ФРЕЗА

Полезная модель фреза - относится к буровой технике, в частности к режущему инструменту с использованием клина-отклонителя. Она может быть использована для прорезания окна в обсадной колонне труб и для забуривания нового ствола.
Известно устройство, используемое для прорезания окна в обсадной колонне [Ловильные, режущие и вспомогательные инструменты. Каталог ЦИНТИХимнефтемаш. М., 1978 г., с.36) [1]. Оно изготовлено комплексно из трех райберов, отличающихся друг от друга габаритными размерами и диаметром, последовательно увеличивающихся от №1 до №3. В начале прорезается окно меньшим, а заканчивают прорезание - большим (№3) инструментом. Инструмент выполнен конусным с равномерным расширением кверху. Рабочие поверхности - боковые поверхности, на которые наплавлен твердый сплав.
Недостатками устройства являются: металлоемкость, многооперационная технология изготовления инструмента занимает значительную часть времени; прорезание осуществляют тремя инструментами, последовательно опускаемыми в скважину с целью получения необходимой длины окна. Рабочими поверхностями служат - боковые поверхности, которые оказывают истирающее действие на поверхность прорезаемого металла обсадной колонны и следовательно имеют малую производительность. Торцевая часть не защищена твердым сплавом, что ограничивает ее функцию. Инструмент не рассчитан на длительный период действия, т.к. не имеет охлаждающей системы.
Известно устройство для прорезания окна в обсадной колонне [Ловильные, режущие и вспомогательные инструменты. Каталог ЦИНТИХимнефтемаш. М., 1978 г., с.38) [2] с использованием клина-отклонителя, установленного на забое. Оно содержит райбер, фрезер-долото и направляющую трубу. Недостатками устройства являются: наличие направляющей трубы, выполненной длинной, не обеспечивающей прорезание окна полного профиля, т.е. длиной, равной длине скоса отклонителя. Получают укороченное окно, т.к. фрезер-долото раньше времени выходит за колонну, что приводит к осложнениям при спуске других инструментов, спускаемых после. Прорезание окна диктует производить два спуска-подъема инструмента, т.к. режущая часть не обеспечивает удовлетворительного прорезания за один раз.
В качестве прототипа заявляемой фрезы выбран фрезерный инструмент [патент РФ №2310735, МПК Е21В 29/06, от 13.02.2006 г.] [3]; как самый близкий по технической сущности, так и экономическому эффекту. Устройство содержит режущую и направляющую части. Режущая часть выполнена виде фрезы для прорезания окна в обсадной колонне и включает полый корпус, в котором выполнен промывочный канал вдоль оси и промывочное отверстие в нижней части. Боковые и концевые рабочие поверхности частично покрыты износоустойчивым покрытием. Направляющая часть выполнена виде клина-отклонителя с наклонной рабочей поверхностью корпуса. Корпус фрезы выполнен разъемным и состоит из верхней и нижней частей. Нижняя часть имеет торец в форме правильной пирамиды, на ребрах которой закреплены в один или два ряда твердосплавные режущие элементы в форме прямого цилиндра. На гранях напаян слой режуще-истирающего покрытия. Верхняя режущая часть имеет переменное сечение с резким переходом частей при образовании ступени. Концевая часть верхней режущей части корпуса имеет цилиндрическую форму. Над концевой частью корпус имеет форму усеченной пирамиды, на ребрах которой частично нанесено режуще-истирающее покрытие. Далее верх корпуса выполнен виде сферического многогранника, грани которого в сечении имеют форму трапеции. На нижней боковой поверхности граней закреплены в один или два ряда режущие элементы, выше которых нанесено режуще-истирающее покрытие. Верхняя и нижняя части корпуса соединены шлицевым крестообразным соединением и закреплены болтом, установленным в отверстии, выполненном под промывочным каналом в нижней части. На границе перехода от внутреннего диаметра промывочного канала к внутреннему диаметру отверстия под болт образована круговая опора, на которой размещен полый пружинный элемент и Т-образная головка болта. Вертикальная часть головки выполнена над горизонтальной частью и имеет диаметр равный диаметру тела болта. В верхней части выполнены промывочные отверстия. Срезной болт расположен в резьбовом отверстии между концевыми рабочими поверхностями фрезы и в промежуточном элементе в виде втулки. Часть втулки выполнена виде усеченного конуса с резьбой в нем и выступает над поверхностью клина-отклонителя.
