Устройство для бурения скважин Советский патент 1992 года по МПК E21B10/44 E02F5/20 

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, в частности к установкам вращательного бурения, и может быть использовано при сооружении скважин и шурфов различного назначения.

Известно устройство для бурения скважин, включающее породоразрушающий инструмент в виде буровой головки, шнек и приводам, авт.св. № 1104228, кл. Е 21 В 7/24).

Недостатком указанного устройства является то, что при выходе разрушенной породы из поверхности забоя на винтовую поверхность нижней части шнека его скорости меняются от нуля до некоторой постоянной скорости установившегося режима транспортирования. Поэтому при постоянном угле подъема винтовой поверхности выход разрушенной породы происходит при неблагоприятных для транспортирования геометрических параметрах винтовой поверхности. Вследствие этого в забойной зоне скапливается разрушеная порода, которая оказывает сопротивление вращению инструмента, увеличивает износ его поро- доразрушающей части, повышаетэнергоем- кость бурения скважины.

Наиболее близко к предлагаемому устройство для бурения скважин, включающее буровую головку, шнек для транспортировки продуктов разрушения породы, витки которого выполнены с дифференциальным шагом, и привод (см. авт.св, № 155455, кл. Е 02 В 5/20).

Недостатком указанного устройства является то, что в нижней части шнека угол подъема винтовой поверхности на радиусе скважины больше нуля, и при вращении шнека происходит сталкивание породы с винтовой поверхностью, что создает энергетические потери при выходе разрушенной породы на нижний виток шнека.

Цель изобретения - повышение производительности и снижение энергоемкости бурения скважины путем улучшения про(Л

С

vj

О х|

сл

N)

цесса очистки забойной зоны от продуктов разрушения породы, например кольцевых или шнековых буров.

Указанная цель достигается тем, что нижний виток шнека выполнен с переменным углом подъема винтовой поверхности на радиусе скважины таким образом, что угола меняется от нуля в нижней части витки до оптимального угла а в верхней его части:

Р «опт

где (р- угловая координата витка;

Оопт - оптимальный угол подъема витка в верхней его части.

При этом указанный виток является одновременно касательной поверхностью к условному диску, перпендикулярному оси вращения шнека.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т.е. в области бурения с использованием вращательных средств, позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в данном устройстве для бурения скважин, и признать это решение соответствующим критерию существенные признаки.

На фиг.1 изображены общий вид устройства для бурения скважин и развертка винтовой линии нижнего витка шнека на радиусе скважин; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - график зависимости силы сопротивления перемещению массы волочения от угловой координаты витка.

Устройство для бурения скважин включает буровую головку 1, соединенную со шнеком 2, который своим верхним концом соединен с приводом в виде мотор-редуктора 3. Нижний виток 4 шнека 2 выполнен с переменным углом подъема винтовой поверхности таким образом, что угол меняется от нуля в нижней части, соприкасающейся с буровой головкой, до угла «опт в верхней части витка на радиусе скважины: ,

#под

(f Gom

360°

где (р- угловая координата витка;

«опт - оптимальный угол подъема витка в верхней части.

При этом указанный виток является одновременно касательной поверхностью к условному диску, перпендикулярному оси вращения шнека.

Верхний конец витка 4 соединен с расположенными на всей колонне периферийными витками шнека в традиционном исполнении,

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливают по оси будущей скважины и при помощи привода 3 приводят во вращение буровую головку 1 со шнеком 2, При разбуривании скважин разрушенная порода поступает на верхнюю поверхность буровой головки 1 и одновременно на нижний виток шнека, затем навивкой захватывается и транспортируется в отвал.

В связи с тем, что нижний виток шнека выполнен с переменным углом подъема, выход на него разрушенной породы осуществляется с наименьшим сопротивлением,

поскольку в зоне контакта шнека с поверхностью забоя угол подъема винтовой поверхности на радиусе скважины равен нулю и плавно возрастает до угла «опт к концу первого витка.

При такой форме нижнего витка шнека сила сопротивления перемещению массы волочения F плавно возрастает от нижней части, где а 0, при котором виток шнека является касательной поверхностью к условному диску, перпендикулярному оси вращения шнека, до верхней части витка, где а «опт по зависимости 4 (фиг.З), в отличие от прототипа, у которого в нижней части шнека а О, и разрушенная порода

сталкивается в забойной зоне со шнеком и создает значительное сопротивление перемещению массы волочения по шнеку, которое меняется по зависимости 5 (фиг.З). Кроме того, своевременное удаление

разрушенного материала из забойной зоны уменьшает износ породоразрушающей части рабочего органа,обусловленный трением буровой головки о разрушенную породу. При этом снижается энергоемкость и повышается производительность, т.е. возрастает скорость проходки скважины, уменьшаются непроизводительные затраты времени и энергии.

Формула изобретения

Устройство для бурения скважин , включающее привод, буровую головку и скрепленный с ней шнек с переменным шагом, отличающееся тем, что, с целью снижения энергоемкости бурения, нижний

полный виток лопасти выполнен в виде диска с плавным переходом в спираль с переменным углом подъема, изменяющимся от О в нижней части витка до угла, определенного по формуле

р «Ьпт

ЗМР где р - угловая координата витка, град;

«опт -оптимальный угол подъема витка в его верхней части, град.

4

U2

Устройство для бурения скважин. Использование: в горной промышленности и строительстве, в частности в установках вращательного бурения при сооружении скважин и шурфов различного назначения. Сущность изобретения: полный нижний виток шнека выполнен с переменным углом подъема винтовой лопасти, определяемым а по формуле «под 360° где р - угловая координата витка, 2Ьпт - оптимальный угол подъема витка в его верхней части. 3 ил.