Патент на изобретение №2310735

(54) ФРЕЗЕРНЫЙ ИНСТРУМЕНТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к буровой технике, в частности к режущему инструменту с использованием клина-отклонителя. Инструмент содержит режущую и направляющую части. Режущая часть выполнена в виде фрезы для прорезания окна в обсадной колонне и включает полый корпус, в котором выполнен промывочный канал вдоль оси и промывочные отверстия в нижней части, боковые и концевые рабочие поверхности, покрытые износоустойчивым режуще-истирающим покрытием. Направляющая часть выполнена в виде клина-отклонителя с наклонной рабочей поверхностью. Корпус фрезы выполнен разъемным из верхней и нижней частей. Нижняя часть имеет торец в форме правильной пирамиды, на ребрах которой закреплены в один или два ряда твердосплавные режущие элементы. На гранях напаян слой режуще-истирающего покрытия. Верхняя часть имеет переменное сечение. Концевая часть верхней части имеет цилиндрическую форму. Над концевой частью корпус имеет форму усеченной пирамиды, на ребрах которой нанесено режуще-истирающее покрытие. Далее вверх корпус выполнен в виде сферического многогранника, грани которого в сечении имеют форму неправильной трапеции. На нижней боковой поверхности граней закреплены в один или два ряда режущие элементы, выше которых нанесено режуще-истирающее покрытие. Верхняя и нижняя часть соединены шлицевым крестообразным соединением и закреплены болтом, установленным в отверстии, выполненном под промывочным каналом в нижней части. На границе перехода от внутреннего диаметра промывочного канала к внутреннему диаметру отверстия под болт образована круговая опора, на которой размещен полый пружинный элемент и Т-образная головка болта. Вертикальная часть головки выполнена над горизонтальной частью и имеет диаметр, равный диаметру тела болта. В верхней части выполнены промывочные отверстия. Срезной болт расположен в резьбовом отверстии между концевыми рабочими поверхностями фрезы и в промежуточном элементе в виде втулки. Часть втулки выполнена в виде усеченного конуса с резьбой в нем и выступает над поверхностью клина-отклонителя. Расширяются возможности, упрощается технология сборки, улучшаются эксплуатационные характеристики. 10 ил.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к режущему инструменту с использованием клина-отклонителя. Оно может быть использовано для вскрытия «окна» в обсадной колонне и забуривания в скважину нового ствола.

Известен фрезерный инструмент [1], предназначенный для вскрытия «окна» в обсадной колонне при помощи клина-отклонителя. Инструмент – фрезер-райбер изготовлен комплектно по три (№1, 2 и 3) райбера, которые отличаются друг от друга габаритными размерами и диаметром, последовательно увеличивающимся от №1 к №3. Вначале «окно» прорезается наименьшим фрезером №1, а затем последующими спусками фрезеров №2 и 3 оно расширяется. Конструкция инструмента неразборная. Инструмент выполнен конусным с равномерным расширением к верху. Боковые поверхности инструмента имеют рабочие поверхности, на которые наплавлен твердый сплав. Рабочими являются только боковые поверхности инструмента.

Недостатками известного фрезерного инструмента являются: инструмент работает комплектно, состоит из нескольких фрез, которые приходится приводить в действие, поочередно погружая их в скважину, а затем поднимая на поверхность, что усложняет процесс эксплуатации, снижает производительность инструмента в целом; фрезерный инструмент металлоемок; торцевая поверхность фрез нерабочая, она не защищена твердым сплавом, что ограничивает его действие прорезанием «окна»; инструмент не рассчитан на функцию спускового для установки клина-отклонителя в скважине, следовательно, необходимо применение стартовой фрезы; в фрезах №2 и 3 не предусмотрены промывочные отверстия, следовательно, фрезы рассчитаны на работу, связанную с кратковременным действием на стенки обсадной трубы, следовательно, для резания породы и забуривания в скважину нового бурового ствола инструмент не рассчитан.

Известен фрезерный инструмент [2], представляющий собой комплекс, состоящий из фрезер-райбера пилотного и фрезер-долота. Фрезер-райбер состоит из корпуса и штока. Рабочие поверхности корпуса оснащены режущими зубьями из твердосплавных пластин, а шток наплавлен релитом. Фрезер-долото состоит из корпуса, армированного по торцевой и боковой поверхностям дробленым металлокерамическим твердым сплавом.

