ОХВАТЫВАЕМАЯ ЧАСТЬ БУРОВОЙ ШТАНГИ, БУРОВОЕ ДОЛОТО И РЕЗЬБОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОХВАТЫВАЕМОЙ ЧАСТИ БУРОВОЙ ШТАНГИ И БУРОВОГО ДОЛОТА ДЛЯ УДАРНОГО БУРЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД Российский патент 2007 года по МПК E21B17/00 E21B17/42 E21B10/36 

Предшествующий уровень техники

Настоящее изобретение относится к охватываемой части буровой штанги, буровому долоту и резьбовому соединению данной охватываемой части и бурового долота для ударного бурения горных пород в соответствии с преамбулами последующих независимых пунктов формулы изобретения.

Предпосылки создания изобретения

При ударном бурении горных пород бурильным молотком, буровая колонна связана посредством переходной муфты хвостовика с буровой машиной поверхностью одного конца штанги или трубы. Другой конец штанги или трубы привинчен либо к другой штанге или к другой трубе, либо к буровому долоту для ударного бурения. Штанга или труба могут быть также прикреплены к переходной муфте хвостовика или другой детали посредством муфт с резьбой. Промывочный канал проходит через всю буровую колонну для подачи промывочной среды к буровому долоту с целью удаления бурового шлама.

При бурении буровая колонна, т.е. буровые долота, штанги, трубы, муфты и переходные муфты хвостовиков подвержены механическому и коррозионному разрушению. Это относится в особенности к подземному бурению, где вода используется как промывочная среда, во влажной окружающей среде. Воздействия особенно серьезны в наиболее напряженных частях: в основаниях резьбы и других сужениях, а именно в частях с малой площадью сечения. Буровое оборудование часто подвергается изгибающим моментам, когда буровое долото достигает наклонной стенки полости в горных породах. В сочетании с пульсирующим напряжением, вызываемым ударными волнами и изгибающими напряжениями, возникает усталость или поломка.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является значительное увеличение сопротивления усталости буровых элементов для ударного бурения горных пород.

Другой целью настоящего изобретения является значительное увеличение сопротивления усталости в участках с уменьшенными площадями сечения буровых элементов для ударного бурения горных пород.

Еще одна цель настоящего изобретения состоит в значительном увеличении сопротивления усталости в основаниях резьбы на нарезном участке бурового элемента для ударного бурения горных пород.

Краткое описание чертежей

Эти и другие цели настоящего изобретения достигаются посредством охватываемой части буровой штанги, бурового долота и резьбового соединения этой охватываемой части и бурового долота для ударного бурения горных пород, которые обладают признаками согласно последующим независимым пунктам со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Фиг.1 показывает вид сбоку охватываемой части обычной штанги.

Фиг.2 - вид сбоку другой охватываемой части обычной штанги.

Фиг.3А - вид сбоку охватываемой части штанги согласно настоящему изобретению.

Фиг.3В - сечение по линии В-В на фиг.3А.

Фиг.3С - сечение по линии С-С на фиг.3А.

Фиг.3D - вид в перспективе охватываемой части.

Фиг.4 - осевое сечение бурового долота согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 - поперечное сечение резьбового соединения согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Каждая из штанг 1, 2 для ударного бурения, показанных на фиг.1 и 2, снабжена охватываемой частью 3 с резьбой на одном своем конце и идентичной охватываемой частью или не показанной охватывающей частью в виде муфты с внутренней резьбой на другом конце. Охватываемая часть 3 в этом случае соединена с круглой штангой 4, предпочтительно фрикционной сваркой. Самое слабое сечение охватываемой части расположено в месте сечения минимальной площади, т.е. зазор 5 резьбы и последний виток 6 резьбы.

При смоделированном испытании на изгиб с помощью метода ограниченного элемента было обнаружено, что можно существенно уменьшить нагрузку на самое слабое сечение охватываемой части и таким образом получить более долгие сроки службы охватываемых частей.

Конец буровой штанги 10 для ударного бурения, показанный на фиг.3A-3D, выполнен с втулкой или охватываемой частью 11, снабженной охватываемой или наружной резьбой 12 согласно настоящему изобретению. Буровая штанга имеет также проходящий от начала до конца промывочный канал 13, по которому проводится промывочная среда, обычно воздух или вода. Конечная поверхность охватываемой части 11 образует кольцеобразную стыковую поверхность 14, которая в соединении с буровым долотом предназначена для стыка с соответствующей кольцеобразной стыковой поверхностью в основании центральной полости бурового долота. Площадь полного сечения резьбы на охватываемой части 11 имеет минимальную первую площадь Х сечения, показанную как заштрихованная область на фиг.3В. Охватываемая часть включает последний виток 15 резьбы или выход резьбы с увеличением второй площади сечения относительно площади полного профиля резьбы, показанной как заштрихованная область Y на фиг.3С. Минимальная площадь сечения охватываемой части обеспечивается в области, где резьба имеет полный профиль, и вторая площадь сечения измеряется в интервале от 1 до 5 мм от первой площади сечения. Резьба 12 предусмотрена на первом участке 16 в конце охватываемой части. Длина L участка 16 является длиной воображаемого прямого цилиндра С, начинающегося от плоскости Р ударной поверхности 14 и касающегося внешней периферии или внешнего диаметра Dy резьбы (фиг.3D). Внешний диаметр Dy цилиндра С предпочтительно меньше 37 мм. Плоскость Р перпендикулярна средней линии CL. Отрезок L, поделенный диаметром Dy цилиндра, находится в пределах интервала 1-2. Предпочтителен интервал 1,2-1,9, наиболее предпочтителен 1,3-1,6. Как пример, можно упомянуть, что охватываемые части длиной L=57 мм и Dy=32,85 мм дают приблизительную квоту 1,7, а охватываемые части длиной L=44,3 мм и Dy=32,85 мм дают приблизительную квоту 1,3. Стыковая поверхность 14 переходит посредством фаски в цилиндрическую или коническую втулку 17. Втулка 17 не имеет резьбы и в некоторых случаях предназначается для направления в полость бурового долота при установлении связи. Втулка 17 соединена с резьбой 12.

