долото для ударно-вращательного бурения

Формула изобретения

Долото для ударно-вращательного бурения, содержащее корпус с центральным продувочным каналом и конусным углублением по центру рабочего торца корпуса, меньшее основание которого имеет диаметр, равный диаметру продувочного канала, и размещенные на рабочем торце корпуса твердосплавные вставки, образующие своими внутренними торцами керноприемную полость, причем диаметр большего основания конусного углубления равен диаметру керноприемной полости, а высота углубления - разности диаметров его большего и меньшего оснований, отличающееся тем, что твердосплавные вставки выполнены в виде лопастей изогнутой формы количеством не менее восьми, контактирующих с горной породой, торцы которых образуют режущие кромки, а на лобовой поверхности лопастей предусмотрены полуспиральные канавки с режущими краями, конусное углубление выполнено в виде однополостного гиперболоида вращения, седловина которого покрыта гибким элементом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в долотах для ударно-вращательного бурения.

Известно долото для ударно-вращательного бурения (см. а.с. 1372028 МКИ Е 21 В 10/38, Бюл. 5, 1988), содержащее корпус с центральным продувочным каналом и конусным углублением по центру рабочего корпуса, меньшее основание которого имеет диаметр, равный диаметру продувочного канала, и размещенные на рабочем торце корпуса твердосплавные вставки, образующие своими внутренними торцами керноприемную полость.

Недостатком данного долота является нестабильная скорость бурения вязких пород.

Известно долото для ударно-вращательного бурения (см. а.с. 1633081 МКИ Е 21 В 10/36, 10/38, Бюл. 9, 1991), содержащее корпус с центральным продувочным каналом и конусным углублением по центру рабочего торца корпуса, меньшее основание которого имеет диаметр, равный диаметру продувочного канала, и размещенные на рабочем торце корпуса твердосплавные вставки, образующие своими внутренними торцами керноприемную полость, причем диаметр большего основания конусного углубления равен диаметру керноприемной полости, а высота углубления - разности диаметров его большего и меньшего оснований.

Недостатком данного долота является невысокая стабильность скорости бурения вязких пород и возможность заклинивания керна в керноприемной полости.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение стабильности скорости и эффективности бурения горных пород путем выполнения твердосплавных вставок в виде лопастей изогнутой формы количеством не менее восьми, контактирующих с горной породой, торцы которых образуют режущие кромки, а на лобовой поверхности лопастей предусмотрены полуспиральные канавки с режущими краями, конусное углубление выполнено в виде однополостного гиперболоида вращения, седловина которого покрыта гибким элементом.

Технический результат достигается тем, что долото для ударно-вращательного бурения, содержащее корпус с центральным продувочным каналом и конусным углублением по центру рабочего торца корпуса, меньшее основание которого имеет диаметр, равный диаметру продувочного канала, и размещенные на рабочем торце корпуса твердосплавные вставки, образующие своими внутренними торцами керноприемную полость, причем диаметр большего основания конусного углубления равен диаметру керноприемной полости, а высота углубления - разности диаметров его большего и меньшего оснований, имеет твердосплавные вставки, выполненные в виде лопастей изогнутой формы количеством не менее восьми, контактирующих с горной породой, торцы которых образуют режущие кромки, а на лобовой поверхности лопастей предусмотрены полуспиральные канавки с режущими краями, конусное углубление выполнено в виде однополостного гиперболоида вращения, седловина которого покрыта гибким элементом.

На фиг.1 изображено долото для ударно-вращательного бурения, общий вид, на фиг.2 - вид со стороны рабочего торца, на фиг.3 - твердосплавные вставки в виде изогнутых лопастей, на фиг.4 - развертка лобовой поверхности твердосплавных вставок с полуспиралевидными канавками.