Недостатками известного фрезерного инструмента являются: металлоемкость, инструмент состоит из двух фрезеров, каждый из которых ограничен функционально, т.к. фрезер-райбер после спуска (но без клина-отклонителя) прорезает «окно» в обсадной колонне на небольшую длину и поднимается наверх, фрезер-долото далее фрезерует обсадную колонну и калибрует «окно» необходимого профиля и тоже поднимается наверх; при этом инструменту нужна спусковая фреза для установки клина-отклонителя, он ограничен действием по прорезанию «окна» и не рассчитан на забуривание в скважину нового ствола;

фрезы выполнены неразъемными и без промывочной системы отверстий, следовательно, режущие пластинки, наплавленные на фрезу-райбер, подвергаются ускоренному разрушению, ухудшая процесс резания, фреза-долото выполняет больше истирающую функцию резания.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению выбран фрезерный инструмент [3] как по техническому результату, так и экономическому эффекту. Фрезерный инструмент выполнен в виде главной фрезы, имеющей цилиндрической формы полый корпус. В корпусе в нижней боковой части и в торце выполнены промывочные отверстия. Отверстия боковые охлаждают инструмент, а торцевое отверстие связано с шлангом, подающим жидкость в камеру клина-отклонителя для установки его в скважине и закрепления на стенках обсадной трубы. Фрезерный инструмент закреплен на верхнем конце клина-отклонителя срезными болтами, которые ввинчены в резьбовые отверстия, выполненные в приваренном к концу элементе, а также вставлены в отверстия хвостовика, который изготовлен и закреплен в верхней части клина-отклонителя. Главная фреза снабжена концевыми резцами, которые располагаются поперек концевой поверхности фрезы, и боковыми резцами, которые располагаются вдоль боковой поверхности корпуса инструмента на расстоянии от концевых резцов. Элемент с резьбой в нем для срезных болтов находится между смежными боковыми резцами. Резцы закалены в том же режиме, что и наклонная поверхность клина-отклонителя, или изготовлены из твердого и износоустойчивого материала, например карбида вольфрама.

Недостатки известного фрезерного инструмента следующие: фрезерный инструмент ненадежно соединен с верхней частью клина-отклонителя на хвостовике, т.к. в хвостовике выполнены отверстия для введения и закрепления срезного болта. В связи с тем, что одна часть срезного болта закреплена в элементе на фрезе резьбой, а в хвостовике – без резьбы возникает разница напряжений в этих частях. При спуске отклонителя в скважину и в момент срезания болта та часть болта, которая находится в хвостовике, испытывает значительные растягивающие напряжения по сравнению с другой частью болта, т.к. резьба в данном случае является усиливающим элементом сцепления с корпусом фрезы и как бы ребрами жесткости, увеличивающими прочность соединения, а гладкая поверхность другой части болта этим не обладает. В результате эта часть болта деформируется под действием нагрузки, что приведет к изгибающим, а не срезным действиям в болте и, следовательно, не сразу, а после деформации до разрушения его в непредсказуемых месте и времени. Главная фреза имеет функциональные ограничения. Она может быть только «оконной» фрезой, причем «окно» фрезеруется фрезой размером меньшим, чем диаметр обсадной колонны. В связи с этим используется дополнительный инструмент – шаровая фреза, которая расширяет окно. Забуривание же в скважину нового ствола требует использования ряда шаровых фрез, пока не будет достигнут требуемый диаметр нового ствола в скважине. Шаровые фрезы размещены через гибкое соединение с главной фрезой и находятся выше по стволу скважины относительно главной фрезы в компоновке устройства, что усложняет использование фрезерного инструмента.

Фрезерный инструмент (главная фреза) имеет резцы из закаленного металла или карбида вольфрама, что не служит гарантией длительного использования, особенно концевых резцов, несущих основную тяжесть нагрузок в процессе фрезерования, т.к. являются твердыми, но хрупкими элементами. Резцы располагаются на корпусе фрезы таким образом, что на боковой поверхности они используются как истирающие элементы, а концевые – только как режущие, что сужает возможности фрезы. Тем более что, имея постоянный диаметр по всей длине корпуса, боковые резцы используются для подчистки периферии «окна», которое было прорезано концевыми резцами. Фрезерный инструмент выполнен неразъемным, что усложняет и удорожает технологию изготовления, эксплуатацию и восстановление.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение возможностей, улучшение эксплуатационных характеристик и упрощение восстановительных работ фрезерного инструмента.

