БУРОВОЕ ДОЛОТО ДЛЯ УДАРНО-ПОВОРОТНОГО БУРЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК E21B10/26 E21B10/40 

Область техники изобретения

В первом аспекте настоящее изобретение относится к буровому долоту, предназначенному для ударно-поворотного бурения горной породы и содержащему переднюю головку и трубчатую юбку, проходящую от головки назад к заднему концу кольцевой формы и имеющую внутреннюю резьбу для передачи объединенных ударного и вращательного перемещений на буровое долото, при этом головка имеет осесимметричную боковую поверхность с расположенными в ней промывочными канавками, образующую наибольший внешний диаметр бурового долота.

Кроме того, изобретение относится к способу изготовления указанного бурового долота.

Технические предпосылки изобретения

При бурении глубоких скважин в горной породе или земной толще используют бурильные колонны, содержащие множество штанг и соединительных муфт, которыми наращивают колонну с увеличением глубины скважины. Наземная установка с хвостовым переходником предназначена для передачи объединенных ударного и вращательного перемещений на верхний конец бурильной колонны, нижний конец которой несет буровое долото, выполняющее действия по разрушению горной породы и образованию ствола скважины. Посредством промывки текучей средой через бурильную колонну и буровое долото отделенная выбуренная порода может транспортироваться к устью скважины с проходом между внешней поверхностью бурильной колонны и стенкой ствола скважины.

В буровом оборудовании данного типа выполняют ряд требований и установок, одна из которых заключается в том, что углубляющийся ствол скважины должен быть прямолинейным, насколько возможно, например, для наилучшего попадания в заданный объект в глубине породы. Для этой цели предложен ряд устройств управления, использующих трубчатые элементы регулирования, примыкающие к данным соединительным муфтам, соединяющим вместе различные штанги, или, альтернативно, вдоль надлежащих штанг. Недостатком устройств управления данного типа является усложнение бурового оборудования в целом, его удорожание и неудобство в эксплуатации. Известное буровое долото, до некоторой степени улучшающее прямолинейность пробуренных стволов скважины, раскрыто в патенте США 7281594. В нем создан ряд ступеней на юбке бурового долота, осуществляющих последовательное его направление.

Другое требование состоит в том, чтобы компоненты, включенные в состав бурового оборудования, и, особенно, дорогостоящее буровое долото имели оптимальный срок службы. Для выполнения данного требования, среди прочего, важно, чтобы внутренняя резьба задней юбки бурового долота нарезалась с гладкими и имеющими точную форму гребнями и канавкам резьбы, поскольку иначе возникают тенденции разрыва и другие явления, результатом которых является преждевременная коррозионная усталость.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на преодоление вышеупомянутых недостатков известного технического решения посредством создания усовершенствованного бурового долота для ударно-поворотного бурения горной породы. Поэтому, основной целью изобретения является создание бурового долота, которое, с одной стороны, имеет значительно усовершенствованную управляемость в сравнении с ранее известными буровыми долотами и, с другой стороны, может быть выполнено с охватывающей резьбой точной формы с гладкими поверхностями для обеспечения продолжительного срока службы бурового долота. Более точно, резьба должна нарезаться посредством токарных инструментов, стержни которых являются сравнительно короткими для предотвращения вибраций и изгибов в инструменте во время нарезки. Дополнительной целью изобретения является создание бурового долота, которое, несмотря на хорошую управляемость, имеет умеренную массу и обеспечивает передачу пульсирующих ударных волн напрямую от бурильной колонны на головку бурового долота и зубья, установленные аналогично обычным буровым долотам.

Согласно изобретению, по меньшей мере, основная цель достигается посредством признаков, определенных в отличительной части п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления бурового долота, согласно изобретению, дополнительно определены в зависимых п.п.2-9 формулы изобретения.

Во втором аспекте изобретение также относится к способу изготовления бурового долота указанного выше вида. Признаки данного способа определены в независимом п.10 формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан изометрический вид двух компонентов, включенных в состав бурового долота согласно изобретению, отделенных друг от друга, и участок бурильной штанги, соединяющейся с буровым долотом.

На фиг.2 показан вид продольного сечения двух частей бурового долота, отделенных друг от друга.

На фиг.3 показан вид продольного сечения бурового долота в собранном состоянии, отделенного от бурильной штанги.

