EA019248B1 - Алмазное буровое долото - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к горной технике, породоразрушающим инструментам. Задача изобретения - создание самовращающегося алмазного бурового долота. Технический результат - преобразованием энергии потока промывочной жидкости формирование суммарного крутящего момента в конструкции алмазного бурового долота. Алмазное буровое долото, содержащее полый корпус, прикрепленный к матрице с продольными каналами, выходящими в концентричную канавку на торце, верхняя часть корпуса внутри снабжена соосно образующим с ней кольцевую полость валом с осевым каналом, разделенным перемычкой, в кольцевой полости вращением относительно образующих установлена прикрепленная к матрице нижняя часть корпуса с перегородкой, на валу и на нижней части корпуса выше и ниже перемычки проведены многоярусные верхние входные и выходные, нижние выходные отверстия, сообщающие кольцевую полость с осевым каналом, нижняя часть корпуса внутри оснащена лопатками, сужающимся передним концом ориентированными в полуцилиндрический торец задней утолщенной части встречной лопатки, скользящие по валу, верхние выходные отверстия проведены начальным наклонным участком касательно внешней стороны переднего конца лопатки, поворотом выходящими в кольцевую полость противоположно вращению, верхняя часть корпуса имеет полярные внутренние выступы, периодически перекрывающие верхние выходные отверстия, к нижней части корпуса снаружи жестко встроены лопасти, наклонно вогнутой в сторону вращения лицевой стороной обращенные кверху, осевой канал ниже перемычки гидравлически сообщен с продольными каналами матрицы, выполненными по ее краям дугообразно

Description

Изобретение относится к горной технике, а именно к породоразрушающим инструментам, используемым для бурения скважин.

Известно алмазное буровое долото, содержащее корпус, матрицу с продольными промывочными каналами и радиальными канавками на торцевой поверхности (Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1980).

Недостаток известного алмазного бурового долота заключается в том, что для осуществления процесса бурения скважин оно приводится во вращение крутящим моментом, передаваемым ему извне, что ведет к потере энергии и снижению значений крутящего момента во время передачи.

По конструктивному исполнению наиболее близким аналогом-прототипом предполагаемого изобретения является алмазное буровое долото, содержащее полый корпус, прикрепленный к матрице с продольными каналами, выходящими в концентричную канавку на торце (Инструмент для бурения скважин. М.: Недра, 1981).

По выполняемой функции прототип имеет те же недостатки, что и аналоги, т.е. алмазное буровое долото, не имея самостоятельно вращающихся элементов, также приводится в действие крутящим моментом, созданным вне его конструкции.

Задача изобретения - создание самовращающегося алмазного бурового долота.

Технический результат - преобразованием энергии потока промывочной жидкости формирование суммарного крутящего момента в конструкции алмазного бурового долота.

Технический результат достигается тем, что в алмазном буровом долоте, содержащем полый корпус, прикрепленный к матрице с продольными каналами, выходящими в концентричную канавку на торце, согласно изобретению полый корпус выполнен составным из верхней части, внутри снабженной соосно образующим с ней кольцевую полость валом, имеющим осевой канал, разделенный перемычкой, в кольцевой полости с возможностью вращения относительно верхней части корпуса и вала установлена прикрепленная к матрице нижняя часть корпуса с разделительной перегородкой, на валу и на нижней части корпуса выше и ниже перемычки проведены многоярусные верхние входные и выходные отверстия и нижние выходные отверстия, сообщающие кольцевую полость с осевым каналом вала, нижняя часть корпуса выше разделительной перегородки с внутренней стороны оснащена закрепленными в ней лопатками, сужающимся передним концом ориентированные в торцевую поверхность полуцилиндрической формы задней утолщенной части встречной лопатки, скользяще контактирующие с валом, верхние выходные отверстия проведены начальным наклонным участком касательно внешней стороны переднего конца лопатки, и с поворотом выходящими в кольцевую полость противоположно вращению, причем верхняя часть корпуса на внутренней поверхности имеет полярные выступы, периодически перекрывающие верхние выходные отверстия, ниже разделительной перегородки к нижней части корпуса снаружи жестко встроены лопасти, наклонно вогнутой в сторону вращения лицевой стороной обращенные кверху, при этом осевой канал вала ниже перемычки гидравлически сообщен с продольными каналами матрицы, выполненными по ее краям дугообразно выходящими в концентричную канавку на торце в направлении, обратном вращению матрицы.

Выполнением полого корпуса составным из верхней части, внутри снабженной соосно образующим с ней кольцевую полость валом, имеющим осевой канал, разделенный перемычкой, установлением в кольцевой полости с возможностью вращения относительно верхней части корпуса и вала прикрепленной к матрице нижней части корпуса с разделительной перегородкой обеспечивается неподвижность верхней части корпуса от вращения, позволяющая снизить трения о стенки скважин, уменьшить потери крутящего момента.

