Способ отрезки в скважине цилиндрической полой заготовки и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к отделению от массива полых заготовок большого диаметра, получающихся при выбуривании специальным алмазным инструментом из целика горной породы. Устройство содержит съемный подрезной узел, включающий режущие элементы, кронштейн, редуктор, фиксатор и эксцентрично расположенный электромотор. Устройство снабжено переходником для установки подрезного узла, связанного через бурильную трубу с буровым станком. Режущие элементы съемного подрезного узла представлены абразивными дисками. Ось вращения абразивных дисков установлена с возможностью поворота вместе с редуктором вокруг оси эксцентрично расположенного электромотора. Расстояние между абразивными дисками удовлетворяет математическому соотношению. Подрезной узел выполнен с возможностью замены на съемный узел разрушения перегородки между пропилами. Узел разрушения выполнен в виде полого поршня с кольцом из эластичного материала, например резины. Кольцо установлено на наружной поверхности поршня между двумя кольцевыми упорами. Один из упоров имеет возможность перемещаться под действием осевой нагрузки. Съемный узел разрушения выполнен с возможностью замены на съемный подрезной узел, с оставленным одним режущим элементом для прорезки заготовки до наружного диаметра цилиндрической полой заготовки. Перемещают режущий инструмент на заданную глубину и отрезают заготовку из внутренней полости перемещением инструмента в сторону наружной поверхности заготовки. Выполняют на стенке из внутренней полости цилиндрической заготовки несколько кольцевых пропилов на глубину, определяемую соотношением: H≤R, где H - глубина пропила, R - радиус внутренней полости цилиндрической заготовки. После выполнения пропилов съемный подрезной узел заменяют на узел разрушения. Буровым станком создают осевое усилие, сжимая кольцо из эластичного материала до соприкосновения с перегородкой между пропилами. Поочередно заполняют пропилы жидкостью и резко повышают гидравлическое давление до величины, превосходящей предел прочности перегородки. Перепад давления между образованными кольцевыми полостями приводит к разрушению перегородки. Разрушающая нагрузка на перегородку может быть создана при использовании расширяющейся при замерзании жидкости. Использование изобретения позволяет обеспечить отрезку в скважине цилиндрической полой толстостенной заготовки большого диаметра из твердых горных пород типа гранита на необходимую глубину с одновременным формированием гладкой торцевой поверхности. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам отделения от массива полых заготовок большого диаметра, получающихся при выбуривании специальным алмазным инструментом из целика горной породы, в том числе непосредственно на карьере.

Известен способ подрезки керна, опубликованный в кн. “Технология и техника разведочного бурения”, авт. Шамшев Ф.А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б. и др. М.: Недра, 1983, с. 273, заключающийся в том, что после прекращения углубки снаряд в течение нескольких минут вращают без подачи, но с полной промывкой для полной очистки забоя и подработки (частичной подрезки) керна по наружному диаметру. Недостатком данного способа является то, что подрезка осуществляется боковыми режущими элементами породоразрушающего инструмента только за счет вибрации вращающегося бурового снаряда, при этом глубина подрезки керна не превышает нескольких миллиметров, и область применения данного способа ограничивается диаметрами бурения в пределах 76-93 мм.

Известен также способ бурения и одновременного расширения ствола скважины с помощью раздвижных долот, например, Ш-ДРС-190.5/244.5, описанных в Сб. Научн. Трудов ВИТР “Методика и техника разведки”, № 7(145), 1996, с. 37, заключающийся в том, что во время бурения за счет осевой нагрузки и центробежных сил рабочие шарошки долота раздвигаются в стороны и одновременно с углублением скважины формируют полость увеличенного по сравнению с вышележащей частью скважины диаметра. Недостатком данного способа является ограничение области применения только породами низкой и средней твердости, необходимость углубки скважины при работе инструмента, а также невозможность значительного расширения скважины в связи с конструктивными особенностями поворачивающихся на оси консольно закрепленных рычагов (в данном случае - шарошечных долот). Так, например, указанное выше раздвижное долото способно увеличить диаметр скважины лишь на 50 мм при диаметре бурения 190 мм.

Наиболее близким к заявляемому способу и принятым за прототип является способ расширения скважины бурением снизу из нижерасположенных полостей (пат. RU 2169821, 2001 г., МПК E 21 B 7/28), согласно которому отрезание обуренного снаружи керна производят выдвижением резцов подрезного узла, создающих горизонтальный распил стенки керна из пилот-скважины перемещением в сторону наружной поверхности керна.