Долото содержит корпус 1 с центральным продувочным каналом 2 и конусным углублением 3 по центру рабочего торца корпуса 1. На рабочем торце корпуса 1 размещены твердосплавные вставки 4, которые своими внутренними торцами образуют керноприемную полость 5. Диаметр меньшего основания конусного углубления 3 равен диаметру продувочного канала 2, а диаметр большего основания - диаметру керноприемной полости 5. При этом высота конусного углубления 3 равна разности диаметров его большего и меньшего оснований. Последнее позволяет иметь постоянный угол конустности конусного углубления 3 при любом состоянии между диаметром большего и меньшего оснований этого углубления. Твердосплавные вставки 4 выполнены в виде лопастей 6 изогнутой формы количеством не менее восьми, и их контактирующие с горной породой торцы образуют режущие кромки 7. На лобовой поверхности лопастей 6, то есть на поверхности торцев, направленных против вращения долота, предусмотрены полуспиральные канавки 8 с режущими краями 9. Конусное углубление 3 выполнено в виде однополостного гиперболоида вращения 10, седловина 11 которого покрыта гибким элементом 12, например плотной пластмассой, листом из магниевого сплава на пружинистой основе.

Долото работает следующим образом.

В процессе бурения долото прижимается к забою и на него передаются ударные импульсы и крутящий момент. Под действием указанной нагрузки твердосплавные вставки 4, выполненные в виде лопастей 6 изогнутой формы количеством не менее восьми, внедряются в горную породу и разрушают ее с образованием керна. При этом характер взаимодействия лопастей 6 изогнутой формы с горной породой зависит как от абразивного износа, так и от прочностных показателей. В связи с этим если бурение происходит в крепких маловязких породах, то керн начинает разрушаться уже на входе в конусное углубление 2, выполненное в виде однополостного гиперболоида вращения 10. Возможность заклинивания крупных осколков исключает как форма проходного сечения в виде однополостного гиперболоида вращения 10, так и наличие на его седловине 11 гибкого элемента 12, обеспечивающего геометрическое изменение проходного сечения в сторону его расширения за счет гибких свойств и уменьшения трения в нем. Если бурение происходит в вязких породах, то разрушение керна происходит также в конусном углублении 3 за счет сужения сечения в седловине 11 однополостного гиперболоида вращения 10. Этому также способствует подсасывающий эффект однополостного гиперболоида вращения 10. При этом режущие кромки 7 являются скважинообразующими, а внутренние режущие кромки 8 керноломателями. Разрушение керна продолжается также в конусном углублении 3, выполненном в виде однополостного гиперболоида вращения 10, седловина 11 которого покрыта гибким элементом 12.

Благодаря равенству диаметра большего основания конусного углубления 3, выполненного в виде однополостного гиперболоида вращения 10, диаметру керноприемной полости 5, а также рациональному соотношению между диаметром основания и высотой конусного углубления 3 обеспечивается оптимальный угол конусности последнего, создаются наиболее благоприятные условия разрушения керна, входящего в керноприемную полость в конусном углублении 3 долота и удаление обломков керна с забоя скважины. Все это позволяет удерживать постоянную скорость бурения на протяжении всего времени работы долота в горных породах.

Расположение наружных режущих кромок лопастей долота с наклоном вниз в пределах половины прямого угла обеспечивает разрушение горной породы путем вырывания режущими кромками слоями, образованными в определенных геологических условиях по наиболее слабому сечению, а не перпендикулярно к геологическим слоям, при котором горная порода оказывает наиболее сильное сопротивление режущему инструменту буровой установки. При этом разрушение горной породы происходит не столько за счет резания, а сколько за счет выскабливания послойно с последующим разламыванием этих слоев на отдельные осколки, что приводит к максимальной экономии энергии, затрачиваемой на разрушение горных пород в соответствии с законом сохранения энергии. Наибольшему увеличению скорости проходки при бурении скважины способствует также температурный режим. Повышение температуры за счет давления буровой машины в горной породе приводит к образованию температурных пятен на контактирующей поверхности с режущим органом долота горной породы, образуя диссипативную систему, взаимодействие между зонами которой вызывает ослабление прочности ее и образование трещин по наиболее слабому сечению, а именно под углом 45^o к геологическим слоям горной породы. Применение керноприемного отверстия переменного сечения в дополнение, обладающего возможностью геометрически изменять форму, обеспечивает беспрепятственный проход керна в виде осколков слоистой формы, не допуская образования пробки и закупорки, что также существенно стабилизирует скорость проходки, так как при этом керн не оказывает обратного давления, вызывающего торможение, движению в забой режущего органа.

Оригинальность предложенного технического решения заключается в комплексном использовании режущего органа долота, совмещающего разные операции как в качестве скважинообразующего, а также и керноломателя, разрушающего горную породу на отдельные осколки для стабильности скорости бурения и повышения производительности буровой установки.