РАБОЧИЙ ОРГАН АВТОНОМНОГО БУРИЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2002 года по МПК E21B7/14 

Изобретение относится к технологии проходки скважин и выработок в осадочных горных породах и мерзлых грунтах и касается конструкций рабочих органов автономных бурильных аппаратов для осуществления этой технологии.

В настоящее время известны принципиальные технические решения в этой области, наиболее представительным и наиболее близким из которых является рабочий орган автономного бурильного аппарата, содержащий корпус, выполненный в виде полых конусов, соединенных между собой большими основаниями, расположенные в стенках корпуса породоразрушающие сопла, ориентированные по нормали и под углами к поверхности забоя, а также сопла, ориентированные в сторону, обратную забою, корпус рабочего органа своим основанием соединен с бурильным аппаратом, а его полость соединена с рабочим пространством генератора рабочего агента (а. с. СССР N 300608, E 21 B 7/14, 1971).

Этот рабочий орган имеет существенные и очевидные недостатки, заключающиеся в его принципиальной конструктивной схеме, которая не позволяет менять его физико-механические параметры и характеристики истекающих струй рабочего агента, что не позволяет оперативно вести выбор процессов взаимодействия этих струй с разрушаемой породой и взаимодействия отходящего потока от забоя и стенок скважины с породой и ее частицами. Эти недостатки снижают эффективность использования рабочего органа и общую эффективность всего аппарата.

Технический результат данного изобретения заключается в улучшении процессов взаимодействия истекающих струй рабочего агента и всего рабочего органа с разрушаемой породой, позволяющих оперативно выбирать наиболее эффективные приемы и режимы операций взаимодействия струй рабочего агента и всего рабочего органа с разрушаемой породой за счет более эффективной конструкции рабочего органа. Этот технический результат в изобретении достигается за счет того, что рабочий орган автономного бурильного аппарата, содержащий корпус, выполненный в виде полых конусов, соединенных между собой большими основаниями, расположенные в стенках корпуса породоразрушающие сопла, ориентированные по нормали и под углами к поверхности забоя, а также сопла, ориентированные в сторону, обратную забою, корпус рабочего органа своим основанием соединен с бурильным аппаратом, а его полость соединена с рабочим пространством генератора рабочего агента, при этом корпус аппарата снабжен установленным на его оси и имеющим винтовую резьбу стержнем, один конец которого закреплен с помощью пилонов в основании корпуса рабочего органа, тело корпуса выполнено из составных частей, формирующих указанные полые конусы, в виде отдельных колец в форме усеченных конусов, закрепленных на пилонах, которые посредством втулок закреплены, в свою очередь, на стержне, стянуты и уплотнены с помощью торцевого усеченного конуса, в котором посредством пилонов закреплена винтовая втулка, посаженная на винтовую резьбу указанного стержня, причем часть сопел выполнена между поверхностями сопряжения указанных усеченных конусов в виде непрерывных по сечению кольцевых сопел, а на торце корпуса, в теле торцевого усеченного конуса, выполнено кольцевое забойное сопло и отдельные забойные сопла, при этом на стенках корпуса дополнительно закреплены механические резцы, калибрующие сечение проходимой скважины.

При этом указанные механические резцы выполнены в виде дисков и закреплены с возможностью вращения посредством подшипникового узла, а диаметральные плоскости этих резцов наклонены под углом к продольной оси рабочего органа.

А кольцевые сопла рабочего органа образованы с помощью калибрующих шайб, размещенных на стержне между втулками указанных полых усеченных конусов.

Рабочий орган автономного бурильного аппарата раскрывается далее на чертежах, где
на фиг. 1 показан его общий вид с сечением по оси органа;
на фиг. 2 показана деталь конструкции рабочего органа;
на фиг. 3 раскрыта деталь по "А" на фиг. 2.

Рабочий орган автономного бурильного аппарата 1 содержит корпус 2, выполненный в виде двух усеченных полых конусов 3 и 4, соединенных между собой большими основаниями, при этом корпус рабочего органа соединен с корпусом бурильного аппарата 1 посредством конической втулки 5, а полость рабочего органа соединена с рабочим пространством 6 и 7 генератора рабочего агента, при этом по полости 6 генератора может подаваться перегретый газ, а по полости 7 - перегретый пар, полученный при перегреве хладагента в рубашке охлаждения бурильного агрегата.

Основание корпуса рабочего органа оснащено резьбовой втулкой 8, закрепленной с помощью пилонов 9 в узле соединения рабочего органа и бурильного аппарата (фиг. 1), при этом корпус органа 2 снабжен стержнем 10, имеющим винтовую резьбу и своим одним концом закрепленным в указанной резьбовой втулке 8. На стержне 10 посажены втулки 11, выполненные с пилонами 12, задающими размеры и форму рабочему органу 2. На нижнем (по фиг. 1) конце стержня 10 закреплена торцевая часть (вершина) усеченного конуса 13 с резьбовой втулкой 14 и пилонами 15. На всех пилонах 12 и 15 закреплены отдельные части колец усеченных конусов 16, 17, 18, формирующих своими профилированными торцами кольцевые непрерывные по сечению сопла 19, 20, 21 рабочего органа; нижние части усеченного конуса 22 и 23 формируют кольцевые сопла 24 и 25. Таким образом, все сопловые отверстия рабочего органа выполнены кольцевыми, исключение могут составлять только сопла 25, которые могут быть, как кольцевыми, так и в виде отдельных сопел с перемычкой между ними - ввиду расположения этих сопел в вершине конуса 4, в его торцевой части 13.

