Бурова головка з генераторною схемою різання

Реферат: Бурова головка містить корпус з центральним і торцевими отворами подачі промивальної рідини, виконаними з нахилом в бік бокової стінки свердловини, споряджений приєднувальним пристосуванням і робочими органами з ріжучими елементами. При цьому вона виконана з можливістю реалізації генераторної схеми різання, робочі органи виконані комбінованими і містять калібрувальні і ріжучі елементи, розміщені поярусно на кріпильних планках по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхні корпуса, при цьому щонайменше два калібрувальні елементи, виконані із твердосплавних вставок у формі ролика, впресовані в кріпильну планку по верхньому ярусу бічної поверхні корпуса перпендикулярно до вертикальної осі корпуса і виступають за межі корпуса на віддаль, що відповідає діаметру свердловини, ріжучі елементи розміщені нижче калібрувальних трьома ярусами по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхнях корпуса в шаховому порядку і виконані у вигляді секційних наборів із твердосплавних вставок, впресованих у кріпильні планки, жорстко закріплені на поверхні корпуса, твердосплавні вставки виконані у формі циліндричних роликів, що мають кріпильну ділянку і робочу поверхню з різальною кромкою, що виступає за корпус бурової головки разом з кріпильною планкою на віддаль не менше 0,25 діаметра корпуса по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхнях з забезпеченням контакту ріжучих кромок з розбурюваною породою під кутом  , нахилу осі розміщення ріжучих елементів по нормалі до робочої поверхні, з UA 101904 C2 (12) UA 101904 C2 поступовим збільшенням цього кута радіально від периферії до центру, визначеним із залежності  tg  б ,  об де  б - швидкість буріння,  об - швидкість обертання бурової головки, рівнозначна  об    D  n , де n - частота обертання бурової головки, D - діаметр розміщення ріжучого елемента на буровій головці. UA 101904 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до гірничої промисловості, а саме до бурових інструментів і може бути використаний при бурінні свердловин у нафтогазовій промисловості. Відома бурова коронка для ударного буріння і головка для нього, що містить твердосплавне тіло, яке має задню встановлювану ділянку і передній кінець, що виступає за корпус коронки. Передній кінець напівсферично зігнутий і визначений радіусом, початок якого розміщено аксіально позаду від площини, що визначає найбільший діаметр головки. Конічна проміжна поверхня утворює в поперечному перерізі гострий кут 13-19° з охоплюючою поверхнею задньої встановлювальної ділянки [Буровая коронка для ударного бурения и головка для него, патент РФ 2301318, Е21В 10/56, 20.06.2007 г.]. Однак ця бурова коронка для ударного буріння і головка для нього в багатьох випадках є малопродуктивною, оскільки затрудняє вибір оптимальних режимів буріння у відповідності до реальних умов і не передбачає можливості реалізації генераторної схему різання гірських порід зі зменшенням собівартості спорудження свердловин. Найбільш близькою для винаходу, що заявляється є бурова головка американської фірми BAKER CHRPSTENSEN COMPANY, що включає циліндричний корпус з центральним і торцевими отворами подачі промивальної рідини, виконаними з нахилом в бік бокової стінки свердловини, споряджений приєднувальним пристосуванням і робочими органами з ріжучими елементами, виконаними у вигляді роликів з ріжучою кромкою, розміщених на торцевій поверхні корпуса на виступах, що дугоподібно відходять від центру до периферії [Офіційний сайт американської фірми BAKER CHRPSTENSEN COMPANY http://www.bakerhughes.com/productsand-services/drilling/drill-bit-systems]. Однак і ця бурова головка в багатьох випадках є малопродуктивною, оскільки не передбачає можливості реалізації генераторної схеми різання гірських порід зі зменшенням собівартості спорудження свердловин завдяки можливому вибору оптимальних режимів буріння у відповідності до реальних умов. В основу винаходу поставлено задачу винайти нову конструкцію бурової головки шляхом конструктивного вирішення робочих органів і їх розміщення в конструкції забезпечити можливість реалізувати генераторну схему різання гірських порід зі зменшенням собівартості спорудження свердловин завдяки можливому вибору оптимальних режимів буріння у відповідності до реальних умов. Поставлена задача винаходу вирішується тим, що бурова головка, що містить корпус з центральним і торцевими отворами подачі промивальної рідини, виконаними з нахилом в бік бокової стінки свердловини, споряджений приєднувальним пристосуванням і робочими органами з ріжучими елементами, відповідно до винаходу, виконана з можливістю реалізації генераторної схеми різання, робочі органи виконані комбінованими і містять калібрувальні і ріжучі елементи, розміщені поярусно на кріпильних планках по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхні корпуса, при цьому щонайменше два калібрувальні елементи, виконані із твердосплавних вставок у формі ролика, впресовані в кріпильну планку по верхньому ярусу бічної поверхні корпуса перпендикулярно до вертикальної осі корпуса і виступають за межі корпуса на віддаль, що відповідає діаметру свердловини, ріжучі елементи розміщені нижче калібрувальних трьома ярусами по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхнях корпуса в шаховому порядку і виконані у вигляді секційних наборів із твердосплавних вставок, впресованих у кріпильні планки, жорстко закріплені на поверхні корпуса, твердосплавні вставки виконані у формі циліндричних роликів, що мають кріпильну ділянку і робочу поверхню з різальною кромкою, що виступає за корпус бурової головки разом з кріпильною планкою на віддаль не менше 0,25 діаметра корпуса по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхнях з забезпеченням контакту ріжучих кромок з розбурюваною породою під кутом  , нахилу осі розміщення ріжучих елементів по нормалі до робочої поверхні, з поступовим збільшенням цього кута радіально від периферії до центру, визначеним із залежності  tg  б ,  об де  б - швидкість буріння,  об - швидкість обертання бурової головки, рівнозначна  об    D  n , де n - частота обертання бурової головки, D - діаметр розміщення ріжучого елементу на буровій головці. Завдяки пропонованим суттєвим ознакам, зокрема виконання робочих органів комбінованими, які містять калібрувальні і ріжучі елементи, основне зусилля сприймають ріжучі елементи, розміщені на торцевій горизонтальній поверхні корпуса. Виходячи з цього, ріжучі 1 UA 101904 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 елементи, впресовані в кріпильній планці, встановлюють під визначеним кутом  пропонованою залежністю таким чином, що цей кут в кожному ріжучому елементі поступово збільшують від периферії до центру. Завдяки цьому осьове навантаження при контакті ріжучого елемента з розбурюваною породою розподіляється рівномірно по всій торцевій горизонтальній поверхні головки. Одночасно це дозволяє промивальній рідині надходити через центральний промивальний отвір і малі промивальні отвори, нахил яких в бік бокової стінки свердловини, захоплюючи і направляючи розбурену породу разом з промивальною рідиною на поверхню. При цьому розміщення різальних елементів поярусно на бічній конічній поверхні корпуса в шаховому порядку створює специфічні канали для руху промивальної рідини, шахова конфігурація яких створює додатковий ефект турбулентності і зменшує осьове навантаження на бокові ріжучі елементи, які формують стінки свердловини кожним наступним ярусом зі збільшеним діаметром. Таким чином реалізується генераторна схема руйнування гірської породи. Калібрувальним елементам залишається тільки довести діаметр свердловини до заданого розміру і надати стінкам свердловини правильної форми. Отже сукупністю відомих і пропонованих суттєвих ознак отримуємо технічний результат, достатній для виконання поставленої задачі винаходу, тобто така конструкція бурової головки дозволяє реалізувати генераторну схему різання гірської