На фиг.4 показан соответствующий вид продольного сечения бурильной штанги, соединенной с буровым долотом.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Буровое долото 1, выполненное согласно изобретению, показанное на фиг.3 и 4, предназначено для соединения с бурильной штангой 2, включенной в состав бурильной колонны. На фиг.1 и 2 видно, что буровое долото 1 изготовляют со сборкой из двух частей, а именно передней части 3 и задней части 4. Передняя часть 3 выполнена как обычное буровое долото. Таким образом, часть 3 включает в себя переднюю головку 5 и трубчатую юбку 6, проходящую назад от головки 5 к заднему, кольцевому концу 7. Часть 3 имеет осесимметричную основную форму, включающую в себя осесимметричную боковую поверхность, состоящую из конической поверхности 8 на внешней стороне головки 5 и цилиндрической поверхности 9 на внешней стороне юбки 6. Коническая поверхность 8 сужается в направлении назад от круговой граничной линии 10, на которой коническая поверхность переходит в переднюю поверхность 11, в которой установлены зубья из цементированного карбида или т.п., а именно комплект центральных зубьев 12 и комплект периферийных зубьев 13. На уровне граничной линии 10 головка 5 имеет наибольший внешний диаметр OD₁. Соответствующий внешний диаметр OD₂ цилиндрической поверхности 9 меньше диаметра OD₁.

Юбка 6 ограничивает полость 15, имеющую цилиндрическую форму и открывающуюся в проем 16, окруженный кольцевой поверхностью конца 7. На внутренней поверхности юбки 6 выполнена охватывающая резьба 17 для взаимодействия с охватываемой резьбой 18 бурильной штанги 2. Как можно лучше всего видеть на фиг.1, охватываемая резьба 18 плотно связана с передним концом бурильной штанги, состоящим из плоской кольцевой поверхности 19, окружающей канал 20, проходящий по центру бурильной штанги для подачи промывочной воды на буровое долото. Внутренний конец полости 15 части 3 состоит из плоской кольцевой поверхности 21 уступа, контактирующей с концевой поверхностью 19 бурильной штанги при передаче импульсных сил на буровое долото. Полость 15 сообщена с внешней поверхностью бурового долота через каналы 22, заканчивающиеся на передней поверхности 11 и на конической поверхности 8.

Ряд промывочных канавок 23 расположен в конической поверхности 8 части 3. Существенно важной задачей промывочной текучей среды является вынос выбуренной породы через канавки 23 на поверхность земли.

В отличие от не упруго затягивающихся до конца резьбовых соединений, присутствующих в деталях машин различных типов, соединение, образованное охватывающей и охватываемой резьбами 17, 18, выполнено таким образом, что охватываемая резьба периодически ввинчивается в охватывающую резьбу и, соответственно, вывинчивается из нее, так что после перемещения после каждого ударного воздействия поворачивает буровое долото на новый угол поворота относительно горной породы. Перемещения при ударном воздействии бурильной колонны передаются на буровое долото в основном через поверхности 19, 21, тогда как основной задачей резьбового соединения является обеспечение ступенчатого вращения бурового долота. Часть 3 изготовлена обработкой на металлорежущих станках (токарной обработкой, фрезерованием и сверлением), соответственно, охватывающая резьба 17 выполнена внутренней нарезкой.

Что касается части 3, описанной выше, ее детали существенно не отличаются от деталей известных буровых долот для бурения горной породы.

Согласно изобретению задний конец 7 юбки 6 через неупругое соединение 24 (фиг.3 и 4) объединен или жестко соединен с передним концом 25 части 4, имеющей форму втулки, внешняя поверхность или боковая поверхность 26 которой выполнена с выступами для направления бурового долота в стволе скважины, углубляемом головкой 5 с зубьями на ней. Втулка 4 имеет также осесимметричную основную форму. Более точно, втулка в варианте выполнения является цилиндрической, так как внешняя поверхность 26 и внутренняя поверхность 27 являются цилиндрическими. Таким образом, втулка образует проходящую вдоль оси сквозную полость, открывающуюся в полость 15 и в задний проем, окруженный задней и, в данном случае, конической концевой поверхностью 28 втулки. Альтернативно, концевую поверхность можно выполнить с так называемыми убирающимися зубьями. Поверхность 26 втулки 4 и поверхность 9 юбки 6 являются предпочтительно гладкими и цилиндрическими в области соединения 24.

В показанном предпочтительном варианте осуществления направляющие выступы снаружи втулки состоят из ряда разнесенных по периметру гребней 29, которые могут проходить вдоль оси муфты и отделяться друг от друга канавками 30, образующими промывочные канавки, аналогичные канавкам 23. Общая площадь сечения промывочных канавок 30 должна быть, по меньшей мере, равной величине общей площади сечения канавок 23. Обращенные наружу поверхности вершин гребней 29 вместе образуют кольцевую поверхность, которая в варианте выполнения является цилиндрической, так как каждая поверхность вершины имеет форму части поверхности цилиндра. Вместе поверхности вершин гребней 29 образуют наибольший внешний диаметр OD₃ втулки, превышающий внешний диаметр OD₄ поверхности 26. Более точно, канавки 30 в данном случае выполнены, например, фрезерованием муфты 31 и являются идентичными и образующими гребни, имеющие одинаковую длину и ширину. В данном варианте гребни имеют высоту, превышающую глубину канавок, поскольку дно канавок не достигает воображаемого продолжения поверхности 26. Следует также заметить, что муфта 31, то есть комплект гребней 29, размещена на заднем конце втулки 4. В показанном предпочтительном варианте осуществления внешний диаметр OD₃ муфты 31 и внешний диаметр OD₁ головки 5 равны. Вместе с тем, диаметр OD₃ может быть несколько меньше, но никогда не больше диаметра OD₁. Альтернативно, гребни 29 могут образовывать угол с осью вращения бурового долота.

Предпочтительно, втулка 4 имеет в своей передней части по поверхности 26 внешний диаметр OD₄, равный внешнему диаметру OD₄ юбки 6. Вместе с тем, внутренний диаметр ID₁ больше внутреннего диаметра ID₂ юбки 6, так как соответствует внешнему диаметру резьбы 17, то есть наибольшему диаметру резьбовых канавок.

Целесообразным, но, вместе с тем, не обязательным является превышение длиной L₁ втулки 4 длины L₂ передней части 3. С учетом данных условий, в отношении оптимальной массы собранного бурового долота, соответственно, достигается максимальная управляемость, поскольку направляющие гребни 29 размещены на наибольших приемлемых расстояниях от головки 5.

На практике втулка может быть предпочтительно неразъемно соединена с передней частью 3 для образования с ней интегрированного бурового долота, которое выбраковывают после износа. Поэтому, соединение 24 между частями 3, 4 может являться сварным и выполненным, например, сваркой трением или другой подходящей сваркой. Вместе с тем, в объеме изобретения, является целесообразным соединение частей 3, 4 полупостоянным соединением, например, неупругим резьбовым соединением с подходящим запирающим средством или металлическим соединением, которое можно легко расцепить.

В показанном варианте осуществления кольцевая канавка 32 для кольцевого уплотнения 33 выполнена во внутренней поверхности 27 втулки 4. Более точно, кольцевое уплотнение 33 размещено вблизи заднего конца 28 втулки для предотвращения проникновения бурового шлама в зазор между поверхностью корпуса бурильной штанги 2 и внутренней поверхностью втулки.

Следует также упомянуть, что целесообразна протяженность вдоль оси или длина L₃ гребней 29, составляющая меньше половины длины L₁ втулки. В примере, длина L₃ составляет приблизительно до 35% от длины L₁.

Изготовление двух частей 3, 4, вместе образующих буровое долото, готовое к эксплуатации, осуществляют отдельными этапами посредством станочной обработки резанием или строганием стальных заготовок, прежде всего, протачиванием, но также фрезерованием и сверлением. Выполнение внутренней резьбы 17 части 3 можно осуществлять нарезкой токарным инструментом с выдвижным шпинделем весьма умеренной длины. Таким способом можно выполнять операцию нарезки без риска вредных вибраций, которые могут нарушать необходимую точность и гладкость поверхности резьбы. Станочная обработка втулки 4 является довольно простой и состоит в основном из протачивания, а также некоторого фрезерования канавок задней муфты. После завершения части 3 (с зубьями или без них) и части 4 их неразъемно соединяют сваркой заднего конца юбки 6 с передним концом втулки 4. Целесообразно, вместе с тем не обязательно, осуществление соединения сваркой трением.

Основным преимуществом бурового долота, согласно изобретению, является возможность придания внутренней резьбе бурового долота необходимой точности и гладкости, а также возможность размещения гребней или выступов, предназначенных для направления бурового долота, на предпочтительно большом расстоянии по оси от головки бурового долота. Кроме того, конструктивно просто выполнить удлинительную втулку таким образом, что собранное буровое долото получает общую массу, не приводящую к разбалансированности. Кроме того, улучшенная управляемость работающей бурильной колонны достигается исключительно буровым долотом, то есть нет необходимости прибегать к другим элементам управления, сложным в эксплуатации. При этом можно сказать, что буровое долото само улучшает условия для бурения прямолинейных стволов скважин без необходимости изменения передаваемых заданных ударных волн. Таким образом, ударные волны могут передаваться от конца штанги на поверхность горной породы через зубья из сцементированного карбида предпочтительным путем, аналогично обычным буровым долотам.

Изобретение не ограничено только вариантом осуществления, описанным выше и показанным на чертежах. Так, форму и расположение внешних направляющих выступов муфты можно модифицировать разными способами. Вместо только длинных узких гребней выступы могут состоять, например, из полусферических выпуклостей или комбинаций выпуклостей и гребней. Вместо одного заднего комплекта гребней или выступов, пример которого дан на чертежах, на втулке можно выполнить два или более комплектов, разнесенных в осевом направлении. Целесообразно даже смещать различные гребни или выступы в осевом направлении относительно друг друга. Другими словами, их не обязательно собирать в кольцевую форму или муфту.

Группа изобретений относится к буровым долотам для ударно-поворотного бурения горной породы и к способам изготовления таких буровых долот. Обеспечивает улучшенную прямолинейность стволов скважины, лучшую управляемость, более продолжительный срок службы бурового долота. Буровое долото для ударно-поворотного бурения горной породы содержит переднюю головку и трубчатую юбку, проходящую назад от головки до заднего, кольцевого конца и имеющую внутреннюю резьбу для передачи объединенных ударного и вращательного перемещений на буровое долото. Головка имеет осесимметричную боковую поверхность с расположенными в ней промывочными канавками, образующую наибольший внешний диаметр бурового долота. Задний конец юбки присоединен через неупругое соединение с передним концом втулки, имеющей боковую поверхность с отходящим от нее множеством выступов, разнесенных по периферии друг от друга, для направления бурового долота в стволе скважины, углубляемом головкой. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Буровое долото для ударно-поворотного бурения горной породы, содержащее переднюю головку (5) и трубчатую юбку (6), проходящую назад от головки до заднего, кольцевого конца (7) и имеющую внутреннюю резьбу (17) для передачи объединенных ударного и вращательного перемещений на буровое долото, при этом головка (5) имеет осесимметричную боковую поверхность (8) с расположенными в ней промывочными канавками (23), образующую наибольший внешний диаметр (OD₁) бурового долота, отличающееся тем, что задний конец (7) юбки (6) присоединен через неупругое соединение (24) с передним концом (25) втулки (4), имеющей боковую поверхность (26) с отходящим от нее множеством выступов (29), разнесенных по периферии друг от друга, для направления бурового долота в стволе скважины, углубляемом головкой.

2. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что выступы состоят из гребней, проходящих в осевом направлении вдоль втулки (4) и вместе образующих кольцевую форму с внешним диаметром (ОD₃), не превышающим внешний диаметр (OD₁) головки (5).

3. Буровое долото по п.2, отличающееся тем, что гребни (29) включены в состав муфты (31), имеющей длину (L₃) вдоль оси меньше длины (L₁) втулки.

4. Буровое долото по п.2 или 3, отличающееся тем, что внешние диаметры (OD₁, ОD₃) головки (5) и кольцевой формы, образованной гребнями (29), равны.

5. Буровое долото по п.2, отличающееся тем, что муфта (31) размещена непосредственно вблизи заднего конца (28) втулки (4).

6. Буровое долото по п.3, отличающееся тем, что длина (L₁) втулки (4) больше общей длины (L₂) головки (5) и юбки (6).

7. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что втулка (4) постоянно соединена с юбкой (6) металлургическим соединением (24) для образования интегрированной части бурового долота.

8. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что часть втулки (4), соединенная с юбкой (6), имеет внешний диаметр (OD₄), равный внешнему диаметру (OD₂) юбки (6), и внутренний диаметр (ID₁), превышающий внутренний диаметр (ID₂) юбки (6), что представлено внешним диаметром резьбы (17).

9. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что боковая поверхность (26) втулки (4) и боковая поверхности (9) юбки (6) являются гладкими и цилиндрическими в области соединения (24).

10. Способ изготовления бурового долота, предназначенного для ударно-поворотного бурения горной породы, содержащего переднюю головку (5) и трубчатую юбку (6), проходящую назад от головки до заднего, кольцевого конца (7) и имеющую внутреннюю резьбу (17) для передачи объединенных ударного и вращательного перемещений на буровое долото, при этом головка (5) имеет осесимметричную боковую поверхность (8) с расположенными в ней промывочными канавками (23), образующую наибольший внешний диаметр (OD₁) бурового долота, отличающийся тем, что содержит нарезание резьбы (17) внутри юбки (6) и последующее соединение неупругим соединением (24) заднего конца юбки с передним концом (25) втулки (4), имеющей боковую поверхность (26) с отходящим от нее множеством выступов (29), разнесенных по периферии периметра друг от друга, для направления бурового долота в стволе скважины, углубляемым головкой.