Шнековый бур ударно-вращательного бурения Советский патент 1984 года по МПК E21B7/24 

00

Изобретение относится к бурению скважин, в частности к проходке скважин большого диаметра с отбором керна при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых в галечно-щебенистых и монолитных грунтах многолетней мерзлоты.

Известны конструкции колонковых снарядов для бурения, отделения и извлечения керна монолитных пород большого диаметра.

При этом используются различные способы отделения керна: слом керна путем забивания клина специальным ударным снарядом в боковое пространство между стенкой скважины и керном; применение устройств для подрезки керна у его основания; применение пуансонов, располагаемых на специальном устройстве по периферии основания керна с гидравлическим приводом, пуансонов, располагаемых на специальном устройстве в скважине, пробуренной внутри керна с приводом от ударного снаряда, опускаемого на канате через бурильные трубы 1.

Однако применение этих способов снижает надежность отделения керна и приводит к необходимости большой затраты времени.

Так, забивание клина в боковое пространство между керном и стенками скважины не гарантирует слома керна в определенном месте, требует опускания в скважину ударного клина с направляюшим устройством, а затем цангового керноприемника. Подрезка керна у основания сопряжена с большой затратой времени, так как может продолжаться от нескольких часов до нескольких смен.

Наиболее близким к изобретению является шнековый бур ударно-врашательного бурения, включаюш,ий пустотелую шнековую трубу, размешенный в ней кулачковый ударный механизм с наковальней и породоразрушающий инструмент. В этом буре, с целью уменьшения энергоемкости, наковальня снабжена установленным концентрично опорной трубе патрубком, на наружной поверхности которого выполнены выступы, а на внутренней поверхности ударника - выступы с возможностью их взаимодействия. При этом переходник соединен с верхней частью ударника посредством шлицевого соединения.

Конструкция указанного шнекового бура позволяет осуш,ествить ударно-врашательный режим бурения, наиболее эффективный при бурении мерзлых пород, и вынос разбуренной породы шнеками 2.

Однако известное устройство не позволяет осушествлять функции образования, отрыва и подъема керна большого диаметра, получение которого является главной целью при разведке россыпных месторождений в .мерзлых грунтах.

Целью изобретения является снижение энергоемкости путем получения керна и повышения надежности его отрыва и удержания.

Указанная цель достигается тем, что шнековый бур ударно-врашательного бурения, включающий пустотелую шнековую трубу, размешенный в ней кулачковый ударный механизм с наковальней и породоразрушаюший инструмент, снабжен колонковой трубой с керноподрезным механизмом и керноломной плашкой, при этом колонковая труба жестко соединена с наковальней и породоразрушаюшим инстру.ментом, а керноподрезной механизм выполнен в виде клиньев с резцами-пуансонами, установленных с возможностью продольного перемещения, причем колонковая труба имеет с внутренней стороны спиральную направляющую, в которой размешена керноломная плашка с возможностью перемещения по ней и фиксации посредством стопорного приспособления с клиньями керноподрезного механизма.

На фиг. 1 изображен шнековый бур, обший вид; на фиг. 2 - узел I на фиг. L на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - стопорное приспособление.

Шнековый бур для ударно-врашательного бурения скважин большого диаметра, в .мерзлых и монолитных породах (фиг. 1) включает наружную полую шнековую трубу I, жестко связанную с колонной бурильных труб 2, приводимых во вращение известным способом с поверхности. Верхняя часть этой трубы образует бункер 3, служаший для сбора выбуренной породы. Внут ри шнековой трубы смонтирован ударный механизм 4, обеспечивающий нанесение ударов вдоль оси скважины и боковых ударов. Конструкция механизма обеспечивает передачу осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент через центральную трубу 5 и подшипниковый узел 6, нанесение периодических ударов по не.му и прерывистое его вращение.

В нижней части шнекового бура внутри шнековой трубы 1 размешен колонковыйнабор, включаюший колонковую трубу 7, жестко скрепленную с наковальней 8 шнекового бура, коронку 9, жестко скрепленную с нижней частью колонковой трубы, керноподрезной механизм 10 для подрезки, скалывания и захвата керна, смонтированное на внутренней поверхности коронки 9 устройство 11 для слома керна, закрепленное горизонтально на внутренней стенке колонковой трубы 7 выше керноподрезного механизма 10.

