БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 2002 года по МПК E21B10/16 E21B10/42 

Изобретение относится к буровому инструменту, снабженному средствами, позволяющими амортизировать вибрации, возникающие в нем во время бурения. Эти вибрации, возникающие, в частности, когда инструмент сталкивается с неоднородными или крепкими пластами, могут иногда приводить к разрушению или повреждению некоторых чувствительных частей инструмента, таких как режущая конструкция.

Из патента США 4253533 известен буровой инструмент, содержащий буровую головку, снабженную буровыми коронками. Этот инструмент снабжен двумя диаметрально расположенными вкладышами из эластомера, между которыми размещены буровые коронки из алмаза или аналогичного материала. Вкладыши имеют высоту меньше высоты буровых коронок, так что лишь края этих последних выступают по отношению к наружной поверхности вкладыша. В связи с этим внедрение буровых коронок в породный массив ограничивается глубиной, самое большее равной высоте, на которую они выходят из вкладышей. Буровые коронки подвергаются таким образом лишь напряжениям, намного ниже напряжений, которым они бы подвергались, если бы они проникали в массив на всю свою высоту.

Однако эти вкладыши совершенно неэффективны для амортизации вибраций, которые возникают в инструменте при бурении.

Из Европейского патента 0532869 известен буровой инструмент, имеющий полость, в которую выходит подводящий канал для промывочной жидкости. Эта полость имеет стенку малой толщины, снабженную одним отверстием, через которое жидкость вытекает наружу, и одним отверстием, в которое зачеканен плоский цилиндрический элемент из эластомера. Под действием давления, оказываемого промывочной жидкостью в полости, эластомерный элемент деформируется, как мембрана, а его наружная поверхность приходит в герметический контакт со стенкой только что пробуренного массива, в результате чего, в случае пластичного массива, происходит ее уплотнение и защита от удара от промывочной жидкости. Здесь также видно, что эластомерный блок не способен смягчить вибрации инструмента.

В авторском свидетельстве СССР 659719 раскрыт буровой инструмент, содержащий буровую головку, снабженную буровыми коронками, и амортизирующие элементы, охватывающие буровые коронки и расположенные на буровой головке. Амортизирующие элементы выполнены в виде эластичных шайб.

Этот инструмент позволяет повысить стойкость буровых коронок, но эффективность смягчения вибраций инструмента является недостаточной.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание бурового инструмента, снабженного амортизирующими средствами, позволяющими повысить эффективность смягчения вибрации инструмента и, таким образом, защитить буровые коронки от любого повреждения.

Этот технический результат достигается тем, что буровой инструмент, содержащий буровую головку, снабженную буровыми коронками, и несколько амортизирующих элементов, по меньшей мере часть которых выполнена из эластомерного материала, согласно изобретению амортизирующие элементы, установленные в местах, отличных от мест установок буровых коронок, при этом и каждый амортизирующий элемент образован блоком, включающим участок, заглубленный внутрь канавки, выполненной на поверхности инструмента, и участок, выступающий из канавки, способный деформироваться, поглощая вибрации инструмента.

Было установлено, что амортизирующие блоки из эластомера имеют высокую износостойкость, хотя работают в условиях чрезвычайных нагрузок, таких как высокая температура и высокие усилия среза. Это качество в сочетании с природной упругостью позволяет им эффективно амортизировать вибрацию бурового инструмента.

Выступающий участок блока может иметь высоту больше высоты буровых коронок, равную высоте буровых коронок, или меньше высоты буровых коронок.

Блоки могут иметь цилиндрическую, или полусферическую, или пирамидальную, или в виде усеченного конуса, или параллелепипеда, или коническую форму.

Блок может быть заглублен в оболочку, закрепленную в канавке путем завинчивания или посредством клипсы.

Блоки могут быть помещены на вершине инструмента, режущих кромках или предохранительном кожухе инструмента в виде моноблока или на вращающихся конических шарошках, плечах или предохранительном кожухе шарошечного инструмента.

