БУРОВОЕ ДОЛОТО С ВЫЕМКАМИ В ДРОБЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
DRILL BIT WITH GROOVES IN CRUSHING SURFACE

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к буровому долоту ударного действия для горной породы, имеющему головную часть, выполненную на хвостовике и имеющую выемки в дробящей поверхности, выполненной с возможностью создания гребня в горной породе во время породоразрушения для уменьшения сопротивления разрушению горной породы.
Предшествующий уровень техники
Ударные буровые долота широко применяют, как для бурения стволов скважин мелкого заложения в твердой горной породе, так и для создания стволов глубоких скважин. Для последнего варианта обычно применяют бурильную колонну, в которой множество штанг соединяют встык резьбовыми бурильными замками с увеличением глубины скважины. Наземный станок функционирует, передавая объединенное ударное и вращательное перемещение привода на верхний конец бурильной колонны, при этом буровое долото, установленное на нижнем конце функционирует, разрушая горную породу и образуя ствол скважины. Публикация WO 2006/033606 раскрывает обычное буровое долото, содержащее бурильную головную часть, в которой закреплено множество твердосплавных породоразрушающих вставок, обычно называемых зубками. Такие зубки содержат материал на основе карбида для увеличения эксплуатационной долговечности бурового долота.
Текучая среда обычно нагнетается через бурильную колонну и выходит на забое ствола скважины через отверстия в бурильной головной части для промывки выбуренной породы из зоны бурения, перемещаемой назад по каналу вокруг наружной поверхности бурильной колонны. Дополнительные примеры буровых долот ударного действия раскрыты в патентах US 3,388,756; GB 692,373; RU 2019674; US 2002/0153174; US 3,357,507, US 2008/0087473; US 4,113,037; GB 2011286; US 5,890,551; DE 2856205 и публикации WO 2009/067073.
Эффективность бурового долота для бурения в горной породе зависит от сопротивления горных пород разрушению, которое можно рассматривать включающим в себя вертикальный и горизонтальный напряжения, передаваемые на горную породу на глубине под землей. Конструктивное решение и построение бурильной головной части обычно является результатом компромисса между максимизацией эксплуатационная долговечности и максимизацией показателей работы проходки бурового долота. Буровое долото должно также содействовать перемещению назад осколков горной породы в стволе скважины, в отсутствие которого снижаются показатели проходки. Соответственно, требуется создание бурового долота и, в частности, головной части долота, оптимизированной для удовлетворения указанным выше соображениям.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание бурового долота и, в частности, головной части бурового долота для ударно-вращательного бурения горной породы, которое выполнено с возможностью создания характерного рельефа в горной породе, который значительно уменьшает сопротивления разрушению горной породы и соответственно увеличивает показатели и эффективность бурения. Дополнительной специфической задачей является создание головной части бурового долота выполненной с возможностью самонаведения во время бурения. Также дополнительной задачей является создание головной части, которая является эффективной для значительного содействия перемещению аксиально назад от плоскости забоя осколков горной породы.
Задачи решаются созданием головной части бурильного инструмента со снабженной выемками дробящей поверхностью, расположенной радиально между внешним калибрующим кольцом и центральной площадкой. В частности, породоразрушающие зубки особым образом установлены на дробящей поверхности и соответствующих скалывающих поверхностях, которые проходят аксиально вперед от дробящей поверхности. Настоящая конфигурация является эффективной для создания особенного рельефа гребней в горной породе, легко поддающихся растрескиванию и разрыву для значительного уменьшения сопротивления разрушению горной породы. В частности, настоящая головная часть бурильного инструмента выполнена с возможностью создания одного кольцевого гребня на плоскости забоя непосредственно впереди дробящей поверхности головной части для увеличения имеющихся направлений разрыва горной породы на гребне при ударе закрепленных на дробящей поверхности зубков.
Образованный гребень горной породы также является эффективным для содействия стабилизации и направлению головной части долота для уменьшения боковых отклонений вследствие аномалий, таких как существующие трещины в структуре горной породы.
