Буровое режущее долото

Изобретение относится к конструкции буровых режущих долот, для бурения скважин шнековым способом или с продувкой. Долото содержит корпус с лопастями, имеющими режущие элементы. Каждый последующий из них, начиная от оси вращения, смещен относительно предыдущего в радиальном направлении к периферии, вдоль оси вращения - в направлении подачи на забой, и дополнительно - по окружности против вращения. Режущие элементы формируют забой в виде ступенчатой выпуклости. Оптимальная величина осевого смещения режущих элементов, определяющая высоту ступеней - не менее произведения величины их радиального смещения на тангенс суммы углов внутреннего трения материала грунта и его внешнего трения по материалу режущего элемента. Каждая ступень резания может быть образована двумя как симметричными, так и несимметричными относительно оси вращения режущими элементами, или одним режущим элементом. В двух последних случаях границы следа вращения смежных режущих элементов совпадают друг с другом, а степень совпадения варьирует от их частичного перекрытия до дистанцирования на величину толщины стенки кольцевого целика забоя, способного разрушиться за счет сколов в процессе бурения. 16 з.п. ф-лы; 14 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности, к конструкции буровых лопастных долот, применяемых при бурении скважин различного назначения шнековым способом и с продувкой.

Известны наиболее простые и дешевые в изготовлении лопастные режущие пикообразные долота (Справочник по бурению скважин на воду - М..: Недра, - 1979, с 121) содержащие корпус с лопастями, режущие кромки которых выполнены прямолинейными и расположены под тупым или острым к друг другу, образуя при бурении поверхность забоя в виде конического углубления.

Однако, простота конструкции и относительная дешевизна конструкции этого типа долот существенно обесценивается их недостаточной производительностью при бурении твердых, в частности, мерзлых грунтов. Принципиальной причиной этого недостатка является то, что режущие кромки пикобуров взаимодействуют с забоем в условиях зажатой среды, при которых грунт в зоне взаимодействия находится в условиях, близких к условиям трехосного сжатия. Поэтому разрушение пикобуром в твердых грунтах происходит только за счет скобления, при минимальном внедрении режущего элемента в грунт. Этот недостаток ограничивает область эффективного применения пикобуров бурением с продувкой или промывкой, где высокая степень измельчения бурового шлама важна, как гарантия от его зависания в скважине и последующего образования сальников, являющихся препятствием для выноса бурового шлама из скважины.

Известны также буровые лопастные режущие долота (см. там же, с 119), содержащие корпус со ступенчатыми лопастями и выполненными на их ступенях режущими элементами. Каждый последующий режущий элемент долота, начиная от оси вращения к его периферии, смещен относительно предыдущего в направлении подачи на забой, формируя последний в виде концентричного ступенчатого углубления.

Преимуществом описанного типа долот перед пикобурами является меньшая удельная энергоемкость разрушения забоя. Это обеспечивается за счет того, что режущие кромки ступенчатого долота взаимодействуют с забоем в условиях менее зажатой среды, что связано с наличием дополнительных поверхностей его обнажения, благодаря которым разрушение происходит не только за счет резания (скобления) грунта вдоль поверхности резания, но и за счет сколов фрагментов ступеней забоя, которые в большей или меньшей степени ослаблены неоднородностями породы.

Схема резания, положенная в основу конструкции упомянутого долота, образующего забой в форме концентричного ступенчатого углубления, обеспечивает снижение энергоемкости разрушения забоя и с различными усовершенствованиями положена в основу конструкции большого количества лопастных режущих долот, широко применяемых в практике бурения скважин различного назначения.

Однако, несмотря на известный прогресс в снижении энергоемкости, достигнутый за счет ступенчатой схемы резания, при дальнейшем повышении требований к степени совершенства его режущей части долот, обнаруживается следующий недостаток. Его режущие элементы, действием силы подачи долота на забой создают в зоне силового взаимодействия напряжения сжатия при некоторой величине которых, превышающей предел прочности, происходит скол фрагмента ступени. Чем ближе располагается режущий элемент к оси вращения, тем меньше радиус кривизны стенки ступени забоя. При этом ступень забоя, будучи образована вогнутой поверхностью, как силовой элемент, сопротивляющийся разрушению, является аркой. Распространение зоны деформации, от действия режущих элементов долота, приводит к появлению в стенке ступени забоя напряжений сжатия, что обусловлено ее вогнутостью. Но арка, как известно из науки о сопротивлении материалов, хорошо сопротивляется сжатию, если она из непластичного материала, каким являются многие твердые породы. По этой причине энергоемкость разрушения ступени забоя за счет скола увеличивается пропорционально уменьшению радиуса кривизны ее стенки.