В массе блока может быть утоплен упругий усиливающий элемент, такой как винтовая пружина, предназначенная для предварительного напряжения при сжатии.

Часть блока, выступающая из канавки, может быть покрыта защитным износостойким покрытием, выполненным, например, из карбида вольфрама или из материала, включающего алмаз.

Защитное покрытие может быть покрыто пластинкой в форме купола из поликристаллического алмаза.

Блок может быть усилен включением в массу эластомера наполнителя, образованного тонкими алмазными частицами.

Под блоком между его основанием и дном канавки может быть предусмотрена полость.

По всей высоте блока может быть просверлен канал, сообщающий полость с внешним пространством.

В дне канавки может быть просверлен другой канал, приспособленный для нагнетания промывочной жидкости под давлением для выноса бурового шлама, накапливающегося в первом канале.

Амортизирующий элемент может включать эластомерньгй блок, размещенный на дне корпуса, имеющего чашеобразную выемку, в которой он занимает лишь некоторую часть по высоте, и деталь из твердого материала, например из карбида вольфрама, имеющую внутренний участок, занимающий оставшуюся часть корпуса, и наружный участок меньшего сечения, выступающий из корпуса, причем кромки корпуса отбортованы на внутренний участок для предотвращения выхода из корпуса указанной детали.

Указанная деталь может быть образована фишкой, включающей плоское опорное основание такой же площади, что и эластомерный блок, снабженный в центре своей верхней поверхности пальцем меньшего сечения.

Указанная деталь может быть образована шариком, часть объема которого более полусферы размещена в корпусе, а другая часть выступает за пределы канавки.

Амортизирующий элемент может включать муфту из эластомерного материала, плотно посаженную в оболочку, и центральную деталь, застопоренную без трения внутри внутреннего прохода муфты, расположенную на расстоянии от дна приемной канавки для обеспечения ее скольжения в канавке и содержащую участок, выступающий из канавки и не охваченный муфтой.

Ось амортизирующего элемента может быть наклонена в сторону направления движения инструмента, так что усилие реакции связи, воздействующее на амортизирующий элемент со стороны массива, имеет составляющую, направленную по его оси.

Изобретение будет лучше понято из подробного описания, приводимого ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг. 1 - вид в перспективе бурового инструмента, снабженного амортизирующими элементами, согласно изобретению;
фиг.2 - увеличенный вид в сечении по линии II-II на фиг.1;
фиг. 3 - в ид в перспективе бурового инструмента в виде усеченного конуса, снабженного амортизирующими элементами, согласно изобретению;
фиг.4 - частичный разрез в увеличенном масштабе эластомерного блока, заделанного в инструмент, по первому варианту осуществления изобретения;
фиг.5 - разрез эластомерного блока, снабженного осевым каналом;
фиг.6 - эластомерный блок, усиленный винтовой пружиной;
фиг.7 - эластомерный блок, защищенный износостойким слоем;
фиг.8 - эластомерный блок, снабженный износостойким колпаком;
фиг. 9 - эластомерный блок, снабженный на дне фланцем для своего удержания в приемной канавке;
фиг. 10 - эластомерный блок, закрепленный в оболочке, удерживаемой в приемной канавке с помощью упругого разрезного кольца;
фиг. 11 - эластомерный блок, закрепленный в оболочке, завинчивающейся в приемной канавке;
фиг.12 - амортизирующий элемент, выполненный из двух деталей;
фиг.13 - вариант осуществления амортизирующего элемента по фиг.12;
фиг. 14 - другой вариант осуществления амортизирующего элемента из двух деталей.

Настоящее изобретение будет подробно описано для случая бурового инструмента 10 с режущими кромками, представленного на фиг.1, и инструмента в виде усеченного конуса, представленного на фиг.3, но этот выбор не является ограничивающим, так как изобретение применяется также для всех типов цельного и с коническими шарошечными долотами бурового инструмента.

Инструмент 10, представленный на фиг.1, содержит буровую головку 12, снабженную трубчатой насадкой 14 с наружной резьбой, которая служит для сборки инструмента с неизображенной колонной буровых штанг квадратного сечения, вокруг головки образовано множество ребер или режущих кромок 16, разделенных бороздками 18.