Недостатками устройства являются: выполнение корпуса разъемным, т.к. усложняется технология изготовления отдельных частей в месте их соединения и требуется дополнительный набор элементов и точность их соединения; режущие рабочие поверхности только частично покрыты режуще-истирающим слоем, а другая часть перекрыта режущими элементами, что не позволяет включить в работу обе части одновременно и не позволяет сразу включить в работу режуще-истирающее покрытие; пазы между рабочими поверхностями выполнены прямыми по отношению к оси корпуса в горизонтальной и вертикальной плоскостях, что усложняет процесс стружкоотвода и продуктов резания, промывку, очистку самих пазов и режущих поверхностей, т.к. не реализуется аэродинамический эффект движения жидкости в этой зоне; участки режущих поверхностей на боковой части корпуса выполнены с резкой границей раздела верхней и нижней частей, что в процессе фрезерования, как на больших так и на малых скоростях, может привести к повышению вибрации корпуса, шумовым эффектам, ударным действиям о металл режущими элементами с одновременным скалыванием и затуплением режущих кромок; в качестве режущих элементов использованы готовые элементы из твердосплавного материала в виде прямого цилиндра, «шайбы», что при имеющемся уровне вибрации в системе делает процесс резки фрезой неустойчивым значительно ухудшая качество фрезерования, стружкоформирования и ее отвод от фрезы.
Задачей полезной модели - фрезы, является устранение перечисленных недостатков и тем самым повышение производительности, качества процессов фрезерования окна в стенке обсадной колонны, расширение возможностей.
Технический результат достигается тем, что, как и известная фреза для прорезания окна в обсадной колонне, содержащая полый корпус, в котором выполненная промывочный канал вдоль оси фрезы и сквозные промывочные отверстия в режущей части корпуса, выполненные под углом к оси фрезы; верхняя часть корпуса, выполнена цилиндрической формы, а боковая - переменного сечения в виде многогранника, грани которого имеющие в сечении форму неправильной трапеции, на которой закреплены режущие элементы; боковые и торцевые рабочие режущие поверхности корпуса покрытые износоустойчивым режуще-истирающим слоем покрытия; нижняя торцевая поверхность корпуса выполненная с режущими элементами; имеющая продольные непрерывные пазы между боковыми рабочими поверхностями, согласно изобретению, корпус выполнен неразъемным, сужающимся книзу, режущие боковые поверхности выполнены виде непрерывно-ступенчатой системы с пологим переходом одной режущей части к другой и с непрерывно нанесенным на эти поверхности слоем износоустойчивого режуще-истирающего покрытия и режуще-истирающие поверхности боковой и торцевой частей корпуса усилены режущими элементами, жестко закрепленными в продольных пазах, выполненных в ступеньках режущих кромок, образованных в месте перехода от цилиндрической к конической поверхностям, используемые режущие элементы имеют форму плоского сегмента круга или плоской неправильной трапеции; непрерывные продольные пазы между боковыми рабочими поверхностями выполнены под углом 2°±0,2 к оси корпуса в горизонтальной и 5°±0,2 - в вертикальной плоскостях.
