УНИВЕРСАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ДОЛОТА РЕЖУЩЕ-СКАЛЫВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ Российский патент 1994 года по МПК E21B10/00 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к универсальным моделям долот режуще-скалывающего действия (РСД), и может быть использовано при исследовательских работах с целью проектирования новых высокопроизводительных долот.

Известная экспериментальная установка [1] , позволяющая изучить износостойкость различных инструментальных материалов в условиях, приближающихся к забойным, созданная на базе радиально-сверлильного станка 2А-55 с широким диапазоном изменения режимных параметров, состоит из шпинделя, вращающего керн горной породы, рабочей камеры, пульта управления с вмонтированным насосом и емкостью для промывочной жидкости. Испытуемые образцы резцов закрепляются с помощью цанговых патронов на специальной головке, служащей одновременно для подвода промывочной жидкости. Недостатком данной установки является то, что она моделирует работу отдельных резцов, не учитывая их расположения и взаимного влияния на процесс разрушения испытуемой породы.

Прототипом предлагаемого решения является модель долота, предложенная Институтом сверхтвердых материалов [2] , состоящая из нескольких коаксиально расположенных коронок-цилиндров различных диаметров, нижнее основание которых установлено на неподвижной плите, а верхнее оснащено породоразрушающими элементами и включает в себя датчики нагрузки, представляющие двухкомпонентный динамометр с индукционными датчиками. Недостатком данной модели является то, что она моделирует работу долота с плоским торцом, при этом элементы вооружения находятся по концентрическим окружностям относительно центра долота, однако реальные долота имеют самые различные геометрию и схему размещения вооружения. Кроме того, эта модель моделирует работу отдельных коронок, но не работу долота.

Целью изобретения является расширение функциональной возможности модели долота путем учета всех параметров, характеризующих схему размещения вооружения и геометрию долота.

Указанная модель достигается тем, что в модели долота РСД, содержащей три коаксиально расположенных опорных цилиндра, нижнее основание которых расположено на неподвижной плите, через переводник, в котором выполнены пазы для возможности углового поворота внутреннего цилиндра относительно центрального на необходимый угол, аналогичные пазы выполнены на нижнем основании внешнего цилиндра, верхние основания опорных цилиндров оснащены породоразрушающими и измерительными датчиками, причем породоразрушающие инструменты устанавливаются на съемных резцедержателях, которые закрепляются на установочных втулках, а втулки в свою очередь крепятся непосредственно к верхнему основанию цилиндров с возможностью их вертикального смещения, что обеспечивается установкой калиброванных шайб на соответствующие втулки, при этом в конструкции резцедержателей, устанавливаемых на внутренний и внешние цилиндры, выполнены пазы, позволяющие менять радиальное смещение элементов вооружения, а тип и форму вооружения меняют вместе с резцедержателями.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что выявленное техническое решение отличается тем, что породоразрушающие элементы установлены на съемных резцедержателях, укрепленных на установочных втулках, которые прикреплены к верхнему основанию цилиндров, причем на нижнем основании внешнего цилиндра и на переводнике, установленном между плитой и цилиндрами, выполнены пазы, позволяющие поворачивать внешний и внутренний цилиндры относительно центрального на необходимый угол, а втулки крепятся с возможностью их вертикального смещения, что обеспечивается установкой калиброванных шайб на соответствующую втулку, при этом в конструкции резцедержателей, устанавливаемых на внутренний и внешний цилиндры, выполнены пазы, позволяющие менять радиальное смещение элементов вооружения, а тип и форму элементов вооружения меняют вместе с резцедержателями. На внешней стороне опорных цилиндров выполнены проточки, в которых устанавливаются измерительные датчики.

Таким образом заявляемая универсальная модель долота РСД соответствует критерию "Новизна".

Заявляемая модель наделяется относительно известных новыми свойствами, заключающимися в возможности моделирования всех схем размещения вооружения и геометрии долота, а именно:
1) углового смещения опорных цилиндров друг относительно друга, позволяющее моделировать угловое смещение резцов ближайших уровней;
2) смещение съемных резцедержателей по радиусу, для осуществления которого в конструкции резцедержателей выполнены пазы, позволяющие моделировать смещение породоразрушающих элементов по радиусу;
3) смещение съемных резцедержателей по дуге окружности и укрепление их на установочных втулках, позволяющее моделировать смещение элементов одного уровня по дуге окружности;
4) смещение установочных втулок по вертикали, что осуществляется установкой специальных калиброванных шайб на соответствующие установочные втулки, позволяющие моделировать смещение ближайших уровней по вертикали.

Наличие новых свойств указывает на соответствие заявленного технического решения критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 показан пример конкретного выполнения данного технического решения модели долота РСД.

К неподвижной плите 2 крепятся три невзаимодействующих коаксиально расположенных цилиндра 3, 4, 5 через переводник 6. На верхнем основании цилиндров устанавливаются соответствующие опорные втулки 7, 8, 9 с возможностью их вертикального смещения при помощи калиброванных шайб 10, 11, 12. На втулки устанавливаются резцедержатели 13, на которых крепятся элементы вооружения 1. В центральной опорной втулке 7 выполнено центральное промывочное отверстие А для подачи промывочной жидкости через штуцер 14, который прикреплен к переводнику 6. На внешней стороне цилиндров 3, 4, 5 и на плите 2 выполнены проточки Б, в которых крепятся (клеятся) датчики 15 нагрузки и момента.

На фиг. 2 показан внешний цилиндр 5, вид со стороны нижнего основания, на котором выполнены пазы С, позволяющие поворачивать внешний цилиндр на переводнике относительно центрального на необходимый угол для возможности моделирования различного углового смещения элементов вооружения близлежащих уровней.

На фиг. 3 показан переводник 6, вид со стороны нижнего основания, в котором выполнены пазы Д для возможности углового смещения внутреннего цилиндра 3 относительно центрального на необходимый угол, а отверстия Е для крепления центрального и внешнего цилиндров.

На фиг. 4 показан съемный резцедержатель 13 (вид сверху), на котором крепится элемент вооружения 1. На основании резцедержателей для крепления к установочным втулкам выполнены пазы К, позволяющие менять радиальное смещение элементов вооружения.

Модель используется следующим образом.

Выбирается какая-либо схема размещения вооружения и геометрия долота, т. е. выбираются конкретно количество элементов на каждом уровне и параметры, характеризующие схему размещения вооружения.

Выбранная схема собирается. В проточках на опорных цилиндрах наклеиваются датчики нагрузки и момента. Обычно применяются мостовые схемы тензодатчиков, позволяющие измерять нагрузку и момент с высокой точностью при хорошо оттарированной измерительной системе [3] . Наклеенные тензодатчики заливают эпоксидной смолой для обеспечения изоляции тензодатчиков и соединительных проводов от промывочной жидкости.

Собранная модель закрепляется неподвижно под шпинделем 16 лабораторной буровой установки, на котором закрепляются образцы горной породы 17, к модели подсоединяют систему промывки и каналы связи с тензодатчиками. Затем производится бурение образца горной породы с возможностью изменения режима бурения. При этом регистрируется время бурения намеченного объема горной породы, нагрузка и момент на каждом опорном цилиндре и на плите (нагрузка и момент регистрируются измерительными датчиками и передаются по каналу на измерительную систему. В качестве измерительной системы можно использовать осциллографы или подключить к измерительной системе ЭВМ). Затем результаты экспериментов обрабатываются и в дальнейшем используются для проектирования новых высокопроизводительных долот с улучшенными технико-экономическими показателями.

Использование данного изобретения позволит:
1. Повысить механическую скорость бурения долотами РСД за счет выбора оптимальной схемы размещения вооружения и геометрии долота для данного режима бурения горной породы.

2. Предотвратить преждевременный неравномерный износ рабочих элементов долота за счет учета распределения удельной нагрузки и момента по рабочей поверхности долота.

3. Уменьшить энергоемкость и моментоемкость долот (а значит и энергозатраты) за счет учета распределения момента на долоте при различных схемах вооружения и геометрии долота с данным типом и формой вооружения для данной породы. (56) 1. Арцимович Г. В. Механо-физические основы создания породоразрушающего бурового инструмента. Новосибирск: Наука, 1985, с. 129.

2. Вовчановский И. Ф. Породоразрушающий инструмент на основе "Славутича" для бурения глубоких скважин. Киев: Наукова думка, 1979, с. 66.

3. Кравцов А. В. и Рыбинский Ю. В. Электрические измерения. М. : Колос, 1979.

Использование: исследование процесса бурения. Сущность изобретения: модель долота содержит три коаксиально расположенных опорных цилиндра. Нижнее основание цилиндров установлено на неподвижной плите. Верхнее основание оснащено породоразрушающими элементами. Между плитой и цилиндрами установлен переводник. Породоразрушающие элементы установлены на съемных резцедержателях, укрепленных на установочных втулках. Втулки прикреплены к верхнему основанию цилиндров. На нижнем основании внешнего цилиндра и на переводнике выполнены пазы для поворота внешнего и внутреннего цилиндров относительно центрального на необходимый угол. Втулки крепятся с возможностью их вертикального смещения. В резцедержателях выполнены пазы, позволяющие менять радиальное смещение элементов вооружения. Во внутренней опорной втулке выполнено центральное отверстие для подачи промывочной жидкости через штуцер. На внешней стороне опорных цилиндров и переводника выполнены проточки. В проточках устанавливаются измерительные датчики. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. УНИВЕРСАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ДОЛОТА РЕЖУЩЕ-СКАЛЫВАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ, содержащая три коаксиально расположенных опорных цилиндра, нижние основания которых установлены на неподвижной плите, а верхние оснащены породоразрушающими элементами и измерительными датчиками, промывка модели осуществляется через центральное отверстие, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональной возможности модели путем учета всех параметров, характеризующих схему размещения вооружения и геометрию долота, породоразрушающие элементы установлены на съемных резцедержателях, закрепленных на установочных втулках, прикрепленных к верхним основаниям цилиндров, причем на нижнем основании внешнего цилиндра и на переводнике, установленном между плитой и цилиндром, выполнены пазы для поворота внешнего и внутреннего цилиндров относительно центрального на необходимый угол, а втулки закреплены с возможностью их вертикального смещения путем установки калиброванных шайб на соответствующие втулки, при этом в резцедержателях, установленных на внешний и внутренний цилиндры, выполнены пазы, позволяющие менять радиальное смещение элементов вооружения. 2. Модель по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью исследования всех параметров, на внешней стороне цилиндров и неподвижной плите установлены измерительные датчики.