Технический результат достигается тем, что фрезерный инструмент, содержащий режущую и направляющую части, при этом режущая часть выполнена в виде фрезы для прорезания окна в обсадной колонне в буровой скважине, включающей полый корпус, в котором выполнен промывочный канал вдоль оси фрезы и промывочные отверстия в нижней части, и имеющей боковые и концевые рабочие поверхности, покрытые износоустойчивым режуще-истирающим покрытием и с закрепленными режущими элементами соответственно, направляющая часть выполнена в виде клина-отклонителя с наклонной рабочей поверхностью, соединенного с корпусом фрезы срезным болтом через промежуточный элемент, согласно изобретению корпус фрезы выполнен разъемным и состоит из верхней и нижней частей, нижняя часть имеет торец, выполненный в форме правильной пирамиды, на ребрах которой, являющихся рабочими поверхностями, закреплены в один или два ряда при ступенчатой поверхности ребер твердосплавные режущие элементы, а на гранях напаян слой режуще-истирающего покрытия, верхняя часть корпуса фрезы имеет переменное сечение, при этом концевая часть верхней части корпуса имеет цилиндрическую форму, над концевой частью корпус имеет форму усеченной пирамиды, направленной усеченной частью вверх, на ребрах которой, представляющих рабочие поверхности, нанесено режуще-истирающее покрытие, над частью корпуса, выполненной в форме усеченной пирамиды, корпус выполнен в виде сферического многогранника, представляющие рабочую поверхность грани которого в сечении имеют форму неправильной трапеции, при этом на нижней боковой поверхности граней закреплены в один или два ряда при ступенчатой поверхности ребер режущие элементы, выше которых вдоль рабочей поверхности нанесено режуще-истирающее износоустойчивое покрытие, верхняя и нижняя часть корпуса фрезы соединены шлицевым крестообразным соединением путем выполнения крестообразных пазов на нижней торцевой поверхности верхней части корпуса и ответных им крестообразных выступов на верхней торцевой поверхности нижней части корпуса, при этом нижняя и верхняя части корпуса фрезы закреплены болтом, установленным в отверстии, выполненном под промывочным каналом в нижней части корпуса, на границе перехода от внутреннего диаметра промывочного канала к внутреннему диаметру отверстия под болт образована круговая опора, на которой размещен полый пружинный элемент и Т-образная головка болта, которая горизонтальной частью опирается на полый пружинный элемент, диаметр горизонтальной части равен внутреннему диаметру промывочного канала, а вертикальная часть головки выполнена над горизонтальной частью и имеет диаметр, равный диаметру тела болта, в верхней части корпуса фрезы выполнены промывочные отверстия в шахматном порядке по отношению к промывочным отверстиям нижней части корпуса, срезной болт для закрепления корпуса фрезы расположен в резьбовом отверстии между концевыми рабочими поверхностями фрезы и в промежуточном элементе, выполненном в виде втулки, втулка вставлена в отверстие Т-образной формы, выполненное в верхней части клина-отклонителя, и жестко закреплена в этом отверстии, часть втулки, соприкасающаяся с корпусом фрезы, выполнена в виде усеченного конуса с резьбой в нем и выступает над поверхностью клина-отклонителя.

В отличие от прототипа предлагаемое изобретение имеет разъемный корпус фрезы, что значительно упрощает технологический процесс изготовления корпуса фрезы и ее внутренних и внешних составляющих, т.к. упрощается процесс сборки, увеличивается доступность к внутренней части корпуса, усиливается гарантия целостности корпуса при эксплуатации фрезы шлицевым крестообразным соединением и надежным закреплением болтом, закрепляющим части корпуса фрезы под промывочным каналом резьбовым соединением в отверстиях. Шлицевое крестообразное соединение, осуществляемое за счет крестообразных выступов в соответствующих им крестообразных пазах, обеспечивает прочную, гарантирующую от проворота связь верхней и нижней частей корпуса фрезы, а подпружиненный болт не позволит при движении фрезы в процессе резания быть срезным. Круговая опора, на которую опирается подпружиненная головка болта, и выполнение головки болта переменного сечения Т-образной формы позволяют снизить напряжения на болт в периоды вращения корпуса фрезы и резания, а верхняя часть головки, выполненная с равным телу болта диаметром, позволяет упростить закрепление и раскрепление болта. В отличие от прототипа значительно улучшено охлаждение корпуса и отвод стружки от рабочих поверхностей фрезы наличием дополнительных промывочных отверстий в верхней части корпуса. В прототипе выполнены промывочные отверстия только в нижней неразъемной части корпуса. В предлагаемом изобретении нижние и верхние промывочные отверстия размещены в продольных пазах между рабочими поверхностями фрезы в шахматном порядке, т.е. в одном пазу выполнено одно промывочное отверстие, например в верхнем корпусе, в следующем пазу выполнено промывочное отверстие в нижнем корпусе, что гарантирует равномерное распределение давления жидкости в них и улучшает термомеханические функции жидкости, выходящей из отверстий. Корпус фрезы в отличие от прототипа (имеющего концевую режущую и боковую режуще-истирающую поверхности), дополнительно имеет в нижнем торце рабочие поверхности – режущую и режуще-истирающие. Сам торец в отличие от прототипа выполнен в форме правильной пирамиды, на ребрах которой закреплены режущие элементы, а на гранях пирамиды наплавлен слой режуще-истирающего покрытия. На ребрах пирамиды закреплены твердосплавные режущие элементы. Закреплены в один ряд для фрезерования слабо- и средненагруженного режима эксплуатации фрезы и в два ряда – для тяжелонагруженной системы эксплуатации инструмента. Для усиления эффекта резания ребра, являющиеся рабочей поверхностью, выполнены ступенчато, таким образом твердосплавные режущие элементы работают поэтапно: по мере износа первого ряда подключаются твердосплавные режущие элементы другого ряда. Торцевая поверхность фрезы режущего типа является продолжением концевой рабочей поверхности с тем же размещением режущих элементов, что позволяет получить режущую кромку с усиленной режущей способностью в начальный и последующий этапы фрезерования. Концевая режущая рабочая поверхность фрезы вдоль корпуса снизу вверх сменяется сужением рабочей поверхности с режуще-истирающим покрытием за счет выполнения корпуса фрезы в этой части в форме усеченного конуса суженной частью вверх. Такое формообразование корпуса позволяет создать условия разгрузки напряжения в твердосплавных режущих элементах. Жидкость успевает интенсифицировать охлаждение нижней части корпуса. Над частью корпуса, выполненной в форме усеченной пирамиды, имеется часть корпуса, выполненная в форме выпуклого сферического многогранника, при этом рабочие боковые поверхности фрезы имеют форму неправильных трапеций. На нижних боковых сторонах трапеций и прилегающих к ним частях верхних оснований закреплены режущие элементы в один или два ряда, а остальная часть вдоль верхнего основания трапеции, служащей одновременно рабочей поверхностью фрезы, покрыта слоем режуще-истирающего износоустойчивого покрытия. Таким образом усилена режущая способность фрезы. Имея три зоны резания и переменное сечение рабочих поверхностей, одна и та же фреза заменяет спусковую, стартовую, оконную и проходную фрезы, расширяя возможности известной оконной фрезы, описанной в прототипе.