породи, що зменшує собівартість спорудження свердловин і дозволяє вибирати оптимальні режими буріння у відповідності до реальних умов. Суть винаходу пояснюється кресленням. На Фіг. 1 наведена конструкція бурової головки з генераторною схемою різання в розрізі. На Фіг. 2 - бурова головка, вигляд з торця. Бурова головка з генераторною схемою різання містить циліндричний корпус 1 з центральним 5 і торцевими 6 отворами подачі промивальної рідини. Корпус (1) головки споряджений приєднувальним пристосуванням 7 з конічною різьбою і комбінованими робочими органами, які включають калібрувальні 2 і ріжучі 3 елементи, розміщені поярусно на кріпильних планках 4 по бічній конічній 8 і торцевій горизонтальній 9 поверхнях корпуса (1), при цьому щонайменше два калібрувальні елементи (2), виконані із твердосплавних вставок у формі ролика, впресовані в кріпильну планку (4) по верхньому ярусу бічної поверхні (8) корпуса (1) перпендикулярно до вертикальної осі корпуса і виступають за межі корпуса (1) на віддаль, що відповідає діаметру свердловини. Ріжучі елементи (3) розміщені нижче калібрувальних (2) трьома ярусами по бічній конічній (8) і торцевій горизонтальній (9) поверхнях корпуса (1) в шаховому порядку і виконані у вигляді секційних наборів із твердосплавних вставок, впресованих у кріпильні планки (4), жорстко закріплені на поверхні корпуса (1). Твердосплавні вставки виконані у формі циліндричних роликів, що мають кріпильну ділянку 10 і робочу поверхню з різальною кромкою 11, що виступає за корпус (1) бурової головки разом з кріпильною планкою (4) на віддаль не менше 0,25 діаметра корпуса по бічній конічній (8) і по торцевій горизонтальній (9) поверхнях з забезпеченням контакту ріжучих кромок з розбурюваною породою під кутом  , нахилу осі розміщення ріжучих елементів 3 по нормалі до робочої поверхні, з поступовим збільшенням цього кута радіально від периферії до центру. При виготовленні бурової головки кут  задають в залежності від геологічних умов буріння (типу розбурювальних порід та розрахункових режимів буріння). Як приклад для м'яких порід і порід середньої твердості вибрано долото діаметром D=0,2159 м з рекомендованою швидкістю обертання бурової головки voб=100 об/хв при цьому величина розрахункового кута  від периферії до центру наведена в Таблиці 1 і 2. Таблиця 1 voб, м/год. 2 5 10 Vo6, м/с 0,0005 0,0014 0,0028 tgα 0,0004416 0,0012366 0,002473 α, градус 0,028 0,079 0,157 Таблиця 2 voб, м/год. 2 5 10 voб, м/с 0,0005 0,0014 0,0028 tgα 0,0008834 0,00247 0,004946 2 α, градус 0,056 0,157 0,3149 UA 101904 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Бурова головка з генераторною схемою буріння працює так. Прокалібровану бурову головку з генераторною схемою буріння, вибрану для конкретних геологічних умов і визначених режимів буріння пристосуванням 7 з конічною різьбою, приєднують до бурової колони (на фіг. не наведено) і опускають у свердловину. Режим буріння здійснюють комбінованими робочими органами, які містять калібрувальні 2 і ріжучі 3 елементи. При цьому основне зусилля сприймають ріжучі елементи 3, розміщені на торцевій горизонтальній 9 поверхні корпуса 1. Завдяки встановленню ріжучих елементів 3 в кріпильній планці 4 під кутом  таким чином, що цей кут в кожному ріжучому елементі поступово збільшується від периферії до центру (див. Табл. 1 і 2), осьове навантаження при контакті ріжучого елемента 3 з розбурюваною породою розподіляється рівномірно по всій торцевій горизонтальній поверхні головки. Одночасно промивальна рідина надходить через центральний промивальний отвір 5 і малі промивальні отвори 6, нахил яких в бік бокової стінки свердловини дозволяє захоплювати і направляти розбурену породу разом з промивальною рідиною на поверхню. При цьому розміщення різальних елементів поярусно на бічній конічній поверхні 8 корпуса 1 в шаховому порядку створює специфічні канали для руху промивальної рідини, шахова конфігурація яких створює додатковий ефект турбулентності і зменшує осьове навантаження на