Сопоставительный анализ заявляемой полезной модели устройства фрезы с прототипом показывает, что заявляемое устройство имеет существенные отличия. Оно использует новую форму режущих элементов; оптимизированы угол наклона пазов между рабочими поверхностями и режущая кромка режущих элементов; боковая поверхность выполнена по типу каскада ступенек, т.е. непрерывно-ступенчатой с непрерывным слоем покрытия из дробленых частиц износоустойчивого материала; количество ступенек выполняется исходя из возможностей длины фрезы, НДС рабочих слоев покрытия и режущих элементов в период прорезания окна в обсадной колонне, свойств прорезаемого металла и свойств грунта. В отличие от прототипа боковые режущие поверхности равномерно и полностью покрыты слоем из режуще-истирающих частиц дроблено-износоустойчивого материала типа ВК8, что позволяет выровнять усилия резания и значительно снизить вибрацию фрезы. Этот эффект дополнен, усилен наличием системы плавного перехода от участка к участку резания обсадной колонны за счет выполнения боковых режущих поверхностей в виде непрерывно-ступенчатой системы, которая позволяет равномерно распределять напряжения в зоне резания не допуская перегрева металла и сварку контактирующих поверхностей. Вибрация становится незначительной и не влияет на режим резания. В отличие от прототипа вся режущая боковая поверхность на корпусе выполнена как многогранник или точнее непрерывно-ступенчатая многогранная система (начиная с трех ступеней), что позволяет фрезе плавно переходить от ступеньки к ступеньке в процессе фрезерования без ударных действий, с минимальной вибрацией корпуса, формируя стружку, легкоудаляемую промывной жидкостью. В отличие от прототипа вдоль боковой поверхности фрезы нет застойных мест, где «продукты» резания могли бы удерживаться и затруднять в дальнейшем процесс резания, создавая сопротивление. В заявляемом устройстве переход от ступеньки к ступеньке выполнен плавным при переходе от цилиндрической поверхности к конической, формирующих эти ступеньки (под углом 30-60° от горизонтали). За счет выполнения поверхностей боковой и торцевой режущими с непрерывной напайкой режуще-истирающего слоя, т.е. от верха до низа непрерывная режущая поверхность (слой покрытия из дробленых твердосплавных частиц) и режущими элементами в виде пластин с рабочими режущими кромками, усиливающими процесс резания, достигается эффект качественной работы фрезы в процессе формирования окна в стенке обсадной колонны. Дополняется этот эффект выполнением на корпусе нескольких ступенек (не менее двух). Увеличение количества ступенек на боковой режущей поверхности фрезы приводит к увеличению производительности процесса фрезерования за счет увеличения работоспособности фрезы, равномерного перераспределения напряжения вдоль всей поверхности. Отсюда возникает возможность расширить диапазон скоростей резания, который не мог позволить себе прототип, а также возможность врезаться в грунт, обладающий образивными или пластичными свойствами (песок, глина и т.д.), подвергая измельчению плотные породы и формируя «пазы» в пластичном материале без ущерба режущей способности кромок режущих элементов или режуще-истирающего слоя. В качестве режущих элементов, в отличие о прототипа использованы плоские пластины твердосплавные с режущими кромками, выполненными у сегмента круга - под углом 20° (задний угол), а у неправильной трапеции - под углом 45°. Преимущества следующие: плоская пластина позволяет организовать более легкую напайку их, легкую и глубокую заделку их в продольные пазы в боковых и торцевых поверхностях, а после скола кромки получаем эффект самозатачивания режущего элемента, т.к. оставшийся «осколок» кромки имеет ту режущую способность; такие пластины удобно заменять, они не дефицитны, выпускаются готовыми с заданным углом режущих кромок. В отличие от прототипа, торцевая поверхность выполнена плоской с радиальными пазами под режущие пластины или в виде обратного конуса, что позволяет поверхности с заявленным рельефом (режущие пластины, уложены и запаяны в радиальных пазах, а между ними - части поверхности с нанесенным износоустойчивым режуще-истирающим покрытием) служить «стабилизатором» т.е. устойчиво удерживать от смещения фрезу, не позволяя расшириться зоне зарезки фрезы. В отличие от прототипа и других известных устройств, в которых непрерывные продольные пазы выполняются вдоль оси фрезы между рабочими режущими поверхностями, в заявляемой фрезе выполнены пазы наклонными в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Оптимальными оказались такие углы: - 2°±0,2 - угол наклона паза от оси фрезы в горизонтальной плоскости и 5°±0,2 - угол наклона от оси фрезы в вертикальной плоскости. При этом процессе фрезерования происходит плавная зарезка, приводящая к снижению вибрации и напряжения в зоне резания. Улучшается технологический процесс формирования зубьев. Упрощается процесс формирования стружки. В случае увеличения угла наклона паза в горизонтальной плоскости более 2°±0,2 - «дно» паза, уменьшаясь смещает паз, торцевые зубья как бы вырождаются и получается в профиль цилиндрическая поверхность. Если наклон паза выполнен в горизонтальной плоскости под углом менее 2°±0,2, то это приводит к уменьшению толщины зуба, уменьшению прочности наплавки. Паз получается в виде узкой полоски. В случае обеспечения угла наклона паза 5°±0,2 в вертикальной плоскости и 2°±0,2 - в горизонтальной плоскости от оси фрезы, обеспечивается профиль «полной» впадины, которая в свою очередь, обеспечивает полный и качественный отвод продуктов резания. Если же углы наклона больше 2°±0,2 и 5°±0,2, то происходит утонение режущей рабочей поверхности и появляются проблемы напайки режущих элементов в этой поверхности и их размещение. Если же угол наклона выполнен менее 5°±0,2 в вертикальной плоскости от оси фрезы, то происходит уменьшение проходного канала, затрудняющего выход как продукта резки, так и промывочной жидкости.
