работать непрерывно уже многие десятки часов, при доступности ее замены в полевых условиях.

В начале 2000-х годов во всем мире быстрыми темпами начали успешно осваиваться долота с суперстойким алмазным вооружением (РДС). Стойкость этих долот стремительно росла и стала исчисляться не десятками, а сотнями часов. Стойкость герметизируемых промывочных узлов, о которых упоминалось выше, стала препятствием для внедрения алмазных долот. При длительном времени работы долот размывались не только сами промывочные узлы, но и окружающий их материал корпуса долота. Эта проблема дополнительно усугубляется тем, что каждая долотная фирма стремилась разработать собственный патентоспособный вариант промывочного узла, поскольку патент защищает собственное производство и позволяет иногда продавать лицензии на право использования патентованного решения. Суды карают нарушения патентных прав многомиллионными штрафами, так как рассматривают такие нарушения как посягательство на основу государства - на частную собственность. Поэтому жестко конкурирующие между собой долотные фирмы предпочитают тратить до 25 % прибыли на исследование и решение технических проблем долот одновременно с их патентной защитой.

За последние годы ведущим долотным фирмам выданы более сотни патентов, в основном в США, на различные варианты промывочных узлов с попытками решения проблемы повышения их стойкости от размыва промывочной жидкостью. Эти варианты касались улучшения конструкций, технологии выполнения, материалов, напыления поверхностей износостойкими покрытиями, применения герметизирующих сварки и наплавки. Однако, проведение исследований и выданные патенты на полученные решения не успевали за быстро растущей потребностью повышения стойкости промывочных узлов алмазных долот, средняя проходка у которых возросла до 20 и более километров.

Один из наиболее удачных вариантов промывочного узла предложен авторами Европатента [3] в 2008 году. Крепление твердосплавной промывочной насадки обеспечивается не отдельным стопорным элементом, как ранее, а наличием длинной наружной резьбы, выполненной на твердосплавной боковой поверхности самой насадки. Насадка с надетыми на нее в верхней части уплотнительными эластичными элементами, закручивается в своем резьбовом гнезде с помощью динамометрического ключа, торцевые выступы на котором конгруэнтны отверстиям на нижнем торце насадки. Для защиты входа промывочного канала, выходящего из корпуса долота, размываемого при длительном бурении, выше торца сменной промывочной насадки, устанавливается дополнительная ступенчатая защитная твердосплавная втулка, выступающая над дном отверстия в ниппельной части корпуса и имеющая на противоположном конце опорной концевой выступ, наружный диаметр которого больше диаметра верхнего входного канала.

Однако, и у этого патентованного решения имеются свои недостатки, сводящие на нет его преимущества. Нет защиты от промывки зазора на входе между защитной дополнительной втулкой и корпусом, между торцами защитной втулки и насадки.

Не исключается возможность отворота из резьбы и выпадения насадок из-за сильнейшей вибрации при бурении бурильной колонны. Недостаточно надежна боковая и торцевая герметизация защитной втулки и насадки.

Для решения этих проблем в ОАО "Волгабурмаш" и на базовой кафедре "Инновационные технологии" факультета МиАТ САмГТУ проведены исследования и разработан новый пролмывочный узел долота, обладающий мировой новизной [4] и представленный на рис.

В этом долоте инновационный вариант промывочного узла обеспечивает полную гарантию уплотнения и фиксации насадки в течение всего времени работы долота, надежность и легкость замены насадки при возникновении такой необходимости в бурении.

На рис.1-4 позициями обозначены: 1 - корпус бурового долота; 2 - дно отверстия ниппельной части долота; 3 - канал из ниппельной части долота в сторону забоя; 4 - промежуточная защитная втулка; 5 - первое уплотнительное защитное кольцо; 6 - кольцевой выступ защитной втулки; 7 - внутренний торец защитной втулки; 8 - наружный торец защитной втулки; 9 - насадка; 10 - второе уплотнительное защитное 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 ее поворота; 17 - контргайка для стопорения установленной насадки; 18 - резьба на боковой поверхности контргайки; 19 - резьба на стенке отверстия под стопорную контргайку.

Сборка узла промывки 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 торцевого ключа насадка 11 заворачивается до упора, зажимая кольца 5 и 10. Надежность зажима может проверяться, например, с помощью динамометрического ключа до подобранного усилия, отмеченного на шкале ключа. Затем, торцевым ключом заворачивается стопорная гайка. Зажим одновременно пары резьб 14 и 18 является гарантией произвольного отворота насадки. При смене насадки операции осуществляются в обратном порядке.

Результаты стендовых промывочных испытаний образцов предлагаемых буровых долот подтверждают их значительное преимущество по стойкости и упрощенной замене насадок в полевых условия.

Рис.1.

буровое долото глубокое бурение промывочный узел

Рис.2.

Рис.3.

Рис.4.

Список литературы

1. Богомолов Р.М., Носов Н.В., Крылов С.М., Кремлев В.И. Совершенствование технологии и сборки буровых шарошечных долот.М. Машиностроение, 2014, с.

2. Патент США № 3084751С1 175-340. Насадка бурового долота.

3. Европатент WO2008/060561А1; Е21В 10/61, 22.05.2008.

4. Богомолов Р.М., Крылов С.М. Гринев А.М., Серых К.С. Буровое долото с промывочными узлами, патент РФ № 2509199С2 опубл.10.03.2014 г. Е21 10/61.

Размещено на Allbest.ru