RU2167994C1

RU2167994C1 - Drill bit

Info

Publication number: RU2167994C1
Application number: RU99127014A
Authority: RU
Inventors: М.А. Комаров; Р.М. Богомолов; И.П. Мельничук; Л.Н. Думкин; Н.М. Цехмистренко; Н.М. Панин
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт экономики минерального сырья и недропользования
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: drill bit applicable in compressed air drilling. SUBSTANCE: drill bit comprises body with air courses for hole bottom cleaning and cooling of cone bearings and check valves installed in hollows bored in body perpendicular to air courses. Check valves are made in the form of spring-loaded pistons with retainers and guide. Piston is cylindrical in shape with bevelled end oriented with its top towards its lower part and held in such position by guide formed by longitudinal recess on piston side surface and rod installed in recess and secured in drill bit body. Value of axial motion of piston is limited by retainer installed coaxially to piston for interaction of its internal end face with protrusion of piston bevelled end. Retainer has flexible spacer secured on side of air course. Piston diameter on side of air course of end face is equal to or larger than diameter of air course in zone of their conjugation. EFFECT: increased footage per bit and rate of penetration. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к шарошечным долотам для бурения скважин с продувкой сжатым газом или воздухом. Эффективность работы этих долот в значительной степени определяется надежностью защиты опор шарошек от попадания шлама через продувочные каналы в лапах долота, особенно при наращивании бурового става и аварийном прекращении подачи очистного агента на забой скважины. The invention relates to the field of rock cutting tools, and in particular to cone bits for drilling wells with purging with compressed gas or air. The performance of these bits is largely determined by the reliability of the protection of the cones of the cones from the penetration of sludge through the purge channels in the paws of the bit, especially when building the drill stand and the emergency stop of the supply of treatment agent to the bottom of the well.

Известно буровое долото, содержащее корпус с ниппелем и продувочными каналами и установленные в них клапанные узлы, состоящие из запорного органа и возвратной пружины [1]. Known drill bit containing a housing with a nipple and purge channels and installed in them valve assemblies, consisting of a locking member and a return spring [1].

Недостатком данного долота является выход запорного органа и части возвратной пружины во время работы за пределы корпуса долота. Это приводит к абразивному износу запорного органа и пружины обратным потоком очистного агента, содержащего, как правило, большое количество частиц твердого шлама. Кроме того, крупные частицы шлама, попадая в полость между седлом клапана и запорным органом, не позволяют сократиться пружине и тем самым нарушают герметичность клапана. The disadvantage of this bit is the output of the locking element and part of the return spring during operation outside the body of the bit. This leads to abrasive wear of the locking element and the spring by the reverse flow of the cleaning agent, which usually contains a large number of particles of solid sludge. In addition, large particles of sludge, falling into the cavity between the valve seat and the locking element, do not allow the spring to contract, and thereby violate the valve tightness.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое долото, содержащее корпус с ниппелем, шарошками и каналами для охлаждения опор шарошек и очистки забоя от шлама и обратный клапан в виде подпружиненного поршня с фиксатором осевого перемещения, установленных в выемке, просверленной перпендикулярно к очистному каналу [2]. The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a drill bit containing a housing with a nipple, cones and channels for cooling the cones and cleaning the bottom of the sludge and a non-return valve in the form of a spring-loaded piston with an axial displacement retainer installed in a recess drilled perpendicular to treatment channel [2].

Недостатком этого долота является возможность зашламования полости между хвостовиком поршня и его направляющей втулкой, где расположена пружина, что может привести к выходу из строя пружины, а следовательно, и к заклиниванию поршня. Кроме того, это нарушает герметичность клапана и не исключает возможность попадания шлама в опоры шарошек с последующим выходом долота из строя. Другим недостатком известного долота является значительная металлоемкость клапанного узла, выполненного в виде отдельного переводника. The disadvantage of this bit is the possibility of slamming the cavity between the piston shank and its guide sleeve, where the spring is located, which can lead to failure of the spring, and consequently, to piston jamming. In addition, this violates the tightness of the valve and does not exclude the possibility of sludge getting into the bearings of the cone with the subsequent failure of the bit. Another disadvantage of the known bit is the significant metal consumption of the valve assembly, made in the form of a separate sub.