Описанный недостаток усугубляется еще и тем, что так же пропорционально уменьшению радиуса, уменьшается и объемная доля забоя, разрушенного за счет чистого резания снятием слоя грунта. Отсюда очевидно, что особенно существенно описанный недостаток снижает эффективность прототипа при бурении скважин небольшого диаметра, какими являются, например, скважины для закладки зарядов взрывчатого вещества, например, в сейсморазведке, в отличие от скважин строительного назначения, имеющих в несколько раз больший диаметр.

Еще одним недостатком известного ступенчатого долота, является следующий. Чем ближе расположен режущий элемент к оси вращения, тем меньше пространства, образованного в забое его режущими кромками для вписывания задней части режущих элементов и их корпусов в след вращения этих кромок, тем более затруднена эвакуация бурового шлама, образующегося в центральной части забоя, что также повышает энергоемкость бурения. В некоторых случаях, например при бурении обводненного мерзлого торфа, это приводит к образованию так называемых «сальников», препятствующих эвакуации бурового шлама из забоя и требующих многократного подъема бурового снаряда из скважины для удаления сальника.

Описанные недостатки являются следствием того, что поверхность забоя, формируемая описанным долотом, имеет вогнутую форму.

Известно буровое лопастное долото (см. SU 325334 А1, 07.01.1972), содержащее корпус с лопастями и расположенными на них породоразрушающими элементами с виде круглых твердосплавных вставок, каждый последующий из которых, по направлению от центра к периферии смещен относительно предыдущего в сторону подачи на забой, образуя вогнутую ступенчатую режущую поверхность. При этом вставки на каждой ступени лопасти расположены, концентрично, «в затылок друг другу», а стенки ступеней лопасти, в которых размещены вставки, образованы коническими поверхностями, соосными долоту. Как количество породоразрушающих элементов на каждой последующей ступени, так и износостойкость их материала, монотонно увеличивается в направлении от центра к периферии, обеспечивая выравнивание ресурса породоразрушающих ступеней по всему сечению забоя и, соответственно, увеличение общего ресурса долота.

Хотя описанное лопастное долото, по своему устройству относится к долотам больше истирающего, чем режуще-скалывающего действия, наименее эффективным по энергоемкости разрушения забоя, однако оно наиболее близко заявленному по технической сущности и принято в качестве прототипа.

Его преимуществом является то, что оно при бурении образует забой в виде ступенчатой выпуклости, ступень которого, при прочих равных условиях, требует существенно меньших затрат энергии для ее разрушения, по сравнению с вогнутой формой забоя, так как давление породоразрушающего элемента на ступень вызывает на ее выпуклой стенке напряжение растяжения, разрушающая величина которого для большинства пород меньше, чем разрушающая величина напряжений сжатия, возникающих на вогнутых стенках забоя. Эта разница монотонно уменьшается от крепких и хрупких пород к пластичным.

Недостатком прототипа является то, что реализовать описанное выше преимущество в уменьшение энергоемкости невозможно, так как конструкция этого долота препятствует этому по следующим причинам.

Во-первых, авторы противопоставленного изобретения в его описании (столб.1, абз.3) увязывают увеличение рабочей поперечной площади лопастей с увеличением скорости бурения (в данном случае, видимо, следует понимать скорость бурения, как скорость проходки скважины). С этой целью, как следует из чертежа долота, иллюстрирующего изобретение, ступени каждой лопасти образуют вогнутую поверхность резания и снабжены монотонно нарастающим от центра количеством породоразрушающих элементов, для обеспечения возрастания износостойкости долота в направлении от центра к периферии. Упомянутые элементы каждой из ступеней лопасти установлены «в затылок друг другу» (на одном радиусе друг с другом), при этом ступени тела лопасти в которых размещены породоразрушающие элементы, образованы вогнутыми коническими поверхностями.