Керноподрезной механизм 10 (фиг. 1 и 2) для подрезки, скалывания и захвата керна состоит из нескольких клиньев 12 (фиг. 2), число которых равно или кратно количеству рядов резцов в коронке, так

как эти клинья вставляются в вырезы в коронке, расположенные в промежутках между упомянутыми рядами. На нижней части клиньев имеются резцы-пуансоны 13, армированные твердым сплавом, служащим для подрезки и скола керна. На верхней части клиньев имеются вырезы которыми клинья свободно надеваются на кольцо 14, имеющее внутренние плоские пружины 15, охватывающие керн 16.

Устройство 11 (фиг. 1, 3 и 4) для слома керна состоит из направляющей 17 спиральной формы, закрепленной горизонтально на внутренней боковой стенке колонковой трубы 7, керноломной плащки 18 и стопорного устройства 19 (фиг. 1). Стопорное устройство может быть выполнено в виде подпружиненного щарика, штыря, плащки и т. д. Оно может быть связано с клиньями или приводится от внещних источников энергии.

Стопорное устройство, удерживающее плащку-кернолом во время бурения и подрезки керна в исходном положении, не создающем помех вращению колонковой трубы, может представлять собой шток 20 (фиг. 4), перемещающийся по направляющим 21, закрепленным на внутренней стенке колонковой трубы 7.

Верхний конец штока 20, находясь в верхнем своем положении, запирает керноломная плащка 18 в исходном положении. Нижний конец щтока закреплен на одном из клиньев 12. Пружиной 22 шток 20 удерживается в верхнем положении.

Стопорное устройство работает следующим образом.

При подрезке керна осуществляется натяжение инструмента и его одновременное вращение. Резцы-пуансоны врезаются в тело керна, благодаря чему колонковая труба вместе с устройством для слома керна перемещается относительно клина 12 вверх. При этом верхний конец щтока 20, скрепленного с клином 12, по мере погружения резцов-пуансонов отходит от плашки-кернолома и в момент, когда резцыпуансоны полностью войдут в тело керна, происходит освобождение плашки-кернолома.

Керноломная плашка 18 вставлена в направляющую 17 в свободном состоянии с возможностью перемещения в ней по спирали. Плашка 18 может быть подпружинена таким образом, что в свободном состоянии она прижимается к керну, и в исходном положении удерживается стопорным устройством, благодаря чему во время бурения она не соприкасается с керном 16.

При бурении скважины в исходном положении щнековый бур опускается в скважину, коронка 9 находится на забое (фиг. 1), керноломная плащка 18 заперта и находится в исходном положении (фиг. 3).

При вращении щнекового бура с поверхности на колонковую трубу 7 и коронку 9 воздействуют осевая нагрузка, периодические удары вдоль оси скважины и в плоскости забоя, в результате чего коронка 9 внедряется в горную породу, прерывисто проворачивается, скалывая породу на некотором участке забоя. Выбуренная порода оттесняется к стенкам скважины, где подхватывается быстро вращающейся щнековой трубой и выносится в бункер 3 шнекового бура. При этом возможно облегчить очистку забоя скважины от выбуренной породы, подавая по трубам небольщое количество сжатого воздуха.

Динамический режим воздействия на породоразрущающий инструмент -и очистки скважины от выбуренной породы осуществляется следующим образом.

Буровая коронка 9 и колонковая труба 7 будучи связаны с наковальней 8 удерживают последнюю от вращения за счет сил трения и сопротивления породы разрущения. Вследствие этого при вращении бурового снаряда, а вместе с ним и ударника (через шлицевое соединение) винтовые выступы ударника перемещаются относительно винтовых выступов наковальни и ударник поднимается на высоту выступов, а затем, дойдя до уступа, падает и наносит удар по наковальне. В момент, когда выступ ударника срывается с выступа наковальни и начинает свободное падение с одновременным вращением, происходит зацепление радиальных кулачков трубы наковальни с радиальными кулачками, ударника и под действием крутящего момента, передаваемого буровым снарядом, а главное инерционных вращающихся масс ударника и шнека, происходит поворот наковальни, а с нею и колонковой трубы 7 с коронкой 9. Угол поворота зависит от продолжительности зацепления радиальных кулачков ударника и трубы наковальни, которое определяется временем падения ударника с уступа винтового выступа, а также скоростью вращения ударника.

После проворачивания коронки 9 и нанесения по ней удара цикл повторяется и в результате на коронку передаются периодические удары, а она прерывисто вращается. Учитывая значительную массу ударника, энергия удара, а также величина крутящего момента, прикладываемого к резцам коронки 9, весьма значительны, что обеспечивает интенсивное объемное разрушение породы на забое.

В процессе бурения, образуется керн 16 породы, который проходит через кольцо 14 поддерживающее клинья 12. Благодаря наличию на этом кольце пружин 15, обеспечивается удержание клиньев 12 в верхнем положении. Устройство для слома керна 11 находится в исходном положении и не препятствует процессу бурения. При срыве керна на первом этапе под резки керна - при подъеме бурового снаряда - коронка 9 и колонковая труба 7 при поднимаются, а клинья 12, под действием собственной тяжести и усилия, создаваемого трением пружины 15, кольца 14 о керн 16, остаются на месте, с силой прижимаясь резцами-пуансонами 13 к керну 16 ввиду наличия в коронке 9 конических поверхностей. При вращении бурового снаряда и одновременном натягивании его вверх, клинья 12 прижимаются к керну 16 и тормозят колонковую трубу 7. Вследствие этого приводится в действие ударный механизм 4 бура и под воздействием боковых ударов ударника происходит проворачивание колонковой трубы 7 вместе с клиньями 12 и резцами-пуансонами 13 и забивание последних в тело керна 16. В результате воздействия ударного механизма 4 на резцы-пуансоны 13 осуществляется подрезка керна 16, а также его скалывание в зоне действия резцов-пуансонов 13. Если в процессе подрезки не удалось сколоть керн, производится освобождение керноломной нлашки 18 из исходного положения способом, определенным для той или иной конструкции стопорного устройства 19. При вращении снаряда освобожденная плащка 18 тормозится о керн 16 и заклинивается между керном 16 и спиралью направляющей 17 устройства 11, в результате чего колонковая труба 7 тормозится. что обеспечивает приведение в действие ударного механизма 4. Под действием боковых ударов этого механизма, обладающего больщой инерционной массой, происходит дальнейщее заклинивание плашки 18, в результате чего создается очень большое усилие на боковую поверхность керна 16 и слом его в ослабленном подрезкой сечении. Таким образом, подрезка и слом керна осуществляются как результат взаимодействия резцов-пуансонов 13 и плашки 18 с ударным механизмом 4 шнекового бура, обеспечивающего придание этому процессу динамического характера. При подъеме инструмента керн 16 надежно удерживается клиньями 12 от выпадения из колонковой трубы 7 и может быть извлечен из последней только после снятия коронки 9. После извлечения керна, очистки бункера, перемещения керноломной плашки в исходное фиксируемое положение и прикрепления коронки снаряд может быть опущен в скважину для продолжения бурения. Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в увеличении производительности бурения, при разведке рассыпных месторождений полезных ископаемых в мерзлых галечниковых отложениях и сокращении эксплуатационных расходов на бурение скважин упомянутого назначения в связи с тем, что очистка скважины от выбуренной породы не требует применения мощных компрессоров или иных средств очистки скважин.

Фиг.

ШНЕКОВЫЙ БУР УДАРНОВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ, включающий пустотелую шнековую трубу, размещенный в ней кулачковый ударный механизм с наковальней и породоразрушающий инструмент, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости путем получения керна и повыщения надежности его отрыва и удержания, бур снабжен колонковой трубой с керноподрезным механизмом и керноломной плащкой, при этом колонковая труба жестко соединена с наковальней и породоразрушающим инструментом, а керноподрезной механизм выполнен в виде клиньев с резцами-пуансонами, установленных с возможностью продольного перемещения, причем колонковая труба имеет с внутренней стороны спиральную лаправляющую, в которой размещена керноломная плашка с возможностью перемещения по ией и фиксации посредством стопорного при% способления с клиньями керноподрезного (Л механизма.