Буровая головка для горизонтально-направленного бурения

Полезная модель относится к горному делу, а именно к буровым головкам для горизонтально-направленного бурения крепких пород.
Известна буровая головка для горизонтально-направленного бурения, содержащая основание с дробящей поверхностью, оснащенное породоразрушающими вставками и, связанный с ним корпус с криволинейной наружной поверхностью, выполненной под углом наружу в радиальном направлении относительно основания и охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность, оснащенную периферийными и центральными породоразрушающими вставками с прерывистым армированием, управляющую поверхность, выполненную с наклоном от передней торцевой поверхности в сторону основания и содержащую ведущую, оснащенную породоразрушающими вставками, и ведомую боковые поверхности и размещенную между ними, внутреннюю вогнутую конусообразную поверхность, выполненную с наклоном от передней дугообразной торцевой поверхности и сужающуюся в направлении дробящей поверхности основания, промывочные сопла. (http://gorbur.ru/skalniy-burovoy-instrument/burovaya-golovka-at-rockbit.html).
Недостаток данного технического решения заключается в низкой эффективности бурения пород повышенной крепости из-за того, что все породоразрушающие вставки на передней дугообразной торцевой поверхности выполнены в виде твердосплавных зубков скалывающего типа, имеющих большой шаг установки и вылет, относительно передней дугообразной торцевой поверхности, приводящий при бурении пород повышенной крепости как к поломкам зубков, так и к скалыванию крупных частиц породы, осложняющих процесс транспортирования последних промывочной жидкостью, а также к их вторичному измельчению, приводящему к большому износу как центральных, так и периферийных твердосплавных зубков, поскольку их твердосплавное вооружение имеет низкую износостойкость и прочность в данных условиях. При этом значительные габариты твердосплавных зубков приводят к увеличению толщины передней дугообразной поверхности и, как следствие, ухудшается управление буровой головкой и снижается скорости проходки. Кроме того, большой вылет периферийных вставок относительно корпуса не исключает проваливание и заклинивание буровой головки в трещинах, и также существенно затрудняет процесс управления буровой головкой, как при ее поступательном движении без вращения в породах небольшой крепости, так и при управлении «толчками» в породах повышенной крепости.
Наиболее близким техническим решением является буровая головка для горизонтально-направленного бурения, содержащая основание с дробящей поверхностью, оснащенное породоразрушающими вставками и, связанный с ним ложкообразный корпус с криволинейной наружной поверхностью, выполненной под углом наружу в радиальном направлении относительно основания и охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность, проходящую по дуге от 30° до 180°, оснащенную периферийными вставками и двумя рядами центральных породоразрушающих вставок с прерывистым армированием, расположенных, соответственно, вдоль большой и малой сторон передней дугообразной торцевой поверхности, управляющую поверхность, выполненную с наклоном от передней торцевой поверхности в сторону основания и содержащую ведущую, оснащенную породоразрушающими вставками, и ведомую боковые поверхности и размещенную между ними, внутреннюю вогнутую конусообразную поверхность, выполненную с наклоном от передней дугообразной торцевой поверхности и сужающуюся в направлении дробящей поверхности основания, промывочные сопла (Patent US №6789635, МПК E21B 7/08, 14.09.2014).
Недостаток данного технического решения заключается в низкой эффективности бурения пород повышенной крепости из-за того, что и периферийные и центральные породоразрушающие вставки, выполнены из твердосплавных элементов (штырей), рациональная область применения которых при бурении резанием ограничивается породами средней крепости, поэтому бурение пород повышенной крепости будет осложнено вследствие преждевременного износа породоразрушающих вставок, снижения скорости бурения и производительности. При этом с целью интенсификации процесса резания пород данной буровой головкой предусмотрено дополнительно приложение ударной нагрузки, что существенно увеличивает стоимость бурения (стоимость ударных механизмов, дополнительной энергии и т.п.).
Полезная модель направлена на повышение эффективности бурения пород повышенной крепости, которая достигается за счет того, что в буровой головке для горизонтально-направленного бурения, содержащей основание с дробящей поверхностью, оснащенное породоразрушающими вставками и, связанный с ним, ложкообразный корпус с криволинейной наружной поверхностью, выполненной под углом наружу в радиальном направлении относительно основания и охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность, проходящую по дуге от 30° до 180°, оснащенную периферийными вставками и двумя рядами центральных породоразрушающих вставок с прерывистым армированием, расположенных, соответственно, вдоль большой и малой сторон передней дугообразной торцевой поверхности, управляющую поверхность, выполненную с наклоном от передней дугообразной торцевой поверхности в сторону основания и содержащую ведущую, оснащенную породоразрушающими вставками, и ведомую боковые поверхности и размещенную между ними внутреннюю вогнутую конусообразную поверхность, выполненную с наклоном от передней дугообразной торцевой поверхности и сужающуюся в направлении дробящей поверхности основания, промывочные сопла, центральные породоразрушающие вставки выполнены из режущих алмазно-твердосплавных пластин и размещены с опережением периферийных породоразрушающих вставок к торцевой поверхности забоя, причем периферийные породоразрушающие вставки имеют криволинейную режущую кромку, с шириной резания равной ширине резания центральных породоразрушающих вставок, конгруэнтную режущим кромкам центральных породоразрушающих вставок, при этом периферийные породоразрушающие вставки установлены передними гранями навстречу друг другу, а задними гранями параллельно торцевой поверхности забоя и закреплены в полузакрытых наклонных пазах, с обнажением опорных граней.
1
2
При этом центральные породоразрушающие вставки имеют отрицательные передние углы β к торцевой поверхности забоя, причем центральные породоразрушающие вставки, размещенные вдоль большой стороны передней дугообразной торцевой поверхности имеют отрицательные передние углы β в плане к внешней боковой поверхности резания, а размещенные вдоль малой стороны передней дугообразной торцевой поверхности имеют отрицательные передние углы β в плане к внутренней боковой поверхности резания.
Кроме того, полузакрытые наклонные пазы выполнены с наклоном к центру передней дугообразной торцевой поверхности под углом, равным заднему углу α периферийных породоразрушающих вставок.
Кроме того, внутренняя вогнутая конусообразная поверхность выполнена из начальной широкой секции, охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность по малой стороне и, связанной с ней с образованием ребра сопряжения, конечной более узкой секции, выходящей на дробящую поверхность основания.
Кроме того, дробящая поверхность основания размещена эксцентрично продольной оси буровой головки.
Кроме того, ширина режущих кромок центральных породоразрушающих вставок меньше ширины режущих кромок периферийных породоразрушающих вставок.
Кроме того, криволинейная наружная поверхность ложкообразного корпуса может армироваться породоразрушающими вставками.
Указанная буровая головка позволяет повысить эффективность горизонтально-направленного бурения пород повышенной крепости.
Выполнение центральных породоразрушающих вставок из режущих алмазно-твердосплавных пластин, вместо обычных твердосплавных, позволяет существенно повысить их износостойкость и скорость бурения при проходке пород повышенной крепости, так как изнашивание твердосплавной основы режущих алмазно-твердосплавных пластин, равно как и известных породоразрушающих вставок, выполненных из твердосплавных элементов, в десятки раз превышает изнашивание алмазного слоя, а следовательно, режущие кромки предлагаемых центральных породоразрушающих вставок длительное время будут сохранять свои геометрические параметры и заданную скорость бурения, без приложения дополнительной нагрузки, например ударной.
1
2
Размещение центральных породоразрушающих вставок с опережением Δ периферийных породоразрушающих вставок к торцевой поверхности забоя, позволяет обеспечить эффективное вырезание опережающего забоя именно режущими алмазно-твердосплавными пластинами и исключить из процесса активного разрушения породы забоя менее износостойкие твердосплавные периферийные породоразрушающие вставки. При этом установка всех центральных породоразрушающих вставок под отрицательными передними углами β к торцевой поверхности забоя, а также, придание центральным породоразрушающим вставкам, размещенным вдоль большой стороны передней дугообразной торцевой поверхности отрицательного переднего угла β в плане к внешней боковой поверхности резания, а размещенным вдоль малой стороны передней дугообразной торцевой поверхности отрицательного переднего угла β в плане к внутренней боковой поверхности резания, позволит существенно повысить их прочность при бурении пород повышенной крепости.
Наличие у периферийных породоразрушающих вставок криволинейной режущей кромки, с шириной резания равной ширине резания центральных породоразрушающих вставок, и при этом конгруэнтной режущим кромкам центральных породоразрушающих вставок, позволяет обеспечить их вписываемость в прорезаемые канавки от центральных породоразрушающих вставок, придать им функции зачистки забоя и стабилизации буровой головки на забое, а также исключить их активное режущее воздействие на забой и повысить тем самым их износостойкость.
