Документ описывает инновационное устройство для бурения скважин, которое применимо в горной и нефтяной промышленности для эффективного разрушения твердых пород. Основная цель изобретения заключается в повышении производительности бурения за счет поддержания стабильных ударных импульсов, генерируемых механизмом взвода долот. Устройство включает забойный двигатель, бурильную колонну и системы натяжения гибких связей, что обеспечивает эффективное взаимодействие между компонентами и улучшает качество буровых работ.

1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28593
(51) E21D 1/06 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/0466.1
(22) 10.04.2013
(45) 16.06.2014, бюл. №6
(72) Федоров Борис Владимирович; Цибизова
Екатерина Евгеньевна
(73) Республиканское государственное предприятие
на праве хозяйственного ведения "Казахский
национальный технический университет им.
К.И. Сатпаева" Министерства образования и науки
Республики Казахстан
(56) Предварительный патент KZ 16321, кл. E21B
3/00, 14.10.2005, бюл. №10
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН
(57) Изобретение относится к горной и нефтяной
промышленности и может быть использовано для
проходки скважин как с отбором, так и без отбора
керна в твердых породах.
Задачей изобретения является разработка
устройства, представляющего комбинацию
шарошечных и ударных долот, обеспечивающего
поддержание величины ударных импульсов,
передаваемых забою скважины, стабильными и
достаточными для эффективного разрушения
твердых горных пород. Техническим результатом
изобретения является повышение
производительности проходки скважин в твердых
абразивных породах за счет передачи забою
постоянной во времени величины ударных
импульсов, генерируемых механизмом взвода
ударных долот.
Задача решается за счет того, что устройство для
бурения скважин снабжено механизмами для
натяжения гибких связей (канатов), выполненных в
виде жестко закрепленных на корпусе устройства
пустотелых винтов, через которые пропущены
концы канатов, закрепленных в конусные втулки,
взаимодействующие навернутыми на пустотелые
винти гайками, которые в свою очередь
взаимодействуют с контргайками.
(19)KZ(13)A4(11)28593

2. 28593
2
Изобретение относится к горной и нефтяной
промышленности и может быть использовано для
проходки скважин как с отбором, так и без отбора
керна в твердых породах.
Известны устройства, содержащие бурильную
колонну, винтовой забойный двигатель, к валу
которого присоединено шарошечное долото
(А.И. Булатов, С.В. Долгов «Спутник буровика»
книга 1 Москва, Недра, 2006г., с.49, табл. 3.1). Если
вал двигателя выполняется пустотелым, а шарошки
-укороченными, отстоящими от центральной части
забоя скважины, то устройство превращается в
снаряд для отбора керна. Недостатком устройства
является его недостаточная производительность в
твердых абразивных породах.
Известно устройство для бурения скважин,
выбранное в качестве прототипа (Патент РК
№16921, бюл. №10 от 14.10.2005 г., кл Е21В 3/00).
Устройство содержит бурильную колонну,
забойный двигатель (преимущественно винтовой
двигатель) с валом и породоразрушающий
инструмент, жестко соединенные друг с другом. В
корпусе породоразрушающего инструмента
расположены ударные долота, имеющие механизмы
взвода, выполненные виде пружин, а торец корпуса
оснащен шарошками. Вал забойного двигателя и
корпус породоразрушающего инструмента
выполнены с возможностью вращения с различной
частотой относительно друг друга. Отличительной
особенностью устройства является наличие внутри
корпуса породоразрушающего инструмента
пустотелого вала с горизонтально укрепленным на
нем профилированным кулачком. Последний
взаимодействует с предварительно натянутыми
гибкими связями (канатами), причем обращенные к
торцу породоразрушающего инструмента концы
канатов прикреплены к хвостовикам ударных долот,
а их противоположные концы связаны с корпусом
породоразрушающего инструмента.
Недостатком устройства является то, что, судя по
прилагаемому чертежу, оно не оснащено
механизмом для натяжения гибких связей (канатов).
Между тем такой механизм весьма важен, т.к. его
отсутствие приведет к ослаблению энергии ударных
импульсов по забою при вытягивании канатов по
длине в результате многократных периодических
воздействий на них при взводе ударных долот. Это,
в свою очередь, приведет к снижению
производительности углубления забоя, которая в
пределе уменьшится до скорости бурения при
использовании только шарошечных долот.
Задачей изобретения является разработка
устройства, обеспечивающего поддержание
величины импульсов, передаваемых забою
скважины, стабильными и достаточными для
эффективного разрушения твердых горных пород.
Техническим результатом изобретения является
повышение производительности проходки скважин
в твердых абразивных породах за счет передачи
забою постоянной во времени величины ударных
импульсов, генерируемых механизмом взвода
ударных долот.
Задача решается за счет того, что устройство
содержит забойный двигатель, бурильную колонну
и породоразрушающий инструмент, внутри корпуса
которого расположены подпружиненные ударные
долота, а в торце между последними размещены
шарошки. Вал забойного двигателя и корпус
породоразрушающего инструмента выполнены с
возможностью вращения с разной частотой друг
относительно друга. В свою очередь вал двигателя
соединен с пустотелым валом, на котором
горизонтально расположен профилированный
кулачок. Последний взаимодействует с натянутыми
гибкими связями (канатами), причем одни концы их
прикреплены к ударным долотам, а
противоположные - к механизмам натяжения.
Отличительной чертой устройства является
конструкция механизмов натяжения, которые
выполнены в виде пустотелых винтов,
закрепленных на корпусе устройства; через
упомянутые винты пропущенны гибкие связи,
концы которых закреплены в конусных втулках,
взаимодействующих с навернутыми на винты
гайками, которые в свою очередь взаимодействуют
с контргайками.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом,
где на фиг.1 показан общий вид устройства, на фиг.2
- разрез по А-А (на фиг.1), на фиг.3 - вид на
устройство по стрелке С (на фиг.1), и на фиг.4- в
увеличенном масштабе узел В (на фиг.1).
Устройство содержит бурильную колонну 1,
соединенный с ней винтовой забойный двигатель 2
и породоразрушающий инструмент. Внутри корпуса
3 размещен полый вал 4, соединенный на резьбе с
валом 5 винтового забойного двигателя. На валу 4
жестко закреплен горизонтально расположенный
профилированный кулачок 6 (фиг.1, 2). В нижнем
торце корпуса 3 расположены три шарошки 7,
оснащенные твердосплавными штырями (фиг.1, 3).
В промежутках между шарошками размещены три
ударных долота 8, взаимодействующие с
пружинами 9 (фиг.1, 3). К хвостовикам 10 ударных
долот прикреплены гибкие связи (канаты) 11,
которые противоположными концами крепятся в
окнах 12 к механизмам натяжения канатов (узел В
фиг.1). До начала работы осуществляется
предварительное натяжение канатов с помощью
упомянутых механизмов. Последние (фиг.4) состоят
из полых винтов 14, сквозь которые пропущены
канаты, а их концы расплетены, сформированы в
виде «груши», затянуты в конусные втулки 15 и
залиты баббитом. На резьбовой части винтов 14
размещены нажимные гайки 16, сопрягающиеся с
шайбами 17 и контргайками 18.
Работа устройства осуществляется следующим
образом. После спуска в скважину и постановки
снаряда на забой в бурильную колонну нагнетается
промывочная жидкость. Включается вращение
бурильной колонны, с частотой n2 с помощью
ротора буровой установки. Под действием
нагнетаемой промывочной жидкости вал 5
винтового двигателя получает вращение с частотой
n1, которая передается полому валу 4 и
профилированному кулачку 6. В процессе работы

