RU2182955C2

RU2182955C2 - Roller-cutter drilling bit

Info

Publication number: RU2182955C2
Application number: RU2000122378A
Authority: RU
Inventors: В.И. Дусев; Е.В. Колосова
Original assignee: Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Priority date: 2000-08-24
Filing date: 2000-08-24
Publication date: 2002-05-27

Abstract

FIELD: roller-cutter drilling bits designed for well compressed-air or air-water mixture drilling in mining industry. SUBSTANCE: roller-cutter drilling bit has a built-in check valve whose cylindrical body has inlet windows. The check valve is connected with bit jet nozzle and covered from atop with cover having axial hole. Located inside the body is a distributor of flow of a blowing-flushing agent pressed to the cover by spring and made of two parts, one of which - upper part is uniform of cylindrical overturned sleeve, and the other part, in the form of a tube. Parts are interconnected by the central rod and located from each other at a distance equalling sum of inlet window and belt covering it by tubular part in idle position of the valve. EFFECT: reduced losses of pressure of blowing-flushing agent in cleaning of well, higher operating reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к шарошечным долотам, используемым в качестве породоразрушающего инструмента при бурении скважин с продувкой забоя сжатым воздухом или воздушно-водяной смесью в горной промышленности. The invention relates to roller cone bits used as a rock cutting tool when drilling wells by blowing the bottom with compressed air or an air-water mixture in the mining industry.

При проходке таких скважин призабойная часть и затрубное пространство содержат буровой шлам в виде мелкораздробленной породы и жидкости, который во время прекращения работы и оставления долота в скважине проникает во внутреннюю полость буровых труб и в опоры шарошек, вызывая заклинивание подшипников и интенсивный износ тел качения. During the sinking of such wells, the bottom hole and annular space contain drill cuttings in the form of finely divided rock and fluid, which, during the termination of work and leaving the bit in the well, penetrates the inner cavity of the drill pipes and the cones, causing the bearings to jam and intensive wear of the rolling elements.

Чтобы предотвратить зашламование опор и внутренней полости бурового става, в шарошечные долота встраивают обратные клапаны, которые соединяются с центральным продувочным насадком долота. В процессе бурения обратный клапан пропускает продувочно-промывочный агент в забой скважины и в каналы опор шарошек, очищая их, а в случае прекращения продувки обратный клапан перекрывает центральный канал, предотвращая поступления шлама внутрь. To prevent clogging of the supports and the internal cavity of the drill stand, check valves are built into the cone bits and are connected to the central blow nozzle of the bit. During drilling, the non-return valve passes the purge-flushing agent into the bottom of the well and into the channels of the cone bearings, cleaning them, and in case of stopping the purge, the non-return valve closes the central channel, preventing the ingress of sludge inside.

Распространенные конструкции шарошечных долот оснащаются обратными клапанами тарельчатого типа (Авт. св. СССР 168211, МКИ Е 21 В 23/20, опубл. Б.И. 4, 1965) и шарового типа (Авт. св. СССР 244981, МКИ Е 21 В 9/10, опубл. Б.И. 19, 1968). Common designs of cone bits are equipped with poppet type check valves (Aut. St. USSR 168211, MKI E 21 V 23/20, publ. B.I. 4, 1965) and ball type (Aut. St. USSR 244981, MKI E 21 V 9/10, publ. B.I. 19, 1968).

Однако данные конструкции обладают повышенным аэродинамическим сопротивлением, что вызывает рост давления в пневмотранспортной системе станка. However, these designs have increased aerodynamic drag, which causes an increase in pressure in the pneumatic system of the machine.

Повышенное аэродинамическое сопротивление обратного клапана возникает в связи с тем, что, проходя через обратный клапан, поток продувочно-промывочного агента обтекает тарелку или шар в наиболее узком поперечном сечении и встречает значительные местные и лобовые сопротивления. The increased aerodynamic drag of the non-return valve occurs due to the fact that, passing through the non-return valve, the flow of the purge-flushing agent flows around the plate or ball in the narrowest cross section and encounters significant local and frontal drags.

Отмеченный недостаток частично устранен в шарошечном долоте (Авт. св. СССР 250065, МКИ Е 21 В 9/08, опубл. Б.И. 26, 1968), которое является наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению. The noted drawback is partially eliminated in the rolling cutter bit (Avt. St. USSR 250065, MKI E 21 B 9/08, publ. B.I. 26, 1968), which is the closest in technical essence and the achieved results to this invention.