В отличие от прототипа предлагаемая фреза закреплена на верхней части клина-отклонителя срезным болтом в промежуточном элементе, который вставлен в отверстие в клине-отклонителе, а не на фрезе, что значительно упрощает технологию закрепления фрезы на клине-отклонителе. На корпусе фрезы выполнено резьбовое отверстие, а в отверстии в клине-отклонителе имеется полая втулка – она же промежуточный элемент. Полая втулка с одного торца вставляется в Т-образный паз в отверстии клина-отклонителя за счет такого же выступа на полой втулке и жестко закрепляется. Та часть полой втулки, которая выступает над поверхностью клина-отклонителя, выполнена с внешней стороны в виде усеченного конуса. Внутри полой втулки на длину выступающей части ее над поверхностью клина-отклонителя выполнена резьба для закрепления срезного болта. Выступающая часть полой втулки в форме усеченного конуса служит опорой фрезы. Все это позволяет сосредоточить усилия среза в наиболее узком участке, т.е. на границе сопряжения полой втулки с поверхностью фрезы, что улучшает эксплуатационное качество соединения.

Известен фрезерный инструмент [4] для прорезания «окна» в обсадной колонне. Он работает комплексно и состоит из трех фрез, имеющих рабочую часть полностью конусной формы с напаянными режуще-истирающего типа пластинами вдоль рабочих поверхностей. Известный фрезерный инструмент не обеспечивает поставленной заявленным изобретением задачи в силу ограничения возможностей конструктивного плана.

Известен фрезерный инструмент [5], содержащий корпус фрезы с наплавленным режуще-истирающим слоем покрытия на корпус ее, а передняя кромка покрытия имеет резцы, закрепленные на стальной пластине, которая вставлена в корпус фрезы. Известная фреза имеет ограниченное применение (оконная) и не предусмотрена конструктивно для работы с использованием клина-отклонителя.

Таким образом заявляемый фрезерный инструмент обладает «технической новизной», соответствует критерию «существенные отличия» и «промышленно применима», т.к. проверен на практике, в работе по спуску, старту, прорезанию «окна» и зарезке бокового ствола в скважине на буровых в г.Перми. Предполагается его внедрение на буровых г.Перми и в других местах, связанных с добычей нефти.

На фиг.1 – показана схематично компоновка устройства.

На фиг.2 – показано схематично устройство, в разрезе.

На фиг.3 – формообразование фрезы вдоль оси корпуса.

Фиг.4 – вид А на фиг.1.

Фиг.5а – сечение Б-Б на фиг.2.

Фиг.5б – показана в разъемном виде аксонометрическая проекция корпуса фрезы.

Фиг.6 – сечение В-В на фиг.1.

Фиг.7 – размещение одного ряда режущих элементов и режуще-истирающего покрытия на рабочих поверхностях фрезы.

Фиг.8 – размещение двух рядов твердосплавных режущих элементов и слоев режуще-истирающего покрытия на рабочих поверхностях фрезы.

Фиг.9 – показаны схематично этапы перемещения фрезерного инструмента относительно клина-отклонителя, в разрезе.

Фиг.10 – показаны схематично этапы перемещения фрезы в моменты прорезания «окна» и забуривания бокового ствола в буровой скважине, в разрезе.

Фрезерный инструмент содержит фрезу 1 и клин-отклонитель 2 (фиг.1). Фреза состоит из полого корпуса с хвостовиком и резьбой вверху, который выполнен разъемным и имеет верхнюю 3 и нижнюю 4 часть (фиг.2). Нижняя часть 4 имеет торец в форме правильной пирамиды 5 (фиг.3), на ребрах 6 пирамиды, т.е. рабочих поверхностях фрезы закреплены твердосплавные режущие элементы 7 (фиг.4), а на гранях 8 напаяно режуще-истирающее покрытие 9. Ребра 6 пирамиды имеют ступенчатую поверхность 10 (фиг.8) для двухрядного закрепления твердосплавных режущих элементов 7 на них. Верхняя часть корпуса 3 и нижняя часть 4 корпуса 1 фрезы соединены шлицевым крестообразным соединением 11 (фиг.5а) за счет выполнения на нижней торцевой поверхности верхней части 3 корпуса фрезы крестообразных пазов 12 (фиг.5б), а в верхней торцевой поверхности нижней части корпуса 4 фрезы выполнены крестообразные выступы 13 соответственно крестообразным пазам 12. Закреплены нижняя и верхняя части корпуса фрезы болтом. Болт имеет тело 14 и головку Т-образной формы, причем горизонтальная часть головки 15 имеет диаметр, равный диаметру замкнутого промывочного канала 16, внутри корпуса фрезы, в его верхней части 3, а вертикальная часть 17 головки болта имеет диаметр, равный диаметру тела 14 болта (фиг.6). Болт вставлен в отверстие 18, выполненное вдоль оси корпуса под промывочным каналом 16 (фиг.2) в верхней части 3 корпуса, и закреплен резьбой в отверстии 19 (фиг.6), выполненном в нижней части 4 корпуса фрезы. На границе перехода от внутреннего диаметра «Д» промывочного канала 16 к внутреннему диаметру «d» отверстия 18 образована круговая опора 20, на которую опирается полый пружинный элемент 21 и головка болта 15 и 17. В верхней части 3 корпуса фрезы выполнены промывочные отверстия 22, а в нижней части корпуса имеются промывочные отверстия 23 (фиг.2), которые по отношению к верхним отверстиям 22 размещены в пазах 24 корпуса фрезы (фиг.7) между рабочими поверхностями в шахматном порядке. Верхняя часть 3 корпуса фрезы переменного сечения: концевая 25 часть корпуса имеет форму цилиндра, над концевой частью корпус имеет форму усеченной пирамиды 26 суженной частью вверх, над частью корпуса 26 выполнена часть корпуса 27, имеющая форму выпуклого сферического многоугольника (фиг.3). В части корпуса 26 фрезы рабочие поверхности 28, они же ребра пирамиды, покрыты слоем режуще-истирающего 29 износоустойчивого покрытия. В части корпуса фрезы 27, выполненной в виде сферического многогранника, т.е. грани многогранника выполнены в форме неправильной трапеции 30, на нижней боковой поверхности 31 которой и на верхнем основании ее 32 закреплены твердосплавные режущие элементы 7 в один или два ряда. Выше режущих элементов 7 вдоль рабочей поверхности 32 напаян слой режуще-истирающего износоустойчивого покрытия 29 (фиг.7). В верхней части клина-отклонителя 2 имеется отверстие 33 Т-образной формы. В отверстие 33 вставлена полая втулка 34 (фиг.6) с соответствующим отверстию 33 Т-образным торцом и закреплена жестко в отверстии сваркой. Втулка 34 выступает над поверхностью клина-отклонителя. Выступающая часть втулки внутри имеет резьбу. С внешней стороны поверхность полой втулки выполнена в форме усеченного конуса 35. Втулка 34 является промежуточным элементом при закреплении срезного болта 36 в отверстии 33 клина-отклонителя 2 и резьбовом отверстии 37 фрезы 1, в нижней части 3 ее.

Устройство работает следующим образом.

Всю компоновку (фиг.1) опускают в скважину 39 (фиг.8) на необходимую глубину вместе с любым необходимым оборудованием для ориентации клина-отклонителя и дополнительных видов работ (например, к хвостовику фрезы присоединяется арбузная фреза (не показана) и т.д.). Устройство 1 и 2 поворачивают для совмещения лицевой поверхности клина-отклонителя 2 с требуемым направлением и закрепляют на стенках обсадной колонны 38 клин-отклонитель 2.

Корпус фрезы 1, выполненный разъемным, имеет верхнюю часть 3 с хвостовиком и резьбой и нижнюю часть 4. Верхняя часть корпуса фрезы имеет вдоль оси замкнутый промывочный канал 16, в который подается промывочная жидкость под давлением. Через промывочный канал и промывочные отверстия 22 и 23, в верхней и нижней частях корпуса фрезы соответственно, жидкость выходит наружу для охлаждения и смазки твердосплавных режущих элементов 7 и слоев режуще-истирающего покрытия 9, 29, закрепленных и напаянных соответственно на рабочие поверхности 6, 25, 30, 31, 32 (режущие элементы) и 8, 28, 32 (режуще-истирающие покрытия), а также для удаления отходов фрезерования от резцов и продвижения их вверх из скважины по пазам 24, выполненным между рабочими поверхностями на торцевой, концевой и боковой поверхностях корпуса фрезы.

На буровую колонну (не показана) прикладывают нагрузку вверх или вниз для того, чтобы срезать болт 36, который соединяет корпус фрезы 1 с верхней часть клина-отклонителя 2, закрепленный в отверстиях 33 и 37 через промежуточный элемент – полую втулку 34, выполненную на выступающей части над поверхностью клина-отклонителя в виде усеченного конуса, меньшим основанием упирающуюся в поверхность корпуса фрезы в месте размещения резьбового отверстия 33. Срезной болт 36 вставлен с тыльной стороны клина-отклонителя в жестко соединенную в отверстии 33 с верхней частью клина-отклонителя полую втулку 36 и закреплен резьбой в выступающей части втулки 36, а также в резьбовом отверстии 37 в корпусе фрезы, что позволяет повысить точность среза и использовать втулку дополнительно как опору для корпуса фрезы, не позволяя контактировать рабочим поверхностям с поверхностью клина-отклонителя. После того как болт срезной 36 будет срезан и откроются промывочные отверстия 22 и 23 в корпусе фрезы, фреза начинает вращаться, перемещаясь по клину-отклонителю. Фреза начинает фрезерование «окна» в обсадной колонне. Выступающая часть полой втулки 35 после срезания болта 36 первое время при движении фрезы вдоль наклонной поверхности клина-отклонителя продолжает функционировать как опора, охраняющая поверхность клина-отклонителя 2 от повреждений твердосплавными режущими элементами 7 фрезы.

Для того чтобы наклонная поверхность клина-отклонителя при опускании фрезы и вращении ее не изнашивалась, ее закаливают или покрывают защитным слоем, например никелесодержащей латунью. При движении вниз по наклонной поверхности клина-отклонителя концевые режущие и боковые режуще-истирающие элементы 7 приходят в контакт со стенкой обсадной колонны и расфрезеровывают стенку, образуя «окно» в ней. За действиями режущих элементов следует действие режуще-истирающего покрытия 29, на рабочих поверхностях 28 и 32, которое интенсифицирует процесс отвода отходов резания с поверхности обрабатываемой обсадной колонны совместно с жидкостью, подаваемой из промывочных отверстий 22 и 23, а также интенсифицирует процесс резания фрезы в целом, периодически разгружая твердосплавные режущие элементы 7 благодаря предложенному формообразованию корпуса фрезы 1, т.е. за счет того, что концевая часть 25 и торец 5 в месте их перехода от одной к другой рабочей поверхностям образуют усиленную систему резания.

