УДАРНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО С МНОЖЕСТВОМ НАБОРОВ ТОРЦЕВЫХ РЕЖУЩИХ ВСТАВОК
PERCUSSIVE DRILL BIT WITH MULTIPLE SETS OF FRONT CUTTING INSERTS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к ударному буровому долоту для горной породы и, в частности, хотя не исключительно, к буровому долоту, образованному с режущей головкой, на которую устанавливается множество торцевых режущих вставок, размещенных в наборах, причем каждый набор распределен в различных радиальных положениях на передней поверхности режущей головки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ударные буровые долота широко используются и для бурения относительно неглубоких скважин в твердой горной породе и для создания глубоких скважин. Для последнего применения обычно используются бурильные колонны, в которых множество штанг взаимосвязаны для продвижения бурового долота и увеличения глубины скважины. В «бурении с верхним ударником» наземная машина выполнена с возможностью передачи объединенного удара и вращательного движения привода верхнему концу бурильной колонны, в то время как буровое долото, размещенное на нижнем конце, выполнено с возможностью дробления горной породы и образования скважин. При «бурении с погружным ударником» удар передается не через верхний конец бурильной колонны, а с помощью ударника, непосредственно соединенного с буровым долотом внутри скважины.
Буровое долото обычно содержит буровую головку, на которую устанавливается множество твердых режущих вставок, обычно называемых штырями. Такие штыри содержат материал на основе карбида для увеличения срока службы бурового долота. Традиционно, буровое долото содержит множество калибровочных штырей, распределенных по окружности на внешней периферии головки, которая выполнена с возможностью зацепления подвергаемого дроблению материала и определения диаметра скважины. На головку также устанавливается множество торцевых штырей, обеспеченных на передней поверхности головки для зацепления подвергаемого дроблению материала в самой передней по оси области бурения. Примерные ударные буровые долота раскрыты в US 3,357,507; US 3,388,756, US 3,955,635; US 2008/0087473; US 2008/0078584; WO 2012/17460; WO 2006/033606; WO 2009/067073; US 7,527,110; US 7,392,863; EP 2592216; WO 2012/038428 и EP 2383420.
Обычно, режущие вставки распределены по передней поверхности в наборах или, как кажется, случайным образом в разных местах, а не на общей окружной линии. Обычно, разнообразие вставок увеличивается постепенно от радиально внутренней к радиально внешней области передней поверхности. Для того чтобы долоту продвигаться в горную породу во время бурения, каждая вставка должна дробить горную породу на ее окружной линии. Когда конкретная область передней поверхности включает в себя одну вставку, необходим полный оборот на 360°, чтобы продвигать долото аксиально вперед. Соответственно, вставки в этих областях долота с меньшим количеством соседних вставок имеют более высокую скорость износа, а также ограничивают скорость проходки долота. Соответственно, требуется буровое долото, которое решает эти проблемы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной целью настоящего изобретения является обеспечение ударного бурового долота, которое выполнено с возможностью максимизировать скорость проходки в горную породу во время бурения и максимизировать срок службы долота в максимально возможной степени.
Дополнительной определенной целью является обеспечение распределения упрочненных режущих вставок на головной части бурового долота, которая оптимизирована, чтобы выдерживать фрикционный износ последовательно в различных радиальных положениях от аксиального центра долота. Дополнительной определенной целью является выполнение торцевых штырей с возможностью максимизировать скорость бурения с помощью их организации и распределения на передней поверхности относительно оси долота и периферийного края головки бурового долота.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения обеспечено ударное буровое долото для горной породы, содержащее: головку, обеспеченную на одном конце вытянутого хвостовика, причем головка имеет обращенную вперед переднюю поверхность, ограниченную периферийным краем; множество торцевых режущих вставок, распределенных на передней поверхности в различных радиальных положениях между центральной осью, продолжающейся через буровое долото, и периферийным краем передней поверхности; причем торцевые режущие вставки сгруппированы во множество наборов, причем каждый набор содержит одинаковое количество вставок и размещен на разном радиальном расстоянии от оси, и каждая вставка каждого соответственного набора размещена на по существу одинаковом радиальном расстоянии, отличающееся тем, что: каждая вставка каждого набора размещена по окружности между парой вставок соседнего радиально внешнего и/или радиально внутреннего набора так, что положения вставок соседних наборов находятся в шахматном порядке по окружности.