Прототип обладает следующими недостатками

- невозможность отрезки толстостенного керна, поскольку максимальная толщина прорезаемой стенки определяется необходимостью размещения полуколец с резцами в плоскости, перпендикулярной оси пилот-скважины, и в данном случае не может превышать 2/3 ее диаметра;

- невозможность разрушения твердых пород типа гранита, поскольку данная конструкция предусматривает в качестве разрушающего инструмента резцы, установленные на выдвижных полукольцах, а в местах точечных контактов резцов с забоем при разрушении твердых и абразивных горных пород возникают чрезвычайно высокие температуры, которые выводят из строя режущий элемент; кроме того, образующийся шлам в данном случае неминуемо приведет к заклиниванию полуколец и выходу из строя всего узла;

- невозможность создания необходимого для разрушения твердой породы радиального усилия, поскольку пропилы осуществляются из ствола скважины, связанной с нижерасположенной полостью, и необходима ее герметизация, а также еще целый ряд дополнительных условий.

Задачей изобретения является расширение диапазона отрезаемых заготовок за счет создания способа и устройства, обеспечивающих отрезку в скважине цилиндрической полой толстостенной заготовки большого диаметра из твердых горных пород типа гранита на необходимую глубину, но не менее 100 мм на сторону, с одновременным формированием гладкой торцевой поверхности, перпендикулярной оси заготовки.

Задача решается тем, что в способе отрезки в скважине цилиндрической полой заготовки режущий инструмент перемещают на заданную глубину, и подрезку ведут из внутренней полости в сторону наружной поверхности, согласно изобретению первоначально на стенке из внутренней полости цилиндрической заготовки выполняют несколько кольцевых пропилов на глубину, определяемую соотношением: Н≤R, где Н - глубина пропила, R - радиус полости цилиндрической заготовки, затем разрушают перегородки между пропилами и, используя объем образованной кольцевой полости для входа режущего инструмента, подрезают стенку заготовки до наружного диаметра цилиндрической полой заготовки.

Разрушение перегородок между пропилами производят герметизацией образованных пропилов друг относительно друга, поочередным заполнением жидкостью упомянутых пропилов и, создавая перепад давления между пропилами, путем резкого повышения, поочередно в каждом из пропилов, гидравлического давления жидкости до величины, создающей разрушающую нагрузку, превосходящую предел прочности перегородок между пропилами.

Разрушение перегородок между пропилами производят также герметизацией образованных пропилов друг относительно друга, поочередным заполнением упомянутых пропилов расширяющейся при замерзании жидкостью, а разрушающую нагрузку создают последующим ее замораживанием с одной из сторон перегородки, поочередно на уровне каждого из пропилов.

Технический результат достигается тем, что устройство для отрезки в скважине цилиндрической полой заготовки, содержащее подрезной узел, связанный через бурильную трубу с буровым станком, и включающее режущие элементы, согласно изобретению снабжено переходником для установки подрезного узла, включающего дополнительно кронштейн, редуктор, фиксатор и эксцентрично расположенный электромотор, при этом подрезной узел выполнен съемным для замены на съемный узел разрушения перегородки между пропилами, выполненный в виде полого поршня с кольцом из эластичного материала, например, резины, установленным на наружной поверхности поршня между двумя кольцевыми упорами, один из которых имеет возможность перемещения под действием осевой нагрузки, при этом съемный узел разрушения выполнен с возможностью замены на съемный подрезной узел, с оставленным одним режущим элементом, используемый для прорезки стенки заготовки до наружного диаметра цилиндрической полой заготовки, причем режущие элементы съемного подрезного узла представлены абразивными дисками, имеющими одну ось вращения, установленную с возможностью поворота вместе с редуктором вокруг оси эксцентрично расположенного электромотора, а расстояние между абразивными дисками удовлетворяет соотношению:

где τ - касательное напряжение при сдвиге, Н/м², τ≥[σ];

[σ] - допускаемое напряжение при растяжении для данного материала, Н/м²;

h - расстояние между абразивными дисками, м;

Р_н - давление в жидкости, Па;

D - наружный диаметр пропила, м;

d - диаметр внутренней полости заготовки, м.

Способ и устройство поясняются чертежами, где на фиг.1 изображено устройство для отрезки в скважине цилиндрической полой заготовки со съемным подрезным узлом при спуске во внутреннюю полость, на фиг.2 - эскизное изображение подрезного узла, на фиг.3 - подрезной узел при выполнении кольцевых пропилов, на фиг.4 - узел разрушения в рабочем положении, на фиг.5 - подрезной узел при выполнении прорезки стенки до наружного диаметра.

