УСТРОЙСТВО ДЛЯ БУРЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК E21B10/00 E21B3/00 

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к устройствам для бурения скважин преимущественно в горных породах средней и большой крепости.

Известно устройство для бурения скважин, содержащее привод и бурильную головку, получающую вращение от привода. На бурильной головке размещены режущие элементы для разрушения грунта, выполненные в виде установленных с возможностью вращения дисков, которые вращаются при вращении головки [1] Это устройство обеспечивает проходку скважин в группе невысокой крепости.

Известно также устройство для бурения скважин [2] включающее вращающийся корпус и установленные на нем вращающиеся независимо рабочие инструменты в виде тел вращения, оснащенные режущими наконечниками. Это устройство обеспечивает бурение скважин в скальных грунтах, но при большой крепости буримой породы оно требует приложения высоких осевых нагрузок, что может привести к разрушению элементов конструкции.

Целью изобретения является повышение устойчивости устройства к динамическим нагрузкам и применение не только алмазных породоразрушающих элементов.

Поставленная цель достигается тем, что разрушающие элементы установлены не непосредственно на телах вращения рабочих инструментов, а на кулаках, соединенных с телами вращения посредством упругих связей. Это предохраняет элементы конструкции устройства от ударных и вибронагрузок.

Кроме того, кулаки, расположенные на одном теле вращения, смещены вдоль его оси относительно кулаков на другом теле вращения и концы разрушающих элементов одного тела вращения свободно проходят между разрушающими элементами другого тела вращения, что уменьшает вероятность образования целиков между рядами зубьев.

При этом узлы крепления одного тела вращения сдвинуты по оси этого тела относительно узлов крепления другого тела вращения не менее чем на ширину узла крепления, что позволяет разрушать целики, оставляемые в месте крепления одного тела вращения, разрушающими элементами, расположенными на другом теле вращения, а также уравновешивают силовые воздействия на всю конструкцию.

Кроме того, приводные двигатели встроены непосредственно в тела вращения и узлы их крепления, а энергоподводящие коммуникации вмонтированы в узлы крепления. Это сокращает количество механических передач до минимума.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное техническое решение отличается от известного технического решения тем, что разрушающие элементы установлены на кулаках, соединенных с телами вращения посредством упругих связей. Кроме того, тем, что кулаки смещены на соседних телах вращения таким образом, что траектории концов разрушающих элементов пересекаются в плоскости перпендикулярной осям тел вращения, а зоны разрушения рабочих инструментов пересекают друг друга. Кроме того, тем, что узлы крепления тел вращения к корпусу устройства разнесены вдоль осей тел вращения, а тела вращения выполнены в форме, отличной от цилиндрической, а также тем, что приводные двигатели встроены непосредственно в цилиндрические поверхности и узлы их крепления, а энергоприводящие коммуникации вмонтированы в узлы крепления.

Таким образом, заявленное устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Анализ патентной и технической информации показывает, что предлагаемое техническое решение разрешает ряд противоречий.

Первое связано с тем, что в ранее известных устройствах [1, 2] скорость вращения рабочих инструментов ограничена и, следовательно, ограничена и крепость разрушаемых пород.

При увеличении скорости вращения разрушающие элементы быстро нагреваются, что приводит к быстрому их износу. Кроме того, возрастают ударные нагрузки на трансмиссию. Это требует значительного упрочнения элементов этой трансмиссии либо амортизации разрушающих элементов. Кроме того, возникает необходимость применения разрушающих элементов повышенной термостойкости. При амортизации разрушающих элементов возникает противоречие, связанное с необходимостью обеспечения их высокой жесткости при взаимодействии с породой и в то же время деформирования ударных нагрузок после взаимодействия. При этом разрушающие элементы, после взаимодействия сжавшие упругие элементы, должны вернуться в исходное рабочее положение за один оборот рабочего инструмента. В заявленном решении разрушающие элементы установлены на кулаках, связанных с телами вращения упругими связями, которые гасят ударные нагрузки, возникшие в момент взаимодействия разрушающего элемента и породы. Необходимая же жесткость в момент взаимодействия и возвращение кулаков в исходное положение обеспечивается за счет инерционных сил, действующих на кулак. При этом меняется характер взаимодействия разрушающего элемента и породы. Разрушающий элемент, соударяясь с породой, тут же отскакивает, выкалывая кусок породы. То есть время взаимодействия разрушающего элемента и породы резко сокращается. Происходит меньшее нагревание разрушающих элементов, и повышается их долговечность.