Упомянутая конструкция (прототип) представляет собой шарошечное долото, содержащее встроенный в ниппель обратный клапан, включающий цилиндрический корпус с боковыми отверстиями, соединенный с продувочным каналом долота, крышку с осевым отверстием, пустотелый поршень, установленный в корпусе и посредством пружины прижатый к крышке, в поршне выполнены радиальные отверстия, которые совпадают с соответствующими боковыми отверстиями при подаче в долото сжатого воздуха. The mentioned design (prototype) is a roller bit containing a check valve integrated in the nipple, including a cylindrical body with side holes connected to the blowing channel of the bit, a cover with an axial hole, a hollow piston installed in the body and pressed against the cover by means of a spring in the piston radial holes are made that coincide with the corresponding side holes when compressed air is supplied to the bit.

Недостатком данного шарошечного долота является то, что общее аэродинамическое сопротивление обратного клапана все еще остается значительным вследствие того, что поток продувочно-промывочного агента, прежде, чем поступить в забой скважины, должен пройти через боковые отверстия в корпусе обратного клапана и радиальные отверстия в поршне, преодолеть лобовые сопротивления сближенных витков пружины, затеняющих сечения отверстий впуска. The disadvantage of this cone bit is that the total aerodynamic drag of the check valve is still significant due to the fact that the flow of the purge-flushing agent, before entering the bottom of the well, must pass through the side holes in the check valve body and the radial holes in the piston, to overcome the frontal resistance of the coiled coil spring, obscuring the cross section of the inlet openings.

Изобретение направлено на уменьшение потерь давления продувочно-промывочного агента при очистке скважины. The invention is aimed at reducing the pressure loss of the purge-flushing agent during well cleaning.

Это достигается тем, что в шарошечном долоте для бурения скважин с продувкой забоя воздухом или воздушно-водяной смесью, содержащем встроенный в полость ниппеля обратный клапан, включающий цилиндрический корпус, имеющий впускные окна и соединенный с центральным продувочным насадком, крышку с осевым отверстием, распределитель потока продувочно-промывочного агента, расположенный внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и посредством пружины прижатый к крышке, выполнен составным, одна часть которого имеет форму цилиндрического опрокинутого стакана, а другая часть - трубчатую форму, причем обе части соединены между собой центральным стержнем и расположены одна от другой на расстоянии, равном сумме высоты впускного окна и пояска перекрытия его трубчатой частью в нерабочем положении обратного клапана. This is achieved by the fact that in a cone bit for drilling wells with blowing the bottom with air or an air-water mixture containing a check valve integrated in the nipple cavity, including a cylindrical body having inlet windows and connected to the central purge nozzle, a cover with an axial hole, a flow distributor a purge-flushing agent located inside the housing with the possibility of axial movement and pressed against the cover by means of a spring, made integral, one part of which has the shape of a cylindrical an inverted cup and the other part - a tubular shape, wherein the two parts are interconnected by a central shaft and arranged from one another by a distance equal to the sum of the height of the inlet port and the girdle overlap its tubular part in the inoperative position of the check valve.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан вертикальный разрез шарошечного долота со встроенным обратным клапаном. The invention is illustrated by the drawing, which shows a vertical section of a cone bit with integrated check valve.

Позиции на чертеже обозначают:
1 - полость ниппеля шарошечного долота; 2 - корпус обратного клапана; 3 - впускные окна; 4 - центральный продувочный насадок; 5 - крышка; 6 - осевое отверстие в крышке; 7 - пружина; 8 - стакан распределителя потока продувочно-промывочного агента; 9 - трубчатая часть распределителя потока; 10 - центральный стержень; 11 - продувочные каналы опор шарошек; 12 - часть бурового става.The positions in the drawing indicate:
1 - cavity nipple cone bit; 2 - check valve body; 3 - inlet windows; 4 - central purge nozzles; 5 - cover; 6 - axial hole in the cover; 7 - spring; 8 - glass dispenser flow purge-flushing agent; 9 - tubular part of the flow distributor; 10 - a central core; 11 - purge channels of cones; 12 - part of the drill stand.