Ссылка в этом описании на «режущую вставку» охватывает альтернативные и эквивалентные выражения, такие как режущие штыри и т.п., специально выполняемые с возможностью иметь твердость, которая больше твердости основного корпуса долота.
Ссылка в этом описании на «каждую вставку каждого соответственного набора, размещенную на по существу одинаковом радиальном расстоянии» охватывает аксиальные центры каждой из вставок в каждом наборе, размещенных на одной и той же окружной линии и на одинаковом радиальном отделяющем расстоянии от оси. Это выражение также охватывает аксиальные центры по меньшей мере некоторых из вставок в каждом соответственном наборе, размещаемых радиально снаружи или внутри относительно других вставок в том же наборе. Такой вариант включает в себя позиционирование аксиального центра одной или более вставок в наборе так, чтобы она(и) была(и) эксцентричной(ыми) (смещенной(ыми)) относительно других вставок в том же наборе на величину вплоть до диаметра (D), радиуса, трети диаметра (D/3) или четверти диаметра (D/4) вставок в наборе.
Ссылка в этом описании на «угловое расстояние» охватывает угол между вставками и, в частности, угол между соседними вставками в окружном направлении.
Нахождение положений соседних наборов вставок в шахматном порядке по окружности является предпочтительным по ряду причин. Во-первых, путем позиционирования вставок одного набора по окружности между вставками соседнего радиально внешнего и/или радиально внутреннего набора диаметры вставок соседних наборов могут перекрываться радиально, чтобы обеспечивать более компактную конструкцию. Такая конструкция также максимизирует количество вставок, которые могут быть вставлены в переднюю поверхность. Дополнительно, позиционирование вставок различных наборов так, чтобы они был смещены по окружности относительно друг друга, обеспечивает более действенное и эффективное режущее действие на дне буровой скважины. В частности, такая конструкция оказалась более эффективной для разрушения горной породы, так как вырезаемые канавки, создаваемые в горной породе, перекрываются, что содействует скалыванию или фрагментации горной породы, приводимой в движение радиально наружу по режущей поверхности.
Возможно, каждый набор содержит от трех до шести режущих вставок. Предпочтительно, каждый набор содержит четыре вставки. Такая конструкция представляет собой оптимальный компромисс между минимизацией износа вставок, а также минимизацией общего веса режущего долота, который естественным образом увеличивается с большим количеством вставок.
Предпочтительно, каждый набор содержит от двух до восьми наборов торцевых режущих вставок. Возможно, долото содержит четыре набора вставок. Возможно, внутренний набор вставок представляет собой радиально самый внутренний набор торцевых штырей. Возможно, буровое долото содержит дополнительный набор самых внутренних торцевых штырей, который содержит количество режущих вставок, меньшее, чем количество вставок в радиально внешних наборах (причем каждый из этих радиально внешних наборов содержит одинаковое количество режущих вставок в соответствии с объектом изобретения). Дополнительный набор самых внутренних вставок, имеющий более низкое количество вставок относительно радиально внешних наборов, может быть предпочтительным для использования с головками бурового долота меньшего диаметра.
Возможно, диаметр вставок каждого набора увеличивается в направлении радиально наружу от оси. Альтернативно, диаметр вставок во всех или некоторых из наборов может быть по существу одинаковым. Такие конфигурации являются целесообразными для максимизации срока службы бурового долота с учетом различных угловых скоростей вставок в различных наборах. То есть радиально внешние наборы могут содержать вставки большего диаметра относительно внутренних наборов, чтобы компенсировать увеличенную угловую скорость во время бурения так, чтобы обеспечивать равномерную скорость износа вставок во всех наборах.