Устройство (фиг.1) включает переходник 1, связанный через бурильную трубу 2 с буровым станком 3, и съемный подрезной узел 4, смонтированный на переходнике 1, который вводится во внутреннюю полость 5 диаметром d цилиндрической полой заготовки с помощью бурильной трубы 2, а наружный диаметр D₁ цилиндрической полой заготовки ограничен полостью 6 ствола скважины.

Подрезной узел 4 (фиг.2) кронштейн 7, смонтированный на переходнике 1, эксцентрично расположенный электромотор 8, редуктор 9 с осью 10 и фиксатором 11, пружину 12, ось абразивных дисков 13, абразивные диски 14, установленные на расстоянии h друг от друга.

На фиг.3 приведена схема выполнения пропилов диаметром D в стенке 15 цилиндрической полой заготовки с образованными кольцевыми полостями 16 и 17, разделенными перегородкой 18. Здесь Н - глубина попила, R - радиус полости цилиндрической заготовки.

Узел разрушения (фиг.4) включает поршень 19, неподвижный кольцевой упор 20, кольцо 21, подвижный кольцевой упор 22 и упорную втулку 23 с отверстиями 24.

На фиг.5 изображено выполнение прорезки стенки 15 с помощью абразивного диска 14 до наружного диаметра D₁ цилиндрической полой заготовки при введении оси 13 абразивных дисков 13 в кольцевую полость 25.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. По окончании бурения, когда сформированы полость 6 ствола скважины, наружный D₁ и внутренний d диаметры заготовки (фиг.1), во внутреннюю полость 5 на заданную глубину опускают закрепленный на бурильной трубе с помощью переходника 1 съемный подрезной узел 4, абразивные диски 14 которого (фиг.2) приводятся во вращение эксцентрично расположенным электромотором 8 через редуктор 9. При этом ось 13 абразивных дисков зафиксирована в положении соосности с осью переходника 1. С помощью бурильной трубы 2 создается радиальное усилие, которое позволяет абразивным дискам 14 врезаться в стенку 15 заготовки (фиг.3); круговая траектория пропила создается при перемещении буровым станком 3 бурильной трубы 2 с одновременным ее вращением вокруг оси внутренней полости 5 цилиндрической заготовки. Глубина выполняемых пропилов определяется соотношением: Н≤R, где Н - глубина пропила, R – радиус внутренней полости 5 заготовки (Н=).

После выполнения пропилов съемный подрезной узел 4 с помощью ведущей трубы 2 извлекается из полости 5 на поверхность, где отсоединяется от переходника 1 и заменяется узлом разрушения.

Узел разрушения (фиг.4) вводится в во внутреннюю полость 5 до соприкосновения с забоем, после чего с помощью установленного на поверхности насоса (на чертеже не представлен) через бурильную трубу 2, переходник 1, поршень 19 и отверстия 24 в упорной втулке 23 кольцевые полости 16 и 17 заполняются жидкостью. Через ведущую трубу 2 станком 3 создается дополнительное осевое усилие, под действием которого упорная втулка 23 перемещает подвижный кольцевой упор 22 и сжимает кольцо 21; при осевом сжатии наружный диаметр кольца 21, выполненного из эластичного материала, например, резины, увеличивается до соприкосновения с перегородкой 18, и кольцевые полости 16 и 17 герметично изолируются друг от друга.

В жидкости, заполняющей кольцевую полость 16, с помощью насоса резко повышают давление до величины, превосходящей предел прочности перегородки 18. Перепад давления между кольцевыми полостями 16 и 17 приводит к разрушению перегородки 18 с образованием кольцевой полости 25 в стенке 15 цилиндрической полой заготовки. После разрушения перегородки 18 осевая нагрузка, создаваемая станком 3 через бурильную трубу 2, снижается до нуля, кольцо 21 под действием упругих сил разжимается, сдвигая подвижный кольцевой упор 22 и упорную втулку 23 в исходной положение, и его наружный диаметр уменьшается до первоначального размера.

Разрушающая нагрузка на перегородку 18 может быть создана также при использовании жидкости, объем которой увеличивается при замерзании. В этом случае жидкость с одной из сторон перегородки замораживается, например, с помощью жидкого азота, и усилие, возникающее при расширении замерзающей жидкости, разрушает перегородку 18, после чего узел разрушения на ведущей трубе также извлекается на поверхность.