В соответствии с изложенным техническим результатом изобретения является увеличение проходки на долото и механической скорости бурения за счет повышения надежности работы клапанного узла, снижение металлоемкости долота и, как следствие всего этого, - уменьшение себестоимости буровых работ. In accordance with the stated technical result of the invention is an increase in penetration at the bit and the mechanical drilling speed by improving the reliability of the valve assembly, reducing the metal consumption of the bit and, as a consequence of all this, reducing the cost of drilling.

Достижение поставленного технического результата обеспечивается тем, что в буровом долоте, содержащем корпус с ниппелем, шарошками и каналами для охлаждения опор шарошек и для очистки забоя от шлама и обратный клапан в виде подпружиненного поршня с фиксатором осевого перемещения, установленных в выемке, просверленной перпендикулярно к очистному каналу, согласно изобретению, каждый обратный клапан расположен в корпусе между полостью ниппеля и выходной частью очистного канала и снабжен направляющей, при этом часть поршня для перекрытия очистного канала выполнена со скошенным торцом, вершина которого расположена в нижней части поршня с возможностью взаимодействия с торцом фиксатора. The achievement of the technical result is ensured by the fact that in the drill bit containing a housing with a nipple, cones and channels for cooling the bearings of the cones and for cleaning the bottom of the sludge and a check valve in the form of a spring-loaded piston with an axial displacement retainer installed in the recess drilled perpendicular to the treatment to the channel, according to the invention, each non-return valve is located in the housing between the nipple cavity and the outlet part of the treatment channel and is provided with a guide, while a part of the piston for closing the cleaning channel is made with a beveled end, the top of which is located in the lower part of the piston with the possibility of interaction with the end face of the latch.

Дополнительно достижению указанного технического результата способствует также и то, что:
- фиксатор клапана выполнен в виде резьбового диска, торец которого, контактирующий с вершиной скошенного торца поршня, оснащен эластичной прокладкой;
- направляющая клапана образована продольным пазом на боковой поверхности поршня и стержнем, закрепленным на корпусе долота и совмещенным с пазом поршня.Additionally, the achievement of the specified technical result also contributes to the fact that:
- the valve retainer is made in the form of a threaded disk, the end of which is in contact with the top of the beveled end of the piston, equipped with an elastic gasket;
- the valve guide is formed by a longitudinal groove on the side surface of the piston and a rod mounted on the body of the bit and combined with the groove of the piston.

На фиг.1 изображен общий вид бурового долота; на фиг.2 - клапанный узел в увеличенном масштабе в исходном положении. Figure 1 shows a General view of the drill bit; figure 2 - valve assembly on an enlarged scale in the initial position.

Буровое долото содержит лапы 1 с ниппелем 2, каналами 3 и 4 соответственно для охлаждения опор шарошек 5 и для очистки забоя от шлама и размещенные с возможностью перекрытия очистных каналов 4 обратные клапаны 6. Последние размещены в выемках 7, просверленных в корпусе 1 долота перпендикулярно к очистным каналам 4 между их выходной частью и полостью ниппеля 2. Каждый обратный клапан 6 включает поршень 8, фиксатор 9, возвратный элемент в виде пружины 10 или эластичной оболочки (не показана) и направляющую. The drill bit contains paws 1 with a nipple 2, channels 3 and 4, respectively, for cooling the bearings of the cones 5 and for cleaning the bottom from sludge and non-return valves 6 arranged with the possibility of overlapping the treatment channels 4. The latter are located in the recesses 7 drilled in the body 1 of the bit perpendicular to treatment channels 4 between their outlet part and the cavity of the nipple 2. Each check valve 6 includes a piston 8, a retainer 9, a return element in the form of a spring 10 or an elastic shell (not shown) and a guide.