Первое техническое противоречие, по нашему мнению, заключается в том, что увеличение рабочей поперечной поверхности лопастей, с одной стороны, действительно увеличивает износостойкость долота, но, с другой стороны, приводит не к увеличению скорости проходки, как ошибочно считают авторы этого долота, а напротив, к ее уменьшению. Это вполне очевидно объясняется тем, что при увеличении площади контакта породоразрушающих элементов долота с забоем, при прочих равных условиях, прямо пропорционально уменьшается их удельное давление на разрушаемую породу и, в той же мере - производительность проходки скважины.

Второе техническое противоречие, по нашему мнению, заключается в следующем. Да, с одной стороны, вогнутая ступенчатая режущая поверхность лопастей противопоставленного долота образует выпуклые ступени забоя, требующие меньшей энергоемкости для разрушения, чем традиционные вогнутые ступени, образуемые известными долотами. Но, с другой стороны, вогнутые стенки ступеней лопасти с установленными в «затылок друг другу» породоразрушающими элементами в виде цилиндрических твердосплавных вставок, плотно охватывают выпуклые стенки ступеней забоя, препятствуя возникновению в них напряжений растяжения и противодействуя их разрушению сколом, хоть это и декларируется авторами в описании изобретения. При этом невозможность эффективного выноса шлама из микрозазора между стенкой лопасти и стенкой забоя дополнительно усиливает плотность охвата лопастью ступени забоя и, соответственно, степень противодействия ее сколу.

Поэтому, в рамках конструкции прототипа существенно снизить энергоемкость разрушения забоя лопастными долотами за счет сколов его ступеней в подавляющем большинстве пород невозможно. Область эффективного использования упомянутого долота, по нашему мнению, ограничивается бурением с продувкой и ли промывкой высокоабразивных, но хрупких и малопрочных пород. Косвенно это подтверждается тем, что буровое лопастное долото-прототип с вогнутой ступенчатой режущей поверхностью, с момента с момента своего появления и до настоящего времени не получило распространения в практике.

Задачей изобретения является устранение описаннных выше недостатков прототипа, препятствующих снижению энергоемкости разрушения забоя. Этот технический результат предполагается достигнуть, во-первых, за счет создания бурового лопастного долота, конструкция которого исключала бы противодействие нижними породоразрушающими элементами разрушению ступеней забоя верхними элементами. Кроме того, энергоемкость предполагается снизить также улучшением условий эвакуации бурового шлама из зоны разрушения забоя.

Конструктивно это достигается тем, что в известном буровом лопастном долоте, содержащем корпус с лопастями и расположенными на них породоразрушающими элементами, каждый последующий из которых, в направлении от оси вращения к периферии, смещен относительно предыдущего в направлении подачи на забой для образования упомянутыми элементами вогнутой ступенчатой режущей поверхности, и, соответственно, выпуклой ступенчатой поверхности забоя, отличием является то, что каждый из породоразрушающих элементов расположен на отдельной лопасти, при этом породоразрушающие элементы каждой последующей ступени, в последовательности от оси вращения к периферии, дополнительно смещены по окружности вращения относительно элементов каждой предыдущей ступени в сторону, противоположную направлению вращения долота.

При такой форме забоя, деформация ее ступени под давлением режущих элементов приводит к появлению на выпуклых стенках ступеней напряжений растяжения, разрушающая величина которых для твердых непластичных грунтов значительно меньше разрушающей величины напряжений сжатия, возникающих на вогнутых стенках ступенях забоя классической для лопастных долот формы. При этом, размещение в предлагаемом долоте каждого из породоразрушающих элементов на отдельной лопасти и их взаимное смещение по окружности исключает подпор стенки разрушаемой ступени каждым последующим из них и не препятствует сколу ступени под совместным действием силы давления на забой и окружной силы резания. Последовательное смещение породоразрушающих элементов в сторону, противоположную направлению вращения благоприятствует эвакуации бурового шлама из центральной части забоя к периферии, способствуя снижению энергоемкости бурения. Отличия заявленного долота обеспечивают также и увеличение глубины внедрения режущей кромки в грунт за счет пластической деформации ступени в ширину, что повышает скорость проходки не только за счет сколов ступеней, но и за счет чистого резания. Чем меньше твердость породы и выше ее пластичность, тем большая объемная доля забоя разрушается резанием, чем скалыванием. Таким образом, преимущество заявленного долота в энергоемкости проявляется в грунтах с существенно различными механическими свойствами, что повышает его универсальность и актуально при бурении в сложных геологических разрезах с перемежающимися по твердости породами.

