ЛОПАСТНОЕ ДОЛОТО

Полезная модель относится к горному делу, а именно к породоразрушающему инструменту и может быть использована при создании лопастных долот для бурения скважин различного назначения.
Известна коронка для бурения, в которой с целью увеличения интенсивности очистки забоя скважины от шлама, в корпусе выполнен дополнительный патрубок, каналы которого выходят в раструб центрального канала и на тыльную часть коронки, находящуюся при работе в затрубном пространстве скважины /1/.
Недостатком этой коронки является неэффективная система очистки забоя, что приводит к образованию шламовой подушки и вторичному переизмельчению разрушенной породы, снижая механическую скорость бурения и рабочий ресурс коронки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является буровое долото, содержащее полый корпус с напорными промывочными каналами и центральной выемкой, соединенной посредством радиальных канавок и отводного отверстия с напорными каналами в наддолотное пространство /2/. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая эффективность очистки забоя скважины, обусловленная тем, что промывочная жидкость при истечении из каналов встречается либо с лопастями, либо с потоком от соседнего канала. При этом образуются застойные зоны, из которых шлам практически не удаляется, подвергаясь повторному переизмельчению, что снижает механическую скорость бурения и износостойкость долота.
Задача, решаемая полезной моделью в части лопастного долота, заключается в обеспечении качественной очистки забоя скважины от разрушенной породы.
Технический результат состоит в увеличении механической скорости бурения и рабочего ресурса долота.
Достижению технического результата в части лопастного долота способствует то, что в лопастном долоте, состоящем из корпуса с системой каналов для подачи промывочной жидкости на забой скважины и лопастей, армированных породоразрушающими элементами, в главном подводящем канале корпуса размещено сопло гидроструйного насоса, полностью перекрывающее центральный канал, соосно с которым в полости корпуса долота смонтированы сменные элементы гидроструйного насоса: конфузор, разгонная камера и диффузор, камера пониженного давления, при этом геометрические параметры основных элементов гидроструйного насоса находятся в следующих пределах относительно радиуса долота R: dc=(0,1-0,18)R; dp.к.=(0,15-0,19)R; Lc=(0.4-0.46)R; Lp.к.=(0,37-0,42)R; Lк=(0,22-0,28)R; Lд=(0,42-0,5)R, при α=7°; β=4° и γ=15°, где: dc - диаметр выходного отверстия сопла, dp.к. - диаметр разгонной камеры, Lс - длина сопла, Lк.с - длина камеры смешения, Lк - длина конфузора, Lд - длина диффузора, α - угол конусности внутренней поверхности сопла, β - угол конусности конфузора и γ - угол конусности диффузора, при этом камера пониженного давления соединена с межлопастным пространством долота эжекционными каналами, а главный подводящий канал корпуса долота соединен с наддолотным пространством отводящими каналами, оснащенные гидромониторными насадками, расположенными выше концевых частей эжекционных каналов камеры пониженного давления.
Полезная модель поясняется чертежами. На Фиг.1 представлен вид долота в разрезе; на Фиг.2 вид долота по А на Фиг.1; на Фиг.3 корпус долота в разрезе.
Перечень позиций:
1. Корпус долота.
2. Лопасть долота
3. Основное вооружение долота.
4. Калибровочное вооружение долота.
5. Главный подводящий канал.
6. Сопло гидроструйного насоса.
7. Стопорное кольцо.
8. Камера пониженного давления.
9. Конфузор гидроструйного насоса.
10. Разгонная камера гидроструйного насоса.
11. Диффузор гидроструйного насоса.
12. Эжекционный канал.
13. Отводящий канал.
14. Гидромониторная насадка.
15. Заглушка.
16. Стопорное кольцо.
17. Полость в корпусе долота.
dc - диаметр выходного отверстия сопла.
dp.к - диаметр разгонной камеры.
Lc - длина сопла.
Lp.к - длина разгонной камеры.
Lк - длина конфузора.
Lд - длина диффузора.
α - угол конусности внутренней поверхности сопла.
β - угол конусности конфузора.
γ - угол конусности диффузора.
I и II - зоны пониженного давления.