В сравнении с другими известными устройствами того же назначения [4], [5], [6], [7] заявляемая полезная модель конструктивно существенно отличается. Заявляемое устройство имеет новизну, является техническим решением и имеет практическое применение, т.к. проверено в производственных условиях (5 образцов). Результаты испытаний подтвердили положительный эффект от использования конструкции.
Предполагается внедрение устройства фрезы в ООО «БИТТЕХНИКА» г.Пермь и на других предприятиях аналогичного назначения, использующих буровую технику для прорезания окна в обсадной колонне или зарезке дополнительных стволов в буровой скважине.
На фиг.1 схематично показано двухступенчатое устройство, вид в плане и в разрезе.
На фиг.2. Схематично показано устройство трехступенчатое с использованием режущих элементов в форме сегмента круга, без их наплавки, вид в плане.
На фиг.3. схематично показано трехступенчатое устройство с использованием наплавленных режущих элементов в форме сегмента круга, в аксонометрии.
На фиг.4. схематично показано устройство трехступенчатое с использованием в качестве режущих элементов пластины в форме неправильной трапеции без их наплавки, вид в плане.
На фиг.5. схематично показано устройство трехступенчатое с использованием в качестве режущих элементов наплавленных пластин в форме неправильной трапеции, в аксонометрии.
На фиг.6а. - сечение В-В на фиг.2. (без нанесения режуще-истирающего слоя).
На фиг.6б. - сечение В-В фиг.2 с нанесенным режуще-истирающим слоем.
На фиг.7. - показана торцевая поверхность с режущими элементами и режуще-истирающим слоем, вид Б спереди, фиг.2.
На фиг.8. - показан режущий элемент в виде пластины в форме сегмента круга, в разрезе.
На фиг.9. - показан режущий элемент в виде пластины в форме неправильной трапеции, в разрезе.
На фиг.10 - контур А на фиг.1.
На фиг.11а-г. - показаны моменты прорезания окна в обсадной колонне двухступенчатой фрезой, в разрезе.
На фиг.12а-г. - показаны моменты прорезания окна в обсадной колонне трехступенчатой фрезой, в разрезе.
Устройство содержит полый неразъемный корпус (фиг.1-5), который имеет верхнюю часть (1) с резьбой и режущую часть (2) с боковыми рабочими поверхностями в виде неправильных трапеций (3), цилиндрическая поверхность (4) которой переходит на коническую (5), образуя ступеньки единой системы (непрерывно-ступенчатой) вдоль всей боковой и торцевой рабочих поверхностей. На торцевой и боковых поверхностях напаян режуще-истирающий слой покрытия (7), (фиг.6б и 7) а в продольные пазы (8) впаяны режущие элементы в виде пластин в форме сегмента круга (9) (фиг.1, 2, 3 и 8) или неправильной трапеции (10) фиг.(4, 5 и 9). Имеются промывочный осевой канал (12) и (фиг.1-5), (фиг.6а и 6б) и промывочные сквозные отверстия (13), выполненные под углом к промывочному осевому каналу (фиг.2, 4). Между рабочими режущими поверхностями имеется продольный паз (11), выполненный под углом 2°±0,2 - в горизонтальной плоскости и под углом 5°±0,2 - в вертикальной плоскости к оси корпуса (фиг.10).