Для дополнительного уменьшения энергоемкости внутренняя кромка ближайшего к оси вращения режущего элемента может быть смещена относительно упомянутой оси к периферии на величину, достаточную для образования керна, разрушающегося в процессе бурения за счет сколов.

Величина осевого смещения режущих элементов во многих случаях определяется конструктивно, исходя из возможности обеспечения прочности лопастей, возможности их компоновки из условия обеспечения эффективного удаления шлама, доступности оптимального типоразмера твердосплавного изделия и других факторов. Однако, при прочих равных условиях, оптимальная величина осевого смещения режущих элементов, формирующих смежные ступени забоя, определяется из аналитического выражения:

НA·tg

где: Н - величина осевого смещения режущих элементов, образующих смежные ступени забоя;

А - величина радиального смещения между смежными режущими элементами;

- сумма угла внутреннего трения материала грунта и угла его внешнего трения по материалу режущего элемента.

При описанном соотношении высоты и ширины ступени забоя энергоемкость разрушения забоя минимальна за счет того, что разрушение ступени происходит на всю ширину и высоту ступени.

Целесообразным также является наклонное расположение тех лопастей с режущими элементами, которые выступают за габарит корпуса долота по его диаметру. Это позволит улучшить вертикальную эвакуацию бурового шлама из забоя на реборду шнека.

Упомянутые выше наклонные лопасти могут быть образованы как плоскими, так и винтовыми поверхностями. Первый вариант выполнения позволяет упростить конструкцию долота, а второй обеспечивает более эффективную эвакуацию шлама, хотя более сложен в изготовлении.

Режущие элементы долот для бурения могут иметь плоскую переднюю поверхность, что является более предпочтительным для пластичных грунтов.

Кроме того, плоские передние поверхности режущих элементов могут быть смещены относительно диаметральной плоскости долота в сторону вращения на такую величину, при которой острый угол между радиусом, проведенным из центра в наиболее удаленную от него точку режущей кромки и самой кромкой, больше угла трения между материалом грунта и материалом режущего элемента. Это позволит улучшить перемещение бурового шлама по передней поверхности режущего элемента из центральной части забоя к его периферии в конструкциях долот, предназначенных для работы без использования промывочного агента, или продувки забоя, или в долотах, например, открывающихся, в которых центральная часть занимает большую часть забоя.

Далее, в зависимости от преобладающих геологических условий использования долота, или конъюнктурных факторов, оно может иметь различную форму режущих элементов.

В первом случае они могут иметь прямоугольную форму с режущей кромкой, образованной прямыми линиями, одна из которых параллельна оси вращения, а вторая - перпендикулярна ей.

Во втором случае они могут иметь остроугольную форму с режущей кромкой, образованной прямыми линиями, одна из которых параллельна оси вращения, а вторая расположена к ней под острым углом, что позволяет, по сравнению с первым случаем, облегчить разрушение ступени за счет радиальной составляющей силы давления на забой.

В третьем случае они могут иметь закругленную форму с режущей кромкой, образованной расположенными друг к другу под острым углом и сопряженными радиусом прямыми линиями, что увеличивает ударную прочность режущего элемента.

В четвертом случае режущие элементы могут быть выполнены в виде сменных зубьев, выполненных в форме заостренного тела вращения и обладающих свойством самозатачивания за счет переменной по сечению твердости.

Кроме того, каждая ступень резания может быть образована различным количеством и расположением режущих элементов. В частности, каждая ступень резания, кроме периферийной, центрирующей долото в скважине, может быть образована одним режущим элементом. Этот вариант реализации изобретения целесообразен с точки зрения повышения удельного давления режущих элементов на забой за счет максимального уменьшения площади силового контакта режущих элементов с забоем. Это существенно увеличивает глубину внедрения режущих кромок в грунт и, соответственно, производительность проходки в твердых породах.

В другом варианте, каждая ступень резания может быть образована двумя режущими элементами, симметрично расположенными относительно оси вращения. Эта схема расположения режущих элементов может быть целесообразнее при бурении неоднородных грунтов, для повышения устойчивости долота в забое и снижения динамики крутящего момента.

В некоторых случаях, например, в открывающихся долотах, оптимальным является вариант размещения режущих элементов, в котором обеспечивается одновременно и увеличение удельного давления режущих элементов на забой, и достаточная устойчивость долота. Это обеспечивается тем, что каждая ступень резания, кроме периферийной, образована режущими элементами, расположенными асимметрично друг другу по разные стороны оси вращения таким образом, что граница следа вращения каждого следующего режущего элемента, совпадает с внутренней границей предыдущего, при этом степень совпадения упомянутых границ варьирует от их частичного перекрытия до дистанцирования на величину толщины стенки кольцевого целика забоя, способного разрушиться за счет сколов в процессе бурения.

Заявленное изобретение поясняется чертежами, иллюстрирующими его в различных примерах осуществления: фиг.1 - буровое режущее долото, вид сбоку; фиг.2 - сечение Б-Б на фиг.1; фиг.3 - сечение В-В на фиг.2; фиг.4 и 5 - то же, в других вариантах формы режущих элементов; фиг.6 - пример реализации изобретения в открывающемся долоте, вид сбоку; фиг.7 - то же, вид снизу; фиг.8 - то же - вид сбоку по стрелке Г на фиг.6; фиг.9 - то же, вариант винтовых лопастей; фиг.10 - вариант долота с использованием баровых резцов; фиг.11 - схема размещения его режущих элементов, вид сверху.

Заявленное буровое лопастное долото (фиг.1), содержит корпус 1 с лопастями 2, на каждой из которых симметрично оси вращения размещены породоразрушающие режущие элементы 3. Они могут иметь плоскую переднюю поверхность, ограниченную фронтальной 4 и боковой 5 режущими кромками, первая из которых расположена в плоскости вращения, а вторая параллельна оси вращения (фиг.1 и 3).

В зависимости от механических свойств грунта, для которого предназначено долото, его режущие элементы 3 могут иметь различную форму, в большей или меньшей степени повышающую эффективность разрушения ступени забоя. Так в отличие от описанных выше, режущие элементы могут иметь режущие кромки, одна из которых параллельна оси вращения, а другая - расположена под острым углом , способствущим появлению радиальной составляющей R силы давления на забой, облегчающей разрушение ступени (фиг.4).

Для повышения ударной прочности режущего элемента прямолинейные кромки могут быть скруглены радиусом (не показано).

В варианте (фиг.5), целесообразном при бурении скальных грунтов, породоразрушающие элементы выполнены в виде сменных зубьев 9, рабочая часть которых образована заостренным телом вращения. При этом они обладают свойством самозатачивания.

Во всех трех описанных выше вариантах эффективность разрушения забоя дополнительно повышается, в большей или меньшей степени, за счет расклинивающего действия режущих элементов в радиальном направлении.

Лопасти 2, выступающие за габарит d корпуса 1 (фиг.1 и 2), размещены на нем с наклоном к плоскости вращения, облегчающим эвакуацию бурового шлама из забоя на шнек (не показан). Поверхности лопасти могут быть образованы как плоскими, так и винтовыми поверхностями. Последний вариант обеспечивает возможность большего угла наклона лопасти, увеличивающего эффективность удаления бурового шлама из забоя. Режущие элементы 3 в последовательности от центра к периферии смещены друг относительно друга в направлении подачи на забой, образуя при вращении ступени шириной А и высотой Н (фиг.3). Кроме того, в той же последовательности от центра к периферии они смещены друг относительно друга по окружности в направлении, противоположном направлению вращения.

Ближайшие к оси вращения режущие элементы 3, могут смыкаться своими внутренними кромками 5 на этой оси, однако, для увеличения, при прочих равных условиях, удельного давления режущих кромок долота на забой за счет снижения суммарной площади контакта режущей части с забоем, в описываемом примере эти кромки смещены от нее к периферии на величину, достаточную для образования разрушающегося в процессе бурения за счет сколов керна 6.

Буровое режущее долото работает следующим образом (Фиг.1, 2 и 3). В результате вращения долота с крутящим моментом Мкр и его подачи на забой с усилием Р фронтальные режущие кромки 4 внедряются в грунт на глубину h, зависящую от его прочности, срезают его, углубляясь в скважину и формируя забой в виде ступенчатой концентричной выпуклости 7. При этом разрушение забоя происходит не только за счет описанного выше чистого резания грунта, но и за счет обрушения фрагментов 8 его ступеней. Деформация сжатия грунта совместным действием окружного усилия и давления на забой передней и задней поверхностями режущего элемента, распространяясь к периферии ступени, приводит появлению напряжений растяжения на ее выпуклой стенке, разрушающая величина которых значительно ниже разрушающей величины напряжений сжатия. Это приводит к разрушению ступени по поверхности минимального сопротивления срезу или сколу материала грунта, расположенной под углом к фронту давления режущим элементом. Упомянутый угол является суммой угла внутреннего трения материала грунта и угла его внешнего трения по материалу режущего элемента. Кроме того, на положение этой поверхности могут оказывать влияние также неоднородности структуры грунта. Верхняя часть забоя в виде керна 6 периодически разрушается в процессе бурения при достижении предельной для ее прочности высоты, выносится на периферию и удаляется из забоя вместе с остальным шламом шнеком или иными известными средствами (не показаны).

Выигрыш в энергоемкости, достигается тем, что, в отличие от известного, предлагаемое лопастное долото, за счет размещения каждого породоразрушающего элемента на отдельной лопасти и взаимного последовательного смещения их по окружности против вращения, исключает подпор стенки ступени забоя в зоне давления каждого предыдущего породоразрушающего элемента последующим элементом. При этом, направление последовательного смещения породоразрушающих элементов в сторону противоположную вращению долота благоприятствует перемещению бурового шлама из центральной части забоя к периферии. Распространение зоны деформации от давления породоразрушающих элементов на фронтальную поверхность ступени приводит к появлению на ее боковой стенке напряжений растяжения на существенно большем ее участке, чем в прототипе и увеличению размеров скалываемых фрагментов ступени. По мере увеличения пластичности грунта забоя, увеличивается и его объемная доля, разрушаемая резанием. При этом глубина внедрения режущего элемента в грунт, в сравнении с прототипом, также увеличивается за счет отсутствия подпора, ограничивавшего возможность пластической деформации ступени забоя в ширину.

Таким образом, изобретение обеспечивает преимущество также в степени универсальности долота и снижает энергоемкость бурения в более широком диапазоне механических свойств грунтов, повышая эффективность бурения в сложных геологических разрезах.

Наиболее оптимальная, с точки зрения всесторонней минимизации энергоемкости разрушения ступени, величина осевого смещения режущих элементов, определяющего высоту Н ступени забоя, определяется аналитическим выражением: НА·tg

где: Н - величина осевого смещения режущих элементов, образующих смежные ступени забоя;

А - величина радиального смешения между смежными режущими элементами;

- сумма угла внутреннего трения материала грунта и угла трения материала грунта по материалу режущего элемента.

Описанное выше соотношение высоты и ширины ступени, при прочих равных условиях, обеспечивает возможность скалывания фрагмента 8 наибольшего объема, что увеличивает производительность проходки.