Проведением на валу и на нижней части корпуса выше и ниже перемычки многоярусных верхних входных и выходных отверстий и нижних выходных отверстий, сообщающих кольцевую полость с осевым каналом вала, оснащением нижней части корпуса с внутренней стороны закрепленными в ней лопатками, сужающимся передним концом ориентированными в торцевую поверхность полуцилиндрической формы задней утолщенной части встречной лопатки, скользяще контактирующие с валом, достигается приложение скоростного напора потока промывочной жидкости в торцевую поверхность полуцилиндрической формы задней утолщенной части встречной лопатки, где при повороте потока промывочной жидкости между лопатками давление у задней утолщенной части повышается, а у переднего конца лопатки понижается, способствуя увеличению значений крутящего момента и снижению гидравлического сопротивления вращательному движению лопаток совместно с нижней частью корпуса.

При этом многоярусные исполнения верхних входных и выходных отверстий исключают появление застойных зон в потоке промывочной жидкости в кольцевой полости, препятствующих вращательному движению нижней части корпуса.

Проведением верхних выходных отверстий начальным наклонным участком касательно внешней стороны переднего конца лопатки, с поворотом выходящими в кольцевую полость противоположно вращению, создается реактивная сила истечения жидкости по окружности нижней части корпуса, образующая крутящий момент с наибольшим плечом, а при их периодическом перекрытии полярными выступами на внутренней поверхности верхней части корпуса появляется гидравлический удар повышенного давления промывочной жидкости, вызывающий отталкивающую силу вращения нижней части кор

- 1 019248 пуса, и приложением возросшего гидродинамического давления отраженной промывочной жидкости по ходу вращения на внешние стенки начального наклонного участка происходит усиление крутящего момента.

Кроме того, при периодическом перекрытии и вскрытии верхних выходных отверстий полярными выступами появляется пульсирующий поток промывочной жидкости с динамическим ускорением, также усиливающий крутящий момент нижней части корпуса.

Признак - ниже разделительной перегородки к нижней части корпуса снаружи жестко встроены лопасти, наклонно вогнутой в сторону вращения лицевой стороной обращенные кверху, этим обеспечивается создание суммарного крутящего момента от воздействия скоростного напора и веса потока промывочной жидкости сверху вниз.

Гидравлическим сообщением осевого канала вала ниже перемычки с продольными каналами матрицы, выполненными по ее краям дугообразно выходящими в концентричную канавку на торце в направлении обратном вращению - в матрице создается суммарный крутящий момент за счет воздействия скоростного напора потока при повороте по дуге канала и реактивной силы истечения промывочной жидкости.

Совокупность существенных отличительных признаков изобретения имеет причинно-следственную связь, обеспечивает решение задачи и достижение технического результата.

На фиг. 1 изображен общий вид алмазного бурового долота, продольный разрез.

На фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.

На фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг. 1.

Алмазное буровое долото содержит составной полый корпус из верхней части 1, внутри снабженной соосно образующим с ней кольцевую полость 2 валом 3, имеющим осевой канал 4, разделенный перемычкой 5.

В кольцевой полости 2 с возможностью вращения посредством подшипникового узла 6 относительно верхней части корпуса 1 и вала 3 установлена прикрепленная к матрице 7 нижняя часть корпуса 8 с разделительной перегородкой 9.

На валу 3 и на нижней части корпуса 8 выше и ниже перемычки 5 проведены многоярусные верхние входные 10 и выходные 11 отверстия, нижние выходные отверстия 12 и 13, сообщающие кольцевую полость 2 с осевым каналом 4 вала 3.

В нижней части корпуса 8 с внутренней стороны закреплены лопатки 14, сужающимся передним концом 15 ориентированные в торцевую поверхность полуцилиндрической формы задней утолщенной части 16 встречной лопатки 14, скользяще контактирующие с валом 3.

Верхние выходные отверстия 11 проведены начальным наклонным участком 17 касательно внешней стороны переднего конца 15 лопатки 14, с поворотом выходящими в кольцевую полость 2 противоположно вращению нижней части корпуса 8.

Верхняя часть корпуса 1 на внутренней поверхности имеет полярные выступы 18, периодически перекрывающие верхние выходные отверстия 11.

Ниже разделительной перегородки 9 к нижней части корпуса 8 снаружи жестко встроены лопасти 19, наклонно вогнутой в сторону вращения лицевой стороной обращенные кверху.

Осевой канал 4 вала 3 ниже перемычки 5 гидравлически сообщен с продольными каналами 20 матрицы 7, выполненными по ее краям дугообразно выходящими в концентричную канавку 21 на торце в направлении, обратном вращению матрицы 7.