Лопастное долото (далее - долото) представлено на Фиг.1 и Фиг.2. Долото состоит из корпуса 1, лопастей 2 с основным 3 и калибровочным 4 вооружением. В корпусе 1 имеется главный подводящий канал 5, в котором смонтировано сопло 6 гидроструйного насоса, полностью перекрывающее главный подводящий канал 5 и зафиксированное в нем стопорным кольцом 7. Полость между соплом 6 и конфузором 9 гидроструйного насоса представляет собой камеру пониженного давления 8, соединенную с полостью скважины эжекционными каналами 12. Сменные элементы гидроструйного насоса конфузор 9, разгонная камера 10 и диффузор 11 смонтированы в полости 17 корпуса долота 1 и зафиксированы в нем стопорным кольцом 16. Главный подводящий канал 5 соединен с наддолотным пространством отводящими каналами 13. подводящие промывочную жидкость к гидромониторным насадкам 14. Отводящие каналы 13 со стороны полости скважины перекрыты заглушками 15 с целью направления потока промывочной жидкости к гидромониторным насадкам 14.
Лопастное долото работает следующим образом. Промывочная жидкость от насоса по бурильным трубам поступает в главный подводящий канал долота 5, где она разделяется на два потока, один из которых направлен во внутреннюю полость сопла 6, а другой в отводящие каналы 13 и далее к гидромониторным насадкам 14. Поток жидкости пройдя через сопло 6, конфузор 9, разгонную камеру 10 и диффузор 11 гидроструйного насоса, поступает на забой скважины. При этом в полости 8 и эжекционных каналах 12 создается разряжение, благодаря которому промывочная жидкость, обогащенная продуктами разрушения (далее - щлам) на забое скважины, за счет эжекционного эффекта отсасывается и поступает в зону пониженного давления I, исключая вторичное дробление шлама.
Одновременно промывочная жидкость, подаваемая в отводящие каналы 13, истекает с большой скоростью из гидромониторных насадок 14 в наддолотную зону II, создавая в ней также пониженное давление. Зоны пониженного давления I и II практически сливаются в одну за счет близкого расположения сопел гидромониторных насадок 14 и концевых частей эжекционных каналов 12, препятствуя шламу засасываться в камеру пониженного давления 8 и продвигаться далее на забой скважины. Высокоскоростные струи промывочной жидкости истекая из гидромониторных насадок 14, подхватывают частицы шлама и транспортируют их далее к устью скважины, исключая возможность образования сальников в наддолотной зоне.
Исследования работы гидроструйных насосов показали, что их максимальный КПД =0,25 достигается при соотношении dp.к/dc=1,1-3,5, где: dp.к - диаметр разгонной камеры, dc - диаметр выходного отверстия сопла /3/. Такое соотношение dp.к./dc возможно получить только при наличии в гидроструйном насосе диффузора, являющегося важным конструктивным элементом, позволяющим не только снизить скорость в конечном сечении разгонной камеры, но и повысить давление на выходе из струйного насоса.
Практикой внедрения гидроструйных насосов (эжекторных снарядов) при бурении геологоразведочных скважин алмазными и твердосплавными коронками двойными колонковыми трубами доказано, что при соотношении dp.к./dc=1,75-1,85 значительно повышается выход керна и разрушенного материала за счет обеспечения КПД струйных насосов в пределах =0,2-0,23. Кроме того, увеличивается износостойкость породоразрушающих инструментов на 10-15% за счет лучшей очистки забоя скважины от шлама.
Исходя из этого нами предлагаются основные геометрические параметры сменных элементов гидроструйных насосов для долот (Фиг.3), находящиеся в следующих пределах относительно радиуса долота R: dc=(0,1-0,18)R; dp.к.=(0,15-0,19)R; Lc=(0.4-0.46)R; Lp.к.=(0,37-0,42)R; Lк=(0,22-0,28)R; Lд=(0,42-0,5)R, при α=7°; β=4° и γ=15°. Меньшие значения параметров сменных элементов гидроструйного насоса соответствуют долотам диаметрами до 200 мм, а большие - долотам диаметрами более 200 мм.
Необходимо также отметить и тот факт, что при наличии в конструкции гидроструйного насоса диффузора увеличивается гидродинамическое и гидроакустическое воздействие (кавитационный эффект) на горную породу забоя скважины, отрывая от его поверхности частицы породы. В то же время кавитационный эффект разрушающе воздействует и на крупные частицы шлама, образующиеся в процессе бурения лопастными долотами, работающих в режиме резания-скалывания, находящиеся в зоне выходного диаметра диффузора, что значительно облегчает вынос их с забоя скважины восходящим потоком промывочной жидкости.
Таким образом, предложенное техническое решение лопастного долота обеспечивает более эффективную очистку забоя скважины, устраняет сальникообразование в наддолотной зоне, обеспечивает кавитационное воздействие на забой скважины и на крупные частицы шлама, повышая механическую скорость бурения и рабочий ресурс долота по сравнению с известными аналогами.