ШНЕКОВОЕ ЛОПАСТНОЕ ДОЛОТО С ПЛАСТИНЧАТЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ЛОПАСТИ ШНЕКОВОГО ЛОПАСТНОГО ДОЛОТА

Полезная модель относится к горной промышленности, в частности к буровым лопастным долотам и может быть использована при создании шнековых лопастных долот для бурения сплошным забоем гидрогеологических, геологоразведочных, дренажных, буроинъекционных и других скважин технического назначения, а также при создании шнековых буров.
Из уровня техники известно буровое лопастное долото, содержащее корпус с замком и ступенчатые лопасти, передние грани которых армированы породоразрушающими элементами, расположенными под углом к оси долота /1/.
Недостатком аналога является отсутствие радиального смещения породоразрушающих элементов лопасти, что создает дополнительное сопротивление движению разрушенной породы по ее поверхности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является бурильный инструмент для вращательного бурения скважин, содержащий корпус с двухзаходными спиральными лопастями и закрепленными к лопастям по радиальным линиям ступенчато с возможностью перекрытия друг друга под разными углами к вертикальной плоскости резцами /2/. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является выпукло-вогнутая форма забоя скважины, образуемая резцами лопасти, при которой один из резцов работает полностью в условиях зажатой среды, являющейся наихудшим, из всех известных, условием разрушения горной породы, и незначительные углы смещения резцов в радиальной плоскости относительно друг друга в сторону вращения долота, создающие дополнительное сопротивление движению разрушенной породы по поверхности лопасти.
Задача, решаемая полезной моделью в части шнековое лопастное долото заключается в обеспечении облегченных условий разрушения горной породы без дополнительного сопротивления ее движению по поверхности лопасти.
Технический результат состоит в увеличении производительности бурения на 10-12% и возможности использования долота для бурения скважин различного диаметра.
Достижению технического результата в части шнекового лопастного долота способствует то, что шнековое лопастное долото, содержащее корпус с хвостовиком многогранной формы, несущую трубу шнека с ребордой и лопасти, в котором лопасти состоят из отдельных сменных пластинчатых элементов со сменными породоразрушающими резцами, при этом угол подъема спиральной линии, образованной периферийными торцами сменных пластинчатых элементов лопасти, по которой монтируются породоразрушающие резцы лопастного долота, равен углу подъема спирали реборды шнека, а угловое смещение каждого последующего пластинчатого элемента лопасти относительно первого в радиальной плоскости имеет вид ряда последовательных чисел α, 2α…nα и направлено в сторону вращения долота, угол α определяется из выражения α=180/n, где n- количество пластинчатых элементов, составляющих лопасть.
Из уровня техники известно долото для вращательного бурения, содержащее корпус с закрепленными на нем ребордами шнека и резцами на торцах реборд /3/.
Недостатком аналога является невозможность применения долота с шнеками различного диаметра и несоответствие угла установки резцов углу подъема спиралей реборд шнека, что создает дополнительное сопротивление движению разрушенной горной породы на реборды шнека.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является лопастное долото содержащее корпус и лопасти, состоящие из пластинчатых элементов в виде консольных балок защемленных с одного конца на корпусе долота, на периферийных частях которых смонтированы сменные резцы, при этом, пластинчатые элементы имеют угловое смещение в радиальной плоскости относительно друг друга /4/. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются: ненадежность пластинчатых элементов, выполненных в виде защемленных балок с консольной установкой рабочих органов долота, в результате чего реакция забоя скважины, возникающая от крутящий момента, воспринимается только консольными концами пластинчатых элементов, а высота и угловое смещение пластинчатых элементов лопасти не связаны ни с одним из параметров долота.
Задача, решаемая полезной моделью в части сменный пластинчатый элемент лопасти шнекового лопастного долота заключается в увеличении надежности сменных пластинчатых элементов, а также обеспечение углового смещения одного пластинчатого элемента лопасти относительно другого на угол α.
Технический результат состоит в увеличении рабочего ресурса сменных пластинчатых элементов шнекового лопастного долота и возможность использования одного долота с шнеками различного диаметра.
Указанный технический результат достигается тем, что сменный пластинчатый элемент лопасти шнекового лопастного долота (далее - сменный пластинчатый элемент) выполнен в виде фигуры сложной формы с центральным отверстием многогранной формы (предпочтительно - шестигранной), монтажная ось которого в каждом последующем сменном пластинчатом элементе в радиальной плоскости смещена на угол α относительно выше расположенного сменного пластинчатого элемента, при этом, сменный пластинчатый элемент состоит из двух равновеликих плеч - правого и левого относительно центра долота с пазами на периферийных частях, задние поверхности которых лежат в плоскостях под углом γ=15-30° к плоскости забоя скважины и направлены в сторону вращения долота, а передние грани плеч выполнены с положительным наклоном по отношению к плоскости забоя скважины, угол которого равен углу подъема спирали реборды шнека β, высота сменного пластинчатого элемента h и их количество n, составляющих лопасть, определяются аналитическими выражениями h=S/2n и n=R∂/, где S- шаг спирали реборды шнека, R∂ - радиус шнекового долота,  - ширина резца на сменном пластинчатом элементе.