Поршень 8 выполнен в виде цилиндра с глухим отверстием 11 для размещения пружины 10 или возвратного элемента и со скошенным рабочим торцом 12, который расположен со стороны очистного канала 4 и ориентирован таким образом, что вершина 13 торца располагается со стороны нижней части цилиндра. Поршень 8 свободно перемещается вдоль выемки 7, при этом зазор между стенками выемки и наружной поверхностью поршня герметизируется уплотнительным кольцом 14, устанавливаемым в проточке на наружной поверхности цилиндра или на внутренней поверхности выемки 7. Для упрощения конструкции поршень 8 на фиг. 2 выполнен одного диаметра, однако он может иметь и ступенчатую форму. Но в любом случае скошенный торец 12 поршня должен полностью перекрывать в исходном положении очистной канал 4 в зоне их сопряжения. Для обеспечения лучшей работы пружины 10 в глухом отверстии 11 поршня 8 установлена телескопическая пара стержней 15 и 16. The piston 8 is made in the form of a cylinder with a blind hole 11 for accommodating the spring 10 or return element and with a beveled working end 12, which is located on the side of the treatment channel 4 and is oriented so that the top 13 of the end is located on the side of the lower part of the cylinder. The piston 8 moves freely along the recess 7, while the gap between the walls of the recess and the outer surface of the piston is sealed with a sealing ring 14 installed in the groove on the outer surface of the cylinder or on the inner surface of the recess 7. To simplify the design, the piston 8 in FIG. 2 is made of the same diameter, however, it may also have a stepped shape. But in any case, the beveled end face 12 of the piston should completely overlap in the initial position the treatment channel 4 in the area of their mating. To ensure the best operation of the spring 10, a telescopic pair of rods 15 and 16 is installed in the blind hole 11 of the piston 8.

Фиксатор 9, располагаемый соосно с поршнем 8, имеет форму диска с резьбой 17, наружний торец которого выполнен с граненым хвостовиком 18 под ключ для ввинчивания в резьбовую часть выемки 7, а внутренний торец оснащен эластичной прокладкой 19, взаимодействующей в исходном положении с вершиной 13 рабочего торца поршня 8. Прокладка 19 крепится на торце диска клеем или другим известным способом. Резьбовое соединение диска с корпусом 1 обеспечивает бесступенчатое регулирование степени сжатия пружины 10, а следовательно, и усилия прижатия рабочего торца поршня 8 к внутреннему торцу диска. Кроме того, оно позволяет фиксировать скошенный торец 12 поршня 8 в определенном положении относительно очистного канала 4, что бывает необходимо осуществлять в зависимости от величины расхода очистного агента. The latch 9, located coaxially with the piston 8, has the form of a disk with a thread 17, the outer end of which is made with a faceted shank 18 under the key for screwing into the threaded part of the recess 7, and the inner end is equipped with an elastic gasket 19, interacting in the initial position with the top 13 of the working the end face of the piston 8. The gasket 19 is mounted on the end of the disk with glue or other known method. The threaded connection of the disk to the housing 1 provides stepless control of the compression ratio of the spring 10, and hence the efforts of pressing the working end of the piston 8 to the inner end of the disk. In addition, it allows you to fix the beveled end 12 of the piston 8 in a certain position relative to the treatment channel 4, which may be necessary depending on the amount of flow of the cleaning agent.

Направляющая поршня 8 образована продольным пазом 20 на его боковой поверхности и стержнем 21, установленным в продольном пазу 20 и закрепленным в корпусе 1 долота. Поршень 8, перемещаясь относительно стержня 21, сохраняет свою ориентацию в заданном положении, а именно удерживает вершину 13 торца поршня 8 в нижнем положении, обеспечивая полное перекрытие канала 4 после прекращения подачи очистного агента. The guide of the piston 8 is formed by a longitudinal groove 20 on its side surface and a rod 21 installed in the longitudinal groove 20 and fixed in the body 1 of the bit. The piston 8, moving relative to the rod 21, maintains its orientation in a predetermined position, namely, it keeps the top 13 of the end face of the piston 8 in the lower position, providing a complete overlap of the channel 4 after the cessation of the supply of the cleaning agent.

Выходная часть очистного канала может быть оснащена насадкой 22, удерживаемой в канале 4 стопорным разрезным кольцом 23. Для герметизации насадки 22 предусмотрено уплотнительное кольцо 24. The outlet of the treatment channel may be equipped with a nozzle 22 held in the channel 4 by a snap split ring 23. A sealing ring 24 is provided for sealing the nozzle 22.