Возможно, центральная область передней поверхности размещена аксиально впереди периферийного края. Возможно, передняя поверхность является в общем выпуклой так, что центральная область передней поверхности размещена аксиально впереди периферийного края. Передняя поверхность может быть куполообразной, то есть наклонена аксиально назад по направлению к хвостовику так, что радиально самая внутренняя часть передней поверхности размещена аксиально впереди относительно периферийного края головки. Согласно дополнительным вариантам выполнения, Расположенная аксиально впереди область головки может быть по существу планарной или плоской или может содержать полость так, чтобы быть в общем вогнутой, имея периферийную втулку, которая выступает аксиально вперед от радиально самой внутренней области, в которой устанавливается множество наборов вставок. В некоторых вариантах выполнения кольцеобразная втулка головки может содержать один или множество наборов торцевых штырей в дополнение к калибровочным штырям.
Предпочтительно, головка и хвостовик образованы за одно целое. Такая конструкция является предпочтительной, чтобы обеспечивать прочное и надежное долото, выполненное с возможностью выдерживать значительный крутящий момент и силы аксиальной нагрузки, передаваемые во время ударного бурения. Дополнительно, головка долота образована в виде цельного компонента, выполненного за одно целое с вытянутым валом, чтобы оптимизировать прочность долота для обеспечения жесткого долота, которое не восприимчиво к независимому движению отдельных компонентов, что в противном случае является невыгодным с многокомпонентными долотами.
Предпочтительно, передняя поверхность образована в виде единого и общего опорного основания для вставок так, что все вставки вставляются в единую общую поверхность. Такая конструкция является предпочтительной для распределения сил нагрузки равномерно по передней поверхности для максимизации срока службы долота и минимизации износа. Вставки вставляются непосредственно в головку долота через переднюю поверхность, а не устанавливаются через промежуточный и съемный корпус. Такая конструкция является предпочтительной, чтобы обеспечивать конструкционно прочную конфигурацию так, что вставки устойчивы к крутящему моменту и аксиальным силам, возникающим во время использования.
Предпочтительно, угол между соседними вставками в каждом соответственном наборе является по существу одинаковым. То есть отделяющее расстояние между соседними вставками в окружном направлении вокруг центральной оси в каждом наборе является по существу одинаковым. Предпочтительно, угол между соседними вставками (в каждом наборе) является по существу одинаковым для всех наборов на передней поверхности. Предпочтительно, расстояние в окружном направлении между соседними вставками в каждом наборе увеличивается между наборами в направлении радиально наружу от центральной оси. Как будет понятно, увеличение окружного отделяющего расстояния между вставками в наборах в направлении постепенно наружу от оси является следствием равномерного углового разнесения между соседними вставками во всех наборах.
Возможно, положения вставок по меньшей мере двух наборов перекрываются радиально. Возможно, положения вставок трех, четырех, пяти, шести или всех наборов перекрываются радиально. Возможно, радиально внутренний, радиально внешний и/или радиально средний наборы содержат вставки, которые размещены так, чтобы перекрываться радиально. Такая конфигурация оптимизирует эффективность резания головки долота и максимизирует скорость проходки, так как плотность распределения вырезаемых канавок в горной породе повышается, так как по меньшей мере некоторые из образуемых канавок перекрываются радиально.