Полезная модель поясняется чертежами. На Фиг.1 представлен общий вид шнекового лопастного долота; на Фиг.2 сечение по А-А на Фиг.1; на Фиг.3 "а" первый сменный пластинчатый элемент; на Фиг.3"б" второй сменный пластинчатый элемент; на Фиг.3"в"третий сменный пластинчатый элемент.
Перечень позиций:
1. Корпус шнекового лопастного долота.
2. Отверстие в корпусе долота, соосное с отверстием в несущей трубе шнека.
3. Несущая труба шнека.
4. Реборда шнека.
5. Хвостовик шнека.
6. Сменный пластинчатый элемент:
h - высота пластинчатого элемента;
n - количество пластинчатых элементов;
S - шаг спирали реборды шнека;
R∂ - радиус шнекового долота;
- ширина рабочего органа (резца) лопасти долота;
α - угловое смещение каждого последующего сменного пластинчатого элемента относительно предыдущего в радиальной плоскости;
β - угол подъема спирали реборды шнека;
γ - угол задней поверхности паза сменного пластинчатого элемента к плоскости забоя скважины;
0 - центр долота.
7. Породоразрушающие резцы.
8. Многогранное отверстие в сменном пластинчатом элементе.
9. Правое плечо сменного пластинчатого элемента
10. Левое плечо сменного пластинчатого элемента.
11. Задняя поверхность паза на периферийной части сменного пластинчатого элемента.
12. Передняя грань правого и левого плеч сменного пластинчатого элемента.
Шнековое лопастное долото (далее - долото) представлено на Фиг.1. Долото состоит из корпуса 1 (Фиг.2) с отверстием 2 (Фиг.1) для крепления несущей трубы шнека 3 (Фиг.1) с хвостовиком корпуса 1 (на Фиг.1 и Фиг.2 не показан), несущей трубы шнека 3 (Фиг.1) с ребордой 4 (Фиг.1) и хвостовиком 5 (Фиг.1), пластинчатых элементов 6 (Фиг.1) со сменными породоразрушающими резцами 7 (далее - резцы) (Фиг.1). Угол подъема спиральной линии, образованной периферийными торцами сменных пластинчатых элементов 6 (Фиг.1), по которой монтируются резцы долота, равен углу подъема спирали реборды шнека β (Фиг.1, Фиг.3"а", 3"б" и 3"в"), а угловое смещение каждого последующего сменного пластинчатого элемента лопасти α (Фиг.3"б") относительно первого (Фиг.3"а") в радиальной плоскости имеет вид ряда последовательных чисел α, 2α…nα и направлено в сторону вращения долота, а угол α определяется из выражения α=180/n, где n - количество сменных пластинчатых элементов, составляющих лопасть.
Сменный пластинчатый элемент лопасти шнекового лопастного долота 6 представлен на (Фиг.3). Пластинчатый элемент имеет центральное отверстие многогранной формы 8 (Фиг.3) (предпочтительно - шестигранное), ось которого в каждом последующем после первого (Фиг.3"а") сменном пластинчатом элементе 6 смещена относительно монтажной оси лопасти (Фиг.3) на угол α (Фиг.3"б"), правое 9 (Фиг.3) и левое 10 (Фиг.3) плечи от центра долота О, на концах которых выполнены пазы 13 (Фиг.3) с задними поверхностями 11 (Фиг.3), которые лежат в плоскостях под углом γ=15-30° (Фиг.3"а", 3"б" и 3"в") к плоскости забоя скважины и направлены в сторону вращения долота, а передние грани плеч выполнены с положительным наклоном по отношению к плоскости забоя скважины, угол которого равен углу подъема спирали реборды шнека β. Высота сменного пластинчатого элемента h (Фиг.3"а", 3"б" и 3"в") и количество n сменных пластинчатых элементов 6, составляющих лопасть, определяются аналитическими выражениями h=S/2n и n=R∂/, где S- шаг спирали реборды шнека (Фиг.1), R∂ - радиус шнекового долота (Фиг.2), - ширина резца на сменном пластинчатом элементе (Фиг.1).
Пример 1.
Произведем расчет углового смещения отдельного сменного пластинчатого элемента лопасти в радиальной плоскости α для шнекового долота например диаметром 430 мм. У долота диаметром 430 мм диаметр реборды шнека должен быть 420 мм (стандартный диаметр). Шаг спирали реборды может быть от 280 до 500 мм. Мы произведем расчет угла α для шага спирали реборды равном 400 мм. Ширина резца на сменном пластинчатом элементе  (например твердосплавная пластина формы Т-25) равна 25 мм. Тогда количество сменных пластинчатых элементов на лопасти n=R∂/ равно 8, высота сменного пластинчатого элемента h=S/2n на равна 400/16=25 мм, а угол α равен 180°/8=22,5°. Все эти параметры взаимосвязаны при построении спиральной линии, по которой монтируются резцы долота.