На поверхности узел разрушения отсоединяется от переходника 1 и заменяется съемным подрезным узлом 4 (фиг.2), на оси 13 абразивных дисков которого монтируется только один абразивный диск 14, а пружина 12 приводится в рабочее положение и создает крутящий момент относительно оси 10 редуктора 9, при этом редуктор 9 стопорится фиксатором 11 в положении, обеспечивающем соосность переходника 1 и оси 13 абразивных дисков 13 (то есть в положении, указанном на фиг.1 и 2).

После спуска подрезного узла на заданную глубину фиксатор 11 освобождает пружину 12 и, поворачиваясь на оси 10 редуктора 9, ось 13 абразивных дисков с одним абразивным диском 14 входит в образованную полость 25, из которой осуществляется окончательная прорезка стенки 15 до наружного диаметра D₁ цилиндрической полой заготовки (фиг.5).

После сквозной прорезки стенки 15 цилиндрическая полая заготовка, вывешенная с помощью специальных захватов, извлекается на поверхность.

Применением заявленного способа достигается значительное снижение трудозатрат и экономия невосполнимого природного материала при изготовлении крупногабаритных каменных валов и колонн, что особенно ценно, поскольку появляется возможность получения заготовок непосредственно из коренной залежи, без предварительного вырубания призматических монолитов.

Формула изобретения

1. Способ отрезки в скважине цилиндрической полой заготовки, заключающийся в перемещении режущего инструмента на заданную глубину, отрезки заготовки из внутренней полости перемещением инструмента в сторону наружной поверхности заготовки, отличающийся тем, что первоначально на стенке из внутренней полости цилиндрической заготовки выполняют несколько кольцевых пропилов на глубину, определяемую соотношением

Н ≤ R,

где Н - глубина пропила;

R - радиус внутренней полости цилиндрической заготовки, затем разрушают перегородки между пропилами и, используя объем образованной кольцевой полости для входа режущего инструмента, прорезают стенку заготовки до наружного диаметра цилиндрической полой заготовки.

2. Способ отрезки в скважине цилиндрической полой заготовки по п.1, отличающийся тем, что разрушение перегородок между пропилами производят герметизацией образованных пропилов друг относительно друга, поочередным заполнением жидкостью упомянутых пропилов и создавая перепад давления между пропилами путем резкого повышения поочередно в каждом из пропилов гидравлического давления жидкости до величины, создающей разрушающую нагрузку, превосходящую предел прочности перегородок между пропилами.

3. Способ отрезки в скважине цилиндрической полой заготовки п.1, отличающийся тем, что разрушение перегородок между пропилами производят герметизацией образованных пропилов друг относительно друга, поочередным заполнением упомянутых пропилов расширяющейся при замерзании жидкостью, а разрушающую нагрузку создают последующим ее замораживанием с одной из сторон перегородки, поочередно на уровне каждого пропила.

4. Устройство для отрезки в скважине цилиндрической полой заготовки, содержащее подрезной узел, связанный через бурильную трубу с буровым станком, и включающий режущие элементы, отличающееся тем, что оно снабжено переходником для установки подрезного узла, включающего дополнительно кронштейн, редуктор, фиксатор и эксцентрично расположенный электромотор, при этом подрезной узел выполнен съемным для замены на съемный узел разрушения перегородки между пропилами, выполненный в виде полого поршня с кольцом из эластичного материала, например резины, установленным на наружной поверхности поршня между двумя кольцевыми упорами, один из которых имеет возможность перемещения под действием осевой нагрузки, при этом съемный узел разрушения выполнен с возможностью замены на съемный подрезной узел, с оставленным одним режущим элементом, используемый для подрезки стен заготовки до наружного диаметра цилиндрической полой заготовки, причем режущие элементы съемного подрезного узла представлены абразивными дисками, имеющими одну ось вращения, установленную с возможностью поворота вместе с редуктором вокруг оси эксцентрично расположенного электромотора, а расстояние между абразивными дисками удовлетворяет соотношению

где τ - касательное напряжение при сдвиге, Н/м², τ≥[σ];

[σ] - допускаемое напряжение при растяжении для данного материала, Н/м²;

h - расстояние между абразивными дисками, м;

Р_н - давление в жидкости, Па;

D - наружный диаметр пропила, м;

d - диаметр внутренней полости заготовки, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5