Алмазное буровое долото работает следующим образом. Движущийся по осевому каналу 4 вала 3 поток промывочной жидкости через перемычку 5 и многоярусные верхние входные отверстия 10 попадает в кольцевую полость 2, образованную верхней частью корпуса 1 и вала 3. Далее, обтекая с внутренней стороны лопатки 14, закрепленной в нижней части корпуса 8, поток промывочной жидкости направляется в торцевую поверхность полуцилиндрической формы задней утолщенной части 16 встречной лопатки 14. Под действием скоростного напора потока промывочной жидкости на лопатки 14 создается крутящий момент, и последние совместно с нижней частью корпуса 8 посредством подшипникового узла 6 совершают вращательное движение относительно верхней части корпуса 1 и вала 3 в скользящем контакте.

При этом поток промывочной жидкости, поворачиваясь между лопатками 14, вызывает перераспределение давлений, т.е. гидродинамическое давление промывочной жидкости у сужающегося переднего конца 15 понижается, и напротив, у задней утолщенной части 16 встречной лопатки повышается, тем самым снижается сопротивление вращательному движению и увеличивается значения крутящего момента.

Затем поток промывочной жидкости через начальный наклонный участок 17 верхних выходных отверстий 11 с поворотом, создавая давления на внешнюю стенку наклонного участка 17, выходит в кольцевую полость 2 противоположно вращению, вызывая реактивную силу истечения жидкости, суммарно усиливающую крутящий момент нижней части корпуса 8.

При вращении нижней части корпуса 8 верхние выходные отверстия 11 периодически перекрываются полярными выступами 18, вызывающими гидравлический удар, сопровождающийся ростом давле

- 2 019248 ния отраженной промывочной жидкости, которая, отталкиваясь от выступов 18, движется по верхним выходным отверстиям 11 по направлению вращения, и последовательным приложением гидродинамической нагрузки на внешнюю стенку начального наклонного участка 17, и на торцевую поверхность полуцилиндрической формы задней утолщенной части 16 встречной лопатки 14, совокупно с реактивной силой истечения промывочной жидкости в открытых верхних выходных отверстий 11 повышают значения крутящего момента.

Дальше, пульсирующий поток промывочной жидкости ниже разделительной перегородки 9, воздействуя силой скоростного напора и веса на наклонно вогнутую в сторону вращения лицевую сторону лопасти 19, через нижние выходные отверстия 12 и 13 выходит в осевой канал 4 вала 3 ниже перемычки 5. Протекая по осевому каналу 4, поток промывочной жидкости по продольным дугообразным каналам 20 матрицы 7 выходит в концентричную канавку 21 на торце в направлении, обратном вращению матрицы 7, осуществляя процесс бурения скважин.

Эксперименты, проведенные на буровом стенде, оснащенном контрольно-измерительными приборами, с целью установления энергетических характеристик образцов алмазного бурового долота, изготовленного в соответствии с формулой изобретения, показали, что при расходах промывочной жидкости 120 и 160 л/мин численные значения крутящего момента алмазного бурового долота диаметром 93 мм в 3-5 раз превышают аналогичные показатели забойных машин диаметром 95 мм с расходом промывочной жидкости 200-240 л/мин.

Claims (2)

1. Алмазное буровое долото, содержащее полый корпус, прикрепленный к матрице с продольными каналами, выходящими в концентричную канавку на торце, отличающееся тем, что полый корпус выполнен составным из верхней части, внутри снабженной соосно образующим с ней кольцевую полость валом, имеющим осевой канал, разделенный перемычкой, в кольцевой полости с возможностью вращения относительно верхней части корпуса и вала установлена прикрепленная к матрице нижняя часть корпуса с разделительной перегородкой, на валу и на нижней части корпуса выше и ниже перемычки проведены верхние входные и выходные отверстия и нижние выходные отверстия, сообщающие кольцевую полость с осевым каналом вала, нижняя часть корпуса выше разделительной перегородки с внутренней стороны оснащена закрепленными в ней лопатками, сужающимся передним концом ориентированными в торцевую поверхность полуцилиндрической формы задней утолщенной части встречной лопатки, скользяще контактирующие с валом, верхние выходные отверстия проведены начальным наклонным участком касательно внешней стороны переднего конца лопатки, и с поворотом выходящими в кольцевую полость противоположно вращению, причем верхняя часть корпуса на внутренней поверхности имеет полярные выступы, периодически перекрывающие верхние выходные отверстия, ниже разделительной перегородки, к нижней части корпуса снаружи жестко встроены лопасти, наклонно вогнутой в сторону вращения лицевой стороной обращенные кверху, при этом осевой канал вала ниже перемычки гидравлически сообщен с продольными каналами матрицы, выполненными по ее краям дугообразно выходящими в концентричную канавку на торце в направлении, обратном вращению матрицы.

2. Алмазное буровое долото по п.1, отличающееся тем, что верхние входные и выходные отверстия выполнены многоярусными по вертикали.