Устройство работает следующим образом.
Всю компоновку фрезы (фиг.1, 3, 5, 11, 12) опускают в скважину на заданную глубину вместе с любым необходимым оборудованием (не показано) для ориентации клина-отклонителя (не показано). Корпус фрезы (фиг.1-5), выполненный неразъемным, имеет верхнюю часть (1) в виде хвостовика. Режущая часть корпуса (2) имеет вдоль корпуса рабочие поверхности (3) в виде неправильной трапеции, выполнена в виде непрерывной ступенчатой системы с пологим переходом одной части поверхности (4) к другой (5) для уменьшения напряжения в зоне контакта боковых режущих поверхностей (7, 9, 10) в моменты спуска фрезы, освобождения клина-отклонителя (не показано) и более плавной зарезки ее в стенку обсадной колонны (14). Непрерывность режущих боковых поверхностей фрезы (по типу каскада) создает благоприятные условия резания металлических стенок обсадной колонны и значительно снижает вибрацию фрезы, что положительно сказывается на качестве фрезерования и стружкообразования, исключает перегрев в зоне контакта режущих элементов и режуще-истирающих частиц фрезы со стенкой обсадной колонны (фиг.11, 12), (14). Клин-отклонитель и фрезу поворачивают до совмещения лицевой поверхности клина-отклонителя с требуемым направлением и закрепляют на стенках обсадной колонны (14). Верхняя часть корпуса фрезы имеет осевой замкнутый канал (фиг.6а, 6б, 11), (12), в который подается промывочная жидкость под давлением. Через промывочный канал (12) и промывочные отверстия (13) в верхней и нижней режущих частях корпуса (2) фрезы жидкость выходит наружу для охлаждения и смачивания твердосплавных частиц режуще-истирающего покрытия (7) на боковых рабочих поверхностях (4, 5) и торцевой поверхности (6), для удаления отходов, «продуктов» зарезки в процессе формирования окна в стенке обсадной колонны, от режущих элементов (9, 10) и от дробленых частиц из твердосплавного материала (7) и продвижения их вверх по непрерывным продольным пазам (фиг.1-5), (11), выполненным наклонно к оси фрезы. На буровую колонну (не показано) прикладывают нагрузку для того, чтобы срезать болт (не показано), который соединяет корпус фрезы в части (2) с верхней частью клина-отклонителя. Затем открываются промывочные отверстия (13) в корпусе фрезы. Фреза начинает вращаться перемещаясь по клину-отклонителю плавно без рывков, вибрации, не допуская ударных усилий в процессе врезания в стенки обсадной колонны за счет оптимального угла перехода от цилиндрической (4) к конической поверхностям (5) ступенек и непрерывности спуска, наличия 2-3-4-х ступенчатой системы боковых режущих поверхностей фрезы (фиг.1-5 и 11-12). При движении вниз по наклонной поверхности клина-отклонителя непрерывная система покрытия (7) на боковой поверхности фрезы и режущие элементы (9) - в форме сегмента круга или неправильной трапеции (10) приходят в контакт со стенкой обсадной колонны и расфрезеровывают ее, образуя окно в стенке (14). За действием режущих элементов следует действие режуще-истирающего слоя покрытия (7) на рабочих поверхностях (4, 5), интенсифицируя совместно с жидкостью, подаваемой из промывочных отверстий (13), процесс измельчения и отвода отходов резания обрабатываемой фрезой стенок обсадной колонны. За счет выполнения боковых режущих поверхностей непрерывно-ступенчатыми процесс резания проходит плавно, без резких срывов от одной части поверхности к другой (фиг.1-5), уменьшая напряжения в зоне резания, но интенсифицируя резку и позволяя развивать большие скорости вращения фрезы. Режущие элементы (9) или (10) за счет своей формы (плоские элементы из твердосплавного материала, типа ВК8 с режущими кромками, обладающими свойством самозатачивания) (фиг.8, 9) эффективно обрабатывают не только стенки обсадной колонны (фиг.11a - 11в, 12а, 12в), но легко врезаются в труднообрабатываемый грунт (фиг.11г, 12г). В прототипе для усиления процесса резания используют режущие