головка бурильная

Формула изобретения

Головка бурильная, содержащая державку в виде стержня, оснащенную породоразрушающими резцами и водопроводным отверстием, одним концом которая соединяется с буровым ставом, а противоположным концом она соединяется с опережающим резцом-забурником, отличающаяся тем, что державка выполнена с несколькими цилиндрическими выступами с нарезанной на них наружной резьбой, которыми она соединяется по резьбе с фрезами, выполненными как одно целое с расширительными резцами, и снабжена опорными разрезными втулками в виде двух охватывающих державку половин, стянутых пружинными проволочными кольцами и помещенных внутрь цилиндрических прорезных пружин, выполняющих функции упругой осевой опоры для фрезы с расширительными резцами.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к буровой технике и может быть использовано в качестве бурильного инструмента для проходки скважин различного назначения вращательным режуще-скалывающим разрушением горной породы на забое.

Известен буровой резец по авт. свид. СССР №802505, кл. Е21В 10/62, 1981, включающий съемный забурник и расширитель. В корпусе расширителя установлены на двухстороннем ходовом винте два подвижных режущих пера для бурения скважин различного диаметра. Недостатком такого резца является небольшая суммарная длина режущих лезвий, что ограничивает глубину проходки скважин до затупления инструмента.

Известен также инструмент для вращательного бурения скважин по авт. свид. СССР №840272, кл. Е21В 10/42, 1981, содержащий корпус с тремя наклонными к его забурной части продольными ребрами, которые оснащены породоразрушающими вставками. Последние расположены в плоскости резания под углом 120° друг к другу и удерживаются в пазах ребер пальцами со шплинтами. Для присоединения инструмента к ставу буровых штанг на его корпусе выполнен хвостовик с конусной резьбой. Недостаток этого инструмента в том, что в его конструкции отсутствуют водопроходные каналы для подвода охлаждающей жидкости в зону резания породы на забое. Вследствие этого породоразрушающие вставки перегреваются и выходят из строя из-за отпайки твердосплавных пластинок. Кроме того, суммарная длина режущих лезвий не позволяет бурить глубокие скважины за одну проходку.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому объекту является коронка КДС для бурения дегазационных скважин (см. журнал "Уголь", февраль, 2006, стр.40), выбранная в качестве прототипа. Эта коронка содержит опережающий резец-забурник с двумя лезвиями и несколько ножей-расширителей в виде резцов с тремя лезвиями каждый, расположенными в плоскости резания под углом 120° друг к другу. Основной несущей деталью коронки является шестигранник, на который насажены ножи-расширители, разделенные между собой промежуточными втулками. На переднем конце шестигранника выполнена наружная резьба для соединения с опережающим резцом, а на заднем конце выполнена внутренняя резьба для соединения со штангой бурового става. Лезвия резца-забурника и ножей-расширителей армированы твердосплавными пластинами. Внутри коронки имеется отверстие для пропуска промывочной воды в зону резания породы. Коронки КДС оснащены также разбурником обратного хода. Он служит для извлечения инструмента из скважины, которая после завершения прямого хода может дать усадку.

Недостатком коронки КДС является жесткое соединение ножей-расширителей с несущим шестигранником, что исключает свойство гашения динамических пиковых нагрузок за счет применения встроенных в конструкцию буровых амортизаторов. Как показывает практика, механическая скорость бурения за счет амортизаторов возрастает на 8-40% [см. И.К.Мельников. Буровой инструмент. Справочник. - М.: Недра, 1989, стр.343-344].

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности бурения скважин инструментом заявляемой конструкции.

Этот технический результат достигается тем, что державка бурильной головки выполнена с несколькими цилиндрическими выступами с нарезанной на них наружной резьбой, которыми она соединяется по резьбе с фрезами, выполненными как одно целое с расширительными резцами. Державка снабжена также опорными разрезными втулками в виде двух охватывающих ее половин, стянутых пружинными проволочными кольцами и помещенными внутрь цилиндрических прорезных пружин, выполняющих функции упругой осевой опоры для фрезы с расширительными резцами.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображена головка бурильная, общий вид; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б фиг.1; на фиг.4 - разрез В-В фиг.1.

Головка бурильная содержит державку 1 (фиг.1), опережающий резец-забурник 2, насаженный на передний конический конец державки, и несколько фрез 3, 4, 5, выполненных как одно целое с расширительными резцами (фиг.2, 3, 4). Число фрез может быть любым в зависимости от требуемого диаметра скважины. Соединение резца-забурника с передним концом державки может осуществляться и другим способом, например, по резьбе.

