долото для вращательного бурения

Формула изобретения

Долото для вращательного бурения, содержащее корпус с керноприемной полостью, закрепленные на корпусе шнеки, кернообразующие и скважинообразующие резцы, выполненное в корпусе между шнеками боковое окно, сообщающее керноприемную полость с междушнековым пространством и размещенный в керноприемной полости напротив верхней части окна керноломатель, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота, боковое окно выполнено в виде винтовой прорези, угол подъема которой равен или превышает угла подъема шнека, при этом отношение расстояния от торца кернообразующих резцов от центра керноломателя к внутреннему диаметру долота, образованному кернообразующими резцами, находится в пределах 1,6-4,0, отличающееся тем, что шнек выполнен из твердого полимерного материала и имеет гребневидный профиль внутренней стороны, внутренняя поверхность керноприемной полости имеет криволинейные винтообразные канавки с увеличивающимся диаметром в сторону бокового окна, а кернообразующие и скважинообразующие резцы установлены различной длины - короткие и длинные.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровой технике, а именно к долотам для вращательного бурения.

Известно долото для вращательного бурения (см. а.с. 1559096, МКИ E 21 В 10/44, Бюл. 15, 1990), содержащее корпус с керноприемной полостью, закрепленные на корпусе шнеки, кернообразующие и скважинообразующие резцы, выполненное в корпусе между шнеками боковое окно, сообщающее керноприемную полость с межшнековым пространством, и размещенный в керноприемной полости напротив верхней части окна керноломатель, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота.

Недостатком данного долота является недостаточно широкая технологическая возможность его использования из-за конструктивных недостатков.

Известно долото для вращательного бурения (см. а. с. 1627651, МКИ E 21 B 10/44, Бюл. 6, 1991), содержащее корпус с керноприемной полостью, закрепленные на корпусе шнеки, кернообразующие и скважинообразующие резцы, выполненное в корпусе между шнеками боковое окно, сообщающее керноприемную полость с межшнековым пространством и размещенный в керноприемной полости напротив верхней части окна керноломатель, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота, боковое окно выполнено в виде винтовой прорези, угол подъема которой равен или превышает угол подъема шнека, при этом отношение расстояния от торца кернообразующих резцов до центра керноломателя к внутреннему диаметру долота, образованному кернообразующими резцами, находится в пределах 1,6...4,0.

Недостатком данного долота является недостаточная эффективность бурения горных пород из-за снижения скорости проходки за счет большой площади контакта резцов с поверхностью горной породы и значительного трения керна с поверхностью керноприемной полости.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности бурения горных пород путем выполнения шнека из твердого полимерного материала, имеющего гребневидный профиль внутренней стороны, установкой на внутренней поверхности керноприемной полости криволинейных винтообразных канавок с увеличивающимся диаметром в сторону бокового окна, кернообразующие и скважинообразующие резцы установлены различной длины - короткие и длинные.

Технический результат достигается тем, что долото для вращательного бурения, содержащее корпус с керноприемной полостью, закрепленные на корпусе шнеки, кернообразующие и скважинообразующие резцы, выполненное в корпусе между шнеками боковое окно, сообщающее керноприемную полость с междушнековым пространством, и размещенный в керноприемной полости напротив верхней части окна керноломатель, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота, боковое окно выполнено в виде винтовой прорези, угол подъема которой равен или превышает угол подъема шнека, при этом отношение расстояния от торца кернообразующих резцов до центра керноломателя к внутреннему диаметру долота, образованному кернообразующими резцами, находится в пределах 1,6...4,0, имеет шнек, выполненный из твердого полимерного материала, имеющий гребневидный профиль внутренней стороны, внутренняя поверхность керноприемной полости имеет криволинейные винтообразные канавки с увеличивающимся диаметром в сторону бокового окна, а кернообразующие и скважинообразующие резцы установлены различной длины - короткие и длинные.

На фиг. 1 изображено предлагаемое долото для вращательного бурения, на фиг. 2 - разрез А - А, на фиг.3 - разрез Б - Б, а на фиг.4 - развертка внутренней керноприемной полости с криволинейными винтообразными канавками.