Буровое долото 20 для ударного бурения, показанное на фиг.4, включает буровую головку 21, хвостовик или юбку 22. Буровая головка 21 и юбка 22 выполнены как единая деталь. Общая продольная центральная линия CL для бурового долота 20 и охватываемой части 10 показана на фигурах. Буровое долото 20 предусмотрено с полостью 23, оснащенной внутренней охватывающей резьбой 24, которая взаимодействует с внешней охватываемой резьбой 12 охватываемой части 10. Буровая головка 21 бурового долота согласно настоящему изобретению обычным способом оснащена камнережущими средствами, в показанном воплощении имеющими форму цементированных карбидных вставок, из которых показаны многочисленные расположенные по окружности периферийные вставки 25 и две передних сферических головки 26. Несколько промывочных каналов 27 проходят по оси между полостью 23 бурового долота и внешней стороной буровой головки 21. Стыковая поверхность 30, так называемая нижняя стыковая поверхность, предусмотрена в днище вышеуказанной полости для стыковой поверхности 14 охватываемой части 10.

Резьба 24 соединена с зазором 28 резьбы с сокращенной площадью сечения. Резьба 24 предусмотрена во втором участке 29 полости 23. Длина L' участка 29 является расстоянием от плоскости Р' ударной поверхности 30 до воображаемого прямого круглого цилиндра С', касающегося внутренней периферии Di резьбы. Внутренний диаметр Di цилиндра С' предпочтительно меньший, чем 37 мм, предпочтительно менее 36 мм. Плоскость Р' перпендикулярна срединной линии CL. Длина L', поделенная диаметром Di цилиндра, находится в пределах интервала 1-2. Предпочтителен интервал 1,2-1,9, наиболее предпочтителен 1,3-1,6. Стыковая поверхность 30 подсоединяется посредством плеча к зазору 28 резьбы. Как пример, можно упомянуть, что буровые долота с длиной L'=52,5 мм и Di=29,5 мм дают приблизительную квоту 1,8.

Длина L, L' вычисляется от плоскости Р, Р' и велика настолько, насколько резьба имеет полный профиль. Кроме того, установлено, что прямой круглый цилиндр должен быть способен полностью войти в охватываемую часть 10 или вдвинуться в полость 23 со скользящей посадкой на расстояние или длину L, L' от плоскости Р, Р', либо освобождаясь от резьбы, либо состыковываясь с утолщенным окончанием резьбы.

На фиг.5 резьбовое соединение 40 настоящего изобретения содержит охватываемую часть 10 и буровое долото 20. Охватываемая часть 10 завинчивается в буровое долото 20 до тех пор пока ударные поверхности 14 и 30 не соприкоснутся друг с другом. Так как участок с уменьшенной площадью сечения в охватываемой части 10 предусмотрен на сравнительно небольшом расстоянии от свободного конца соединения 40, изгибающее напряжение там будет более низким, чем в обычных соединениях, где рычаг значительно длиннее. Охватываемая часть и буровое долото содержат цилиндрические поверхности, предусмотренные за пределами оси и радиально вне резьбы для скользящей пригонки друг к другу в процессе установки.

Изобретение основано на том, что более короткая резьба дает меньшее изгибающее напряжение. Напряженное состояние в последнем обороте резьбы или зазоре резьбы уменьшается по меньшей мере на 30% по сравнению с известными соединениями. Обычно просто несколько оборотов резьбы, например два оборота резьбы на каждой части, приводят к сцеплению с другой частью, как можно заключить из фиг.3А, 4 и 5. Со стандартным резьбовым соединением нормальный срок службы средства достигает почти 850 м, тогда как новая охватываемая часть проработала около 2050 м до износа соединения.

Описание Шведской патентной заявки №0201989-1, на основании которой эта заявка утверждает приоритет, включена здесь со ссылкой.