Следующий пример выполнения (Фиг.69) иллюстрирует использование изобретения в конструкции открывающихся режущих буровых долот, применяемых для погружения зарядов взрывчатых веществ в неустойчивых грунтах, или в строительстве буронабивных свай. Корпус 1 этого долота имеет сквозное отверстие 10, в рабочем положении герметично закрытое со стороны забоя крышкой 11, связанной с корпусом радиальными выступами 12, размещенными в соответствующих пазах 13 корпуса, передающих крутящий момент. На крышке размещены две торцевые лопасти 14 с режущими элементами 15 и 16 с плоской передней поверхностью, ограниченной режущими кромками, фронтальные из которых расположены в плоскости вращения, а боковые параллельны этой оси. При этом режущие элементы 15 и 16 размещены относительно оси вращения асимметрично. Внутренняя боковая кромка первого из них расположена от оси на расстоянии, обеспечивающем образование керна, разрушающегося в процессе бурения, а след вращения его наружной боковой кромки совпадает со следом вращения внутренней боковой кромки второго из них. В свою очередь, след вращения его наружной боковой кромки совпадает с габаритом d цилиндрической поверхности головной части корпуса долота, на которой симметрично оси вращения и в плоскости, перпендикулярной торцевым лопастям 14, размещены периферийные лопасти 17 с режущим элементами 18. Эти лопасти наклонены под углом к осевому сечению могут быть образованы как плоскими поверхностями (фиг.8), что упрощает изготовление долота, так и винтовыми (фиг.9), что улучшает удаление бурового шлама из забоя и его подачу на шнек (не показан).

След вращения наружных боковых кромок режущих элементов 18, образует диаметр скважины, а след вращения их внутренних кромок совпадает со следом вращения наружной кромки предыдущего режущего элемента 16. При этом, степень совпадения следов вращения кромок всех смежных режущих элементов может варьировать от их взаимного перекрытия до дистанцирования на величину, не превышающую сечения кольцевого целика (не показан), образующегося в этом промежутке и способного саморазрушиться в процессе бурения. Фронтальные кромки режущих элементов 18 периферийных лопастей 17 смещены относительно фронтальных режущих кромок режущих элементов 15 и 16 в направлении подачи на забой на величину Н, определенную из описанного выше соотношения НA·tg, достаточную для эффективного разрушения ступени.

Кроме того, плоские передние поверхности режущих элементов 15 и 16 смещены относительно диаметральной плоскости долота в сторону его вращения на величину, при которой острый угол между радиусом, проведенным из центра в наиболее удаленную от него точку режущей кромки и самой кромкой был больше угла трения между материалом грунта и материалом режущего элемента.

Работа открывающегося режущего долота аналогична долотам описанным выше. Специфика его работы, связанная с открыванием крышки 11 и погружением заряда к технической сути объекта изобретения не относятся, и в данной заявке не описывается. Однако, особенностью открывающегося долота, требующей пояснений, является относительно большая площадь центральной части забоя, диктуемая размером крышки 11 проходного отверстия долота и порождающая проблему удаления бурового шлама из этой части забоя. Упомянутая проблема решается описанным выше положением передних поверхностей режущих элементов 15 и 16, обеспечивающим появление направленной в сторону периферии составляющей R окружной силы резания Ро. Эта составляющая, при указанных выше условиях, превышает силу трения грунта по передней поверхности режущего элемента и, в совокупности с центробежными силами обеспечивает эффективную эвакуацию бурового шлама из центральной части забоя на периферийные наклонные лопасти 17 и далее на реборду шнека (не показан).

В варианте бурового режущего долота (фиг.10 и 11), в отличие от описанных в предыдущих примерах, каждая ступень резания, кроме периферийной, образована одним режущим элементом 3. Режущая часть этого долота образована из баровых резцов 19, например, типа РП-3. Экономичность и ремонтопригодность такого долота обусловлена распространенностью и массовым типом производства этих резцов. При этом, задние поверхности 20 корпусов этих резцов, в отличие от известных долот, хорошо вписываются в след режущего элемента в забое, благодаря его выпуклой форме. Между режущими элементами смежных ступеней образована радиальная дистанция b, величина которой выбрана исходя из максимальной толщины образующегося в этом зазоре кольцевого целика 21, способного саморазрушиться в процессе бурения скалыванием.

Корпус 1 долота имеет осевое отверстие 22 для эвакуации шлама из скважины продувкой или промывкой.

Работа долота в описанном варианте не имеет существенных отличий от предыдущих. Вариант размещения режущих элементов, реализованный в этом примере, при прочих равных условиях с примерами, описанными выше, обеспечивает минимальную площадь их силового контакта с забоем, обеспечивающую максимальное удельное давление на породу и, соответственно, максимальную производительность проходки, а отсутствие силового контакта задних поверхностей лопастей со стенками забоя увеличивает ресурс долота и уменьшает растепливание забоя в мерзлоте и связанный с ним риск прихвата бурового снаряда. Наиболее целесообразной областью использования описанного варианта заявленного долота является бурение с продувкой или промывкой в крепких породах.