Размещение периферийных породоразрушающих вставок передними гранями навстречу друг другу позволяет отвернуть их от забоя и практически исключить активное взаимодействие с породой забоя их режущих кромок в процессе управления буровой головкой при нарезании (например, «толчками» при реверсе буровой головки) заданной траектории пилотной скважины, т.е., обеспечить зарезание нового ствола именно выступающими центральными породоразрушающими вставками из алмазно-твердосплавных пластин, что не только повышает износостойкость буровой головки, но и улучшает качество управления пилотным снарядом.
Установка периферийных породоразрушающих вставок задними гранями параллельно передней торцевой поверхности позволяет увеличить площадь их контакта с породой торцевой поверхности забоя (по всей ширине задней грани) и, соответственно, износостойкость при бурении с максимально возможной, ограничиваемой корпусом, толщиной стружки. Это же решение способствует повышению прочности периферийных породоразрушающих вставок, служащих демпфером, предохраняющим от ударных нагрузок центральные породоразрушающие вставки при бурении трещиноватых пород.
Закрепление периферийных породоразрушающих вставок в полузакрытых наклонных пазах с обнажением опорных граней, в отличие от традиционно используемому обнажению передних граней, позволяет, во-первых, получить достаточно прочное соединение, способное выдерживать значительные, в т.ч. ударные нагрузки при проходке трещин, а во-вторых, получить на ведущей (и ведомой, которая при реверсе также будет ведущей) боковой поверхности достаточно большую, защищенную твердым сплавом поверхность, выполненную с наклоном, которая не только будет предохранять переднюю дугообразную торцевую поверхность от износа, но и обеспечивать, именно из-за наклона, плавность управления буровой головкой. При этом с целью упрощения технологии изготовления полузакрытые наклонные пазы выполнены с наклоном к центру передней дугообразной торцевой поверхности под углом, равным заднему углу α периферийных породоразрушающих вставок.
Выполнение внутренней вогнутой конусообразной поверхности из начальной широкой секции, охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность по малой стороне и, связанной с ней с образованием ребра сопряжения, конечной более узкой секции, выходящей на дробящую поверхность основания позволяет своевременно отводить шлам от центральных породоразрушающих вставок, разрушать керн породы при помощи ребра сопряжения и целенаправленно подавать куски керна по конечной более узкой секции непосредственно на дробящую поверхность. При этом поскольку дробящая поверхность основания размещена именно эксцентрично продольной оси буровой головки (оси вращения) эффективность измельчения кусков породы будет возрастать, так как в этом случае к процессам резания и истирания породы добавятся процессы ее дробления.
Выполнение режущих кромок центральных породоразрушающих вставок (обладающих значительно большей износостойкостью по сравнению с периферийными) шириной меньше ширины режущих кромок периферийных породоразрушающих вставок, уменьшает ширину резания каждой из центральных породоразрушающих вставок (выполненных с опережением), обеспечивая тем самым увеличение удельных давлений на забой и, как следствие, повышает скорость проходки.
Армирование криволинейной наружной поверхности ложкообразного корпуса породоразрушающими вставками позволяет при бурении абразивных пород повысить удельные давления на куски керна, обеспечить их разрушение и предохранить криволинейную наружную поверхность корпуса от преждевременного износа.
На фиг. 1 показана буровая головка для горизонтально-направленного бурения (общий вид); на фиг. 2 показан вид сбоку; на фиг. 3 показан вид сбоку (вариант исполнения); на фиг. 4 показан вид А на фиг. 2; на фиг. 5 показан разрез Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 показан разрез В-В на фиг. 4 (развертка режущей части); на фиг. 7 показан вид поверхности резания.
