ЛОПАСТНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2004 года по МПК E21B10/42 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровым лопастным долотам и может быть использовано при создании лопастных долот для бурения сплошным и кольцевым забоем геологоразведочных, водозаборных и других скважин технического назначения, а также при создании шнековых буров.

Известны лопастные долота типа М и МС для бурения скважин различного назначения в мягких и средней крепости горных породах /1/. Эти долота имеют две-три лопасти, армированные вставками из твердого сплава марки ВК прямоугольной или цилиндрической формы, в поперечном сечении не более 8 мм. Основным недостатком указанных долот является практически невозможность бурения скважин, в разрезе которых присутствуют пропластки твердых и крепких горных пород или валуно-галечные отложения, что значительно ограничивает область их применения.

Известно также лопастное шнековое долото /шнековый бур/, состоящий из корпуса с ребордой и полуребордой шнека, на торцах которых попеременно размещены разрыхляющие и скребущие породоразрушающие элементы /резцы/ - прототип /2/. Разрыхляющие резцы имеют круглый корпус, свободно вращаются вокруг собственной оси и опережают скребущие резцы как по плоскости, так и по уровню забоя скважины.

Основным недостатком данной конструкции является малая вооруженность периферийной части бура, оснащенной круглыми вращающимися резцами, работающих в тяжелых условиях зажатой среды и производящих гораздо большую работу по разрушению породы забоя скважины, по сравнению с вооруженностью последующих венцов, расположенных ближе к центру скважины. Как указывают авторы патента, круглые резцы выполняют роль разрыхлителей горной породы, а окончательное ее разрушение производится скоблящими резцами плоской формы, которые отсутствуют на периферии бура. В результате шнековый бур при работе в абразивных горных породах средней крепости и твердых, а тем более при работе в крепких породах, будет быстро терять диаметр и заклиниваться в стволе скважины из-за значительного износа периферийного вооружения, в то время как рабочий ресурс других венцов будет далеко не исчерпан.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания лопастного долота со сменными элементами конструкции и значительным увеличением ресурса периферийного вооружения, эффективно работающего в твердых с пропластками крепких горных породах любой степени трещиноватости и абразивности.

Поставленная задача решается тем, что лопастное долото /в дальнейшем - долото/ состоит из корпуса, сменных лопастей, пилотного наконечника и вращающихся резцов, оси которых лежат на плоскостях, параллельных плоскостям лопастей, и направлены под углом к осям лопастей, проходя через точку, лежащую на окружности, ограниченной диаметром скважины со стороны ее забоя. При этом вершины рабочих органов вращающихся резцов /в дальнейшем - зубьев/ расположены с некоторым отставанием по плоскости забоя скважины от периферийных породоразрушающих элемента /в дальнейшем - зубков/лопастей, а угол между осями вращающихся резцов и лопастей /α/ меньше угла при основании конуса зубьев вращающихся резцов /β/.

Отличием предлагаемого решения долота является наличие вращающихся резцов, расположенных в плоскостях, параллельных плоскостям лопастей с осями, направленными под углом к осям лопастей, а вершины рабочих органов вращающихся резцов расположены с некоторым отставанием по забою скважины от рабочих органов лопастей.

Угловое смещение осей вращающихся резцов относительно осей лопастей позволяет: во-первых, вывести вершины их зубьев на окружность, максимально приближенную к стенкам скважины с касанием цилиндрической части зубьев стенок скважины, обеспечивая меньшую интенсивность износа периферийного вооружения лопастей, работающего в тяжелых условиях зажатой среды, значительно повышая рабочий ресурс периферийного вооружения долота за счет создания зоны предразрушения перед периферийными зубками лопасти, следующей за вращающимся резцом предыдущей лопасти; во-вторых, угловое смещение вышеуказанных осей, а следовательно, и угловое смещение осей вращающихся резцов относительно плоскости забоя скважины, обеспечивает надежное вращение резцов вокруг собственной оси и, как следствие, равномерный износ зубьев вращающихся резцов; в-третьих, расположение вращающихся резцов с некоторым отставанием по забою скважины от рабочих органов лопастей, то есть эти резцы монтируются на задних по ходу вращения долота стенках лопастей, не создает препятствия к выносу разрушенной породы с забоя на реборды шнека /в случае применения долота в комплексе со шнековым снарядом/, что значительно расширяет область применения предлагаемого лопастного долота.

Необходимо отметить, что значительный износ периферийного вооружения долота приводит к потере диаметра скважины, и в конечном итоге может привести к поломке лопастей или вырыванию их из опор. Не исключается возможность заклинивания долота в скважине при бурении твердых и крепких горных пород и обрыв бурового снаряда.

Все сказанное обеспечит эффективную работу лопастного долота в трещиноватых твердых с пропластками крепких горных породах любой степени абразивности, увеличивая его рабочий ресурс в 1,5-2 раза.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг.1. Схематическое изображение долота на горизонтальной плоскости.

фиг.2 а,б,в- пояснительная схема работы зуба вращающегося резца, внедренного в забой скважины.