Возможно, буровое долото может содержать первый внутренний набор, размещенный радиально самым внутренним на или по направлению к оси относительно других наборов; и первый промежуточный набор, размещенный радиально между первым внутренним набором и калибровочной группой режущих вставок, размещенных на или по направлению к периферийному краю. Возможно, буровое долото может дополнительно содержать второй промежуточный набор, размещенный радиально между первым промежуточным набором и калибровочной группой. Возможно, буровое долото может дополнительно содержать второй внутренний набор, размещенный радиально между первым внутренним набором и первым промежуточным набором. Такая конструкция является целесообразной для максимизации скорости бурения и срока службы бурового долота, выполненного с куполообразной или выпуклой передней поверхностью. Как будет понятно, количество разных наборов вставок может изменяться в соответствии с размером, геометрией и профилем формы головки долота, включающей в себя, в частности, плоскую и вогнутую области передней поверхности.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения обеспечено ударное буровое устройство, содержащее буровое долото, как заявлено здесь.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее будет описан конкретный вариант выполнения настоящего изобретения исключительно путем примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
Фигура 1 представляет собой внешний вид в перспективе бурового долота, содержащего множество торцевых режущих вставок, распределенных и размещенных в группах или наборах на головной части долота согласно конкретному варианту выполнения настоящего изобретения;
Фигура 2 представляет собой дополнительный вид в перспективе головной части бурового долота на Фигуре 1;
Фигура 3 представляет собой вид сверху передней поверхности головки на Фигуре 2;
Фигура 4 представляет собой вид сбоку головки на Фигуре 2.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фигурах 1-4 буровое долото 100 содержит буровую головку 101, образованную на одном конце в общем вытянутого вала 102, причем и головка 101 и вал 102 центрированы на продольной оси 108. Вал 102 содержит шлицы 109 для зацепления с соответствующими шлицами приводного инструмента (не показан), который окружает вал 102 во время использования. Головка 101 содержит аксиально переднюю секцию 111 и аксиально заднюю секцию 110 юбки, которая взаимодействует с валом 102. Секция 111 имеет больший диаметр, чем юбка 110 и частично ограничена кольцеобразным самым наружным периферийным краем 106. Обращенная вперед передняя поверхность, обозначенная в целом ссылочной позицией 105, выступает аксиально вперед от края 106 так, что обращенная вперед часть секции 111 является в общем выпуклой и имеет куполообразный профиль при рассмотрении сбоку или в поперечном сечении. Передняя головная секция 111 сужается назад от края 106 через короткую продольно продолжающуюся заднюю поверхность 107, которая сопрягается с аксиально передней областью юбки 110.
Передняя поверхность 105 может рассматриваться как радиально сегментированная на множество кольцеобразных областей, продолжающихся между осью 108 и периферийным краем 106. В частности, поверхность 105 содержит внешнюю периферийную область 200, которая ограничена по ее периферии краем 106. Область 200 скошена, чтобы сходиться на конус назад относительно оси 108 так, чтобы быть отклоненной относительно радиально самой внутренней области 203, которая выровнена по существу перпендикулярно оси 108. Область 203 аксиально поднята для образования платформы 204, которая выступает вверх от первой промежуточной области 202. Область 202 также выровнена по существу перпендикулярно оси 108. Первая промежуточная область 202 окружена второй промежуточной областью 201, которая скошена, чтобы сходиться на конус назад относительно оси 108. Вторая промежуточная область 201 размещена радиально между первой промежуточной областью 202 и периферийной областью 200. Угол отклонения, с которым область 201 продолжается от оси 108, меньше соответствующего угла, с которым периферийная область 200 продолжается относительно оси 108. Соответственно и, как обозначено на Фигуре 4, области 200-203 совместно образуют в общем выпуклую переднюю поверхность 105, которая выступает аксиально вперед от периферийного края 106.
На головку 101 устанавливается множество упрочненных режущих вставок, обозначенных в целом ссылочными позициями 103 и 104, выполненных из материала на основе карбида, такого как цементированный карбид или карбид вольфрама, например. Согласно конкретному варианту выполнения вставки 103, 104 являются в общем куполообразными. Однако в соответствии с дополнительными конкретными вариантами выполнения вставки 103, 104 могут иметь режущие кончики, находящиеся аксиально впереди, которые, являются скругленными, коническими, пулеобразными, полусферическими, плоскими или заостренными в соответствии с традиционной конфигурацией режущих вставок. Вставки 103, 104 вставляются в головную секцию 111 так, чтобы аксиально выступать из передней поверхности 105. Как будет понятно, калибровочные вставки 103 размещены на или по направлению к периферийному краю 106, чтобы определять и поддерживать заданный диаметр скважины во время образования. Калибровочные вставки 103 наклонены радиально наружу так, чтобы быть в общем наклоненными и обращенными наружу от оси 108 в соответствии с периферийной областью 200.