При полученных параметрах n, h и α угол подъемы спиральной линии, образованной периферийными торцами сменных пластинчатых элементов долота диаметром 430 мм, по которой монтируются сменные резцы долота, практически равен углу подъема спирали реборды шнека, что не создает дополнительных усилий движению разрушенной горной породы по поверхности лопасти долота, а высота сменного пластинчатого элемента лопасти равная 25 мм обеспечивает работу всех резцов в полублокированных, т.е. облегченных условиях, и увеличивает производительность бурения на 10-12%. Для сравнения приведем результаты бурения лопастными долотами диаметром 430 мм в горных породах V-VI категории по буримости при одинаковых параметрах режима бурения.
Таблица 1
№ п/п
Сопоставляемые объекты
Производительность бурения, м/час
1.
Устройство-прототип
5,2
2.
Заявленное устройство
5,75
Как следует из таблицы №1, производительность бурения заявленным устройством на 10,5% выше производительности устройства-прототипа, что дает основание для утверждения о достижении заявленного технического результата.
Шнековое лопастное долото работает следующим образом. На устье скважины к хвостовику (на Фиг.1 не показан) корпуса долота 1 (Фиг.2) подсоединяют несущую трубу шнека 3 (Фиг.1), совмещая отверстия 2 (Фиг.1) в хвостовике корпуса долота 1 (Фиг.2) и несущей трубе шнека 5 (Фиг.1), и фиксируют замковым пальцем (на Фиг.1 не показан). Затем собранное долото подсоединяют к вращателю бурового станка и, приложив к долоту осевое усилие, начинают с вращением опускать долото до поверхности горной породы. Забурив долото на всю его длину, производят наращивание бурового снаряда следующей секцией шнека и продолжают бурение скважины. Последовательно наращивая секции шнеков, проходят скважину до проектной глубины.
Пример 2.
Сменный пластинчатый элемент лопасти шнекового лопастного долота 6 представлен на (Фиг.3). Сменный пластинчатый элемент имеет центральное отверстие многогранной формы 8 (Фиг.3) (предпочтительно - шестигранное), ось которого в каждом последующем после первого (Фиг.3"а") сменном пластинчатом элементе 6 смещена относительно монтажной оси лопасти (Фиг.3) на угол α (Фиг.3"б"), правое 9 (Фиг.3) и левое 10 (Фиг.3) плечи от центра долота O, на концах которых выполнены пазы 13 (Фиг.3) с задними поверхностями 11 (Фиг.3), которые лежат в плоскостях под углом γ=-15-30° (Фиг.3"а", 3"б" и 3"в") к плоскости забоя скважины и направлены в сторону вращения долота. Согласно теоретических исследований в области разрушения горных пород передний угол атаки резцов γ у долот, предназначенных для бурения пород IV категории по буримости, равен 25-30°, для бурения пород V категории 20-25° и для бурения пород VI категории 15-20°.
Определим параметры n, h и α для долота например диаметром 470 мм с ребордой шнека диаметром 450 мм (стандартный диаметр) и шагом спирали реборды 500 мм. Лопасти долота армированы резцами формы Т-25 шириной 25 мм. Исходя из этих данных количество сменных пластинчатых элементов на каждой лопасти будет равно 235/25=9 (n=R∂/), оставшееся не пораженное пространство на забое скважины равное 10 мм определяет параметры рассечки, порода которой будет скалываться за счет радиального биения долота при бурении. Высота сменных пластинчатых элементов на каждой лопасти будет равна 500/18=27,8 мм (h=S/2n). Угол радиального смещения отдельного сменного пластинчатого элемента лопасти в радиальной плоскости α будет равен 180°/9=20°.
При полученных параметрах n, h и α угол подъемы спиральной линии, образованной периферийными торцами сменных пластинчатых элементов долота диаметром 470 мм, по которой монтируются сменные резцы долота, практически равен углу подъема спирали реборды шнека, что не создает дополнительных усилий движению разрушенной горной породы по поверхности лопасти долота. Размещение резцов на каждом сменном пластинчатом элементе лопасти на равных радиусах симметрично по отношению друг к другу способствует равномерному распределению усилий от крутящего момента, увеличивая их ресурс. Кроме того, в зависимости от количества сменных пластинчатых элементов в долоте можно получить долота различного диаметра с соответствующими диаметрами шнеков. Сказанное дает основание для утверждения о достижении заявленного технического результата.
Источники информации.
1. А.с. СССР №1366627, Кл. Е21В 10/42. Опубл. 15.01.1988. Бюл. №2
2. Патент РФ №2004761. Кл. Е21В 10/42. Опубл. 15.12.1993. Бюл. №45-46 (прототип).
3. А.с. СССР №1765347. Кл. Е21В 10/04. Опубл. 30.09.1992. Бюл. №36.
4. Каталог фирмы ООО «Тетракон» «Буры конические» (прототип).