3. 28593
3
должна соблюдаться разность частот вращения
кулачка 6 и корпуса 3, жестко связанного с
бурильной колонной. Так как концы канатов 11
закреплены в механизме натяжения канатов, жестко
связанным с корпусом 3, вращающимся с частотой
n2 бурильной колонны, то вследствие разности
указанных частот кулачок будет набегать
профилированной поверхностью на предварительно
натянутые канаты, оттягивая их. Вследствие этого
ударные долота будут подниматься над забоем,
сжимая пружины и аккумулируя энергию. Дойдя
при вращении до места разрыва кулачка (фиг.2),
канаты 11 срываются, что вызовет мгновенное
развертывание пружин 9. В результате ударные
долота, приобретая большую скорость, наносят
удары по забою. Шарошки перекатываясь по забою,
ослабленному в результате динамического
воздействия ударных долот, дополнительно
углубляют скважину и формируют ее правильную
округлую форму.
В процессе работы устройства канаты при
многократном их натяжении при взводе ударных
долот постепенно удлиняются (вытягиваются).
Поэтому энергия ударных импульсов долот
уменьшается, что ведет к снижению
производительности проходки скважины. Для
восстановления требуемого первоначального
натяжения канатов нажимную гайку 16 перемещают
вверх по винту 14. При этом гайка 16,
взаимодействуя через шайбу 17 с втулкой 15,
осуществляет натяжение пропущенных через нее
канатов 11. Новое положение гайки 16 на винте 14
фиксируется контргайкой 18. В результате
произошедшего восстановления натяжения канатов
производительность бурения скважин возрастает до
первоначальной величины.
Предлагаемое устройство может быть
изготовлено конструктивными размерами в
соответствии с существующими стандартами и
найти применение преимущественно при бурении
скважин в крепких горных породах.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для бурения скважин, содержащее
забойный двигатель (преимущественно винтовой
гидродвигатель) с валом, бурильную колонну и
породоразрушающий инструмент, имеющий корпус,
внутри которого расположены ударные долота,
имеющие механизмы взвода, выполненные виде
пружин; торец корпуса оснащен шарошками,
причем вал забойного двигателя и корпус
породоразрушающего инструмента выполнены с
возможностью вращения с различной частотой
относительно друг друга, а внутри корпуса
породоразрушающего инструмента размещен
соединенный с валом забойного двигателя
пустотелый вал с горизонтально расположенным
профилированным кулачком, взаимодействующим с
предварительно натянутыми гибкими связями
(канатами), причем обращенные к торцу
породоразрушающего инструмента концы канатов
прикреплены к хвостовикам ударных долот,
отличающееся тем, что механизмы для натяжения
гибких связей (канатов) выполнены в виде жестко
закрепленных на корпусе устройства пустотелых
винтов, через которые пропущены концы канатов,
заделанных в конусные втулки, взаимодействующие
с навернутыми на пустотелые винты гайками,
которые в свою очередь взаимодействуют с
контргайками.

4. 28593
4
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч