БУРОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1995 года по МПК E21B10/48 

Изобретение относится к буровой технике, в частности к породоразрушающему инструменту, используемому для бурения вечномерзлых грунтов с твердыми включениями.

Известна буровая коронка (авт.св. СССР N 1084407), содержащая корпус с размещенными на его торце чередующимися подпружиненными, подвижными секторами, установленными с возможностью поворота в направлении вращения коронки и неподвижными секторами с породоразрушающими элементами из материала различной твердости (твердый сплав и алмазы) и предназначенная для разрушения перемещающихся по крепости горных пород по кольцевому забою с отбором керна. Недостатком известной буровой коронки является необходимость создания значительных по величине осевых нагрузок для разрушения горных пород в процессе бурения, а также низкая эффективность алмазных буровых коронок при разбуривании вечномерзлых грунтов.

Известен комбинированный буровой снаряд содержащий корпус, пневмоударник с бойком, лапы с шарошками, подпружиненную лопасть, размещенную в пазах корпуса между шарошками с возможностью ограниченного осевого перемещения, и осуществляющий бурение скважины сплошным забоем в перемежающихся по крепости горных породах: в породах небольшой крепости - выступающей за контуры шарошек подпружиненной лопастью; в породах средней крепости - подпружиненной лопастью с шарошками; в породах повышенной крепости - подпружиненной лопастью и шарошками с ударным воздействием бойка пневмоударника на лопасть [1] . Недостатком известного комбинированного бурового снаряда является необходимость создания значительных по величине осевых, нагрузок для разрушения горных пород в процессе бурения, а также высокая энергоемкость, связанная с тем, что бурение ведется сплошным забоем.

Целью изобретения является повышение производительности бурения вечномерзлых грунтов с твердыми включениями за счет скола породы с усилием, превышающим осевую ударную нагрузку.

Достигается это тем, что буровое устройство, содержащее пневмоударник, породоразрушающий орган, соединенный с ним посредством хвостовика с продувочными каналами и подвижные породоразрушающие элементы, установленные в корпусе породоразрушающего органа с возможностью перемещения под действием осевой нагрузки, оно снабжено приемником керна с кернорвателями, размещенными в корпусе породоразрушающего органа, и неподвижными породоразрушающими элементами, размещенными на его торце, при этом подвижные породоразрушающие элементы установлены на торце корпуса породоразрушающего органа между неподвижными элементами с возможностью поворота в направлении вращения бурового устройства под действием осевой ударной нагрузки, причем угол их поворота в обратном направлении ограничен упорными площадками, выполненными на торце корпуса породоразрушающего органа.

Сопоставительный анализ показывает, что работа предлагаемого бурового устройства существенно отличается от работы известных тем, что при работе в режиме ударно-вращательного бурения осуществляется одновременная работа пневмоударника с вращением и осевой подачей бурового устройства, при этом неподвижные породоразрушающие элементы (твердосплавные цилиндросферические вставки) последовательно обрабатывают кольцевой забой скважины, создавая зоны предразрушений в породе в местах удара, а подвижные породоразрушающие элементы, установленные с возможностью поворота в направлении вращения бурового устройства, осуществляют резание уже ослабленной породы, нанося в основание срезаемой стружки скалывающий удар с усилием, превышающим осевое давление, возникающее при ударе бойка пневмоударника по хвостовику, так как усилие на режущей кромке резца подвижного породоразрушающего элемента связано с силой осевого давления, возникающей в момент удара бойка, следующей зависимостью
P = кг, где Р - усилие на режущей кромке резца, кг;
G - сила осевого давления при ударе бойка, кг;
α- угол наклона подвижного породоразрушающего элемента к плоскости забоя, град.

На фиг.1 изображено буровое устройство, общий вид; на фиг.2 - разрез по Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.4 - вид по стрелке В на фиг.3; на фиг.5 - разрез по Д-Д на фиг.4.

Буровое устройство содержит породоразрушающий орган 1 с кернорвателями, приемник керна 2, хвостовик 3 с продувочными каналами и пневмоударник 4. Корпус породоразрушающего органа 1 имеет профильные пазы, в которых установлены с возможностью поворота под действием осевой ударной нагрузки в направлении вращения бурового устройства подвижные породоразрушающие элементы - подвижные сектора 5 с твердосплавными резцами 6 на осях 7, прижимаемые к упорным площадкам "Г" пружинами 8. С торцовой поверхности "Е" кольцевого корпуса породоразрушающего органа 1 между профильными пазами размещены неподвижные породоразрушающие элементы, а именно сектора корпуса, армированные твердосплавными цилиндросферическими вставками 9. В теле нижней части кольцевого корпуса породоразрушающего органа 1 со стороны приемника керна 2 размещены подпружиненные резцы 10 кернорвателей с механизмом включения 11, предназначенные для подрезки, отрыва и удержания керна при подъеме на поверхность. Для очистки кольцевого забоя от бурового шлама в корпусе породоразрушающего органа 1 предусмотрены отверстия 12 для подачи сжатого воздуха из пневмоударника 4 по продувочным каналам хвостовика 3 в конфузорный канал 13, образованный поверхностями "Ж" и "З".