Шарошечное долото для бурения скважин с продувкой забоя воздухом или воздушно-водяной смесью со встроенным в полость 1 ниппеля обратным клапаном содержит цилиндрический корпус 2, имеющий впускные окна 3 и соединенный с центральным продувочным насадком 4, крышку 5 с осевым отверстием 6, распределитель продувочно-промывочного агента, расположенный внутри корпуса 2 и посредством пружины 7 прижатый к крышке 5, выполненный составным, одна часть которого имеет форму цилиндрического опрокинутого стакана 8, а другая часть 9 - трубчатую форму. Обе части соединены между собой центральным стержнем 10 и расположены одна от другой на расстоянии, равном сумме высоты впускного окна 3 корпуса 2 и пояска перекрытия его трубчатой частью 9. The cone bit for drilling holes with air or air-water mixture blowing with a check valve integrated in the nipple cavity 1 comprises a cylindrical body 2 having inlet windows 3 and connected to the central purge nozzle 4, a cover 5 with an axial hole 6, a purge-flush distributor agent located inside the housing 2 and by means of a spring 7 pressed against the cover 5, made integral, one part of which has the shape of a cylindrical tilted glass 8, and the other part 9 is a tubular shape. Both parts are interconnected by a central rod 10 and are located one from another at a distance equal to the sum of the height of the inlet window 3 of the housing 2 and the girdle of overlapping with its tubular part 9.

Предлагаемое шарошечное долото работает следующим образом. The proposed cone bit works as follows.

Для проходки скважины в буровой став 12 нагнетают продувочно-промывочный агент, который поступает в полость 1 ниппеля долота, оттуда по продувочным каналам 11 в лапах идет в полости опор шарошек (шарошки на чертеже не показаны), продувает и охлаждает, смазывает подшипники. Одновременно продувочно-промывочный агент, проходя через осевое отверстие 6 в крышке 5, давит на стакан 8 распределителя потока и смещает его вниз вместе с трубчатой частью 9, сжимая пружину 7 до тех пор, пока трубчатая часть 9 полностью не откроет впускные окна 3. При этом продувочно-промывочный агент поступит во внутреннюю полость корпуса 2, далее - в забой через продувочный насадок 4 на вынос продуктов бурения. To drill a hole in the drilling rig 12, a purge-flushing agent is injected, which enters the cavity 1 of the bit nipple, from there through the purge channels 11 in the paws it goes into the cavity of the cone supports (cones are not shown in the drawing), blows and cools, lubricates the bearings. At the same time, the purge-flushing agent, passing through the axial hole 6 in the cover 5, presses the flow distributor cup 8 and moves it down together with the tubular part 9, compressing the spring 7 until the tubular part 9 completely opens the inlet windows 3. When this purge-flushing agent will enter the internal cavity of the housing 2, then into the face through the purge nozzles 4 to the removal of drilling products.

Важно отметить, что, пройдя впускные окна 3, продувочно-промывочный агент поступает в забой скважины по каналам, сечения которых на всем пути не меньше, чем сечение центрального продувочного насадка 4, что обеспечивает наименьшие аэродинамические сопротивления клапана и минимальные потери давления при продувке в рабочем режиме. It is important to note that, having passed through the inlet windows 3, the flushing and flushing agent enters the bottom of the well through channels whose cross sections along the entire path are not less than the cross section of the central flushing nozzle 4, which ensures the least aerodynamic drag of the valve and minimal pressure loss during purging in the working mode.

Если по каким-либо причинам процесс проходки скважины и подача продувочно-промывочного агента будут прекращены, а долото будет оставлено на забое, сжатая пружина 7 переместит распределитель потока до упора стакана 8 в крышку 5. При этом трубчатая часть 9 распределителя потока надежно перекроет впускные окна 3, уплотняя их по всей цилиндрической поверхности, которая нигде не нарушается разрывами сплошности, как это имеет место во всех известных конструкциях клапанов, которые имеют окна не только в корпусе, но и в распределителях потока продувочно-промывочного агента. If for any reason the process of well drilling and the supply of flushing and flushing agent is stopped and the bit is left at the bottom, the compressed spring 7 will move the flow distributor all the way to the cup 8 in the cover 5. In this case, the tubular part 9 of the flow distributor will reliably block the inlet windows 3, sealing them over the entire cylindrical surface, which is nowhere violated by discontinuities, as is the case in all known valve designs, which have windows not only in the housing, but also in the flow distributors a flushing agent.