Группа изобретений относится к горному делу и может быть применена при ударном бурении горных пород. Обеспечивает увеличение сопротивления усталости в участках с уменьшенными площадями сечения и в основаниях резьбы на нарезном участке буровых элементов. Охватываемая часть буровой штанги содержит секции с уменьшенной площадью сечения, резьбу для ударного бурения горных пород, имеющую выход резьбы и выполненную на конце охватываемой части. Конец охватываемой части содержит стыковую поверхность для передачи ударных волн. Охватываемая часть имеет первую площадь сечения в области, где резьба имеет полный профиль, и вторую площадь сечения в области, расположенной непосредственно за выходом резьбы и являющуюся большей, чем первая. Длина участка определена как длина цилиндра от плоскости ударной поверхности. Диаметр цилиндра совпадает с внешним диаметром резьбы. Отношение длины к внешнему диаметру резьбы находится в пределах интервала 1-2. Изобретение также относится к буровому долоту и резьбовому соединению между охватываемой частью буровой штанги и долотом. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Охватываемая часть буровой штанги для ударного бурения горных пород, содержащая секции с уменьшенной площадью сечения, по меньшей мере, одну резьбу (12) для ударного бурения горных пород, имеющую выход (15) резьбы и выполненную на участке (16) на конце охватываемой части, содержащем стыковую поверхность (14) для передачи ударных волн, при этом охватываемая часть имеет первую площадь сечения в области, где резьба имеет полный профиль, отличающаяся тем, что длина (L) участка (16) определена как длина цилиндра (С) от плоскости (Р) ударной поверхности, диаметр цилиндра совпадает с внешним диаметром (Dy) резьбы, отношение длины (L), к внешнему диаметру (Dy) резьбы находится в пределах интервала 1-2, и охватываемая часть имеет вторую площадь сечения в области, расположенной непосредственно за выходом (15) резьбы и являющуюся большей, чем первая площадь сечения.2. Охватываемая часть по п.1, отличающаяся тем, что наименьшая площадь сечения охватываемой части расположена в области, где резьба имеет полный профиль, и вторая площадь сечения охватываемой части расположена в области, находящейся на расстоянии в интервале 1-5 мм от первой площади сечения.3. Охватываемая часть по п.1 или 2, отличающаяся тем, что отношение длины (L) к внешнему диаметру (Dy) резьбы находится в пределах интервала 1,2-1,9, более предпочтительно 1,3-1,6, и внешний диаметр (Dy) цилиндра (С) предпочтительно менее 37 мм.4. Охватываемая часть по п.1, отличающаяся тем, что она плотно подсоединена к концу стальной штанги или трубы и образует буровую штангу, которая содержит проходящий по всей ее длине промывочный канал (13).5. Буровое долото для ударного бурения горных пород, содержащее секции с уменьшенными площадями сечения и центральную полость (23), содержащую внутреннюю охватывающую резьбу (24) для ударного бурения горных пород, выполненную в участке (29) в полости (23), содержащей стыковую поверхность (30), отличающееся тем, что длина (L') участка (29) определена как длина прямого круглого цилиндра (С') от плоскости (Р') ударной поверхности (30), диаметр цилиндра совпадает с внутренним диаметром (Di) резьбы, и отношение длина (L') к внутреннему диаметру (Di) резьбы находится в пределах интервала 1-2.6. Буровое долото по п.5, отличающееся тем, что отношение длины (L') к внутреннему диаметру (Di) резьбы находится в пределах интервала 1,2-1,9, более предпочтительно 1,3-1,6, и внутренний диаметр (Di) составляет менее 36 мм.7. Буровое долото по п.5 или 6, отличающееся тем, что оно плотно подсоединено к концу стальной штанги или трубы и образует буровую штангу (25), которая содержит проходящий по всей ее длине промывочный канал (20).8. Резьбовое соединение между охватываемой частью буровой штанги и буровым долотом для ударного бурения горных пород, при этом охватываемая часть содержит секции с уменьшенной площадью сечения, по меньшей мере одну резьбу (12), выполненную на первом участке (16) на конце охватываемой части, содержащем стыковую поверхность (14) для передачи ударных волн, при этом охватываемая часть имеет первую площадь сечения в области, где резьба имеет полный профиль, буровое долото (20) имеет секции с уменьшенными площадями сечения и центральную полость (23), содержащую внутреннюю охватывающую резьбу (24), выполненную на другом участке (29) полости (23), содержащей стыковочную поверхность (30), отличающееся тем, что длина (L) первого участка (16) определена как длина цилиндра (С) от плоскости (Р) ударной поверхности, цилиндр соприкасается с внешним диаметром (Dy) резьбы, и отношение длины (L) к внешнему диаметру (Dy) резьбы находится в пределах интервала 1-2, и длина (L') второго участка (29) определена как длина от плоскости (Р') ударной поверхности (30) прямого круглого цилиндра (С'), где цилиндр соприкасается с внутренним диаметром (Di) резьбы, и отношение длины (L') к внутреннему диаметру (Di) резьбы находится в пределах интервала 1-2.9. Резьбовое соединение согласно п.8, отличающееся тем, что указанный интервал составляет 1,2-1,9, наиболее предпочтительно 1,3-1,6, и диаметр (Dy; Di) цилиндра (С; С'), предпочтительно менее чем 37 мм.

Приоритет по пунктам: