Буровая головка для горизонтально-направленного бурения

Полезная модель относится к горному делу, а именно к буровым головкам для горизонтально-направленного бурения крепких, преимущественно абразивных, пород.
Известна 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 (Патент US №6789635, МПК Е21В 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.).
Наиболее близким техническим решением является буровая головка для горизонтально-направленного бурения, содержащая основание с дробящей поверхностью, размещенной эксцентрично продольной оси буровой головки, оснащенное породоразрушающими вставками, и связанный с ним ложкообразный корпус с криволинейной наружной поверхностью, оснащенной породоразрушающими вставками, выполненной под углом наружу в радиальном направлении относительно основания и охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность, проходящую по дуге от 30 до 180°, оснащенную центральными и периферийными породоразрушающими вставками, причем периферийные породоразрушающие вставки имеют режущую кромку с шириной резания, равной ширине резания центральных породоразрушающих вставок, и установлены передними гранями навстречу друг другу, а задними гранями параллельно передней торцевой поверхности, и закреплены в полузакрытых наклонных пазах с обнажением опорных граней, а центральные породоразрушающие вставки выполнены с прерывистым армированием, из режущих алмазно-твердосплавных пластин, размещенных двумя рядами и расположенных, соответственно, вдоль большой и малой сторон передней дугообразной торцевой поверхности, с опережением периферийных породоразрушающих вставок к торцевой поверхности забоя, 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, выполненную из начальной секции, охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность по малой стороне, и связанной с ней с образованием ребра сопряжения конечной секции, выходящей на дробящую поверхность основания, промывочные сопла (Патент РФ №170442, МПК Е21В 7/08, 2017, Бюл. №12). Данная буровая головка за счет выполнения центральных породоразрушающих вставок из режущих алмазно-твердосплавных пластин, обладающих значительной износостойкостью, будет обеспечивать заданные скорости бурения в крепких, преимущественно малоабразивных, породах. При этом наличие ребра сопряжения на внутренней вогнутой конусообразной поверхности, между начальной и конечной секциями, позволяет дополнительно разрушать керн породы перед его выходом на дробящую поверхность основания.
Недостаток данного технического решения заключается в низкой эффективности бурения абразивных пород повышенной крепости из-за того, что, не смотря на сохранение режущих свойств центральных породоразрушающих вставок, не защищенное ребро сопряжения на внутренней вогнутой конусообразной поверхности будет подвергаться интенсивному абразивному износу. Появление площадки затупления на ребре сопряжения будет способствовать росту энергоемкости процесса разрушения керна, из-за необходимости увеличения удельных давлений, за счет увеличения осевого усилия подачи, что нерационально, т.к. будет приводить к искривлению головной части снаряда и, как следствие, к интенсивному износу породоразрушающих вставок и ухудшению управляемости буровой головки.
Полезная модель направлена на повышение эффективности бурения абразивных пород повышенной крепости, которая достигается за счет того, что в буровой головке для горизонтально-направленного бурения, содержащей основание с дробящей поверхностью, размещенной эксцентрично продольной оси буровой головки, оснащенное породоразрушающими вставками, и связанный с ним ложкообразный корпус с криволинейной наружной поверхностью, оснащенной породоразрушающими вставками, выполненной под углом наружу в радиальном направлении относительно основания и охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность, проходящую по дуге от 30 до 180°, оснащенную центральными и периферийными породоразрушающими вставками, причем периферийные породоразрушающие вставки имеют режущую кромку с шириной резания, равной ширине резания центральных породоразрушающих вставок, и установлены передними гранями навстречу друг другу, а задними гранями параллельно передней торцевой поверхности, и закреплены в полузакрытых наклонных пазах с обнажением опорных граней, а центральные породоразрушающие вставки выполнены с прерывистым армированием, из режущих алмазно-твердосплавных пластин, размещенных двумя рядами и расположенных, соответственно, вдоль большой и малой сторон передней дугообразной торцевой поверхности, с опережением периферийных породоразрушающих вставок к торцевой поверхности забоя, 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, выполненную из начальной секции, охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность по малой стороне, и связанной с ней с образованием ребра сопряжения конечной секции, выходящей на дробящую поверхность основания, промывочные сопла, на ребре сопряжения начальной секции и конечной секций внутренней вогнутой конусообразной поверхности, от ведущей до ведомой боковых поверхностей, дискретно размещены твердосплавные вставки с клиновидной рабочей поверхностью, ориентированные режущими кромками вдоль ребра сопряжения.
Указанная буровая головка позволяет повысить эффективность горизонтально-направленного бурения абразивных пород повышенной крепости.
Выполнение на ребре сопряжения начальной и конечной секций внутренней вогнутой конусообразной поверхности, от ведущей до ведомой боковых поверхностей, дискретно размещенных твердосплавных вставок с клиновидной рабочей поверхностью, ориентированных режущими кромками вдоль ребра сопряжения, во-первых, предопределяет наличие режущих кромок определенной длины, перекрывающих (защищающих) по длине ребро сопряжения, что позволяет снизить интенсивность появления площадки затупления на ребре сопряжения и обеспечивает длительное время заданные скорости бурения, а во-вторых, за счет дискретного размещения получить высокие удельные нагрузки режущих кромок с наиболее рациональной клиновидной рабочей поверхностью на керн породы, способствовать его объемному разрушению и, в целом, повысить эффективность горизонтально-направленного бурения абразивных пород повышенной крепости.