Буровое устройство может работать как в режиме вращательного бурения, так и в режиме ударновращательного бурения. В процессе бурения вечномерзлых грунтов с твердыми включениями - наличие твердых включений, а также пропластков слабых (таликов и т.п.), воздействующих через породоразрушающие элементы на буровое устройство автоматически определяет выбор режима работы устройства и осуществляет перевод с одного режима работы на другой открытием или закрытием блокировочного отверстия (не показано) в пневмоударнике 4, работающего по общеизвестной схеме.

При работе бурового устройства в режиме вращательного бурения разрушение слабых по крепости пород забоя скважины осуществляется резцами 6 подвижных секторов 5, прижатых пружинами 8 к упорным площадкам "Г" корпуса породоразрушающего органа 1, так как момент, создаваемый силами резания породы забоя скважины, на режущих кромках резцов 6 меньше момента, создаваемого пружинами 8 на осях 7, при этом подороразрушающий орган 1 хвостовиком 3 под действием собственной массы и упругих сил пневмоударника 4 находятся в крайнем нижнем положении относительно пневмоударника 4, и блокиро- вочное отверстие открыто, а сжатый воздух из неработающего пневмоударника 4 через продувочные каналы хвостовика 3, полость приемника керна 2, отверстия 12 поступает в конфузорный канал 13 для очистки забоя от бурового шлама.

При работе бурового устройства в режиме ударно-вращательного бурения осуществляется одновременная работа пневмоударника 4 с вращением и осевой подачей. Когда на забое скважины появляются твердые по крепости породы или включения, момент от сил резания на режущей кромке резцов 6 резко возрастает, под действием силы осевой подачи и с ее скоростью подвижные сектора 5 поворачиваются в направлении вращения бурового устройства до посадки на забой скважины твердосплавных цилиндросферических вставок 9, преодолевая момент, создаваемый пружинами 8 на осях 7.

После посадки на забой скважины породоразрушающего органа 1 твердосплавными цилиндросферическими вставками 9 пневмоударник 4 осевой подачей бурового станка продолжает перемещаться к забою скважины и хвостовиком 3 включается в работу после перекрытия блокировочного отверстия, при этом сжатый воздух из работающего пневмоударника 4 через продувочные каналы хвостовика 3, полость приемника керна 2, отверстия 12 поступает в конфузорный канал 13 для очистки забоя от бурового шлама, производимого как при бурении, так и при подрезке керна.

При каждом ударе бойка пневмоударника 4 по хвостовику 3 корпус породоразрушающего органа 1 с хвостовиком 3, с породоразрушающими элементами 5 и 9, с механизмами 10 и 11, не прекращая своего вращения и осевой подачи, будут совершать три вида микроперемещений - движение вниз к забою (разгон); внедрение в породу (удар) и движение вверх (отскок), создавая при этом зоны предразрушений в местах контакта твердосплавных цилиндросферических вставок 9 с породой забоя.

Подвижные сектора 5 с резцами 6 в это же время, поворачиваясь вокруг осей 7 на угол ϕ, то уменьшая при ударе и то увеличивая при отскоке угол α, на фоне общего вращения бурового устройства осуществляют микроперемещения режущей кромки резцов 6 на величину δ (см.фиг.4 - положения l и l₁ при осевом перемещении на величину h), нанося при этом в основание срезаемой стружки скалывающий удар с усилием, превышающим осевую ударную нагрузку.

При малых номинальных значениях величин h и δ (не более 0,5 мм) и сравнительно большой частоте ударов бойка пневмоударника (порядка 500...1000 в мин) на режущих кромках резцов 6 при ударно-вращательном бурении возникает вибрация, облегчающая внедрение режущих кромок в уже ослабленную ударами цилиндросферических вставок 9 породу кольцевого забоя скважины.

Общеизвестно, что прочность горных пород на растяжение, изгиб и сдвиг составляет 0,02...0,15 от их прочности на сжатие, поэтому очевидно, что при бурении вечномерзлых грунтов с твердыми включениями предлагаемым буровым устройством значительно повышается производительность бурения, например, разведочных скважин.

Использование: породоразрушающий инструмент для бурения вечномерзлых грунтов с твердыми включениями. Сущность: буровое устройство имеет приемник керна 2 и кернорватель. На торце корпуса породоразрушающего органа 1 размещены неподвижные породоразрушающие элементы 9. Подвижные элементы 5 установлены на торце корпуса 1 между элементами 9 с возможностью поворота под действием осевой ударной нагрузки в направлении вращения бурового устройства. Поворот элементов 5 в обратном направлении ограничен упорами. Упоры выполнены на торце корпуса 1. 5 ил.

БУРОВОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее пневмоударник, породоразрушающий орган, соединенный с пневмоударником посредством хвостовика с продувочными каналами, и подвижные породоразрушающие элементы, соединенные с корпусом породоразрушающего органа с возможностью перемещения под действием осевой нагрузки, отличающееся тем, что, с с целью повышения производительности бурения вечномерзлых грунтов с твердыми включениями за счет скола породы с усилием, превышающим осевую ударную нагрузку, оно снабжено приемником керна с кернователем, размещенными в корпусе породоразрушающего органа, и неподвижными породоразрушающими элементами, размещенными на торце корпуса породоразрушающего органа, причем подвижные породоразрушающие элементы установлены на торце корпуса породоразрушающего органа между неподвижными породоразрушающими элементами с возможностью поворота под действием осевой ударной нагрузки в направлении вращения бурового устройства, причем угол их поворота в обратном направлении ограничен упорными площадками, выполненными на торце корпуса породоразрушающего органа.