На Фигурах 2 и 3 вставки 104, которые размещены радиально внутри калибровочных вставок 103, сгруппированы во множество наборов, причем каждый набор размещен на различном радиальном расстоянии от оси 108. Дополнительно, каждая вставка 104 каждого набора размещена на одинаковом радиальном отделяющем расстоянии от оси 108 так, что вставки 104 каждого набора размещены на общей окружной линии вокруг оси 108.
Согласно конкретному варианту выполнения, вставки 104 разделены на первый внутренний набор 205, размещенный радиально самым внутренним на или по направлению к оси 108 и установленный в пределах внутренней области 203. Второй внутренний набор 206 окружает первый набор 205 и установлен в области 202. Первый промежуточный набор 207 окружает второй внутренний набор 206 и установлен в области 201. Второй промежуточный набор 208 (также установленный в области 201) размещен радиально снаружи первого промежуточного набора 207 и радиально внутри группы калибровочных вставок 103. Предпочтительно, чтобы максимизировать срок службы и максимизировать скорость проходки долота 100, каждый набор 205-208 содержит одинаковое количество вставок 104, составляющее четыре вставки на набор согласно настоящему варианту выполнения. Соответственно во время вращения долота 100 вокруг оси 108 каждая вставка 104 каждого набора выполнена с возможностью совместно образовывать кольцеобразную линию резания, когда долото 100 поворачивается на 90° во время бурения. Это должно быть противопоставлено традиционным конструкциям, где, например, самый внутренний набор 205 содержит одну вставку 104, которой требуется поворот на 360° для завершения одной кольцеобразной линии резания в горной породе. Как будет понятно, скорость проходки настоящего долота 100 существенно больше, чему у традиционных конструкций, и износ вставок ниже и распределен более равномерно.
Первый и второй промежуточные наборы 207, 208 содержат вставки 104, имеющие оси, которые наклонены, чтобы сходиться на конус радиально наружу от оси 108 в соответствии с угловой ориентацией области 201 (относительно оси 108), внутри которой наборы 207, 208 установлены. Для сравнения, вставки 104 в первом и втором внутренних наборах 205, 206 имеют оси, которые выровнены по существу параллельно с осью 108. Как проиллюстрировано на Фигуре 4, угол, с которым вставки 104 первого и второго промежуточных наборов 207, 208 продолжаются радиально наружу от оси 108, меньше соответствующего угла, с которым калибровочные вставки 103 наклоняются радиально наружу от оси 108.
На Фигуре 3 каждая вставка 104 первого внутреннего набора 205 отделена от оси 108 на одинаковое радиальное отделяющее расстояние R1. Каждая вставка 104 второго внутреннего набора 206 отделена от оси 108 на одинаковое радиальное отделяющее расстояние R2. Каждая вставка 104 первого промежуточного набора 207 отделена от оси 108 на одинаковое радиальное отделяющее расстояние R3. Каждая вставка 104 второго промежуточного набора 208 отделена от оси 108 на одинаковое радиальное отделяющее расстояние R4. Согласно настоящему варианту выполнения, R1<R2<R3<R4. Однако величина последовательного увеличения от R1 до R4 (через R2 и R3) не является равномерной согласно настоящему варианту выполнения.
Согласно настоящему варианту выполнения, угол, на который смежные вставки 104 (соседние в окружном направлении) разнесены, составляет 90° во всех наборах 205-208. То есть угол между смежными вставками 104 каждого набора является неизменным и одинаковым во всех наборах 205-208. Такая конфигурация является предпочтительной в том, что вставки изнашиваются последовательно в различных радиальных положениях от аксиального центра долота, и скорость проходки долота максимизируется.