На наружной поверхности 20 каждой режущей кромки размещен ряд буровых коронок 26 любого известного типа, состоящих, например, из пластинок из природного алмаза, из синтетического алмаза, из поликристаллического алмаза или термостойкого алмаза. Коронки либо зачеканиваются на режущей кромке, либо удерживаются на ножках из твердого сплава, закрепленных на инструменте.

Согласно изобретению, инструмент снабжен несколькими амортизирующими элементами, предназначенными для смягчения вибраций, возникающих в инструменте при бурении.

Каждый амортизирующий элемент состоит из эластомерного блока 28, который может иметь любую подходящую форму, например цилиндрическую, в виде параллелепипеда, кубическую, пирамидальную, усеченного конуса или сферическую. Блок заглубляется на некоторую часть своей толщины внутрь приемной канавки, образованной на поверхности инструмента, а остальная часть его толщины выступает из канавки, образуя выступ по отношению к поверхности инструмента.

Амортизирующие элементы могут закрепляться на любой части инструмента, например на наружной поверхности 20 режущих кромок или на предохранительном кожухе инструмента.

В случае инструмента, выполненного в виде усеченного конуса, показанного на фиг. 3, амортизирующие элементы закрепляются на конических шарошках 30, например, между коронками 26, между рядами коронок, в периферийной части шарошек или на плечах 32, на которых опираются шарошки.

Как показано на фиг. 2, блоки заправляются внутрь оболочек 34 в виде чашеобразной выемки с закрытым дном. Оболочки 34 закреплены в глухих канавках 36, образованных на поверхности инструмента. Они также могут встраиваться непосредственно внутрь канавки 36, без использования оболочки (фиг. 4).

Высота блоков над поверхностью инструмента может быть равна, меньше или больше высоты буровых коронок над поверхностью инструмента, так что их вершины могут находиться соответственно на одном уровне, ниже или выше по отношению к вершинам коронок.

В варианте осуществления, показанном на фиг.5, блок 28 отделен от дна канавки полостью 38. Для обеспечения уравновешивания гидростатического давления, которое воздействует на блок, и следовательно, свободной деформации блока, полость 38 должна быть сообщена с внешней средой. Это сообщение может осуществляться по осевому каналу 42, просверленному в блоке, по каналу 44, просверленному в инструменте, либо по обоим каналам одновременно. Таким образом, повышают упругость блока, а следовательно, его амортизирующую способность.

Фиг. 6 изображает блок 28, в который вмонтирована винтовая пружина 46. Эта пружина повышает прочность и упругие и амортизирующие характеристики блока.

Блок 28 согласно фиг.7 покрыт на поверхности выступающей части сравнительно твердым износостойким слоем 48, образованным, например, карбидом вольфрама или алмазной конкрецией. Этот блок 28 имеет больший срок службы, чем предыдущие блоки. Слой 48 закрепляется с помощью кольцевого фланца 49, который защелкивается в кольцевом пазу, образованном в верхней части блока 28, но он может также быть закреплен приклеиванием.

В варианте осуществления изобретения, согласно фиг.8, блок 28 имеет форму усеченного конуса и защищен на выступающей части износостойким колпаком 50 из карбида вольфрама. Колпак 50 может быть покрыт пластинкой 51 в форме свода из поликристаллического алмаза. Нижняя часть блока 28 с усилием заправляется внутрь канавки в форме усеченного конуса, образованной оболочкой 34.

Блок 28, изображенный на фиг.9, имеет в основании выступающий по периферии фланец 52, который вставляется в ответный круговой паз, образованный в боковой стенке канавки 36 на уровне дна. Таким образом, блок удерживается от любого случайного обратного хода.

В варианте осуществления, представленном на фиг.10, оболочка 34 удерживается в канавке 36 упругим разрезным кольцом 54, которое вставляется в периферийный паз, образованный на входе канавки.

