Результат интеллектуальной деятельности: ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкции бурового породоразрушающего инструмента для медленно-вращательного бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах.

Известен шнековый бур для вращательного бурения скважин (см. RU №2485277, E21B 10/44, опубл. 20.06.2013 г.), состоящий из шнекового корпуса, который установлен на опорные пластины, в верхней части которого шарнирно закреплены заслонки буровых сменных резцов, вала для крепления пилота-забурника. Вероятно, что углубление бура происходит за счет принудительной осевой нагрузки С_ос на буровой инструмент (раздавливания пород в центральной части бура), при этом опережающий пилот-забурник теряет свою эффективность разрушения за счет отсутствия угловой скорости ω по оси пилот-забурника, что в целом характеризует низкую производительность и непригодность при бурении в мерзлых породах.

Известно также лопастное шнековое долото для бурения скважин в валунно-галечных отложениях (см. RU №2282011, E21B 10/42, опубл. 20.08.2006 г.), состоящее из корпуса и лопастей, установленных на нем с положительным углом, армированных породоразрушающими элементами. Устройство также не пригодно для использования в условиях мерзлых грунтов, т.к. лопасти (по конструкции предусмотрено 4 штуки), армированные пластинами из твердого сплава, при бурении за счет повышенной площади контакта с забоем могут способствовать ускоренному затиранию разрушенного массива, в результате которого происходит повышение температуры и оттаивание мерзлого массива, что снижает эффективность разрушения и удаления породы с забоя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является головка для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах (см. RU №2298636, Е21B 10/43, опубл. 10.05.2007 г.), включающая двухлопастной корпус, хвостовик, забурник с направляющим элементом, резцы, на корпусах которых установлены твердосплавные режущие пластины, а рабочая поверхность пластин выполнена остроконечной.

Однако при бурении мерзлых пород забурник с направляющим элементом будет как опора с нулевой окружной скоростью, а для разрушения породы необходимо будет применить подачу большого осевого усилия. Кроме того, разная размерность резцов по диаметру ограничивает взаимозаменяемость деталей.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, выражается в улучшении условий работы бура в мерзлых грунтах, обеспечение объемного разрушения и поддержание стабильной температуры на забое скважины.

Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении производительности, снижении энергоемкости, увеличении скорости проходки скважины при бурении неглубоких скважин в мерзлых породах.

Для решения поставленной задачи породоразрушающий инструмент для медленно-вращательного бурения неглубоких скважин в мерзлых породах, содержащий корпус с твердосплавными резцами, притом резцы выполнены цилиндрической формы, а их рабочая поверхность - остроконечной, отличается тем, что корпус содержит центральный резец, установленный со сдвигом по отношению к оси вращения бура, и две лопасти, на каждой из которых расположены по одному ряду резцов - опережающий и последующий, причем шаг между резцами одного ряда равен шагу между резцами другого ряда со сдвигом на величину шага, резцы рядов и центральный резец по диаметру равны друг другу, причем два крайних и центральный резцы выполнены меньшей высоты, чем основные резцы, при этом они установлены с наклоном режущей кромки вперед по направлению вращения бура. Кроме того, резцы опережающего ряда установлены на вставках, что дополнительно увеличивает высоту ряда по отношению к последующему ряду резцов.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

Совокупность признаков заявляемого изобретения обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно создание условий для эффективного разрушения и удаления породы с забоя.

Заявленное решение иллюстрируется чертежами, где на фигуре 1 схематически показан породоразрушающий инструмент медленно-вращательного бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах с разрезом; на фигуре 2 - вид породоразрушающего инструмента с боку (вид А); на фигуре 3 - профили разрушения резцами опережающего и последующего рядов; на фигуре 4 - относительная схема расстановки резцов в рядах и направление резания (по стрелке V).

Породоразрушающий инструмент устанавливается на нижнем конце шнекового транспортера буровой установки посредством хвостовика 10 и включает двухлопастной корпус 9, состоящий из центрального резца 2 и двух рядов 7 и 8, на каждой лопасти установлены резцы по одному ряду (1, 2, 3, 4). Резцы имеют остроконечную цилиндрическую форму одинакового диаметра, при этом резцы опережающего ряда 7 установлены на дополнительной вставке 6, благодаря чему обеспечивается разность по высоте рядов резцов на величину Δl (см. фиг. 2 и 3). При этом благодаря сдвигу при расположении резцы одного ряда проходят между проходами резцов другого ряда (см. фиг. 4). В этом случае достигается объемное разрушение породы и поддержание стабильной температуры на забое скважины. Резцы остроконечны и изготовлены из стали, при этом режущие части снабжены твердым сплавом 5, например, типа ВК-6. На корпусе 9 резцы устанавливаются с наклоном режущей кромкой вперед по направлению вращения бура (см. фиг. 2). Для улучшения условий работы бура в мерзлых грунтах резцы опережающего ряда установлены на вставках, что дополнительно увеличивает высоту ряда по отношению к последующему ряду резцов. В результате опережающий ряд резцов режет горный массив с большей глубиной, чем последующий ряд.

Центральный резец установлен со сдвигом относительно оси вращения и режет породу в центре забоя.

Породоразрушающий инструмент для медленно-вращательного бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах работает следующим образом.

В исходном положении корпус 9, закрепленный через хвостовик 10 на нижнем конце шнекового транспортера бурового снаряда, подводится бурильной установкой к месту бурения скважины и опускается, упирается основными резцами 1 опережающего ряда на поверхность грунта. При вращательном движении бура на породоразрушающий инструмент подается осевая нагрузка через буровой снаряд. Процесс бурения скважины начинается при заглублении в грунт основных резцов 1 и продолжается крайними резцами 3 и 4. Образовавшаяся горная масса сгребается первым витком шнекового транспортера. Благодаря разности высот резцов обеспечивается ступенчатая очистка забоя.

Предлагаемый породоразрушающий инструмент для медленно-вращательного бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах имеет следующие преимущества по сравнению с известными устройствами:

- повышает механическую скорость бурения за счет отсутствия опережающего пилот-забурника с нулевой угловой скоростью по оси, создающего эффект «зависания», как на опорном элементе конструкции породоразрушающего инструмента;

- за счет разноуровневого расположения резцов создается ступенчатый забой, обеспечивающий эффективное объемное разрушение горного массива, при этом уменьшается дополнительный нагрев забоя скважины при резании мерзлого грунта и создаются благоприятные условия для эффективного разрушения и удаления породы с забоя.