Лопастное шнековое долото для бурения скважин в валунно-галечных отложениях

Изобретение относится к области горной промышленности, в частности к конструкциям буровых лопастных долот, и может быть использовано для бурения гидрогеологических, дренажных, сейсмических и других скважин технического назначения, проходимых в валунно-галечных отложениях, а также при создании шнековых буров. Позволяет обеспечить эффективную работу лопастного долота при бурении скважин в валунно-галечных отложениях. Долото состоит из корпуса и лопастей, установленных на корпусе с положительным передним углом, армированных породоразрушающими элементами. Половина передней грани периферийной части каждой лопасти, обращенная к забою скважины, лежит в плоскости, расположенной с угловым смещением относительно плоскости, в которой лежит передняя грань внутренней части лопасти, на величину 15-20°, и направленным в сторону, противоположную вращению долота. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровым лопастным долотам, и может быть использовано при создании лопастных долот для бурения гидрогеологических, дренажных, сейсмических и других скважин технического назначения, проходимых в валунно-галечных отложениях, а также при создании шнековых буров.

Известно лопастное долото для бурения скважин в мягких и средней крепости горных породах [1, рис.VI.9]. В конструкции этого долота лопасти имеют вогнутую форму с вогнутостью, направленной по ходу вращения долота, и установлены на корпусе с положительным передним углом. Такие долота, обеспечивая высокие механические скорости бурения в мягких горных породах, практически не пригодны для бурения в породах средней крепости и тем более при бурении в валунно-галечных отложениях, т.к. при такой форме лопастей неразрушенные валуны будут отталкиваться лопастями к центру скважины, а не за пределы ее стенок, что приведет к поломке лопасти или заклиниванию долота в скважине. Аналогичное по характеру работы долото, представленное в том же источнике на рис.VI.11, имеет тот же недостаток, что и предыдущее долото.

Известно также долото с угловым смещением лезвий на лопастях [1, рис.VI.12]. У этого долота рабочая грань разделена на отдельные лезвия с угловым смещением центральной части лопасти относительно периферийной. Такая конструкция долота обеспечивает хорошие эксплуатационные качества при бурении мягких и средней крепости абразивных горных пород, но практически не приемлема при бурении скважин в валунно-галечных отложениях.

В качестве прототипа нами приводится конструкция лопастного долота по а.с. №469800, описание которого приведено в бюллетене №17 от 07.08.1975 г. Долото состоит из корпуса с промывочными каналами, присоединительной резьбой и лопастями с породоразрушающими элементами, центральная часть каждой из лопастей установлена по отношению к корпусу с положительным углом, а периферийная часть по всей ее высоте выполнена с угловым смещением относительно центральной части. Недостатком этого долота, так же как и всех предыдущих, является невозможность бурения скважин в валунно-галечных отложениях по причине затягивания крупных кусков горной породы к центру скважины, что в конечном итоге приводит к поломке сооружения или лопастей долота.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания лопастного шнекового долота, обеспечивающего эффективную работу при бурении скважин в валунно-галечных отложениях.

Поставленная задача решается тем, что лопастное шнековое долото для бурения скважин в валунно-галечных отложениях (в дальнейшем - долото), состоящее из корпуса и лопастей, установленных на корпусе с положительным передним углом, армированных породоразрушающими элементами, в котором половина передней грани периферийной части каждой лопасти, обращенная к забою скважины, лежит в плоскости, расположенной с угловым смещением, направленным в сторону, противоположную вращению долота, относительно плоскости, в которой лежит передняя грань внутренней части лопасти, на величину 15-20°.

При этом верхняя половина передней грани периферийной части каждой лопасти с нижней половиной этой части соединена скосом, лежащим в плоскости, расположенной с угловым смещением относительно плоскостей, в которых лежат передние грани внутренней и периферийной частей лопасти.

Отличием предлагаемого технического решения долота является расположение передних граней периферийных и внутренних частей каждой лопасти в плоскостях с угловым смещением относительно друг друга, при этом угловое смещение передней грани периферийной части лопасти направлено в сторону, противоположную вращению долота.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

Фиг.1 - схематическое изображение лопастного долота на плоскости.

Фиг.2 - разрез долота в сечении А-А.

Фиг.3 - пояснительная схема лопастей долота различной формы, вписанных в предполагаемый диаметр скважины.

Долото состоит из корпуса 1 с ниппелем для соединения со шнековым снарядом (на чертеже не показан) и ребордой 2, лопастей 3, установленных на корпусе с положительным передним углом β относительно оси скважины, армированных пластинами из твердого сплава 4. Передняя грань 5 периферийной части лопасти В лежит в плоскости с угловым смещением α, направленным в сторону, противоположную вращению долота, т.е. отрицательное смещение относительно плоскости, в которой лежит передняя грань 6 внутренней части лопасти Б (см. фиг.2).