По мере продвижения фрезы по наклонной поверхности клина-отклонителя 2 вступают в контакт с обсадной колонной части корпуса 27, имеющие форму выпуклого сферического многогранника. При этом твердосплавные режущие элементы 7, размещенные на его гранях 31 – боковых поверхностях неправильной трапеции 30 и на части поверхности 32 (верхнее основание трапеции), также образуют усиленную систему резания, способную значительно более интенсивно, чем в прототипе, фрезеровать «окно», а в дальнейшем и производить зарезку бокового ствола в скважине совместно с торцевой частью корпуса фрезы, где закреплены в один или два ряда режущие элементы 7 на ребрах 6 правильной пирамиды 5. Усилен эффект резания и продлена работоспособность твердосплавных режущих элементов за счет того, что выполнено двухрядное закрепление их на рабочих поверхностях фрезы и выполнены рабочие поверхности ступенчатыми. При этом твердосплавные режущие элементы соответственно размещены в рядах на разной высоте, что позволяет вступать в работу им с заданной периодичностью и схемой нагружения. Такая схема фрезерования при последующем продвижении фрезы, после прорезания «окна» и расширения его частью корпуса фрезы, выполненной в форме выпуклого сферического многогранника 27, с режущими элементами 7 и режуще-истирающим покрытием 29 на нем, заменяется на другую схему фрезерования. Следующий этап фрезерования – забуривание бокового ствола. На этом этапе породу разрушают и торец, имеющий форму правильной пирамиды 5, ребра 6 которой являются рабочими поверхностями и сходятся к вершине под оптимальным углом 120° (как показали эксперименты – для случая, когда режущие твердосплавные элементы разрушают плотную породу, а боковой ствол большого диаметра и большой длины проход), 60° – когда порода рыхлая, и малый диаметр бокового ствола. Слой режуще-истирающего 9 покрытия на рабочих поверхностях 8 работает при этом как вспомогательное, позволяющее оптимизировать распределение напряжения на инструменте, предохраняя от термоудара твердосплавные режущие элементы, измельчая отходы, что упрощает процедуру выноса их из зоны фрезерования, увеличивая работоспособность режущих элементов. Совместные действия торцевых, краевых и боковых рабочих поверхностей приводят к тому, что предлагаемый фрезерный инструмент имеет фрезу, выполняющую действия спусковой, стартовой, оконной и проходной фрез. А выполнение корпуса фрезы разъемным расширяет возможность ее и за счет того, что нижняя составная часть корпуса фрезы, легко и быстро отсоединяясь от верхней части, может быть заменена, в случае необходимости, на другую новую или другого формообразования, а также с иным режущим элементом, или углом при вершине правильной пирамиды, оставляя неизменным соединение частей корпуса при помощи крестообразных шлицев и закрепления подпружиненным болтом. Болт благодаря наличию части головки, имеющей диаметр, равный диаметру тела болта, надежно закрепляется с помощью ключа через промывочный канал резьбовым соединением в отверстии нижней части корпуса фрезы.

За счет выполнения корпуса фрезы разъемным появляется возможность после выработки своего ресурса заменить ту часть, нижнюю или верхнюю, которая наиболее дефектна или неработоспособна, а не менять полностью весь корпус, как было ранее. Преимущество того, что корпус фрезы разъемен еще и в том, что значительно упрощается процесс изготовления, сборки, наплавки покрытий, закрепление твердосплавных режущих элементов на рабочие поверхности корпуса фрезы. Фрезерный инструмент выполнен в металле. Основные части устройства – клин-отклонитель и фреза изготовлены из стали 40Х, но допускается и сталь 65Г (ГОСТ 14959-79). Клин-отклонитель с наклонной поверхностью на нем выполнен фрезерованием. Фреза и рабочие поверхности на ней, как и пазы между ними для отвода отходов и охлаждения – выполнены фрезерованием. Полая втулка – промежуточный элемент, изготовлена из стали 3. Рабочие поверхности покрыты слоем режуще-истирающего покрытия, содержащим дробленые частицы твердого сплава (преимущественно ВК-8) в связке на основе меди, типа МНЦ – 15-20. В качестве твердосплавного режущего элемента использовали изделия из твердого сплава в форме кругового цилиндра (тип Г54, изготовляемого ОАО «Кировградский завод твердых сплавов»).

Срезной болт выполнен из стали, выбранной исходя из усилий среза. В качестве пружинного элемента использовали – пружинную шайбу (ГОСТ 6402-70).

По сравнению с прототипом заявляемое изобретение имеет следующие преимущества.

Инструмент значительно проще в изготовлении, эксплуатации и восстановлении, т.к. из-за того, что корпус фрезы составной, разъемный, упрощаются технологии его формообразования, наплавки слоев режуще-истирающего покрытия и закрепление твердосплавных режущих элементов на рабочие поверхности; упрощается эксплуатация из-за способности фрезы быть спусковой, стартовой и прорезать «окно», произвести далее забуривание бокового ствола в скважине, что в свою очередь удешевляет процесс эксплуатации и уменьшает металлоемкость известных инструментов, состоящих в основном из трех фрез. Значит, расширяется возможность известных фрез; после выработки ресурса отвинчивают болт, соединяющий части корпуса фрезы, и получают доступ ко всем дефектным местам как с внутренней, так и с внешней стороны. В случае необходимости возможна замена той или другой части корпуса, что удешевляет повторный процесс фрезерования и восстановления инструмента. Использование одно-, или двухрядного закрепления твердосплавных режущих элементов в торце, концевой части корпуса и боковой поверхности дает большие преимущества, т.к. интенсифицирует процесс прорезания «окна» и особенно важно забуривания нового ствола, включая и обработку труднообрабатываемой породы. Формообразование рабочих поверхностей, включая очередность размещения режущих и режуще-истирающих зон на них, позволяет оптимизировать режим резания, избежать теплового удара за счет постоянной смены рабочих зон воздействия на обрабатываемый объект (стенку обсадной колонны, породы в скважине), тем самым увеличивая работоспособность фрезерного инструмента. Выполнение промежуточного элемента в виде полой втулки, которая закреплена в верхней части в отверстии клина-отклонителя, и резьбового отверстия в пазу между рабочими поверхностями в корпусе фрезы делают ненужным выполнение отдельного хвостовика (прототип) на клине-отклонителе, который, кстати, имеет возможность под действием веса фрезы на нем деформироваться и не позволить верхней части клина-отклонителя плотно прижаться к стенке обсадной колонны. Форма полой втулки – усеченный конус, выполненная малым основанием в направлении к корпусу фрезы, способствует усилению локализации места среза. Выступающая часть втулки служит дополнительно опорой для фрезы и, имея высоту, равную высоте рабочей поверхности фрезы в месте их сопряжения, не допускает внедрения режущей части фрезы в поверхность клина-отклонителя (как в прототипе). И даже после срезания болта втулка вначале предохраняет поверхность клина-отклонителя от контакта с абразивом.