Настоящая головная часть долота также выполнена с проходящими радиально и по окружности промывочными канавками, которые создают разрывы в калибрующем кольце для обеспечения перемещения радиально наружу и аксиально назад промывочного шлама и мелких фракций. Настоящий кольцевой канал или канавка, выполненный в виде выемки в головной части долота, является эффективным для направления осколков при промывке через пазы в калибрующем кольце для оптимизированного перемещения аксиально назад вдоль ствола скважины.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложена головная часть бурового долота ударного действия для горной породы, выполненная на одном конце удлиненного хвостовика с внутренним каналом, проходящим аксиально от одного конца хвостовика к головной части, головная часть содержит:  обращенную аксиально вперед кольцевую дробящую поверхность; в общем кольцевое калибрующее кольцо, выступающее аксиально вперед от дробящей поверхности по периметру головной части и имеющее калибрующую поверхность, выполненную аксиально впереди дробящей поверхности; центральную площадку, аксиально поднятую от дробящей поверхности и имеющую переднюю поверхность, расположенную аксиально впереди от дробящей поверхности; первую и вторую, в общем, кольцевую скалывающую поверхность, проходящие аксиально между дробящей поверхностью и калибрующей поверхностью, а также дробящей поверхностью и передней поверхностью, соответственно; по меньшей мере один породоразрушающий зубок, предусмотренный, соответственно, на каждой из дробящей, калибрующей, передней и первой и второй скалывающих поверхностях; промывочные канавки, сообщающиеся с внутренним каналом и проходящие радиально наружу от площадки в направлении к калибрующему кольцу и через калибрующее кольцо для разделения калибрующего кольца на сегменты кольца; и кольцевой канал, образованный между площадкой и калибрующим кольцом, выполненный с возможностью создания кольцевого гребня в горной породе и, соответственно, уменьшения сопротивления разрушению горной породы.
Настоящей долото выполнено с возможностью создания рельефа в скважине, содержащего полки и гребни, которые имеют пониженные константы равновесия (сопротивление разрушению горной породы) так что породоразрушающие зубки, закрепленные на дробящей поверхности, имеют значительно уменьшенные константы равновесия, чем другие зубки головной части бурильного инструмента. Общая константа равновесия настоящей головной части бурильного инструмента значительно ниже (приблизительно на 20% ниже) чем в существующих долотах вследствие специфической группировки и позиционирования породоразрушающих зубков на соответствующих калибрующей, передней, дробящей и скалывающей поверхностях, взаимодействие которых во время породоразрушения является синергетическим. Соответственно, благодаря уменьшению константы равновесия горной породы настоящая головная часть долота выполнена с возможностью бурения стволов скважин большего диаметра с уменьшенными затратами энергии (или за меньшее время с применением одинаковой мощности) в сравнении с известными долотами.
Если необходимо, дробящая поверхность является, по существу, планарной или вогнутой относительно плоскости, проходящей перпендикулярно продольной осевой линии хвостовика. Вогнутая дробящая поверхность является предпочтительной для дополнительного увеличения аксиальной глубины канавки и, соответственно, увеличения аксиальной высоты образующегося кольцевого гребня в горной породе для уменьшения сопротивления разрушению горной породы.
Предпочтительно, промывочные канавки проходят радиально внутрь в зонах площадки. Дополнительно и предпочтительно, промывочные канавки выполнены в дробящей поверхности. Требуемый путь потока для промывочной текучей среды от центральной зоны головной части до периметра головной части соответственно создан для захвата частиц горной породы и отходов в поток для перемещения радиально наружу и аксиально назад от головной часть. Различные пазы на площадке и кольце значительно облегчают промывку и предотвращают перемещение потока промывочной суспензии по удлиненному пути потока в направлении вдоль окружности вокруг головной части.
Предпочтительно, передняя поверхность установлена аксиально впереди калибрующей поверхности. Такое устройство является предпочтительным для стабилизации бурения вперед и максимизации аксиальной длины кольцевого гребня, образованного горной породой для получения сопротивления разрушению горной породы.
Предпочтительно, передняя поверхность содержит аксиальную выемку для обеспечения пути потока текучей среды между радиально внутренними зонами промывочных канавок. Аксиальная выемка соответственно создает углубленный карман для потока промывочной текучей среды для содействия перемещения радиально наружу и аксиально назад мелких фракции горной породы от центра головной части.
Предпочтительно, головная часть содержит промывочные каналы, сообщающиеся с внутренним каналом и проходящие через калибрующее кольцо для выхода на калибрующей поверхности. Промывочные каналы в кольце действуют для дополнительного содействия промывке в направлении радиально наружу и аксиально назад, является предпочтительными для максимизации показатели работы и эффективности дробления.
Если необходимо, первая и вторая скалывающие поверхности являются наклонными для прохода поперек продольной осевой линии хвостовика. Если необходимо, первая и вторая скалывающие поверхности могут быть выставлены параллельно продольной осевой линии или содержать кольцевые части, выставленные параллельно осевой линии с другими кольцевыми частями, выставленными поперек осевой линии. То есть, первая и вторая скалывающие поверхности могут каждая содержать множество поверхностей, расположенных под углом относительно друг друга. Скалывающие поверхности выполнены с возможностью создания требуемого рельефа в разрушаемой горной породе, имеющего нестабильный гребень, склонный к разрушению.
В случае если первая и/или вторая скалывающие поверхности являются наклонными относительно осевой линии, угол наклона первой скалывающей поверхности относительно осевой линии может иметь величину в диапазоне 1-20°. Если необходимо, угол наклона второй скалывающей поверхности относительно осевой линии может иметь величину в диапазоне 20-40°.
Если необходимо, вдоль радиуса, проходящего от центра головной части до радиально самого дальнего от осевой линии периметра, расстояние разноса между радиально самой близкой к осевой линии части породоразрушающего зубка на первой скалывающей поверхности и радиально самый дальней от оси части самого близкого породоразрушающего зубка на второй скалывающей поверхности имеет величину в диапазоне 10-30% величины радиуса головной части. Если необходимо, диапазон составляет 15-25% или, более предпочтительно, 18-22%.
Если необходимо, радиальное расстояние дробящей поверхности, образованной между первой и второй скалывающими поверхностями составляет 5-20% величины радиуса головной части, образован между центром головной части и радиально самым дальним от осевой линии периметром части режущих сферических головок на калибрующем кольце. Если необходимо, диапазон составляет 10-15% и, более предпочтительно, 11-14%.
Если необходимо, аксиальное расстояние разноса между передней поверхностью и дробящей поверхностью имеет величину в диапазоне 25-45% аксиальной длины головной части, определенной между аксиально самой передней частью породоразрушающего зубка на передней поверхности и аксиально самой задней частью юбки, которая представляет аксиально самую заднюю часть калибрующего кольца, проходящую напрямую от хвостовика. Предпочтительно, диапазон составляет 30-40% и более предпочтительно 33-38%.
Краткое описание чертежей
Конкретная реализация настоящего изобретения описана ниже только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
На фиг. 1 показан внешний вид в изометрии бурового долота ударного действия для твердой породы, имеющего головную часть и хвостовик с множеством породоразрушающих зубков, закрепленных на головной части согласно конкретной реализации настоящего изобретения.
На фиг. 2 показан вид сверху головной части долота фиг. 1.
На фиг. 3 дополнительно показан вид в изометрии головной части долота фиг. 1.
На фиг. 4 показано сечение на виде в изометрии головной части долота фиг. 1.
На фиг. 5 показано сечение на виде сбоку головной части долота фиг. 1.
На фиг. 6 показан с увеличением вид сечения фрагмента головной части долота фиг. 1.
На фиг. 7 показан с увеличением вид сверху фрагмента головной части долота фиг. 1.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Как показано на фиг. 1-4, буровое долото ударного действия содержит удлиненный хвостовик 120, снабженный бурильной головной частью 100 на одном конце. Головная часть 100 расширяется раструбом в общем радиально наружу от хвостовика 120 и содержит калибрующее кольцо 101, выполненное на периметре, и поднятую центральную площадка, указанную в общем ссылочной позицией 104, для образования кольцевого канала (указанного в общем ссылочной позицией 105), расположенного радиально между кольцом 101 и площадкой 104.
Калибрующее кольцо 101 содержит юбку 117 что расширяется раструбом радиально наружу от хвостовика 120 для образования кольцевого стыка между головной частью 100 и хвостовиком 120. Кольцо 101 содержит обращенную вперед калибрующую поверхность 121, скошенную с наклоном вниз от центральной продольной осевой линии 119, проходящей через хвостовик 120, и головную часть 100. Кольцо 101 разделено в направлении по окружности на три дугообразных сегмента кольца, отделенных, в общем, v-образными пазами 108, которые выступают аксиально назад от калибрующей поверхности 121 в направлении к хвостовику 120. Множество калибрующих зубков 112 распределены на калибрующей поверхности 121 каждого сегмента кольца и ориентированы наклоненными радиально наружу от осевой линии 119. Множество шламовых канавок 207 также созданы, как выемки в периметре кольца 101, для содействия перемещению отходов выбуренной породы назад от плоскости забоя. Радиально самая близкая к осевой линии сторона калибрующей поверхности 121 завершается первой скалывающей поверхностью 109, выставленной поперек калибрующей поверхности 121 и являющейся в общем наклонной для наклонного подъема вверх от осевой линии 119. Первая скалывающая поверхность 109 проходит аксиально вперед от, по существу, планарной дробящей поверхности, указанной в общем ссылочной позицией 102. Дробящая поверхность 102 является в общем кольцевой и проходит по окружности вокруг центральной площадки 104 для представления желоба или основания углубленного кольцевого канала 105, образованного радиально между площадкой 104 и кольцом 101. Множество породоразрушающих зубков 118 распределены по окружности на дробящей поверхности 102. Дробящая поверхность 102 завершается на своем радиально самом близком к осевой линии конце второй скалывающей поверхностью 110, проходящей аксиально вперед от поверхности 102 для образования периметра площадки 104. Первая и вторая скалывающие поверхности 109, 110 установлены радиально противоположно друг другу и совместно образуют канал 105, при этом канал 105 имеет аксиальную глубину приблизительно равную аксиальной высоте кольца 101 и площадки 104. Вместе с тем, согласно конкретной реализации, аксиальная высота площадки 104 больше аксиального расстояния, на которое кольцо 101 выступает вперед от дробящей поверхности 102.