Надежная герметизация впускных окон 3 предотвратит поступление в полость 1 ниппеля долота и в опоры шарошек бурового шлама и загрязненной жидкости, так как в указанных полостях будет сохранено давление продувочно-промывочного агента, равное тому давлению, которое предшествовало моменту отключения продувки. Reliable sealing of the inlet windows 3 will prevent the drill cuttings and contaminated fluid from entering the cavity 1 of the bit nipple and into the cones of the cutters, since the pressure of the flushing and flushing agent will be preserved in these cavities, which is equal to the pressure that preceded the moment the flushing was turned off.

После возобновления проходки скважины без подъема долота на поверхность скважины работа повторится в описанной последовательности. After resuming the penetration of the well without raising the bit to the surface of the well, the work will be repeated in the described sequence.

Как следует из описания и чертежа, предлагаемая конструкция долота со встроенным обратным клапаном по сравнению с известными шарошечными долотами и прототипом обладает следующими преимуществами:
1) имеет наибольшую площадь поперечного сечения впускных окон при наименьшей толщине стенок, так как ранее окна выполнялись в корпусе клапана и в распределителе потока, а в предлагаемом шарошечном долоте окна выполняются только в корпусе обратного клапана, а в распределителе потока функцию впускных окон выполняет промежуток между частями распределителя, соединенными между собой центральным стержнем, который затеняет осевой канал не более чем на 10% от его сечения. Это обеспечивает наименьшие аэродинамические сопротивления при проходе через обратный клапан продувочно-промывочного агента и минимальные потери давления;
2) в нерабочем положении обратного клапана при отключении продувки трубчатая часть распределителя потока продувочно-промывочного агента надежно изолирует полость ниппеля шарошечного долота и полость бурового става от забоя скважины и затрубного пространства за счет того, что впускные окна корпуса обратного клапана перекрываются сплошной боковой поверхностью трубчатой части, которая нигде не нарушается разрывами сплошности в виде отверстий или окон. Это исключает уменьшение давления в полости ниппеля шарошечного долота и внутри бурового става и проникновение в них загрязненной жидкости и шлама из скважины;
3) конструкция скомпонована из минимально возможного числа простых и технологичных в изготовлении деталей, она компактна и обладает минимальной материалоемкостью.As follows from the description and drawing, the proposed design of the bit with a built-in check valve in comparison with the known roller cone bits and prototype has the following advantages:
1) has the largest cross-sectional area of the inlet windows with the smallest wall thickness, since earlier the windows were made in the valve body and in the flow distributor, and in the proposed roller cone, the windows are performed only in the check valve body, and in the flow distributor the gap between the inlet windows parts of the distributor, interconnected by a central rod, which obscures the axial channel by no more than 10% of its cross section. This provides the lowest aerodynamic drag when passing through the check valve purge-flushing agent and minimal pressure loss;
2) in the non-working position of the check valve, when the purge is turned off, the tubular part of the flow distributor of the purge-flushing agent reliably isolates the roller pin nipple cavity and the drill stand cavity from the bottom of the well and the annulus due to the inlet windows of the check valve body overlapping by the continuous lateral surface of the tubular part , which is not broken anywhere by continuity breaks in the form of holes or windows. This eliminates the decrease in pressure in the cavity of the nipple of the cone bit and inside the drill string and the penetration of contaminated fluid and sludge into them from the well;
3) the design is composed of the smallest possible number of simple and technologically advanced parts, it is compact and has a minimum material consumption.

Claims

Roller cone bit containing a check valve integrated in the nipple cavity, including a cylindrical body, having inlet windows and connected to the central purge nozzle, a cover with an axial hole, a purge-flushing agent flow distributor located inside the body with the possibility of axial movement and pressed against the cover by means of a spring characterized in that the flow distributor of the purge-flushing agent is made integral, one part of which has the form of a cylindrical overturned glass, and the other part is a tubular form, and both parts are interconnected by a central rod and are located one from another at a distance equal to the sum of the height of the inlet window and the overlap belt with its tubular part in the inoperative position of the check valve.