Другой способ удержания блока 28 в канавке представлен на фиг.11. Блок 28 снабжен в основании периферийным фланцем 52 и помещен в кольцо 56 с наружной резьбой, снабженное расточным отверстием, предусмотренным для приема фланца 52. Сборка осуществляется путем ввода блока 28 в кольцо 56 через его нижний конец и последующего ввинчивания кольца в канавку 36. Блок 28 при этом не может выйти из своей канавки.

В варианте, изображенном на фиг.12, амортизация достигается при помощи амортизирующего элемента, содержащего эластомерный блок 28 цилиндрической формы или в виде параллелепипеда или фишку 58 из твердого материала, например, карбида вольфрама, которая опирается на блок. Блок 28 имеет на середине высоты периферийный желобок 60, который придает ему более высокую способность к сжатию. Блок 28 помещен внутрь корпуса 62, имеющего чашеобразную выемку несколько большей высоты, чем высота блока 28.

Фишка 58 имеет плоское опорное основание 66 такой же площади, что и эластомерный блок, снабженное в центре с наружной стороны пальцем 68 меньшего сечения. При сборке вставляют блок 28 в корпус 62 до его соприкосновения с дном, затем в корпус вводят опорное основание фишки и отбортовывают чеканкой верхние кромки 69 корпуса на опорное основание. При этом оно оказывается в слое между названной отбортованной кромкой и эластомерным блоком. Палец 68 выступает из корпуса через отверстие 70 несколько большего сечения, чем сечение пальца. Полученная таким образом система затем закрепляется на инструменте.

В варианте осуществления изобретения, согласно фиг.13, корпус выполнен из двух частей: трубчатого кольца 72 с наружной резьбой и дна 74, которое завинчивается в нижний конец кольца.

В этом корпусе размещен эластомерный блок 28, опирающийся на дно 74 и частично на шарик 78 из стали, карбида вольфрама или алмазного материала. Часть шарика 78 объемом ниже полусферы выступает за пределы кольца 72.

Эластомерный блок 28 имеет на верхней поверхности полусферическое седло, на которое опирается шарик. Он удерживается на месте буртиком 80 кольца, искривленным внутрь.

В обоих предыдущих вариантах осуществления ни одна часть эластомерного блока 28 не имеет контакта с породой. Вибрации инструмента передаются через твердосплавную деталь блоку 28, который их амортизирует.

Амортизирующий элемент, изображенный на фиг.14, состоит из трех деталей. Он включает трубчатую оболочку 82, закрепленную в канавке 36, трубчатую эластомерную муфту 84, которая покрывает внутреннюю стенку оболочки, и центральную деталь 86 из стали или карбида вольфрама, которая застопорена без трения внутри муфты. Муфта 84 расположена по всей высоте оболочки и слегка выступает над верхним концом оболочки. Центральная деталь 86 выступает снаружи оболочки, а ее нижний конец находится на некотором расстоянии от дна оболочки.

Как и в варианте осуществления по фиг.5, полость 38, образованная у дна канавки, сообщена с наружным пространством либо непосредственно через осевой канал 42, просверленный в центральной детали, либо через проход 44, просверленный в инструменте.

В отличие от предыдущих вариантов осуществления, главная ось амортизирующего элемента наклонена в сторону направления перемещения f инструмента. Преимущество такого расположения в том, что оно позволяет снизить качание центральной детали 86, поскольку реакция усилия F связи, которое действует на нее в направлении, обратном направлению стрелки f, допускает составляющую усилия F1 по оси детали 86, которая не оказывает качающего воздействия на деталь.

При работе деталь 86 осуществляет возвратно-поступательное движение, главным образом направленное по оси канавки 36. Муфта 84, зажатая между неподвижной деталью (оболочка 82) и подвижной деталью (центральная деталь 86), в связи с этим подвержена воздействию значительных усилий среза, которые амортизируют амплитуду вибраций инструмента.

