ЛОПАСТНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2006 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 забоем гидрогелогических, дренажных, сейсмических и других скважин технического назначения, а также при создании шнековых буров.

Известны лопастные долота для бурения скважин в мягких горных породах I-IV категории по буримости. В конструкциях этих долот резцы установлены с положительными передними углами к оси долота, которые не изменяются по модулю с изменением расстояния резца от оси долота [1].

Недостатком этих долот является установка всех резцов на лопастях с неизменным передним положительным углом независимо от места расположения их на лопасти, что объясняется следующим. При одинаковых передних углах всех резцов, размещенных на лопасти на различных радиусах, на каждый из них будет действовать практически равное усилие со стороны массива горной породы, т.к. при неизменных прочих параметрах бурения мгновенная величина внедрения всех резцов одинаковая. Из теории разрушения горных пород известно, что чем больше положительный передний угол резца, тем меньше работа резания и эффективнее процесс разрушения. Это теоретическое положение с успехом используется при создании лопастных долот для бурения горных пород средней твердости, где мгновенная величина внедрения породоразрушающих элементов в массив забоя скважины незначительная, а механическая скорость бурения невысокая.

При создании лопастных долот или шнековых буров большого диаметра (более 320 мм) для бурения мягких горных пород это теоретическое положение в чистом виде использовать не представляется возможным, т.к. при наиболее рациональном положительном переднем угле периферийных резцов, необходимом для эффективного разрушения породы в наиболее трудноразрушаемом участке забоя скважины и обеспечивающим лучшие показатели их износостойкости, применение таких же передних углов к остальным резцам, расположенных на меньших радиусах, нецелесообразно по следующей причине. При одинаковых передних углах всех резцов на лопастях, равных переднему углу периферийных резцов, работающих в мягких горных породах, процесс резания на всех участках забоя скважины близок к равнозначному по энергоемкости разрушения. В результате возникает эффект неконтролируемого завинчивания долота в горную породу со значительным увеличением механической скорости бурения и возникновением больших реактивных усилий, направленных вниз по оси скважины, достигающих 0,8-1,2 кН на 1 м длины шнековой колонны [2]. Кроме того, сила трения со стороны стенок скважины, плоскостей реборд и корпуса шнека (в случае шнекового бурения), возникающие при движении разрушенной горной массы от забоя к устью скважины, и сила гравитации от этой массы породы препятствуют этому движению, создавая дополнительную нагрузку на буровой снаряд.

Практика отработки лопастных долот и шнековых буров диаметром более 320 мм в мягких горных породах показала, что при больших скоростях углубки, т.е. при возникновении эффекта неконтролируемого завинчивания долота в горную породу, указанные выше силы превосходят прочность бурового снаряда или узлов вращателя бурового станка и часто приводят к авариям в скважине или поломке деталей вращателя.

Износ вооружения резцов с равными передними углами, работающих на различных радиусах, неодинаковый из-за различной объемной работы разрушения. Периферийные резцы имеют износ более 80%, в то время как средние - 40-50%, а центральные не более 20%.

Известно также лопастное долото, резцы на каждой лопасти которого установлены с передним углом изменяющимся от положительного в центральной части до отрицательного на периферии - прототип [3]. Недостатком такого долота является значительная неравномерность реакции массива горной породы на различные резцы. Результирующая сила разрушения под лезвием центрального резца направлена в сторону обнаженной поверхности массива и приближается к естественному углу скалывания горной породы. Результирующая сила разрушения периферийного резца с отрицательным передним углом, работающего в тяжелых условиях зажатой среды, направлена вглубь массива, что еще больше увеличивает реакцию забоя и тормозит процесс разрушения породы. Такие долота не могут обеспечить высокую механическую скорость бурения при значительной разнице в интенсивности износа вооружения резцов (особенно в долотах большого диаметра). Последним объясняется отсутствие данных долот в серийном производстве.

В основу настоящего изобретения поставлена задача - создание лопастного долота со сменными породоразрушающими элементами конструкции, эффективно работающего в мягких горных породах, с более равномерной интенсивностью износа вооружения, размещенного на различных расстояниях от оси долота, и обеспечивающего безаварийную работу бурового снаряда и оборудования.

Поставленная задача решается тем, что лопастное долото (в дальнейшем - долото), состоящее из корпуса, соосного с ним наконечника со сменными вращающимися резцами и пилотным "резцами, лопасти со сменными породоразрушающими закрепленными на державках резцами в виде твердосплавных пластин с положительными передними углами, отличающееся тем, что передние углы резцов уменьшаются по модулю по мере изменения расстояния от резца до оси долота, при этом передний угол α периферийного резца выбирается максимальным по модулю, определяемому физико-механическими свойствами горной породы, а с приближением резца к оси долота его передний угол уменьшается по модулю на величину, пропорциональную уменьшению радиуса установки искомого резца, по отношению к периферийному и определяется из аналитического выражения: β=α×Ri/Rп, где α и β - значения передних углов периферийного и искомого резцов, a Rп и Ri - радиусы установки периферийного и искомого резцов.

Отличием предлагаемого технического решения долота является: установка резцов, размещенных на его лопастях на различных радиусах, с изменяемым передним углом, определяемым по вышепредложенному аналитическому выражению исходя из необходимости придания периферийным резцам переднего угла, обеспечивающего эффективную работу их в мягких горных породах и наилучшие показатели по износостойкости долота в целом, а также более равномерный износ вооружения всех резцов.