Буровое долото работает следующим образом. В процессе бурения нагнетаемый поток очистного агента под давлением подается через колонну бурильных труб в ниппель 2 долота, проходит через обратный клапан 6 и направляется на забой скважины и на шарошки 5. Поток очистного агента, действующий на скошенный торец 12 поршня 8, выполняющий функции запорного органа, перемещает его вдоль выемки 7, преодолевая сопротивление пружины 10 или другого возвратного элемента, например эластичной камеры, которые при этом сжимаются и открывают очистные каналы 4. После смещения поршня 8 очистной агент поступает на забой скважины через насадку 22 и удаляет образующийся в процессе разрушения забоя шлам, который через кольцевое пространство между стенками скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. В случае прекращения подачи очистного агента, например при наращивании бурильной колонны или в случае аварийного отключения компрессора, поршень 8 под действием возвратного элемента (пружины 10) перемещается вдоль выемки 7 в обратном направлении и занимает исходное положение, перекрывая выходную часть очистного канала 4. При этом благодаря тому что возвратный элемент находится вне пути очистного потока, он не подвергается воздействию последнего. Это уменьшает вероятность попадания шлама в запоршневое пространство и тем самым повышает надежность работы обратного клапана и увеличивает срок его службы. Повышению надежности работы клапана способствует и оснащение фиксатора 9 эластичной прокладкой 19. Такое выполнение обратного клапана исключает попадание шлама во внутреннюю полость корпуса 1 после прекращения подачи очистного агента, а следовательно, исключается и попадание шлама в опоры шарошек 5. Это позволяет увеличить срок работы долота и тем самым повысить эффективность его работы, т. е. проходку и механическую скорость бурения. Кроме того, такое выполнение обратного клапана позволяет значительно уменьшить его габариты и тем самым снизить металлоемкость всего долота. Drill bit works as follows. During the drilling process, the injected stream of the cleaning agent under pressure is supplied through the drill pipe string to the nipple 2 of the bit, passes through the check valve 6 and is directed to the bottom of the well and to the cones 5. The flow of the cleaning agent acting on the beveled end face 12 of the piston 8, acting as a shutoff member , moves it along the recess 7, overcoming the resistance of the spring 10 or other return element, for example an elastic chamber, which are compressed and open the cleaning channels 4. After the piston 8 is displaced, the cleaning agent t for downhole through the nozzle 22 and in the process removes the resulting slurry fracture face, which through the annular space between the well walls and the drill string is lifted to the surface. In case of stopping the supply of the cleaning agent, for example, when the drill string is being expanded or in the case of an emergency shutdown of the compressor, the piston 8 moves backward along the recess 7 by the action of the return element (spring 10) and occupies the initial position, blocking the outlet of the treatment channel 4. due to the fact that the return element is outside the path of the treatment stream, it is not exposed to the latter. This reduces the likelihood of sludge entering the piston space and thereby increases the reliability of the check valve and increases its service life. Equipping the retainer 9 with an elastic gasket 19 also helps to improve the reliability of the valve’s operation. thereby increasing the efficiency of its work, i.e., sinking and mechanical drilling speed. In addition, this embodiment of the non-return valve can significantly reduce its dimensions and thereby reduce the metal consumption of the entire bit.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 1492018, кл. E 21 B 27/00, 1989 г.Sources of information:
1. Copyright certificate of the USSR N 1492018, cl. E 21 B 27/00, 1989

2. Авторское свидетельство СССР N 1444501, кл. E 21 B 10/08, 1987 г. 2. USSR author's certificate N 1444501, cl. E 21 B 10/08, 1987

Claims

1. A drill bit containing a housing with a nipple, cones and channels for cooling the bearings of the cones and for cleaning the bottom of the cuttings and a check valve in the form of a spring-loaded piston with an axial displacement retainer installed in a recess drilled perpendicular to the treatment channel, characterized in that the check valve is located in the housing between the nipple cavity and the outlet of the treatment channel and is equipped with a guide, while the piston part for closing the treatment channel is made with a beveled end, the top of which is located in neither It part of the piston to cooperate with the end of the retainer.

2. Drill bit according to claim 1, characterized in that the valve guide is formed by a longitudinal groove on the side surface of the piston and a rod mounted on the housing and aligned with the groove of the piston.

3. Drill bit according to claim 1, characterized in that the valve retainer is made in the form of a threaded disk, the end of which is in contact with the top of the beveled end of the piston, equipped with an elastic gasket.