1
2
Буровая головка для горизонтально-направленного бурения содержит основание 1 с дробящей поверхностью 2, оснащенное породоразрушающими вставками 3, для присоединения к пилотной штанге бурильной колонны буровой установки (не показаны), и, связанный с ним ложкообразный корпус 4 с криволинейной наружной поверхностью 5, выполненной под углом наружу в радиальном направлении относительно основания 1 и охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность 6, проходящую по дуге от 30° до 180°, оснащенную периферийными вставками 7 и двумя рядами центральных породоразрушающих вставок 8 с прерывистым армированием, расположенных, соответственно, вдоль большой 9 и малой 10 сторон передней дугообразной торцевой поверхности 6. Все центральные породоразрушающие вставки 8 имеют отрицательные передние углы β к торцевой поверхности забоя, При этом центральные породоразрушающие вставки 8, размещенные вдоль большой стороны 9 передней дугообразной торцевой поверхности 6 имеют отрицательные передние углы β в плане к внешней боковой поверхности резания, а размещенные вдоль малой стороны 10 передней дугообразной торцевой поверхности 6 имеют отрицательные передние углы β в плане к внутренней боковой поверхности резания. Управляющая поверхность 11, выполнена с наклоном от передней торцевой поверхности в сторону основания и содержит ведущую 12, оснащенную породоразрушающими вставками 13, и ведомую 14 боковые поверхности и, размещенную между ними, внутреннюю вогнутую конусообразную поверхность 15, выполненную с наклоном от передней дугообразной торцевой поверхности 6 и сужающуюся в направлении дробящей поверхности 2 основания 1, и промывочные сопла 16. При этом внутренняя вогнутая конусообразная поверхность 15 выполнена из начальной широкой секции 23, охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность 6 по малой стороне 10 и, связанной с ней с образованием ребра сопряжения 24, конечной более узкой секции 25, выходящей на дробящую поверхность 2, которая размещена эксцентрично продольной оси буровой головки. Центральные породоразрушающие вставки 8 выполнены из режущих алмазно-твердосплавных пластин и размещены с опережением Δ периферийных породоразрушающих вставок 7 к торцевой поверхности забоя. Конкретная величина опережения Δ периферийных породоразрушающих вставок 7, или вылет центральных породоразрушающих вставок 8, назначается в соответствии с общепринятой практикой с учетом крепости породы по аналогии с кольцевыми буровыми коронками, формирующими аналогичный кольцевой забой. Так, например, при бурении пород повышенной крепости, когда центральные породоразрушающие вставки 8 будут работать в режиме алмазного «микрорезания», это опережение Δ может быть 1,0-1,5 мм, а при бурении пород средней и ниже средней крепости, при работе центральных породоразрушающих вставок 8 в режиме «чистого» резания, это опережение Δ может быть больше. Однако, во всех случаях данное опережение Δ нецелесообразно иметь более величины общепринятого рационального износа режущих алмазно-твердосплавных пластин (вставок) по высоте, равной 1/3 D, где D - диаметр алмазно-твердосплавной пластины, соответственно для предлагаемой буровой головки 1/3 D⋅cosβ, где β-отрицательный передний угол (Патент РФ №2541241, МПК B24D 3/00, 2015). Кроме того, вылет (опережение Δ) центральных породоразрушающих вставок 8, более рекомендуемого, приведет к увеличению ударных нагрузок и ограничению применения буровой головки на трещиноватых породах. Периферийные породоразрушающие вставки 7 имеют криволинейную режущую кромку 17, с шириной резания равной ширине резания центральных породоразрушающих вставок, конгруэнтную режущим кромкам 18 центральных породоразрушающих вставок 8, при этом периферийные породоразрушающие вставки 7 установлены передними гранями 19 навстречу друг другу, а задними гранями 20 параллельно торцевой поверхности забоя и закреплены в полузакрытых наклонных пазах 21 с обнажением опорных граней 22. Полузакрытые наклонные пазы 21 выполнены с наклоном к центру передней дугообразной торцевой поверхности 6 под углом, равным заднему углу α периферийных породоразрушающих вставок 7. С целью предохранения ложкообразного корпуса от 4 преждевременного износа, при бурении абразивных пород, его криволинейная наружная поверхность 5 может армироваться породоразрушающими вставками 26 или наплавляться износостойкими материалами (не показаны).