Державка 1 представляет собой монолитный круглый стержень с несколькими цилиндрическими выступами с нарезанной на них наружной резьбой. Соответствующая внутренняя резьба нарезана на посадочной поверхности каждой фрезы. Уплотнительные кольца 6, 7 предохраняют резьбовое соединение от попадания в него буровой мелочи в процессе работы.

Каждая из фрез 3, 4, 5 имеет три или более резцов, лезвия которых расположены в плоскости резания под определенным углом друг к другу. При числе резцов, равном трем, этот угол составляет 120°. Резцы забурника и фрез армированы твердосплавными пластинками.

Положение фрез относительно державки фиксируется с одной стороны пружинными плоскими кольцами 8, 9, с другой - цилиндрическими прорезными пружинами 10, 11 [см. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин. Справочник - 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1993, стр.175-176]. Прорезная пружина выполняет функции упругой осевой опоры для фрез 3, 4, 5 с расширительными резцами. Снаружи пружины защищены тонкостенными стаканами 12, 13, которые не допускают попадание буровой мелочи в промежутки между ее кольцами. Взаимодействие державки 1 с опорными кольцами прорезных пружин осуществляется посредством разрезных втулок 14, 15, 16. Каждая из этих втулок состоит из двух половин (фиг.4), которые располагаются внутри прорезной пружины и стянуты пружинными проволочными кольцами 17, 18.

Фреза 5, оставляющая после себя скважину наибольшего диаметра, оснащена также резцами 19 обратного хода. Они служат для извлечения бурильной головки из скважины, которая после завершения бурения может дать усадку. Усилие сопротивления подачи резцов 19 при обратном ходе бурильной головки воспринимается державкой 1 посредством выступающей внешней части 20 втулки 15.

Задний конец державки 1 выполнен с резьбовым отверстием 21 для соединения со штангой бурового става. На цилиндрической части державки, ближайшей к резьбовому отверстию, выполнены два паза 22 в размер S под гаечный ключ для свинчивания и развинчивания резьбового соединения с буровой штангой. Внутри державки выполнено водопроводное отверстие 23 для подачи промывочно-охлаждающей жидкости в зону резания породы.

Процесс бурения скважины протекает следующим образом. Опережающий резец-забурник 2 оставляет после себя скважину диаметром d₁. Резцы следующей за ним фрезы 3 расширяют ее до диаметра d ₂ и далее резцы последующих фрез 4, 5 расширяют скважину до диаметров d₃, d₄ и т.д. Конечный диаметр скважины зависит от количества фрез в наборе на державке 1. Такое равномерно-последовательное увеличение диаметрального размера скважины выравнивает силовую нагрузку на расширительные резцы, позволяет бурить скважины глубиной несколько сотен метров вращательным режуще-скалывающим разрушением породного забоя.

При изменении нагрузки на расширительные резцы в виде момента сопротивления вращению их за счет, например, увеличения или уменьшения трещиноватости забоя или твердых включений в породе, фрезы 3, 4, 5 поворачиваются на резьбе относительно державки, сжимая или разжимая при этом прорезные пружины. Такая упругая податливость опор породоразрушающих органов снижает динамичность процесса работы, сглаживает ударные нагрузки, повышает скорость бурения и продолжительность использования инструмента в работе. Как показывают проведенные исследования и опыт эксплуатации буровых долот, упругая подвижность породоразрушающих элементов позволяет увеличить механическую скорость бурения на 20-25%, снизить величину пиковых нагрузок на 10-15%, и при этом интенсивность износа режущих кромок уменьшается в 2,5-3 раза [см. Б.А.Катанов. Буровые долота с подвижными породоразрушающими элементами. Журн. "Уголь", октябрь, 2003, стр.42-44].

На окружной линии резания располагаются не менее трех расширительных резцов одной фрезы. Это увеличивает устойчивость бурильной головки относительно забоя и уменьшает уводку бурового става в сторону при бурении глубоких скважин. По сравнению с прототипом фрезы с расширительными резцами предлагаемой конструкции разнесены по ее оси на сравнительно большее расстояние, что увеличивает свойство поддерживать заданное направление бурения скважины с большей устойчивостью.

Все эти положительные особенности взаимодействия резцов с разрушаемым породным забоем в конечном счете повышают эффективность применения заявляемой бурильной головки при бурении скважин.