Долото для бурения
DRILL BIT

Изобретение относится к горной промышленности и бурению скважин с применением алмазного бурового инструмента.
Известно буровое долото, содержащее корпус с лопастями, на которых расположены резцы с алмазными породоразрушающими пластинами, плоскость режущей поверхности которых развернута относительно линии проекции на плоскость забоя, проходящей через центр плоскости пластины и ось долота под острым углом в пределах от 5 до 35°, с чередованием указанного угла наклона по часовой стрелке и против нее на следующем друг за другом соседнем резце при установке резцов по кольцевой траектории на радиально-кольцевых венцах [RU №2735319 от 19.07.2019, опубл. 30.10.2020].
Недостатком аналога является необходимость применения сложной технологии ориентирования всех резцов долота и размещения резцов только по кольцевой траектории. При этом никак не учитывается возможность улучшения очистки режущей поверхности резцов долота промывочной жидкостью.
Известно буровое долото, содержащее тело с лопастями, каждая из которых имеет ряд расположенных на ней резцов с абразивным слоем из поликристаллических алмазов, таким образом, что два соседних резца повернуты навстречу друг другу [US №2020/0149350, опубл. 14.05.2000].
Недостатком аналога является то, что для борьбы с вибрациями и повышения производительности необходимо применение сложной технологии ориентирования в долоте резцов попарно, что осуществляется изменением переднего и фронтального углов их установки. К тому же конструкция долота не учитывает возможности использования струи промывочной жидкости с целью полноценной очистки и предразрушения горной породы.
Наиболее близким техническим решением является буровое долото, содержащее корпус и матрицу с резцами, содержащими абразивный слой и имеющие по меньшей мере одну канавку или канал на режущих гранях, причем часть резца может иметь V-образную форму. [US 8739904 от 29.06.2009, опубл. 03.06.2014].
В данном техническом решении направление действующих на резец сил, которое осуществляется за счет конструктивных особенностей резца, не используется для повышения эффективности разрушения породы и нуждается в дополнительной технологии ориентирования резца в буровом инструменте посредством изменения переднего и фронтального углов его установки. К тому же представленная конструкция резца не учитывает необходимости полноценной очистки канавок от разрушенной породы. В случае загрязнения канавок, резец теряет свои антивибрационные способности.
В предлагаемом изобретении за счет формы режущей поверхности резца, не изменяя величины переднего и фронтального углов его установки, осуществляется равномерное распределение сил, действующих на резец так, что их взаимодействие предотвращает поперечные колебания долота и благоприятствует концентрации напряжений в породе, что повышает его разрушающую способность. При этом, поступающая к резцу промывочная жидкость устремляется в углубление, расположенное строго в центре резца, что улучшает очистку наиболее заполненной шламом его части.
Предлагаемое изобретение направлено на борьбу с вибрациями, улучшение очистки и разрушающей способности долота.
Достигается это тем, долото для бурения, содержащее корпус и матрицу с резцами, имеющими режущую поверхность абразивного слоя из поликристаллических алмазов в виде продольного углубления, нанесенного на торцевую часть цилиндрического корпуса с круглым основанием, отличающееся тем, что режущая поверхность резцов выполнена в виде вогнутого конуса, угол вершины которого определяется по формуле:
ск
где: γ - угол скалывания породы режущей поверхностью резца;
п
γ - передний угол установки резца; d - диаметр резца;
h - глубина внедрения резца в породу,
или в виде вогнутой сферы, радиус которой определяется по формуле;
где: Δ - размер буртиков торцевой части корпуса между краем резца и краем углубления в виде вогнутой сферы.
Совокупность признаков заявляемого изобретения, не обнаружены в известных технических решениях, что предполагает соответствие конструкции заявляемого долота критерию новизны.
Соответствие изобретательскому уровню подтверждается тем, что при внедрении резцов долота в породу на определенную глубину, поверхность резцов, выполненная в виде вогнутого конуса или вогнутой сферы, способствует тому, что результирующая усилия резания-скалывания породы на каждом резце не концентрируется в центре их режущей грани, а разделяется на два вектора усилия, направленных на встречу друг другу, что гасит вибрации долота. При этом угол конуса углубления, определяемый как  позволяет направить созданные усилия и струю промывочной жидкости через центр резца в пласт, что повышает разрушающую способность и очистку долота.
Изобретение позволяет повысить ресурс долота для бурения.