Таким образом, упругое крепление разрушающих элементов позволяет увеличить скорость их взаимодействия с породой, при одновременном снижении динамических нагрузок на корпус устройства, и предотвратить сильный нагрев зубков.

Следующее противоречие связано с тем, что при бурении планетарными органами с параллельными вращающимися рабочими инструментами между ними образуются участки необработанной породы (целики). Крепление разрушающих элементов на упругих связях (т.е. на некотором расстоянии от тел вращения) позволяет разместить рабочие инструменты с некоторым перехлестом зон разрушения, при этом кулаки одного рабочего инструмента проходят между кулаков соседнего рабочего инструмента, и наоборот. Кроме того, необработанные участки остаются и в местах крепления рабочих инструментов. Это противоречие снимается путем разнесения узлов крепления вдоль осей тел вращения на соседних рабочих инструментах таким образом, чтобы целики, оставляемые в месте крепления одного рабочего инструмента, разрушались другими, и наоборот.

Таким образом, заявленное решение, являясь нетрадиционным, снимает указанные выше противоречия и соответствует изобретательскому уровню.

На фиг. 1 представлено устройство для бурения, включающее корпус 1 с узлами крепления 2 рабочих инструментов. На узлах крепления 2 установлены тела вращения рабочих инструментов 3, к которым посредством упругих связей 4 прикреплены кулаки 5. На кулаках 5 установлены разрушающие элементы 6. Тела вращения 3 вращаются на узлах крепления 2, а корпус 1 вращается вокруг своей оси. Необходимо отметить, что тела вращения 3 могут быть самой различной формы (цилиндрические, конические, гиперболические и т.д.).

На фиг. 2 а, б, в представлен вид снизу устройства для бурения, где показаны несколько вариантов размещения узлов крепления 2 и схемы размещения кулаков 5 с разрушающими элементами 6.

Устройство работает следующим образом. Передача вращения рабочих инструментов происходит либо механическим путем через механические передачи, расположенные в корпусе 1 и узлах крепления 2, либо от двигателей, установленных непосредственно в телах вращения рабочих инструментов 3 и узлах крепления 2. Энергоподводящие коммуникации подведены к двигателям через корпус 1 и узлы крепления 2. Кроме того, корпус 1 вращается вокруг своей оси и вращает все устройство для бурения. Таким образом, рабочие инструменты совершают планетарное движение, а разрушающие элементы 6 описывают циклоидальные кривые, кривизна участков которых в контакте с забоем постоянна.

Реализация изобретения не представляет технических сложностей, так как связана с применением стандартных материалов, технологий и механических узлов.

Использование: изобретение относится к устройствам для бурения скважин преимущественно в горных породах средней и большой крепости. Сущность изобретения: разрушающие элементы установлены на кулаках, соединенных с телами вращения посредством упругих связей, которые гасят ударные и вибронагрузки, предохраняя от этих нагрузок элементы конструкции устройства. Кроме того, узлы крепления тел вращения к корпусу устройства разнесены относительно оси бурения в различные стороны. Это исключает образование целиков в центре выработки и уравновешивает всю конструкцию устройства. Кроме того, кулаки с разрушающими элементами закреплены на рабочих инструментах таким образом, что один ряд кулаков пересекает зону разрушения другого ряда, причем приводные двигатели встроены непосредственно в тела вращения и узлы их крепления, а энергоподводящие коммуникации вмонтированы в узлы крепления. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для бурения, включающее корпус, привод и рабочие инструменты в виде оснащенных разрушающими элементами и прикрепленных к корпусу посредством узлов крепления тел вращения, оси которых параллельны друг другу и перпендикулярны оси бурения, отличающееся тем, что разрушающие элементы закреплены на кулаках, упруго подвешенных на телах вращения, а кулаки, расположенные на одном теле вращения, смещены вдоль его оси относительно кулаков на другом теле вращения, концы разрушающих элементов одного тела вращения проходят между разрушающими элементами другого тела вращения, при этом узлы крепления тел вращения смещены относительно оси бурения в противоположные стороны. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в каждое тело вращения и узлы его крепления встроен приводной двигатель, а энергоподводящие коммуникации вмонтированы в узлы крепления.