ДОЛОТО ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК E21B10/42 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, в частности к инструменту для бурения скважин строительного назначения в мерзлых и вечномерзлых грунтах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является долото для вращательного бурения. Данное долото содержит корпус с керноприемной полостью, закрепленные на корпусе шнеки, кернообразующие и скважинообразующие резцы и размещенный в корпусе напротив верхней части керноломатель, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота. Для повышения эффективности бурения мерзлых грунтов в корпусе между шнеками выполнено боковое окно в виде винтовой прорези, угол подъема которой равен или превышает угол подъема шнеков, а отношение расстояния от торца кернообразующих резцов до центра керноломателя к внутреннему диаметру долота, образованному кернообразующими резцами, находится в пределах 1,6-4,0. За счет образования в центральной части забоя керна с оптимальным соотношением длины L к диаметру D > 1,6 его последующего скалывания и транспортировки через боковое окно на шнек достигается снижение энергоемкости процесса бурения мерзлых грунтов.

Недостатком данного долота являются его ограниченные технологические возможности, поскольку при бурении вязких мерзлых грунтов (торфяников, глин, суглинков) происходит забивание грунтов бокового окна и керноприемной полости и эффективность бурения резко снижается.

Целью заявляемого изобретения является расширение технологических возможностей за счет эффективного бурения вязких мерзлых грунтов.

Поставленная цель достигается тем, что в долоте для вращательного бурения, содержащем корпус с керноприемной полостью, закрепленные на корпусе шнеки, кернообразующие и скважинообразующие резцы, размещенный в керноприемной полости керноломатель, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота, согласно изобретению рабочая поверхность керноломателя выполнена в виде донной части сквозного поперечного паза и повернута в горизонтальной плоскости в направлении обратном вращению долота, а корпус выполнен в виде стержня.

Кроме того, более предпочтительным является долото, рабочая поверхность керноломателя которого повернута на угол α , находящийся в пределах 20-60^о.

Отличительные особенности заявляемого изобретения были установлены на основании исследования процесса бурения мерзлых грунтов долотами, предусматривающими образование керна в центральной части забоя и его последующую транспортировку на поверхность через окно и транспортирующий шнек.

Поскольку при бурении вязких мерзлых грунтов наблюдалось забивание керноприемной полости из-за налипания грунта на внутренние стенки полости, что приводило к снижению возможности долота, то повышение эффективности работы бурового инструмента достигалось за счет уменьшения площади контакта стенок керноприемной полости с грунтом. Предельным случаем минимизации площади контакта является полное исключение стенок керноприемной полости, однако, поскольку при этом кернообразующие резцы должны быть размещены на лопастях шнека, а вылет резцов ограничен, то не выдерживается требуемое соотношение длины образующего керна к его диаметру и керн не скалывается.

В то же время выполнение керноприемной полости в виде сквозного поперечного паза в нижней части корпуса долота, в котором днище паза является керноломателем, позволяет резко уменьшить площадь контакта стенок керноприемной полости с грунтом и расположить на противоположных стенках паза кернообразующие резцы. В результате не только обеспечивается эффективное скалывание керна, но и полностью исключается забивание грунтом керноприемной полости, для чего рабочая поверхность керноломателя (т. е. днище паза) должна быть дополнительно повернута в горизонтальной плоскости в направлении, обратном вращению долота. При этом наибольшая высота керна, а, соответственно, и наилучшие условия для скалывания керна, обеспечиваются в случае, если рабочая поверхность керноломателя повернута на угол α , равный 20-60^о.

Таким образом, при реализации предлагаемой совокупности признаков достигаются следующие технические эффекты:
улучшаются условия транспортировки керна на шнек;
исключается забивание грунтом керноприемной полости;
повышается производительность бурения.

Следствием наличия существенных отличий у заявляемого долота является достижение такого общественно-полезного эффекта, как расширение технологических возможностей за счет бурения вязких мерзлых грунтов.

На фиг. 1 показано заявляемое долото для вращательного бурения, вид спереди, на фиг. 2 - то же, вид снизу.

Долото состоит из корпуса 1 с керноприемной полостью 2 и закрепленных на корпусе шнеков 3 со скважинообразующими резцами 4 и установленными на торце корпуса 1 кернообразующими резцами 5.

В керноприемной полости 2 размещен керноломатель 6, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота, керноприемная полость 2 выполнена в виде сквозного поперечного паза, рабочая поверхность керноломателя 6 выполнена в виде донной части сквозного поперечного паза и повернута в горизонтальной плоскости в направлении, обратном направлению вращения долота, а корпус 1 выполнен в виде стержня. Угол поворота рабочей поверхности керноломателя α находится в пределах 20-60^о.

Долото работает следующим образом.

В процессе бурения на долото передается осевая нагрузка и крутящий момент, под действием которых скважинообразующие 4 и кернообразующие 5 резцы внедряются в мерзлый грунт, разрушая его с образованием в центральной части забоя керна. Образовавшийся керн по мере углубления долота входит в керноприемную полость 2 корпуса 1 до упора в рабочую поверхность керноломателя 6. При этом происходит деформация керна. Однако, поскольку керноприемная полость 2 выполнена в виде сквозного поперечного паза, донная часть которого является керноломателем 6, то деформированный керн не удерживается в керноприемной полости 2, а выпадает на шнек, который транспортирует его на дневную поверхность.

В случае бурения вязких и талых мерзлых грунтов грунт также не забивает керноприемную полость 2, поскольку легко выталкивается вновь образующимся керном. Благодаря дополнительному повороту рабочей поверхности керноломателя в горизонтальной плоскости выдерживается необходимое соотношение между высотой и диаметром образующего керна, что позволяет разрушать самые прочные мерзлые грунты. Поэтому заявляемое долото эффективно разрушает как вязкие и талые грунты, так и прочные мерзлые грунты, что расширяет технологические возможности использования долота. (56) Авторское свидетельство СССР N 1677651, кл. Е 21 В 10/44, 1989.

Использование: инструмент для бурения скважин строительного назначения в мерзлых и вечномерзлых грунтах. Сущность: керноприемная полость выполнена в виде сквозного поперечного паза, рабочая поверхность керноломателя выполнена в виде донной части паза и повернута в горизонтальной плоскости в направлении, обратном вращению долота. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. ДОЛОТО ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ, содержащее корпус с керноприемной полостью, закрепленные на корпусе шнеки, кернообразующие и скважинно-образующие резцы, размещенный в керноприемной полости керноломатель, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей за счет эффективного бурения вязких мерзлых грунтов, керноприемная полость выполнена в виде сквозного поперечного паза, рабочая поверхность керноломателя выполнена в виде донной части сквозного поперечного паза и повернута в горизонтальной плоскости в направлении, обратном вращению долота, а корпус выполнен в виде стержня. 2. Долото по п. 1, отличающееся тем, что рабочая поверхность керноломателя повернута на угол 20-60^o.