ск
п
Указанный технический результат достигается тем, что долото для бурения, содержащее корпус и матрицу с резцами, имеющими режущую поверхность абразивного слоя из поликристаллических алмазов в виде продольного углубления, нанесенного на торцевую часть цилиндрического корпуса с круглым основанием, причем режущая поверхность резцов выполнена в виде вогнутого конуса, угол вершины которого рассчитывается по формуле  где: γ - угол скалывания породы режущей поверхностью резца; γ - передний угол установки резца; d -диаметр резца; h - глубина внедрения резца в породу, или режущая поверхность резцов выполнена в виде вогнутой сферы, радиус которой определяется по формуле
где: Δ - размер буртиков торцевой части корпуса между краем резца и краем углубления в виде вогнутой сферы.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана конструкция резцов долота, режущая поверхность которых выполнена в виде продольного конусного углубления;
на фиг. 2 показана конструкция резцов долота, режущая поверхность которых выполнена в виде продольной вогнутой сферы;
на фиг. 3 показана схема распределения сил в пределах двух резцов при бурении известным долотом;
на фиг. 4 показан вид сверху схемы распределения сил в пределах одного резца предложенной конструкции долота;
на фиг. 5 показан вид сбоку схемы распределения сил в пределах одного резца предложенной конструкции долота;
на фиг. 6 показан вид сверху схемы распределения сил при бурении долотом, армированного резцами, режущая поверхность которых выполнена в виде продольной вогнутой сферы;
на фиг. 7 показана расчетная схема для определения длина образующей конуса углубления режущей поверхности резца
На фиг. 1-7 обозначено: 1 - абразивный слой из поликристаллических алмазов; 2 - корпус резца; 3 - режущая грань резца; 4 - пределы области разрушения породы; 5 - матрица долота; R - вектор усилия резания-скалывания породы.
Долото для бурения содержит корпус и матрицу 5. Матрица 5 армируется резцами. Резцы имеют режущую поверхность в виде абразивного слоя из поликристаллических алмазов 7, нанесенного на торцевую часть цилиндрического корпуса резца 2 с круглым основанием. В процессе бурения известным долотом равнодействующая усилия резания-скалывания породы (R), создаваемая каждым резцом, концентрируется под прямым углом к центру его режущей грани 3 (фиг. 3). При такой конструкции долота уровень сил трения на режущей поверхности резцов довольно низкий, что приводит к возникновению поперечных колебаний резцов. В случае анизотропности перебуриваемых горных пород или наклонно-направленного бурения такие колебания усиливаются, что приводит к вибрациям долота. Вибрации подобного происхождения осложняют эксплуатацию забойных телеметрических систем и повышают уровень динамических ударных нагрузок на вооружение, ограничивающий ресурс бурового инструмента.
1
2
1
2
При бурении долотом, армированным резцами, режущая поверхность которых выполнена в виде продольного конусного углубления или вогнутой сферы, результирующая усилия резания-скалывания породы делится на два вектора R и R, которые направлены на встречу друг другу (фиг. 4, фиг. 6). Противодействуя, усилия R и R предотвращают поперечные колебания резцов и таким образом гасят вибрации долота.
1
2
Согласно фиг. 4, показывающей распределение сил при взаимодействии резца с породой, когда два вектора усилия резания-скалывания R и R направлены так, что пределы области разрушения породы 4 от действия этих усилий будут соприкасаться в точке, находящейся в плоскости, проходящей через ось резца, угол
а
где  - длина вектора R; В - длина образующей конуса углубления режущей поверхности резца.
Рассмотрим схему взаимодействия резца с породой на виде сбоку (фиг. 3). Имеем значения
ск
п
где γ - угол скалывания породы перед передней гранью резца; γ - передний угол установки резца.
где h - глубина резания-скалывания породы.
Тогда
Длина образующей конуса углубления режущей поверхности резца В будет зависеть от диаметра резца d и глубины резания-скалывания породы h (фиг. 7)и составит
Таким образом, угол вершины конуса углубления режущей поверхности резца, способствующего гашению поперечных колебаний должен быть равен
Радиус вогнутой сферы режущей поверхности определяется значением угла α и согласно схеме (фиг. 6), показывающей распределение сил при взаимодействии резца, режущая поверхность которого выполнена в виде продольной вогнутой сферы, определяется как
где Δ - размер буртиков (см. фиг. 6)
Гашение поперечных колебаний резцов позволит увеличить ресурс долота, устраняя воздействие на резцы ударных нагрузок. К тому же предложенная форма режущей поверхности в виде продольного углубления будет способствовать направлению струи промывочного агента, поступающего из промывочных каналов долота, строго в центр режущей грани, а оттуда прямо в пласт, что будет способствовать предразрушению породы путем ее разрыхления и улучшению очистки резца от шлама в самой нагруженной его части.