БУРИЛЬНАЯ ГОЛОВКА Российский патент 1997 года по МПК E21B10/42 

Изобретение касается породоразрушающего инструмента, а именно долот для колонкового бурения глубоких и сверхглубоких скважин с отбором керна (образца горной породы), имеющего размеры, обеспечивающие проведение всего необходимого комплекса исследований. Бурение с отбором керна сложнее бурения сплошным забоем, так как требует совмещения в оптимальных соотношениях двух противоположных процессов: разрушения (разбуривания) кольцевой зоны поверхности забоя скважины с максимально возможным темпом и сохранения в неприкосновенности центральной ее части керна, что достижимо только при рациональной конструкции бурильной головки и керноотборного инструмента в целом.

Все известные бурильные головки (шарошечного, лопастного, фрезерного и др. типов) [1] представляют собой сборные, цельносварные или литые конструкции с неразделенными или частично разделенными по элементу функциями. Так, отдельно взятая лопасть (например шарошка) хотя и является разъемным соединением, однако ее элементы не приспособлены раздельно, а значит наиболее эффективно решать проблемы выбуривания кольцевого пространства забоя скважины, калибровки ее стенки (скважинообразующие), калибровки и подрезания керна (кернообразующие). Они оборудованы резцами, имеющими призматическую (прямоугольную) или круглую форму типа штырей, разделенными по образующей цилиндра каналами для транспортировки выбуренной породы. Резцы охлаждаются нерационально, со временем увеличивается площадь их контакта с породой. Форма резцов, их количество и расположение обуславливают необходимость приложения относительно больших осевых нагрузок на долото, увеличивающихся по мере углубления скважины.

Несовершенными являются такие геометрические параметры конструкции современных бурильных головок, как высота керноприема (расстояние от зоны образования керна до кернорвателя) и коэффициент керноприема (отношение к этому расстоянию диаметра керна). Низкий процент выноса керна результат несовершенства конструкции бурголовок и кернорвателей.

Цель изобретения увеличение производительности бурильной головки при сохранении заданного качества формирования и отбора керна путем большей глубины внедрения ее резцов в породу при равных нормированных условиях ее работы.

Поставленная цель достигается тем, что бурильная головка [2] включающая корпус, взаимозаменяемые сменные лопасти с внутренними расточками и пазами для их упора, отличается тем, что одна из лопастей выполнена с резцами для чернового кольцевого выбуривания забоя скважины, а другие, соответственно, для калибровки стенки скважины, керна и его подрезания; резцы лопастей выполнены из твердосплавного материала и имеют трубчатую форму, а их отверстия сообщены с затрубным пространством; резцы для чернового кольцевого выбуривания впрессованы в тело лопасти, изолированы мягкой перемычкой с возможностью предупреждения их касания стенки скважины в транспортном положении долота; одна из лопастей выполнена с вертикальным отверстием, в котором установлен подпружиненный пружиной сжатия ползун с наклонным пазом, и с горизонтальным отверстием, в котором расположен резец с возможностью его автоматического выдвижения к стенке скважины; вторая лопасть выполнена с вертикальным отверстием, в котором установлен подпружиненный пружиной сжатия ползун с наклонным пазом и горизонтальным отверстием, в котором расположен резец с возможностью его автоматического выдвижения к наружной поверхности керна; третья лопасть выполнена с вертикальным отверстием, в котором установлен подпружиненный пружиной сжатия ползун с наклонным пазом и горизонтальным отверстием, в котором расположен резец с возможностью его автоматического выдвижения к наружной поверхности керна в момент окончания бурения и начала подъема керноотборного колонкового снаряда на устье скважины.

На фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 изображены, соответственно, продольные разрезы: предлагаемой бурголовки и ее вид снизу, на которых видны лопасть для чернового кольцевого выбуривания забоя скважины и лопасть для калибровки керна; и отдельно вынесенные лопасти для калибровки стенки скважины и подрезания керна.

Бурголовка состоит из корпуса 1 и лопастей 2 и 3, составляющих основной вариант конструкции. Корпус имеет резьбы 4, 5 и кольцевые выточки 6 и 7 для подсоединения лопастей к корпусу и всей бурильной головки к бурильным трубам, соответственно. Лопасть 2 имеет в торце вертикальные ступенчатые отверстия, содержащие посредством запрессовки твердосплавные резцы трубчатой формы 8 и 9, отверстия которых сообщены с горизонтальными отверстиями 10 и 11, выполненными в корпусе долота и лопасти и предназначенными для эвакуации выбуренной породы в затрубное пространство.

Лопасть 3 имеет в торце глухое вертикальное отверстие 12, содержащее подпружиненный ползун 13 с наклонным пазом 14, и горизонтальное отверстие 15, в котором расположен резец трубчатой формы 16.

Лопасть 17 также имеет в торце глухое вертикальное отверстие, содержащее подпружиненный ползун 18 с наклонным пазом 19, и горизонтальное отверстие 20, в котором расположен резец трубчатой формы 21 с возможностью выдвижения его к стенке скважины.