Изобретение относится к горному делу и строительству. Буровой инструмент содержит буровую головку, снабженную буровыми коронками, несколько амортизирующих элементов, по меньшей мере часть которых выполнена из эластомерного материала. Амортизирующие элементы установлены в местах, отличных от мест буровых коронок. Каждый амортизирующий элемент образован блоком, включающим участок, заглубленный внутрь канавки, выполненной на поверхности инструмента, и участок, выступающий из канавки, способный деформироваться, поглощая вибрации инструмента. Повышается надежность работы бурового инструмента за счет повышения эффективности смягчения вибрации инструмента. 18 з. п. ф-лы, 14 ил.

1. Буровой инструмент, содержащий буровую головку, снабженную буровыми коронками, и несколько амортизирующих элементов, по меньшей мере, часть которых выполнена из эластомерного материала, отличающийся тем, что амортизирующие элементы установлены в местах, отличных от мест буровых коронок, и каждый амортизирующий элемент образован блоком, включающим участок, заглубленный внутрь канавки, выполненной на поверхности инструмента, и участок, выступающий из канавки, способный деформироваться, поглощая вибрации инструмента. 2. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что выступающий участок блока имеет высоту больше высоты буровых коронок. 3. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что выступающий участок блока имеет высоту, равную высоте буровых коронок. 4. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что выступающий участок блока имеет высоту меньше высоты буровых коронок. 5. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что блоки имеют цилиндрическую, или полусферическую, или пирамидальную, или в виде усеченного конуса, или параллелепипеда, или коническую форму. 6. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что блок заглублен в оболочку, закрепленную в канавке путем завинчивания или посредством клипсы. 7. Инструмент по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что блоки помещены на вершине инструмента, режущих кромках или предохранительном кожухе инструмента в виде моноблока или на вращающихся конических шарошках, плечах или предохранительном кожухе шарошечного инструмента. 8. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что в массе блока утоплен упругий усиливающий элемент, такой, как винтовая пружина, предназначенная для предварительного напряжения при сжатии. 9. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что часть блока, выступающая из канавки, покрыта защитным износостойким покрытием, выполненным, например, из карбида вольфрама или из материала, включающего алмаз. 10. Инструмент по п. 9, отличающийся тем, что защитное покрытие покрыто пластинкой в форме купола из поликристаллического алмаза. 11. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что блок усилен включением в массу эластомера наполнителя, образованного тонкими алмазными частицами. 12. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что под блоком между его основанием и дном канавки образована полость. 13. Инструмент по п. 12, отличающийся тем, что по всей высоте блока просверлен канал, сообщающий полость с внешним пространством. 14. Инструмент по п. 12, отличающийся тем, что в дне канавки просверлен другой канал, приспособленный для нагнетания промывочной жидкости под давлением для выноса бурового шлама, накапливающегося в первом канале. 15. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что амортизирующий элемент включает эластомерный блок, размещенный на дне корпуса, имеющего чашеобразную выемку, в которой он занимает лишь некоторую часть по высоте, и деталь из твердого материала, например из карбида вольфрама, имеющую внутренний участок, занимающий оставшуюся часть корпуса, и наружный участок меньшего сечения, выступающий из корпуса, причем кромки корпуса отбортованы на внутренний участок для предотвращения выхода из корпуса указанной детали. 16. Инструмент по п. 15, отличающийся тем, что указанная деталь образована фишкой, включающей плоское опорное основание такой же площади, что и эластомерный блок, снабженный в центре своей верхней поверхности пальцем меньшего сечения. 17. Инструмент по п. 15, отличающийся тем, что указанная деталь образована шариком, часть объема которого более полусферы размещена в корпусе, а другая часть выступает за пределы канавки. 18. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что амортизирующий элемент включает муфту из эластомерного материала, плотно посаженную в оболочку, и центральную деталь, застопоренную без трения внутри внутреннего прохода муфты, расположенную на расстоянии от дна приемной канавки для обеспечения ее скольжения в канавке и содержащую участок, выступающий из канавки и не охваченный муфтой. 19. Инструмент по п. 15, отличающийся тем, что ось амортизирующего элемента наклонена в сторону направления движения инструмента, так, что усилие реакции связи, воздействующее на амортизирующий элемент со стороны массива, имеет составляющую, направленную по его оси.