За счет одноразового спуска и подъема фрезы значительно упрощается процесс эксплуатации устройства и продлевается срок службы клина-отклонителя.

Источники информации

1. Пустовойтенко И.П. Предупреждение и ликвидация аварий в бурении. М.: Недра, 1988, с. 208, 209.

2. Там же, с. 213, 214.

3. Патент РФ 2173761, МКИ E21B 29/06, прототип.

4. Каталог “Фрезы конические, “Сиб “Трейд Сервис”. Применение ловильного инструмента”, 2005-2006. Самара: Пр-во ЗАО “Сиб Трейд Сервис”.

5. Каталог “Проектирование, изготовление, поставки, прокат. Ловильный инструмент”. Самара: ЗАО “Сиб Трейд Сервис”, 2005-2006.

Формула изобретения

Фрезерный инструмент, содержащий режущую и направляющую части, при этом режущая часть выполнена в виде фрезы для прорезания окна в обсадной колонне в буровой скважине, включающей полый корпус, в котором выполнен промывочный канал вдоль оси фрезы и промывочные отверстия в нижней части, и имеющий боковые и концевые рабочие поверхности, покрытые износоустойчивым режуще-истирающим покрытием и закрепленными режущими элементами соответственно, направляющая часть выполнена в виде клина-отклонителя с наклонной рабочей поверхностью, соединенного с корпусом фрезы срезным болтом через промежуточный элемент, отличающийся тем, что корпус фрезы выполнен разъемным и состоит из верхней и нижней частей, нижняя часть имеет торец, выполненный в форме правильной пирамиды, на ребрах которой, являющихся рабочими поверхностями, закреплены в один или два ряда при ступенчатой поверхности ребер твердосплавные режущие элементы, а на гранях напаян слой режуще-истирающего покрытия, верхняя часть корпуса фрезы имеет переменное сечение, при этом концевая часть верхней части корпуса имеет цилиндрическую форму, над концевой частью корпус имеет форму усеченной пирамиды, направленной усеченной частью вверх, на ребрах которой, представляющих рабочие поверхности, нанесено режуще-истирающее покрытие, над частью корпуса, выполненной в форме усеченной пирамиды, корпус выполнен в виде сферического многогранника, представляющие рабочую поверхность грани которого в сечении имеют форму неправильной трапеции, при этом на нижней боковой поверхности граней закреплены в один или два ряда при ступенчатой поверхности ребер режущие элементы, выше которых вдоль рабочей поверхности нанесено режуще-истирающее износоустойчивое покрытие, верхняя и нижняя часть корпуса фрезы соединены шлицевым крестообразным соединением путем выполнения крестообразных пазов на нижней торцевой поверхности верхней части корпуса и ответных им крестообразных выступов на верхней торцевой поверхности нижней части корпуса, при этом нижняя и верхняя части корпуса фрезы закреплены болтом, установленным в отверстии, выполненным под промывочным каналом в нижней части корпуса, на границе перехода от внутреннего диаметра промывочного канала к внутреннему диаметру отверстия под болт образована круговая опора, на которой размещен полый пружинный элемент и Т-образная головка болта, которая горизонтальной частью опирается на полый пружинный элемент, диаметр горизонтальной части равен внутреннему диаметру промывочного канала, а вертикальная часть головки выполнена над горизонтальной частью и имеет диаметр, равный диаметру тела болта, в верхней части корпуса фрезы выполнены промывочные отверстия в шахматном порядке по отношению к промывочным отверстиям нижней части корпуса, срезной болт для закрепления корпуса фрезы расположен в резьбовом отверстии между концевыми рабочими поверхностями фрезы и в промежуточном элементе, выполненном в виде втулки, втулка вставлена в отверстие Т-образной формы, выполненное в верхней части клина-отклонителя и жестко закреплена в этом отверстии, часть втулки, соприкасающаяся с корпусом фрезы, выполнена в виде усеченного конуса с резьбой в нем и выступает над поверхностью клина-отклонителя.

РИСУНКИ