На Фигуре 3 положение каждого набора вставок 205-208 находится в шахматном порядке по окружности на передней поверхности 105. То есть каждая вставка 104 каждого набора 205-208 размещена по окружности между двумя вставками 104 соседнего радиально внутреннего или радиально внешнего набора 205-208. В частности, каждая вставка 104 набора 205 размещена по окружности между вставками 104 набора 206; вставки 104 набора 206 размещены по окружности между вставками 104 наборов 205 и 207; вставки набора 207 размещены по окружности между вставками 104 наборов 206 и 208, и вставки 104 набора 208 размещены по окружности между вставками 104 набора 207. Согласно конкретному варианту выполнения вставки 104 набора 208 также размещены по окружности между калибровочными вставками 103. Дополнительно и при рассмотрении на виде сверху, как проиллюстрировано на Фигуре 3, соответственные диаметры вставок 104 по меньшей мере некоторых из наборов перекрываются радиально, причем это возможно за счет расположения в шахматном порядке по окружности вставок соседних наборов. В частности, диаметры вставок 104 наборов 207 и 208 перекрываются радиально. Также, как следует из Фигуры 3, каждая вставка 104 каждого набора размещена приблизительно посередине по окружности между парой вставок 104 соседнего набора. При этой конфигурации вставки всех наборов разнесены так, чтобы быть размещенными максимально далеко друг от друга на передней поверхности 105. Такая конструкция является предпочтительной, чтобы максимизировать эффективность резания каждой вставки и обеспечивать конструкционно прочное долото. Расположение в шахматном порядке по окружности вставок и радиальное перекрытие между вставками 104 наборов 207, 208 являются дополнительно предпочтительными, чтобы обеспечивать радиально компактную головку 101 и максимизировать количество наборов 205-208, вставляемых в переднюю поверхность 105. Настоящая конфигурация выполнена с возможностью активного разрушения горной породы на дне буровой скважины, частично благодаря частичному радиальному перекрытию наборов 207, 208 и группированию вставок 104 в наборы (206, 208), размещенные на различных радиальных расстояниях от оси 108.
Установка первого внутреннего набора 205 на платформе 204 является предпочтительной, чтобы обеспечивать забуривание, когда вставки набора 205 встречаются с горной породой первоначально во время бурения. Такая конструкция также рассматривается как целесообразная для повышения скорости проходки за счет обеспечения местного «нижнего» уровня в горной породе, в которой трещины могут образовываться во время бурения. Дополнительно, поднятая или выпуклая передняя поверхность 105, имеющая поднятую самую внутреннюю область 203, является целесообразной, чтобы минимизировать риск возникновения трещин в головке 101, начинающихся от промывочных отверстий 112, продолжающихся внутри головки 101.
Согласно настоящему варианту выполнения, диаметр вставок 104 первого внутреннего набора 205 меньше соответствующего диаметра второго внутреннего набора 206. Подобным образом, диаметр вставок 104 первого и второго внутренних наборов 205, 206 меньше соответствующего диаметра вставок 104 первого и второго промежуточных наборов 207, 208. Как показано и согласно настоящему варианту выполнения, диаметр калибровочных вставок 103 больше диаметра каждой из внутренней и промежуточной вставок 104 наборов 205-208. Однако согласно дополнительным вариантам выполнения, диаметр вставок 104 во всех наборах 205-208 может быть по существу равным или может быть меньше или больше диаметра калибровочных вставок 103.
Согласно дополнительным вариантам выполнения, обращенная аксиально вперед область головной секции 111 может быть по существу планарной (плоской) или может содержать вогнутую область, ограниченную продолжающейся аксиально вперед периферийной втулкой. Дополнительно, головка 101 может содержать периферийные аксиально продолжающиеся промывочные каналы, связанные с каждым промывочным отверстием 112, для облегчения перемещения аксиально назад промывочной текучей среды и фрагментов и мелких частицы горной породы.
Дополнительно, согласно дополнительным вариантам выполнения, головка 101 может содержать дополнительный самый внутренний набор вставок 104, размещенный радиально внутри набора 205, содержащий такое же или меньшее количество вставок (в том же и общем радиальном положении) относительно радиально внешних наборов 205-208. То есть самый внутренний набор вставок 104 может содержать одну, две или три вставки 104, в то время как радиально внешние наборы 205-208 могут содержать четыре или более вставок, причем вставки 104 каждого набора размещены на одинаковом радиальном отделяющем расстоянии R1-R4 относительно оси 108.