Лопасть 22 также имеет в торце глухое вертикальное отверстие 23, содержащее подпружиненный ползун 24 с наклонным пазом 25, и горизонтальное отверстие 26, в котором расположен резец трубчатой формы 27 с возможностью его выдвижения к наружной поверхности керна в момент окончания бурения и подъема снаряда на устье скважины. Начальное положение ползуна фиксируется электросваркой 28. Для предупреждения забивания отверстий ползунов осколками породы внутренние полости резцов 16, 21 и 27 закрываются резиновым шпуром 29.

В представленном варианте бурильная головка может иметь восемь различных по своему функциональному назначению лопастей типа 2, 3, 17 и 22. Их крепление производится болтами 30, прихваченными электросваркой к корпусам лопастей от проворота.

Подача промывочной жидкости производится в промежуток между керноприемной трубой (на фиг. не показан) и корпусом бурголовки один поток, и в каналы 31 корпуса между лопастями другой поток.

Периферийный резец 9 изолирован мягкой стальной перемычкой 32, предохраняющей его и колонну от взаимных повреждений в транспортном положении долота. В процессе бурения она истирается, при этом прочность заделки резца в своем гнезде сохраняется, а номинальный размер диаметра скважины обеспечивается калибровочным резцом 21. Внутренние поверхности корпуса 1 и лопастей 2 армируются алмазной крошкой 33. Корпус используется многократно.

Особенности работы предлагаемой бурголовки следующие. По данным модели, примерно 2/3 выбуренной породы вместе с жидкостью удаляются через внутреннюю полость резцов трубчатой формы 8 и 9, предназначенных для чернового кольцевого выбуривания забоя скважины, которые в процессе бурения истираются почти полностью, при неизменном значении площади контакта резца и породы и лучше охлаждаются.

Принцип работы приспособлений для автоматического выдвижения калибровочных резцов основан на том факте, что по мере сработки лопастей 3 и 17 слабо подпружиненные ползуны 13 и 21 не истираются, а движутся снизу вверх под действием силы реакции забоя скважины, выдвигая своими наклонными пазами резцы 16 и 19, соответственно, в сторону керна и к стенке скважины, по мере их стирания.

Резцы трубчатой формы улучшают на 50-60% все показатели бурения.

Литература
1. И.К.Масленников, Г.И.Матвеев. Инструмент для бурения скважин, М. Недра, 1981, стр. 263, рис. 177а.

2. И.К.Масленников и др. Инструмент для бурения скважин, М. Недра, 1981, стр. 263, рис. 177б.

Использование: изобретение касается породоразрушающего инструмента, а именно долот режуще-истирающего типа для колонкового бурения глубоких и сверхглубоких скважин с отбором керна. Сущность изобретения: бурильная головка собирается из комплекса различных по функциональному назначению лопастей - для чернового кольцевого выбуривания забоя скважины, калибровки ее стенки, валика керна и его подрезания с возможностью использования минимальной осевой нагрузки, сохранения диаметра скважины и керна, а также достижения минимального значения высоты керноприема, при этом используются резцы трубчатой формы, отверстия которых сообщены с затрубным пространством. 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

1 1. Бурильная головка, включающая корпус, взаимозаменяемые сменные лопасти с внутренними расточками и пазами для их упора, отличающаяся тем, что одна из лопастей выполнена с резцами для чернового кольцевого выбуривания забоя скважины, а другие соответственно для калибровки стенки скважины, керна и его подрезания.2 2. Головка по п. 1, отличающаяся тем, что резцы лопастей выполнены из твердосплавного материала и имеют трубчатую форму, а их отверстия сообщены с затрубным пространством.2 3. Головка по п. 1, отличающаяся тем, что резцы для чернового кольцевого выбуривания забоя скважины впрессованы в тело лопасти, изолированы мягкой перемычкой с возможностью предупреждения их касания стенки скважины в транспортном положении.2 4. Головка по п. 1, отличающаяся тем, что одна из лопастей выполнена с вертикальным отверстием, в котором установлен подпружиненный пружиной сжатия ползун с наклонным пазом, и с горизонтальным отверстием, в котором расположен резец с возможностью его автоматического выдвижения к стенке скважины.2 5. Головка по п. 1, отличающаяся тем, что вторая лопасть выполнена с вертикальным отверстием, в котором установлен подпружиненный пружиной сжатия ползун с наклонным пазом, и горизонтальным отверстием, в котором расположен резец с возможностью его автоматического выдвижения к наружной поверхности керна.2 6. Головка по п. 1, отличающаяся тем, что третья лопасть выполнена с вертикальным отверстием, в котором установлен подпружиненный пружиной сжатия ползун с наклонным пазом, и горизонтальным отверстием, в котором расположен резец с возможностью его автоматического выдвижения к наружной поверхности керна в момент окончания бурения и начала подъема керноотборного колонкового снаряда на устье скважины.