Таким образом, описанные в заявке примеры выполнения изобретения доказывают, что оно обеспечивает снижение энергоемкости бурения за счет нового расположения режущих элементов и лучших возможностей для удаления из забоя бурового шлама. При этом, по сравнению с другими известными долотами, указанное преимущество достигается в более широком диапазоне механических свойств грунтов за счет эффективной реализации разных способов разрушения забоя.

1. Буровое лопастное долото, содержащее корпус с лопастями и расположенными на них породоразрушающими элементами, каждый последующий из которых в направлении от оси вращения к периферии смещен относительно предыдущего в направлении подачи на забой для образования упомянутыми элементами вогнутой ступенчатой режущей поверхности, и, соответственно, выпуклой ступенчатой поверхности забоя, отличающееся тем, что каждый из породоразрушающих элементов расположен на отдельной лопасти, при этом породоразрушающие элементы каждой последующей ступени, в последовательности от оси вращения к периферии, дополнительно смещены по окружности вращения относительно элементов каждой предыдущей ступени в сторону, противоположную направлению вращения долота.

2. Буровое лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что внутренняя граница ближайшего к оси вращения породоразрушающего элемента смещена от нее к периферии на величину, достаточную для образования саморазрушающегося в процессе бурения центрального керна.

3. Буровое лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что величина осевого смещения породоразрушающих элементов, определяющая высоту ступеней забоя, определяется аналитическим выражением:

НA·tg,

где: Н - величина осевого смещения породоразрушающих элементов, образующих смежные ступени забоя;

А - величина радиального смещения между смежными породоразрушающими элементами;

- сумма угла внутреннего трения материала грунта и угла его внешнего трения по материалу породоразрушающего элемента.

4. Буровое лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, породоразрушающие элементы, выступающие за габарит корпуса по его диаметру, размещены на наклонных к диаметральному сечению лопастях.

5. Буровое лопастное долото по п.4, отличающееся тем, что наклонные лопасти образованы плоскими поверхностями.

6. Буровое лопастное долото по п.4, отличающееся тем, что наклонные лопасти образованы винтовыми поверхностями.

7. Буровое лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что породоразрушающие элементы выполнены режущими и имеют плоскую переднюю поверхность.

8. Буровое долото по пп.1,7, отличающееся тем, что для улучшения эвакуации бурового шлама из забоя, передние поверхности породоразрушающих элементов смещены относительно диаметральной плоскости долота в сторону его вращения, при этом величина смещения выбрана такой, чтобы острый угол между радиусом, проведенным из центра в наиболее удаленную от него точку режущей кромки и самой кромкой был больше угла трения между материалом грунта и материалом породоразрушающего элемента.

9. Буровое лопастное долото по пп.1,7, отличающееся тем, что породоразрушающие элементы имеют прямоугольную форму с режущей кромкой, образованной прямыми линиями, одна из которых параллельна оси вращения, а вторая - перпендикулярна ей.

10. Буровое лопастное долото по пп.1,7, отличающееся тем, что породоразрушающие элементы имеют остроугольную форму с режущей кромкой, образованной прямыми линиями, одна из которых параллельна оси вращения, а вторая - расположена к ней под острым углом.

11. Буровое лопастное долото по пп.1,7, отличающееся тем, что породоразрушающие элементы имеют закругленную форму с режущей кромкой, образованной сопряженными радиусом прямыми линиями.

12. Буровое лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что породоразрушающие элементы выполнены в виде зубьев, имеющих форму заостренного тела вращения.

13. Буровое лопастное долото по п.1, отличающееся тем, что каждая ступень резания, кроме периферийной, образована породоразрушающими элементами, расположенными асимметрично друг другу по разные стороны оси вращения таким образом, что граница следа вращения каждого следующего элемента совпадает с границей предыдущего, при этом степень совпадения упомянутых границ варьирует от их частичного перекрытия до дистанцирования на величину толщины стенки кольцевого целика забоя, способного разрушаться за счет сколов в процессе бурения.