Долото содержит корпус 1 с керноприемной полостью 2 и закрепленные на корпусе 1 шнеки 3. На корпусе 1 также установлены лопасти 4 со скважинообразующими резцами 5, а на его рабочем торце - кернообразующие резцы 6. В корпусе 1 между шнеками 3 выполнено боковое окно 7 в виде винтовой прорези, угол подъема которой равен или превышает угол подъема шнека. Боковое окно 7 сообщает керноприемную полость 2 с междушнековым пространством. В керноприемной полости 2 напротив верхней части бокового окна 7 размещен керноломатель 8, рабочая поверхность которого наклонена к оси долота. Отношение расстояния L от торца кернообразующих резцов 6 до центра керноломателя 8 к внутреннему диаметру d долота, образованному кернообразующими резцами 6, находится в пределах 1,6...4,0. Шнек 3 выполнен из твердого полимерного материала и имеет гребневидный профиль 9 внутренней стороны 10. На внутренней поверхности керноприемной полости 2 предусмотрены криволинейные винтообразные канавки 11 с увеличивающимся диаметром в сторону бокового окна 7. Кернообразующие резцы 6 установлены различной длины - короткие 12 и длинные 13 и скважинообразующие резцы также установлены различной длины - короткие 14 и длинные 15.

Долото работает следующим образом.

В процессе бурения на долото передается нагрузка и крутящий момент, под действием которых скважинообразующие 5 и кернообразующие 6 резцы внедряются в разрушаемую горную породу с образованием в центральной части забоя керна. Образовавшийся керн по мере углубления долота входит в керноприемную полость 2 корпуса 1 до упора в рабочую поверхность керноломателя 8. При этом происходит деформация керна, который в зависимости от своих геологических характеристик приобретает соответствующую структурную форму. Если керн имеет высокую вязкость, например, при разрушении талого или мерзлого грунта, он будет ломаться и приобретет спиральную форму, повторяя спиралевидную форму бокового окна 7, выполненного в виде винтовой прорези. Угол подъема шнека 3 обеспечивает деформирование керна и не происходит его заклинивание при проходе через боковое окно 7 в междушнековом пространстве, оттуда он шнеком 3 транспортируется на указанную поверхность. Шнек 3, выполненный из твердого полимерного материала и имеющий гребневидный профиль 9 внутренней стороны 10, обеспечивает подъем вверх керна с минимальными энергетическими затратами, так как гребневидный профиль 9 внутренней стороны шнека 3 дает минимальное трение керна о его поверхность за счет малой контактирующей поверхности. Кроме того, выполнение шнека 3 из твердого полимерного материала, имеющего гибкие свойства, с одной стороны, пульсирует осколки керна, заставляя сальтироваться частицам, а с другой стороны, за счет расширения увеличивает площадь сечения, а также скорость перемещения их. Все это в конечном счете повышает производительность отвода с забоя керна, приводя к перемещению керна с разрывом по высоте шнека, образуя воздушные каверны. Кроме того, криволинейные винтообразные канавки 11, предусмотренные на внутренней поверхности керноприемной полости 2, с увеличивающимся диаметром в сторону бокового окна 7 вызывают измельчение твердых осколков керна, способствуя этим ускорению транспортирующей его способности, увеличивая скорость проходки режущего органа долота в забой. Увеличение диаметра криволинейных винтообразных канавок 11 в сторону бокового окна 7 предотвращает заклинивание в них керна. Выполнение скважинообразующих резцов 5 короткими 14 и длинными 15 и кернообразующих резцов 6 короткими 12 и длинными 13 обеспечивает разрушение не сразу массива горной породы, а ее вырывание из сплошной геологически сформированной среды отдельными частями, при котором затрата энергии на разрушение горной породы значительно ниже, что согласуется с законами физики. При наличии водных прослоек в структуре горной породы за счет повышения ее температуры из-за передаваемой на нее нагрузки происходит местное вскипание, образуя воздушно-паровые каверны, что значительно способствует разрушению горной породы путем ее разламывания.

Благодаря оптимальному соотношению между высотой керна и его диаметром, удаление керна из керноприемной полости 2 корпуса 1 долота происходит также беспрепятственно, что тоже способствует повышению эффективности бурения горных пород, то есть расширяет технологические возможности использования долота.

Применение шнека, выполненного из твердого полимерного материала, имеющего гребневидный профиль внутренней стороны, обеспечивает минимальное трение контактирующих поверхностей при движении керна любого структурного состояния. Использование режущих рабочих органов различной длины обеспечивает разрушение горной породы не всего массива, а частями, то есть отдельными кусочками, что значительно расширяет технологические возможности использования долота независимо от геологических характеристик разрушаемой горной породы и повышает эффективность бурения скважин.

Оригинальность предложенного технического решения заключается в использовании эффекта каверны для снижения трения между трущимися поверхностями за счет применения шнека, имеющего гребневидный профиль, при котором значительно расширяются технологические возможности использования долота и эффективность бурения скважин.