Расширитель скважин Советский патент 1993 года по МПК E21B7/28 

Изобретение относится к буровому инструменту, а именно к расширителям для проведения восстающих скважин большого диаметра в условиях неоднородного массива угля с породными включениями.

Известен расширитель скважин включающий вал, связанный с приводной штангой, на котором закреплены крестовины с кольцами-гребенками, армированные пластинками твердого сплава (1).

Недостатком этого расширителя является излишнее измельчение угля и образование большого количества (до 70%) мелких фракций, образуемых при бурении, что повышает энергозатраты и увеличивает запыленность воздуха.

Известен расширитель обратного хода, включающий литой корпус, в каждом луче которого имеется по два прямоугольных паза под резцы И-79, вал и зубки (1).

Наличие одного зубка в линии резания вызывает повышенную динамичность работы расширителя, приводит к поломкам режущего инструмента и порывам бурового става.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является расширитель скважин, включающий вал с присоеди

СО

о о

Ј

ненным хвостовиком, крестовину с зубками, ступенчато установленными в паре со ска- лывателями, которые выполнены в виде тангенциальных резцов и установлены по отношению к зубку с радиальным смещением в направлении к оси вала 0,5 шага зубков

(2).,

При работе этого расширителя по мере внедрения зубков в массив на определенную глубину в работу вступают скалыватели, установленные под острым углом к забою, что обеспечивает скол крупными фракциями и направление разрушенных частиц в сторону передовой скважины.

При расширении скважин в условиях неоднородного массива (присечка породы, наличие породных прослойков и включений железняка) возникают низкочастотные вы- сокоамплитудные колебания инструмента, которые резонируют с собственными колебаниями инструмента, как правило, приводящим к порывам бурового става или поломкам расширителя.

Целью изобретения является повышение надежности работы расширителя при бурении в массиве угля с породными включениями путем перевода низкочастотных высокоамплитудных колебаний бурового инструмента в высокочастотные низкоамплитудные колебания, исключающие возникновение резонанса.

Указанная цель достигается тем, что крестовины снабжены кольцевыми коронками разного диаметра, а зубки закреплены на коронках.и установлены в линиях резания асимметрично, при этом минимальное количество зубков коронки минимального диаметра определяют из выражения

m

(0,8 - 0,9) fмин

где fe. - верхняя граница резонансной частоты для расширителя;

Тмин - наименьшая частота вынужденных колебаний расширителя при одиночном резце в линии резания.

Причем количество последующей коронки определяют относительно количества

резцов предыдущей из соотношения ---,

где п - число ступеней расширения в расширителе.

На фиг,1 изображен расширитель скважин, общий вид; на фиг.2 - схема расположе- ния зубков, развернутая в линию, поясняющая, что расстояния между зубками различны,

Расширитель скважин содержит коронки 1, закрепленные на шлицевом валу 2 с

хвостовиками 3 для присоединения к буровому ставу, и центрирующего фонаря 4. На коронах 1 установлен породоразрушающий инструмент, включающий зубки 5 и не ме- нее двух скалывателей 6.

Расширитель работает следующим образом.

Коронки 1 расширителя приводят во вращение буровым станком (не показан)

0 через шлицевой вал 2 с хвостовиком 3. Цен- трирующий фонарь 4 при работе расширителя уменьшает его смещения в плоскости перпендикулярной оси скважины. Зубки 5 прорезают в плоскости забоя канавки и об5 разуют кольцевой керн, который по мере осевого перемещения расширителя разрушается скалывающими зубками 6 на крупные фрагменты. В момент контакта резца 5 с породным включением происходит удар0 мое нагружение резца, вызывающее уменьшение скорости его движения или кратковременную остановку в пределах упругой деформации бурового става, затем происходит повышение крутящего момента

5 за счет запасенной вращающими массами кинетической энергии. После разрушения элемента породного включения резец за счет упругого раскручивания бурового става приобретает окружную скорость, большую

0 средней скорости вращения, Таким образом, при разрушении породного включения происходят знакопеременные крутильные деформации бурового става. Частота упругих деформаций пропорциональна числу

5 резцов и частоте вращения бурового инструмента. Поэтому для исключения вероятности появления резонансных частот необходимо увеличить частоту вынужденных колебаний бурового инструмента до

0 значений, превышающих максимальную величину свободных колебаний. Это достаточно просто достигается увеличением числа резцов 5 в линии резания. Кроме того, при увеличении числа резцов уменьшается

5 величина снимаемой стружки, что соответствует снижению амплитуды упругих ко- лебаний и, следовательно, снижению амплитуды вынужденных колебаний при случайном нахождении упругой системы в

0 резонансной зоне.

Так как возникновение резонанса возможно и при малых деформациях, то для полного его исключения применено асимметричное расположение резцов в коронке,

5 причем большее расстояние между соседними резцами чередуется с меньшим и в пределах одной коронки не повторяется. Это дает возможность исключения синфаз- ности вынужденных колебаний и обеспечивает их взаимоуничтожение.

Минимальное количество резцов в коронке, исходя из условия безрезонансного режима работы расширителя и обеспечения усталостной прочности элементов упругой системы, определяется по формуле: fB

m

(0,8-0,9)fMHH

где fB - верхняя граница резонансной частоты для расширителя;

fin™ - наименьшая частота вынужденных колебаний расширителя при одиночном резце в линии резания;

(0,8-0,9) - коэффициент, учитывающий запас усталостной прочности при сложном напряженном состоянии упругой системы (при наличии продольных и крутильных колебаний).

Для обеспечения равнонагруженностй их число в линии резания должно быть вполне определенным. Количество резцов последующей коронки определяют относи- тельно количества резцов предыдущей коронки из соотношения , где п - число

ступеней расширения в расширителе.

В частности для четырехступенчатого

расширителя .

Использование в горной промышленности расширителя предлагаемой конструкции обеспечит надежное проведение восстающих скважин большого диаметра в

условиях неоднородного массива угля с породными включениями, при этом динамическое воздействие на буровой став снижается в 1,2-1,4 раза.

Использование: для проведения восстающих скважин большого диаметра в условиях неоднородного массива угля с породными включениями. Цель изобретения - повышение надежности работы расширителя. Сущность: расширитель скважин содержит вал со ступенчато установленными на нем крестовинами, скалыватели и раз- мещенные в линии резания зубки. Крестовины снабжены кольцевыми коронками разного диаметра, а зубки закреплены на коронках и установлены в линиях резания асимметрично, при этом минимальное количество зубков коронки минимального диаметра определяют из выражения: т 7ГГ5- тег - гДе fe верхняя граница (и,О - U,3j Тмин резонансной частоты для расширителя; 1Рмин -наименьшая частота вынужденных колебаний расширителя при одиночном резце в линии резания. Причем количество резцов последующей коронки определяют относительно количества резцов предыдуп +1 гдепщей коронки из соотношения п число ступеней расширения в расширителе. 1 з.п.ф-лы, 2 ил. ел с

Формула изобретения

минимального диаметра определяют из выражения

m fB/(0,8 - 0,9) Гмин, где fB - верхняя граница резонансной частоты для расширителя;

fMHH - наименьшая частота вынужденных колебаний расширителя при одиночном резце в линии резания.

PUS. f

V. 2