При неоднородных породах в одних и тех же проходимых горизонтах надежно выдерживать сечение проходимой скважины можно с помощью резцов 26, выполненных в виде дисков и закрепленных с возможностью вращения на корпусе рабочего органа (фиг. 2) с помощью консольных осей 27 и подшипникового узла на этой оси вращения резца.

Для эффективной обработки всех участков и площади забоя целесообразно придать вращение рабочему органу за счет тангенциального расположения сопел 19 (фиг. 3 - вид по стрелке A на фиг. 1) под углом и к диаметральной и к вертикальной плоскости, что обеспечивает создание усилия вращения "M" рабочему органу вокруг своей оси и более эффективное воздействие всех сопел и резцов на поверхности забоя, а соединение рабочего органа с корпусом аппарата посредством кольцевого подшипникового узла 28 обеспечивает вращение рабочего органа.

Калибровка сечений кольцевых сопел может осуществляться как с помощью втулок 29, размещаемых между втулками 11, так и с помощью шайб, и с помощью постановки двух половинок 30 кольцевого сопла, фиксируемых на стержне 10 с помощью втулки 31, соединенной тонкими пилонами с этими кольцами-половинками кольцевого сопла 30.

Работа описанного органа бурильного аппарата осуществляется следующим образом.

Бурильный аппарат, оснащенный данным рабочим органом, размещают на забое скважины, подают по каналам 6 и 7 из рабочего пространства аппарата рабочий агент в полость рабочего органа и, истекая из сопел рабочего органа под давлением, кольцевые струи этого агента производят разработку забоя, управляют вращением рабочего органа, как это показано выше, и создают условия для выноса шлама из полости проходимой скважины к ее устью, а резцы при этом подрезают стенки скважины и калибруют сечение скважины по заданному диаметру проходки, который задают верхними (по расположению на фиг. 2) резцами 26 и кольцевым соплом 20, а сопло 19 создает усилие подачи рабочего органа и всего аппарата к забою за счет ориентирования истекающего из него рабочего агента в сторону, противоположную забою.

Таким образом, оригинальное выполнение конструкции рабочего органа автономного бурильного аппарата позволяет более эффективно воздействовать на забой по всей его площади, не оставляя мертвых зон и участков. При этом модульная конструкция рабочего органа позволяет оперативно менять его габариты, длину, диаметр и выбирать, тем самым, более эффективную схему воздействия на забой, выбора сечения скважины и выбора режимов восходящего потока бурового шлама.

Область использования - горная промышленность и строительная индустрия, где необходимы работы по выполнению проходок скважин и выработок для различных целей. Рабочий орган имеет корпус в виде соединенных усеченных конусов, одним из которых он закреплен в основании автономного бурильного аппарата. Корпус органа по своей оси снабжен стержнем, основание стержня закреплено с помощью пилонов в основании корпуса рабочего органа. На этом стержне смонтированы, уплотнены и стянуты отдельные усеченные конусы, имеющие на стыкуемых гранях-сторонах кольцевые сопловые отверстия в виде непрерывного кольцевого сопла. Эти отдельные участки конуса оснащены своими пилонами и втулками, с помощью втулок они посажены на центральном стержне, при этом торцевой усеченный конус имеет резьбовую втулку, с помощью которой осуществляют набор и фиксирование определенного по размерам и форме конусного рабочего органа. Рабочий орган имеет также отдельные сопловые отверстия и установленные с ними в парах механические резцы, совместно выполняющие калибровку сечения проходимой скважины или выработки. Сечения кольцевых сопел оперативно и мобильно регулируют с помощью кольцевых прокладок, формирующих проходное сечение кольцевого сопла, его разрушающую физико-механическую структуру. Изобретение обеспечивает повышение эффективности работы автономного бурильного аппарата. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Рабочий орган автономного бурильного аппарата, содержащий корпус, выполненный в виде полых конусов, соединенных между собой большими основаниями, расположенные в стенках корпуса породоразрушающие сопла, ориентированные по нормали и под углами к поверхности забоя, а также сопла, ориентированные в сторону, обратную забою, корпус рабочего органа своим основанием соединен с бурильным аппаратом, а его полость соединена с рабочим пространством генератора рабочего агента, отличающийся тем, что его корпус снабжен установленным на его оси и имеющим винтовую резьбу стержнем, один конец которого закреплен с помощью пилонов в основании корпуса рабочего органа, тело корпуса выполнено из составных частей, формирующих указанные полые конусы, в виде отдельных колец в форме усеченных конусов, закрепленных на пилонах, которые посредством втулок закреплены, в свою очередь, на стержне, стянуты и уплотнены с помощью торцевого усеченного конуса, в котором посредством пилонов закреплена винтовая втулка, посаженная на винтовую резьбу указанного стержня, причем часть сопел выполнена между поверхностями сопряжения указанных усеченных конусов в виде непрерывных по сечению кольцевых сопел, а на торце корпуса в теле торцевого усеченного конуса выполнено кольцевое забойное сопло и отдельные забойные сопла, при этом на стенках корпуса дополнительно закреплены механические резцы, калибрующие сечение проходимой скважины. 2. Рабочий орган по п. 1, отличающийся тем, что указанные механические резцы выполнены в виде дисков и закреплены с возможностью вращения посредством подшипникового узла, а диаметральные плоскости этих резцов наклонены под углом к продольной оси рабочего органа. 3. Рабочий орган по п. 1, отличающийся тем, что кольцевые сопла образованы с помощью калибрующих шайб, размещенных на стержне между втулками указанных полых усеченных конусов.