Каждая из первой и второй скалывающих поверхностей 109, 110 содержит соответствующие группы скалывающих зубков 113, 114. Вторая скалывающая поверхность 110 также выставлена поперек осевой линии 119 так, что противоположные скалывающие поверхности 109, 110 образуют по меньшей мере часть в общем v-образного, проходящего по окружности канала. При этом первая и вторая группы скалывающих зубков 113, 114 ориентированы с наклоном аксиально внутрь и наружу относительно осевой линии 119, соответственно.
Площадка 104 имеет в общем кольцевую конфигурацию в плоскости перпендикулярной осевой линии 119, имея в общем куполообразной формы профиль в аксиальной плоскости, проходящей через головную часть 100. Аксиально самый передний конец второй скалывающей поверхности 110 завершается кольцевой передней поверхностью 103, в общем, планарной и установленной перпендикулярно осевой линии 119, а также выставленной параллельно дробящей поверхности 102. Выемка 111 углублена в переднюю поверхность 103, установленную по центру в головной части 100 так, что центральная площадка 104 содержит полость в виде небольшой выемки на своей аксиально самой передней зоне вершины. Множество передних зубков 115 предусмотрены на передней поверхности 103, и один передний зубок 116 закреплен выступающим от основания выемки 111.
Множество пазов 106 проходят в общем в радиальном направлении, заглубленными в площадку 104, отнесенными по окружности друг от друга. Каждый паз 106 содержит радиально самый близкий к осевой линии первый конец 202, который завершается в зоне выемки 111, а радиально самая дальняя от оси часть 210 завершается на радиально самом близком к осевой линии конце дробящей поверхности 102. Множество криволинейных канавок, указанных в общем ссылочной позицией 107, проходит в обоих, радиальном и вдоль окружности направлениях в виде выемок в дробящей поверхности 102. Каждая канавка 107 содержит радиально самый близкий к осевой линии первый конец 200 и радиально самый дальний от оси второй конец 201. Первый конец 200 установлен в соответствующий паз 106 площадки, а второй конец 201 расположен в соответствующем v-образном пазу 108 на калибрующем кольце 101. Соответственно, пазы 106, 108 и канавки 107 совместно образуют промывочные канавки для содействия перемещению радиально и аксиально назад осколков горной породы и мелких фракций, производимых во время бурения. Каждый паз 106 площадки завершается на своем радиально самом близком к осевой линии конце аксиально выступающим каналом 401, который сообщается текучей средой с большим центральным каналом 400, проходящим аксиально через хвостовик 120. Соответственно, промывочная текучая среда (обычно воздух) может подаваться в головную часть 100 через каналы 400, 401 для выхода в пазах 106 площадки. Соответственно, текучей среде обеспечена возможность циркуляции в канале 105 (и канавках 107) для выхода из головной части 100 через v-образные пазы 108 вместе с захваченными осколками горной породы.
Для содействия перемещению назад при промывке множество каналов 205 предусмотрены для прохода через головную часть 100 между центральным каналом 400 и выходом на калибрующую поверхность 121. Перемещению назад и радиально наружу промывочной текучей среды могут также содействовать полости 206, выполненные в зоне 208 желоба каждого v-образного паза 108. Каждый паз 108 дополнительно образован парой противоположных и аксиально сходящихся боковых поверхностей 209.
Каждая из первой и второй скалывающих поверхностей 109, 110 содержит задние кольцевые концевые поверхности 203 и 204, соответственно. Каждая концевая поверхность 203, 204 образует аксиальный стык между дробящей поверхностью 102 и каждой из скошенных скалывающих поверхностей 109, 110. Концевые поверхности 203, 204 выставлены параллельно осевой линии 119 и в общем перпендикулярны дробящей поверхности 102 для образования аксиально самой нижней зоны желоба канала 105 в объединении с дробящей поверхностью 102.