элементы виде цилиндров, в один или два ряда размещенных на ступеньках поперек рабочих поверхностей. При этом усложнена технология получения таких режущих поверхностей по сравнению с заявляемым устройством. К тому же в прототипе значительно увеличен объем используемого твердосплавного материала. В прототипе элементы не обладают свойством самозатачивания. В заявленном изобретении после прорезания окна верхней боковой режущей частью фрезы подключается нижняя боковая режущая часть и торцевая поверхность (6). Режущие элементы, размещенные на границе перехода боковой поверхности к торцевой эффективно проводят зарезку в стенку обсадной колонны. Плоская торцевая поверхность (фиг.5), покрытая режуще-истирающим слоем покрытия между режущими элементами (9), (фиг.3) или (10), (фиг.5) закрепленными напайкой в пазах, выполненных в радиальном направлении (фиг.7) или торцевая поверхность, выполненная в виде обратного конуса (фиг.10), позволяют не только значительно усилить процесс резания и отвод продуктов резания, но и стабилизировать зарезку, не позволяя фрезе смещаться в процессе фрезерования, формируя и сохраняя параметры окна заданные углом зарезки клином-отклонителем.
Фреза выполнена в металле из стали 40Х, но допускается и сталь 45Г (ГОСТ 14959-79). Рабочие поверхности на фрезе, как и пазы между ними, выполнены фрезерованием. Рабочие режущие поверхности покрыты непрерывным слоем, содержащим дробленые частицы твердого сплава (преимущественно ВК 8) в связке на основе меди, типа МНЦ-15, 20. В качестве твердосплавного режущего элемента использовали готовые изделия - плоские пластины. На равных испытывались пластины в форме сегмента круга и в форме неправильной трапеции.
По сравнению с прототипом заявленная модель имеет следующие преимущества. Фреза более технологична в исполнении: корпус выполнен неразъемным, тем самым упрощается ее формообразование. Нет необходимости компоновать ее части; нет деталей для соединения частей, пазов под соединяемые элементы (как в прототипе); оптимизированы продольные пазы между рабочими поверхностями. Они выполнены с наклоном в горизонтальной и в вертикальной плоскостях к оси фрезы, что упрощает формообразование и эксплуатацию боковых режущих поверхностей. Фреза более работоспособна, т.к. ступенчатость, непрерывность плавного перехода от ступеньки к ступеньке, усиление режущей части непрерывным режуще-истирающим слоем и жесткое закрепление режущих элементов в продольных пазах под эти элементы, которые использованы в виде пластин в форме плоского сегмента круга или плоской неправильной трапеции с режущей кромкой - все это вместе работает на снижение напряжения в зоне контакта, минимизацию вибрации фрезы, позволяя тем самым увеличения скорости производительность фрезерования. За счет снижения вибрации, улучшения теплоотвода от режущих поверхностей, улучшения условий стружкообразования расширяется возможность устройства - появляется возможность увеличить скорость резки и улучшения качества зарезки. Работоспособность режущих элементов выше и за счет плоской формы сегмента круга или неправильной трапеции, а также за счет самозатачиваемости режущих кромок этих элементов. Найдены оптимальные углы наклона в пазах между рабочими поверхностями, в результате - упрощается технология фрезерования самих пазов и оптимизируется формирование рабочих боковых поверхностей устройства.
Источники информации принятые во внимание:
1. Каталог ЦИТИХИМнефтемаш. М., 1978 г., с.36 (аналог).
2. Тот же источник, с.38 (аналог).
3. Патент РФ №2310735, МПК Е21В 29/06, от 13.02.2006 г. (прототип).
4. Патент РФ №7,610,9710132, МПК Е21В 29/06, от 03.11.2009 г. (аналог).
5. Патент РФ №2394977, МПК Е21В 29/06, от 22.05.2009 г. (аналог).
6. Полезная модель РФ №34620, МПК Е21В 29/06, от 15.06.2003. (аналог) с.209 (аналог).
7. Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. М. «Недра», 1988 г., с.209 (аналог).