Установка резцов с неодинаковыми передними углами влечет за собой различия в механизме разрушения горных пород по причине неадекватного развития ядра предразрушения перед их режущими кромками при поступательном движении резца, внедренного на некоторую величину в массив забоя скважины. При наибольшем переднем угле, имеющем место у периферийных резцов, необходимо затратить меньшее усилие для скола горной породы, т.к. ядро предразрушения образуется главным образом перед и под его передней гранью, приближаясь к естественному углу скалывания этой породы. При крутом расположении резца по отношению к забою скважины, т.е. при малом переднем угле, ядро предразрушения образуется не только перед его передней гранью, но и под торцом резца и расположено на большей глубине от поверхности скола. Поэтому, прежде чем произойдет отрыв горной породы от массива, необходимо затратить больше энергии, чем при большем переднем угле.

Уменьшение переднего угла резцов, расположенных на меньших радиусах, чем периферийный, приводит к росту удельной работы резания, и процесс разрушения горной породы тормозится, что снижает механическую скорость бурения и препятствует возникновению эффекта неконтролируемого завинчивания долота в забой скважины при бурении мягких горных пород. Отработка шнековых буров диаметром 530 мм в суглинках и глинах II-IV категории по буримости, у которых периферийные резцы были установлены с передним углом +30°, средние +20°, а центральные +10° подтвердила сказанное. Не было отмечено ни одного случая эффекта завинчивания долота при более равномерном износе вооружения резцов.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1. - схематическое изображение лопастного долота на плоскости.

Фиг.2. - пояснительная схема лопасти долота, повернутая на 90° с резцами, имеющими положительные передние углы.

Долото состоит из корпуса 1, наконечника 2 с вращающимся 3 и пилотным 4 резцами, лопастей 5, на которых известным способом 10 (например болтами) закреплены державки 9 резцов 6-8 на одной лопасти и четыре аналогичных резца на другой лопасти. Из фиг.1 видно, что резцы 6-8 находятся на различных расстояниях от оси долота. Rп - радиус периферийного резца, Ri₁ и Ri₂ радиусы первого и второго от периферийного резцов. Резцы кроме периферийного на второй лопасти располагаются по радиусам с абсолютными значениями отличными, от значений радиусов резцов первой лопасти, но таким образом, что в сумме с резцами первой лопасти забой скважины полностью перекрывается их лезвиями.

Из фиг.2 видно, что лезвия резцов 6-8 установлены под различными передними углами α, β и γ соответственно, при этом резец 6 отстает по вертикали от резца 7, а резец 7 от резца 8 на величину h, т.е. забой скважины имеет ступенчатую форму. Передний угол периферийного резца α выбирается исходя из условий, обеспечивающих наиболее эффективную его работу в конкретной горной породе. Углы β и γ, а также передние углы всех резцов кроме периферийного на другой лопасти, определяются из аналитических выражений β=α×Ri₁/Rп и γ=α×Ri₂/Rп, где Rп - радиус периферийного резца, а Ri₁ и Ri₂ - радиусы искомых резцов. Радиусы расположения резцов на лопастях определяются конструктивно исходя из диаметра долота и формы породоразрушающих элементов с учетом полного перекрытия забоя скважины.

Таким образом, предлагаемое техническое решение долота имеет следующие преимущества перед известными:

1. Возможна установка периферийных резцов с наиболее выгодным для их работы положительным передним углом, что обеспечивает увеличение их износостойкости при эффективной работе разрушения.

2. Выравнивается интенсивность износа вооружения всех резцов, т.е. выравниваются их объемные работы разрушения, что способствует более рациональному использованию истирающих материалов резцов.

3. Исключается возможность возникновения эффекта неконтролируемого завинчивания долота в горную породу, а следовательно, и аварий в скважине или поломки узлов вращателя бурового станка при разбуривании мягких горных пород.

Источники информации

1. Танов Е.И., Площадный В.Я. Шнековый буровой инструмент. Справочник. М.: Недра, 1985 стр.16.

2. Башлык С.М., Загибайло Г.Т. Бурение скважин. М.: Недра, 1990, стр.42.

3. А.с. СССР № 395559, кл. Е 21 В 10/42.

Использование: в горной промышленности может быть использовано при создании лопастных долот для бурения сплошным забоем гидрогеологических, дренажных, сейсмических и других скважин, а также при создании шнековых буров. Позволяет обеспечить равномерность износа вооружения и безаварийную работу бурового снаряда. Долото содержит корпус, соосный с ним наконечник со сменными вращающимися и пилотным резцами, лопасти со сменными породоразрушающими закрепленными на державках резцами в виде твердосплавных пластин с положительными передними углами. Передние углы резцов уменьшаются по модулю по мере изменения расстояния от резца до оси долота, при этом передний угол α периферийного резца выбирается максимальным по модулю, определяемому физико-механическими свойствами горной породы. С приближением резца к оси долота его передний угол уменьшается по модулю на величину, пропорциональную уменьшению радиуса установки искомого резца по отношению к периферийному, и определяется из аналитического выражения: β=α×Ri/Rп, где α и β - значения передних углов периферийного и искомого резцов, а Rп и Ri - радиусы установки периферийного и искомого резцов. 2 ил.

Лопастное долото, содержащее корпус, соосный с ним наконечник со сменными вращающимися и пилотным резцами, лопастями со сменными породоразрушающими закрепленными на державках резцами в виде твердосплавных пластин с положительными передними углами, отличающееся тем, что передние углы резцов уменьшаются по модулю по мере изменения расстояния от резца до оси долота, при этом передний угол α периферийного резца выбирается максимальным по модулю, определяемому физико-механическими свойствами горной породы, а с приближением резца к оси долота его передний угол уменьшается по модулю на величину, пропорциональную уменьшению радиуса установки искомого резца по отношению к периферийному, и определяется из аналитического выражения: β=α·Ri/Rп, где α и β значения передних углов периферийного и искомого резцов, а Rп и Ri радиусы установки периферийного и искомого резцов.