бокові ріжучі елементи 3, які формують стінки свердловини кожним наступним ярусом з більшим діаметром. Таким чином реалізується генераторна схема руйнування. Калібрувальним елементам 2 залишається тільки довести діаметр свердловини до заданого розміру і надати стінкам свердловини правильної форми. Генераторна схема різання дозволяє зменшити осьове навантаження на бурову головку в цілому, рівномірно розподіляючи зусилля на кожний різальний елемент конструкції, завдяки тому, що робочі різальні елементи розміщають з проміжками і виступами шаховим порядком таким чином, щоб виступи на другому ярусі попадали в проміжки першого ярусу бурової головки, таким чином створюючи специфічні канали для руху промивальної рідини, шахова конфігурація яких створює додатковий ефект турбулентності і зменшує осьове навантаження на ріжучі елементи 3. В процесі буріння робочі елементи 2 і 3 бурової головки рухаються навколо її осі з швидкістю νoб і поступально вздовж осі головки із швидкістю буріння νб. Для забезпечення контакту робочих елементів 2 і 3 з породою по нормалі до робочої  поверхні осі цих елементів розміщують під кутом  , який визначають залежності tg  б ,  об де  б - швидкість буріння,  об - швидкість обертання бурової головки, рівнозначна  об    D  n , де n - частота обертання бурової головки, D - діаметр розміщення ріжучого елементу на буровій головці. D - діаметр розміщення ріжучого елементу на буровій головці. Розміщені таким чином робочі елементи 2 і 3 під відповідним кутом  в залежності від типу розбурюваної породи та вибраної швидкості буріння дозволяють реалізувати генераторну схему руйнування гірських порід. Пропонована бурова головка з генераторною схемою різання завдяки конструктивному вирішенню робочих органів і їх розміщенню в конструкції забезпечує можливість реалізувати генераторну схему різання гірських порід зі зменшенням собівартості спорудження свердловин, полегшує вибір оптимальних режимів буріння у відповідності до реальних умов. 45 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 50 55 Бурова головка, що містить корпус з центральним і торцевими отворами подачі промивальної рідини, виконаними з нахилом в бік бокової стінки свердловини, споряджений приєднувальним пристосуванням і робочими органами з ріжучими елементами, яка відрізняється тим, що вона виконана з можливістю реалізації генераторної схеми різання, робочі органи виконані комбінованими і містять калібрувальні і ріжучі елементи, розміщені поярусно на кріпильних планках по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхні корпуса, при цьому щонайменше два калібрувальні елементи, виконані із твердосплавних вставок у формі ролика, впресовані в кріпильну планку по верхньому ярусу бічної поверхні корпуса перпендикулярно до вертикальної осі корпуса і виступають за межі корпуса на віддаль, що відповідає діаметру свердловини, ріжучі елементи розміщені нижче калібрувальних трьома ярусами по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхнях корпуса в шаховому порядку і виконані у вигляді секційних наборів із 3 UA 101904 C2 5 10 твердосплавних вставок, впресованих у кріпильні планки, жорстко закріплені на поверхні корпуса, твердосплавні вставки виконані у формі циліндричних роликів, що мають кріпильну ділянку і робочу поверхню з різальною кромкою, що виступає за корпус бурової головки разом з кріпильною планкою на віддаль не менше 0,25 діаметра корпуса по бічній конічній і торцевій горизонтальній поверхнях з забезпеченням контакту ріжучих кромок з розбурюваною породою під кутом  , нахилу осі розміщення ріжучих елементів по нормалі до робочої поверхні, з поступовим збільшенням цього кута радіально від периферії до центру, визначеним із залежності  tg  б ,  об де  б - швидкість буріння,  об - швидкість обертання бурової головки, рівнозначна  об    D  n , де n - частота обертання бурової головки, D - діаметр розміщення ріжучого елемента на буровій головці. 4 UA 101904 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5