Как показано на фиг. 5-7, аксиально самая передняя зона головной части 100 образована соответствующими зонами 500 вершин передних зубков 115, выступающий от передней поверхности 103. Дополнительно, радиально самый дальний от оси периметр головной части 100 образован радиально самой дальней от оси зоной 502 каждого калибрующего зубка 112. Зоны 502 калибрующих зубков выступают радиально за радиально самую дальнюю от оси кромку 501 периметра калибрующего кольца 101, так что калибрующие зубки 112 определяют диаметр ствола скважины во время породоразрушения. Соответственно, радиальная протяженность головной части 100 между центральной осевой линией 119 и периметром головной части 100 (определенная зоной 502 калибрующих зубков) представлена ссылочной позицией E.
Как показано на фиг. 6, аксиальная длина, представленная ссылочной позицией D, соответствует аксиальному расстоянию разноса между аксиально самой передней зоной 500 каждого переднего зубка 115 и аксиально самой задней зоной 600 юбки 117, предусмотренной на аксиальном стыке с хвостовиком 120. Дополнительно, аксиальное расстояние разноса между передней поверхностью 103 и дробящей поверхностью 102 представлено ссылочной позицией C. Дополнительно, радиальное расстояние разноса между противоположными параллельными первой и второй концевыми поверхностями 203, 204 представлено ссылочной позицией A, которая соответствует радиальной протяженности дробящей поверхности 102.
Как показано на фиг. 7 радиальное расстояние разноса (указано ссылочной позицией B) соответствует радиальному разносу между радиально самой близкой к осевой линии частью 702 первого скалывающего зубка 113 и радиально самой дальней от оси части 703 второго скалывающего зубка 114, который расположен ближе всего к опорному первому скалывающему зубку 113. Расстояние B разноса лежит на отрезке радиальной линии 700, которая является прямой линией, проходящей между аксиальным центром 701 головной части 100 и радиально самым дальним от оси периметром головной части, образованным зоной 502 калибрующих зубков. Поскольку зубки 113 и 114 не лежат на одном отрезке радиальной линии, радиально самую близкую к осевой линии точку на отрезке B длины разноса можно считать образованной воображаемой дугообразной линией, проходящей от части 703 второго скалывающего зубка 114, как проиллюстрировано на фиг 7.
Согласно конкретной реализации, радиальное расстояние A составляет приблизительно 11-14% радиального расстояния E, и радиальное расстояние B приблизительно равно 18-22% радиального расстояния E. Дополнительно, аксиальная длина C приблизительно равна 34-37% аксиальной длины D.
Дополнительно, и согласно конкретной реализации, головная часть 100 содержит три сегмента кольца, каждый содержащий три калибрующих зубка 112 и два первых скалывающих зубка 113. Вторая скалывающая поверхность 110 содержит шесть вторых скалывающих зубков 114, а дробящая поверхность 102 содержит три породоразрушающих зубка 118. Дополнительно, кольцевая передняя поверхность 103 содержит три передних зубка 115 с выемкой 111, содержащей один передний зубок 116. Калибрующие зубки 112 в общем больше породоразрушающих зубков 118, которые, в свою очередь, больше первого и второго скалывающих зубков 113, 114. Дополнительно, передние зубки 115, 116 в общем меньше первого и второго скалывающих зубков 113, 114.
В эксплуатации головная часть 100 вращается вокруг осевой линии 119 и продвигается аксиально вперед для выполнения проходки в горной породе. Гребень в горной породе создается во время продвижения вперед, благодаря взаимодействию между противоположными первым и вторым скалывающими зубками 113, 114 с гребнем, образуемым в кольцевом канале 105 между калибрующим кольцом 101 и центральной площадкой 104. Настоящая головная часть 100 является предпочтительной для увеличения скорости проходки при бурении и/или для минимизации потребной приводной мощности, благодаря заметному снижению сопротивления разрушению горной породы (константы равновесия) вследствие характерного рельефа, создаваемого на плоскости забоя контурами в головной части 100. То есть, специфическое позиционирование и ориентация породоразрушающих зубков 118 и скалывающих зубков 113, 114, генерирует нестабильный кольцевой гребень на горной породе, который имеет по меньшей мере четыре направления разрушения при входе в контакт с породоразрушающими зубками 118. Понятно, что характерный рельеф кольцевого гребня можно избирательно регулировать, меняя размер и положение породоразрушающих зубков 102 и скалывающих зубков 113, 114 и соответственно геометрические соотношения между дробящей поверхностью 102 и первой и второй скалывающими поверхностями 109, 110.