Рациональность предлагаемой формы лопасти долота для бурения в валунно-галечных отложениях поясняется на фиг.3, на которой схематично изображены различные варианты форм лопастей с системой сил, действующих на разрушенную горную породу, находящуюся у стенок скважины. Из фиг.3 позиция I видно, что при прямолинейной форме лопасти, которая преобладает в конструкциях серийных лопастных долотах, сила Р - результирующая от сил Рτ - тангенциальная сила, направленная по ходу вращения долота, перпендикулярная передней грани лопасти, и сила Pr - радиальная, направленная к центру скважины, имеет направление к центру долота. При таком направлении силы Р разрушенная на периферии скважины горная порода будет стремиться к ее центру. Такая форма лопасти рациональна при бурении мягких горных пород без включения крепких крупных обломков. При бурении в валунно-галечных отложениях такое долото не обеспечит надежного выноса крупных обломков породы, которые не будут разрушены, а будучи оттесненными к центру скважины, могут либо заклинить долото в скважине, либо, попав под торец лопасти, привести к поломке ее вооружения или корпуса.

Аналогичный характер работы наблюдается и у долота с лопастями, у которых периферийная часть имеет положительное угловое смещение относительно внутренней части лопасти (см. фиг.3 позиция II). Обеспечивая более высокие механические скорости бурения в мягких горных породах по сравнению с предыдущим долотом, оно вообще не приемлемо для работы в валунно-галечных отложениях, т.к. результирующая сила Р еще с большей интенсивностью отталкивает разрушенную породу к центру долота, а следовательно, и в большей степени возрастает возможность попадания крупных не разрушенных обломков породы под торец лопасти, что и приведет к аналогичному результату, как и в предыдущем случае.

Рассмотрев позиции III и IV фиг.3, где представлены лопасти, у которых периферийные части имеют угловое смещение относительно внутренней, направленное в сторону, противоположную вращению долота, становится очевидным, что результирующая сила Р с увеличением угла α при прочих равных составляющих ее сил Рτ и Pr по направлению приближается к стенке скважины и при угле α, равном 15°, касается ее. При таком направлении силы Р создаются благоприятные условия для отжима крупных не разрушенных обломков горных пород за пределы ствола скважины, что и происходит, если твердые крупные обломки слабо сцементированы вмещающими составляющими валунно-галечных отложений. С геологической точки зрения валунно-галечные отложения представляют собой осадочный комплекс горных пород, состоящий из обломков различных размеров от мельчайших (глинистые частицы), мелких (пески с различной крупностью зерен), средней крупности (галька) до крупных кусков, не подвергшихся воздействию больших давлений и температур, а следовательно, не имеющие прочных связей.

Увеличение угла α более 20° создает более надежные условия отжима разрушенной породы за пределы ствола скважины, но при этом возникают определенные трудности в транспортировании ее на верхнюю половину периферийной части лопасти и далее на реборду шнека, что нежелательно.

Наличие скоса на передней грани верхней половины периферийной части лопасти 7 с угловым смещением, направленным к забою скважины, способствует созданию облегченных условий транспортирования разрушенной горной породы на лопасть и далее на реборду шнека.

Таким образом, предлагаемое техническое решение лопастного шнекового долота имеет следующие преимущества перед известными:

1. Обеспечивается возможность бурения скважин в валунно-галечных отложениях, что значительно расширяет область применения лопастных шнековых долот.

2. Создаются условия для уплотнения стенок скважины разрушенной на ее забое породой, повышая тем самым их устойчивость и снижая вероятность возникновения аварийных ситуаций.

Источники информации

1. Корнилов Н.И., Травкин B.C., Берестень Л.К., Коган Д.И. Породоразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин. М.: Недра, 1979. Стр.338-341.

2. А.с. МПК Е 21 В 10/42 №469800.

1. Лопастное шнековое долото для бурения скважин в валунно-галечных отложениях, состоящее из корпуса и лопастей, установленных на корпусе с положительным передним углом, армированных породоразрушающими элементами, отличающееся тем, что половина передней грани периферийной части каждой лопасти, обращенная к забою скважины, лежит в плоскости, расположенной с угловым смещением относительно плоскости, в которой лежит передняя грань внутренней части лопасти, на величину 15-20°, и направленным в сторону, противоположную вращению долота.

2. Лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что верхняя половина передней грани периферийной части каждой лопасти с нижней половиной соединена скосом, лежащим в плоскости, расположенной с угловым смещением относительно плоскостей, в которых лежат передние грани внутренней и периферийной частей лопасти.