1
2
Предлагаемая буровая головка для горизонтально-направленного бурения работает следующим образом. Перед началом горизонтально-направленного бурения по заданной траектории пилотной скважины буровая головка при помощи, например резьбы, в основании 1 присоединяется к пилотной штанге бурильной колонны буровой установки (не показаны), выставленной под заданным углом к поверхности. После этого буровая головка получает вращение и осевую нагрузку, под действием которых она внедряется в грунт. При этом удаление бурового шлама осуществляется при помощи промывочной жидкости, поступающей под высоким давлением по бурильной колонне и пилотной штанге к промывочным соплам 16 бурильной головки. При бурении крепких пород центральные породоразрушающие вставки 8, выполненные из режущих алмазно-твердосплавных пластин, имеющие отрицательные передние углы β к торцевой поверхности забоя и, соответственно, к внешней (β) и внутренней (β) боковым поверхностям резания, обладая высокой износостойкостью и прочностью, а также за счет наличия опережения Δ периферийных породоразрушающих вставок 7 к торцевой поверхности забоя, эффективно вырезают, посредством режущих кромок 18, опережающий забой, предохраняя периферийные породоразрушающие (твердосплавные) вставки 7 от преждевременного износа. При этом периферийные породоразрушающие вставки 7, имеющие криволинейные режущие кромки 17, с шириной резания равной ширине резания центральных породоразрушающих вставок 8, конгруэнтные режущим кромкам 18 центральных породоразрушающих вставок 8 обеспечивают их вписываемость в прорезаемые канавки от центральных породоразрушающих вставок 8, и не только осуществляют зачистку забоя скважины, но и способствуют стабилизации буровой головки на забое.
При бурении крепких трещиноватых пород периферийные породоразрушающие вставки 7, при проходке трещины, будут контактировать с породой забоя именно задними гранями 20, размещенными параллельно торцевой поверхности забоя, выполняя роль демпфера, предохраняющего центральные породоразрушающие вставки 8 от ударных нагрузок.
1
2
В процессе бурения буровой шлам, при помощи промывочной жидкости, от центральных породоразрушающих вставок 8, размещенных вдоль большой стороны 9 передней дугообразной торцевой поверхности 6, имеющих отрицательные передние углы (β) в плане к внешней боковой поверхности резания, легко отводится в затрубное пространство в т.ч., и через зазор, образующийся между ложкообразным корпусом 4 и стенками буровой скважины, вследствие того, что криволинейная наружная поверхность 5 выполнена под углом наружу в радиальном направлении относительно основания 1, связанного с пилотной штангой и бурильной колонной. А буровой шлам, в виде стружки и керна породы, от центральных породоразрушающих вставок 8, размещенных, соответственно, вдоль малой стороны 10 передней дугообразной торцевой поверхности 6, имеющих отрицательные передние углы (β) в плане к внутренней боковой поверхности резания, также легко отводится через внутреннюю вогнутую конусообразную поверхность 15 к дробящей поверхности 2 и далее в затрубное пространство скважины. При этом вырезаемый керн породы формируется в начальной широкой секции 23 внутренней вогнутой конусообразной поверхности 15, затем по мере заглубления буровой головки в породу он разрушается вследствие возникновения боковых сил, чему также способствует наличие ребра сопряжения 24, и частично перемещается в конечную, более узкую, секцию 25 и поступает на дробящую поверхность 2, оснащенную породоразрушающими вставками 3, где за счет ее эксцентричного размещения относительно продольной оси буровой головки к процессам резания и истирания добавляются процессы дробления, позволяющие измельчить куски керна породы на более мелкие фракции бурового шлама, что обеспечивает его эффективное транспортирование из буровой скважины. Помимо этого, части керна породы также эффективно измельчаются породоразрушающими вставками 13, размещенными на ведущей боковой поверхности 12, а затем криволинейной наружной поверхностью 5 (а при бурении абразивных пород породоразрушающими вставками 26) и породоразрушающими вставками 3 основания 1.
При управлении буровой головкой (при помощи зонда) в породах небольшой крепости, отключают ее вращение и осевую нагрузку и повернув буровую головку наклонной управляющей поверхностью 11 на заданный угол прилагают осевую нагрузку, посредством которой на ее ведущей 12, ведомой 14 боковых поверхностях и внутренней вогнутой конусообразной поверхности 15 формируется отклоняющее усилие, выводящее буровую головку на заданную траекторию, после чего включают вращение и процесс бурения продолжается.
При управлении же буровой головкой в породах повышенной крепости «толчками», когда последовательно осуществляется несколько раз ее прижатие к забою, поворот на сектор, отвод и обратный поворот на сектор, периферийные породоразрушающие вставки 7, за счет наличия наклонных опорных граней 20, обеспечивают плавное взаимодействие центральных породоразрушающих вставок 8 с буровым шламом и стенками скважины.
Выполнение буровой головки для горизонтально-направленного бурения вышеуказанным способом позволяет повысить эффективность горизонтально-направленного бурения скважин в породах повышенной крепости.