Долото состоит из корпуса 1, лопастей 2, армированных твердосплавными зубками с клиновидной рабочей частью 3, вращающихся резцов 4, армированных зубьями 5 с конусообразной рабочей частью, смонтированных на опорах 6, соединенных с корпусом известным способом, и пилотного наконечника 7.

Из фиг.1 видно, что угловое смещение оси вращающегося резца относительно оси лопасти на угол α обеспечивает возможность максимально приблизить вершину зуба 5 к стенке скважины. При этом цилиндрическая часть зуба 5, выступающая над верхним торцем корпуса вращающегося резца, касается стенки скважины, что обеспечивает ее дополнительную калибровку.

На фиг.2 схематично изображен зуб вращающегося резца в контакте со стенкой скважины и внедренный в породу забоя на величину h с различным угловым смещением оси зуба относительно оси лопасти. Из фиг.2 б видно, что при расположении оси зуба 6 под углом α к оси лопасти, а следовательно и к плоскости забоя скважины, условно нижняя часть конусной поверхности зуба А в каждый единичный момент времени имеет гораздо меньшую контактную поверхность с горной породой, чем условно верхняя часть поверхности того же конуса Б. При таком расположении зуба и вращательном движении долота вокруг своей оси, гарантировано вращение зуба и всего резца вокруг собственной оси, так как сила трения в условно нижней части конусной поверхности зуба А значительно меньше силы трения в условно верхней части конусной поверхности зуба Б. В свою очередь, постоянное вращение зуба вокруг своей оси обеспечивает его равномерный износ по всей контактирующей с горной породой поверхности, исключая возможность заклинивания вращающегося резца в каком-либо одном положении.

Из фиг.2 также следует, что угол α между осями вращающегося резца и лопасти должен быть меньше угла β при основании конуса рабочей части зуба. В случае /фиг.2 а/, когда эти углы равны, условно нижняя часть конусной поверхности зуба А будет равна величине условно верхней части конусной поверхности зуба Б. При этом силы трения, действующие на поверхности А и Б будут либо равны, либо близки к равенству и вращение зуба вокруг собственной оси станет практически невозможным. Последнее приведет к заклиниванию резца и быстрому износу его как по высоте, так и по диаметру. Кроме того, такое положение зуба на забое потребует приложения значительных осевых усилий для внедрения его в горную породу, что отрицательно скажется на работе бурового оборудования и инструмента.

Совершенно очевидно и то, что в случае превышения значения угла α над углом β /фиг.2 в/ условно верхняя часть конусной поверхности зуба /в данном случае это поверхность Б/ вообще не будет контактировать со стенкой скважины, а будет контактировать только вершина зуба, что приведет к быстрому ее износу и потере диаметра скважины. Условно нижняя часть конусной поверхности и цилиндрическая его часть войдут в контакт с горной породой забоя скважины, что абсолютно не приемлемо ни по условию внедрения зуба в забой, ни по условию воспринимаемой им нагрузки - зуб будет работать на излом.

Таким образом, предлагаемое техническое решение имеет следующие преимущества перед известными: обеспечивается гарантированное вращение вращающихся резцов вокруг собственной оси и равномерный износ их зубьев; практически исключается возможность значительного износа периферийных зубков лопастей, их поломка и заклинивание долота в скважине; увеличивается рабочий ресурс периферийного вооружения долота и в целом его общая износостойкость; создаются благоприятные условия выноса разрушенной горной породы от забоя скважины при шнековом бурении.

Источники информации:

1. Травкин B.C. Породоразрушающий инструмент для вращательного бескернового бурения скважин. - М.: Недра, 1982, с. 144-147.

2. Патент ФРГ Класс Е 21 В 10/44, DE 3228737 С 2.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровым лопастным долотам, и может быть использовано при создании лопастных долот для бурения сплошным и кольцевым забоями геологоразведочных, водозаборных и других скважин технического назначения, а также при создании шнековых буров. В лопастном долоте, состоящем из корпуса, сменных лопастей, пилотного наконечника и вращающихся резцов, ось вращающегося резца лежит на плоскости, параллельной плоскости лопасти, и направлена под углом к оси лопасти, проходя через точку, лежащую на окружности, ограниченной диаметром скважины со стороны ее забоя. Значительно увеличивается ресурс периферийного вооружения, эффективно работающего в твердых с пропластками крепких горных породах любой степени трещиноватости и абразивности, при этом повышается надежность работы долота. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Лопастное долото, состоящее из корпуса, сменных лопастей, пилотного наконечника и вращающихся резцов, отличающееся тем, что ось вращающегося резца лежит на плоскости, параллельной плоскости лопасти, и направлена под углом к оси лопасти, проходя через точку, лежащую на окружности, ограниченной диаметром скважины со стороны ее забоя.2. Лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что вершина породоразрушающего элемента вращающегося резца расположена с некоторым отставанием по плоскости забоя скважины от периферийного породоразрушающего элемента лопасти.3. Лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что угол между осью вращающегося резца и осью лопасти меньше угла при основании конуса рабочей части породоразрушающего элемента вращающегося резца.