На фиг. 1 показана буровая головка для горизонтально-направленного бурения (общий вид); на фиг. 2 показан разрез по А-А на фиг. 1.
Буровая головка для горизонтально-направленного бурения содержит основание 1 с дробящей поверхностью 2, размещенной эксцентрично продольной оси буровой головки, оснащенное породоразрушающими вставками 3, и связанный с ним ложкообразный корпус 4 с криволинейной наружной поверхностью 5, оснащенной породоразрушающими вставками 6, выполненной под углом наружу в радиальном направлении относительно основания 1 и охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность 7, проходящую по дуге от 30 до 180°, оснащенную центральными 8 и периферийными 9 породоразрушающими вставками, причем периферийные породоразрушающие вставки 9 имеют режущую кромку 10 с шириной резания, равной ширине резания центральных породоразрушающих вставок, и установлены передними гранями 11 навстречу друг другу, а задними гранями 12 параллельно передней торцевой поверхности 7, и закреплены в полузакрытых наклонных пазах 13 с обнажением опорных граней 14, а центральные породоразрушающие вставки 8 выполнены с прерывистым армированием, из режущих алмазно-твердосплавных пластин, размещенных двумя рядами и расположенных, соответственно, вдоль большой 15 и малой 16 сторон передней дугообразной торцевой поверхности 7, с опережением периферийных породоразрушающих вставок 9 к торцевой поверхности забоя, управляющую поверхность 17, выполненную с наклоном от передней дугообразной торцевой поверхности 7 в сторону основания 1 и содержащую ведущую 18, оснащенную породоразрушающими вставками 19 и ведомую 20 боковые поверхности, и размещенную между ними внутреннюю вогнутую конусообразную поверхность 21, выполненную с наклоном от передней дугообразной торцевой поверхности 7 и сужающуюся в направлении дробящей поверхности 2 основания 1, выполненную из начальной секции 22, охватывающей переднюю дугообразную торцевую поверхность по малой стороне 16, и связанной с ней с образованием ребра сопряжения 23 конечной секции 24, выходящей на дробящую поверхность 2 основания 1, промывочные сопла 25. При этом на ребре сопряжения 23 начальной 22 и конечной секций 24 внутренней вогнутой конусообразной поверхности 21, от ведущей 18 до ведомой 20 боковых поверхностей, дискретно размещены твердосплавные вставки 26 с клиновидной рабочей поверхностью, ориентированные режущими кромками 27 вдоль ребра сопряжения 23.
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 25 бурильной головки. При бурении крепких, в т.ч. абразивных, пород центральные породоразрушающие вставки 8, установленные с опережением периферийных породоразрушающих вставок 9 к торцевой поверхности забоя, выполненные из режущих алмазно-твердосплавных пластин, обладая высокой износостойкостью и прочностью, эффективно вырезают, посредством режущих кромок опережающий забой, предохраняя периферийные породоразрушающие (твердосплавные) вставки 9 от преждевременного износа. При этом периферийные породоразрушающие вставки 9, имеющие криволинейные режущие кромки 10, с шириной резания, равной ширине резания 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, обеспечивая тем самым равномерность износа ее вооружения. Буровой шлам, при помощи промывочной жидкости, от центральных породоразрушающих вставок 8, размещенных вдоль большой стороны 15 передней дугообразной торцевой поверхности 6, 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 16 передней дугообразной торцевой поверхности 7, также легко отводится через внутреннюю вогнутую конусообразную поверхность 21 к дробящей поверхности 2 и далее в затрубное пространство скважины. При этом вырезаемый керн породы формируется в начальной широкой секции 22 внутренней вогнутой конусообразной поверхности 21, затем по мере заглубления буровой головки в породу он разрушается вследствие возникновения боковых сил, чему также способствует наличие ребра сопряжения 23, защищенного твердосплавными вставками 26 с клиновидной рабочей поверхностью, ориентированными режущими кромками 27 вдоль ребра сопряжения 23. Затем, частично разрушенный керн породы перемещается в конечную, более узкую, секцию 24 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. Причем дискретно размещенные твердосплавные вставки 26 с клиновидной рабочей поверхностью, ориентированные режущими кромками 27 вдоль ребра сопряжения 23, позволяют получить высокие удельные нагрузки режущих кромок 27 на керн породы и обеспечить его объемное разрушение. Помимо этого части керна породы также эффективно измельчаются породоразрушающими вставками 19, размещенными на ведущей боковой поверхности 18, а затем породоразрушающими вставками 6 криволинейной наружной поверхности 5 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 17 на заданный угол, прилагают осевую нагрузку, посредством которой на ее ведущей 18, ведомой 20 боковых поверхностях и внутренней вогнутой конусообразной поверхности 21 формируется отклоняющее усилие, выводящее буровую головку на заданную траекторию, после чего включают вращение и процесс бурения продолжается.
При управлении же буровой головкой в абразивных 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 9, за счет наличия наклонных опорных граней 14, обеспечивают плавное взаимодействие центральных породоразрушающих вставок 8 и режущих кромок 27 твердосплавных вставок 26 ребра сопряжения 23, соответственно, с буровым шламом, стенками скважины и керном породы, что способствует увеличению долговечности буровой головки для горизонтально-направленного бурения при бурении абразивных пород повышенной крепости.
Выполнение буровой головки для горизонтально-направленного бурения вышеуказанным способом позволяет повысить эффективность горизонтально-направленного бурения скважин в абразивных породах повышенной крепости.