Буровое долото для ударно-вращательного бурения
DRILL BIT FOR PERCUSSION-ROTARY DRILLING

Изобретение относится к области создания бурового породоразрушающего инструмента для ударно-вращательного бурения скважин.
Известна буровая коронка штыревого типа, состоящая из хвостовика и головки с размещенным на ее рабочей поверхности породоразрушающими инденторами и отверстием для продувки [RU №169571 от 08.11.2016, опубл. 23.03.2017].
Недостатком этой коронки является невысокая эффективность бурения при приложении центрального будара при бурении.
Наиболее близким техническим решением является шарошечное долото для ударно-вращательного бурения, содержащее корпус, цапфу, на которой установлена шарошка с возможностью вращения, ударник, взаимодействующий с шарошкой [а.с. СССР №829846, МКИ Е21В 9/08, от 18.05.79, опубл. 15.05.81].
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность разрушения горных пород при приложении центрального удара.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности разрушения горных пород на забое скважины при ударно-вращательном бурении с помощью передачи на забой внецентренных ударных импульсов, создающих тангенциальные усилия скалывания породы и действующие в плоскости забоя.
Указанный технический результат достигается поворотом на некоторый угол шарнирно закрепленной полусферической головки вследствие реализации внецентренных ударных импульсов посредством выполненной на нижнем торце хвостовика торовой шайбы с эксцентрично расположенным на ее нижнем торце выступом. При этом поворот полусферической головки будет происходить в плоскости нанесения внецентренного удара, а именно, в плоскости размещения выступа на торовой шайбе в противоположную от него сторону, для этого в направлении поворота полусферической головки имеется угловой зазор. Торовая шайба с эксцентрично расположенным на ее нижнем торце выступом устанавливается с возможностью поворота, что исключает передачу на хвостовик долота изгибающего момента, вызванного внецентренным приложением ударного импульса. Для возврата в исходное положение полусферической головки, она подпружинена со стороны, противоположной эксцентричному выступу на шайбе.
Совокупность признаков заявляемого изобретения, а именно наличие шарнирно расположенной части головки долота, а также расположенной на торце хвостовика торовой шайбы с эксцентрично расположенным на ее нижнем торце выступом при взаимном расположении, обеспечивающем возможность поворота в плоскости нанесения внецентренного удара не обнаружены в известных технических решениях, что предполагает соответствие заявляемого бурового долота критерию новизны.
Соответствие изобретательскому уровню подтверждается тем, что при внецентренном приложении удара наблюдается увеличение объемов разрушения горной породы на забое за счет концентрации высоких напряжений под определенными породоразрушающими вставками, а также реализации тангенциальных ударных усилий в плоскости забоя, приводящих к дополнительному скалыванию породы и повышению размеров лунок разрушения, а также обеспечивающих отделение от забоя части массива горной породы, которая испытала разрушающее действие, разделена трещинами, но еще удерживается в лунках разрушения силами своих внутренних связей.
В результате повышается эффективность разрушения горной породы на забое, заключающаяся в более высокой скорости проходки скважин в средних по твердости и мягких хрупких непластичных породах.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показано заявляемое буровое долото штыревого типа;
на фиг. 2 показан механизм разрушения породы предлагаемым долотом, где: хвостовик - 1; соединительные шлицы - 2; шайба торовая - 3; эксцентричный полусферический выступ - 4; шайба фиксирующая - 5; подвижная часть головки долота - 6; неподвижная часть головки долота - 7; шарнирный элемент - 8; упругий элемент - 9; породоразрушающие элементы -10; цилиндрическая шайба - 11; болты - 12,ударник - 13.
Головка долота состоит из подвижной 6 и неподвижной 7 частей, связываемых шарнирным элементом 8. Поддержание подвижной части головки долота в исходном положении производится с помощью упругого элемента 9.
Для разрушения пород на забое подвижная часть головки долота содержит породоразрушающие элементы 10. Для сборки подвижной и неподвижной частей головки бурового долота конструкция оснащена цилиндрической шайбой 11, закрепляемой на головке долота болтами 12.
Предлагаемое буровое долото для ударно-вращательного бурения работает следующим образом. Торовая шайба 3 верхним торцом воспринимает центральный ударный импульс от ударник 13, передавая хвостовику внецентренный ударный импульс посредством выступа 4 на нижнем торце торовой шайбы 3, при этом возможность поворота торовой шайбы 3 снимает изгибающий момент с хвостовика 1.
Изгибающий момент М=ΔР⋅Е, где ΔР - сила удара, Н; Е - эксцентриситет размещения выступа 4 на торце торовой шайбы 3. Применение подвижной торовой шайбы устраняет изгибающий момент М, что не исключает передачу к вооружению долота внецентренного ударного импульса.
Внецентренный ударный импульс, сообщенный хвостовику 1, передается головке долота, вызывая поворот подвижной полусферической части головки долота 6 в плоскости нанесения внецентренного удара на некоторый угол β (фиг. 2). Поворот подвижной полусферической части головки долота 6 обеспечивает возникновение тангенциальных ударных усилий, приводящих к изменению формы лунок разрушения, повышению их размеров и обеспечивающих отделение от забоя части массива горной породы, которая испытывает разрушающее действие, разделена трещинами, но еще удерживается в лунках разрушения силами своих внутренних связей.
Величина тангенциального смещения породоразрушающих элементов 10 задается величиной угла β. Например, для очень твердых пород угол β может быть мал или равен нулю, а по мере снижения твердости и повышения пластичности породы увеличиваться до максимально возможных значений. Тангенциальное смещение породоразрушающих элементов будут задаваться размерами подвижной полусферической головки 6 и размерами породоразрушающих элементов 10.
Для возвращения подвижной полусферической части головки 6 в исходное положение после окончания цикла разрушения долото оснащено упругим элементом 9.
Применение предложенного бурового долота для ударно-вращательного бурения позволит повысить эффективность разрушения средних и мягких хрупких непластичных горных пород на забое скважины при проходке геологоразведочных и других скважин различного целевого назначения с использованием забойных ударных механизмов.