Шнековая буровая штанга
Владельцы патента RU 2320846:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет" (Новочеркасский политехнический институт) (RU)
Изобретение относится к бурению скважин, а именно к шнековым буровым штангам. Обеспечивает сохранение диаметра скважин, повышение прочности их стенок, исключение прихвата штанги в условиях бурения влажных грунтов. Штанга содержит полую трубу, винтовую спираль и установленные на ее нерабочей поверхности на осях, перпендикулярно плоскости последней, с возможностью вращения центрирующие элементы. Центрирующие элементы выполнены в виде конических дисков с упрочненной рабочей поверхностью и предназначены для взаимодействия со стенками скважины. Угол образующей конуса дисков равен углу подъема винтовой спирали. Упрочненная рабочая поверхность конических дисков выполнена гладкой. Конические диски связаны с осями посредством эксцентриковых втулок, которые установлены с возможностью поворота на угол, обеспечивающий при реверсивном вращении шнековой буровой штанги увод конических дисков под винтовую спираль. Проекция образующей конических дисков на винтовую спираль с предельным износом по диаметру касательна к ее торцевой поверхности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к бурению скважин, а именно к шнековым буровым штангам.
Известна шнековая буровая штанга, содержащая трубу и винтовую спираль для транспортирования буровой мелочи (Вращательное шнековое бурение геологоразведочных скважин /Д.Н.Башкатов, Ю.А.Олоновский. - М.: Недра, 1968, стр.132, 135, 136).
Недостаток данной шнековой буровой штанги заключается в повышенном износе торцевой поверхности винтовой спирали при бурении абразивных пород и затруднениях с извлечением шнековых буровых штанг из скважин при бурении вязких грунтов, т.к. образующаяся на стенках «штукатурка» уменьшает зазор между торцами винтовой спирали и стенками скважины, приводит к прихвату шнековых буровых штанг.
Наиболее близким техническим решением является шнековая буровая штанга, содержащая трубу, винтовую спираль и установленные на ее нерабочей поверхности на осях, перпендикулярно плоскости последней, с возможностью вращения центрирующие элементы для взаимодействия со стенками скважины, выполненные в виде конических дисков с упрочненной рабочей поверхностью, угол образующей конуса дисков которой равен углу подъема винтовой спирали (А.С. СССР, №1146401, Е21В 17/22, 23.03.85, Бюл. №11).
Данное техническое решение за счет наличия на винтовых спиралях конических дисков с упрочненной рабочей поверхностью в виде зубьев позволяет разрыхлять твердую штукатурку на стенках скважин при бурении крепких пород, снижает силы трения торца винтовой спирали и уменьшает энергозатраты процесса бурения.
Недостатком известной шнековой буровой штанги является низкая производительность при бурении вязких грунтов из-за отсутствия на стенках скважины плотной и твердой «штукатурки», легко разрушаемой коническими зубчатыми дисками, путем ее рыхления и скалывания. В данных условиях перекатывание зубчатых конических дисков будет затруднено и приведет к образованию глубоких борозд и вырывов мягкой штукатурки стенок скважины, их интенсивному оплыванию и уменьшению диаметра буримой скважины со всеми вытекающими отсюда последствиями. При этом до момента отбраковки буровых шнековых штанг по фактору их предельного износа по диаметру (7-10% от первоначального диаметра, см. Нормативный справочник по буровзрывным работам/ Ф.А.Авдеев и др. М.: Недра, 1986. - С.368) зубчатые конические диски будут все больше выходить за торцевую поверхность винтовой спирали шнековых буровых штанг, затруднять их извлечение из скважины, разрушать стенки скважин, что также будет снижать эффективность применения данного технического решения на влажных грунтах.
Изобретение направлено на повышение эффективности применения шнековых буровых штанг на влажных грунтах.
Указанная цель достигается тем, что в шнековой буровой штанге, содержащей трубу, винтовую спираль и установленные на ее нерабочей поверхности на осях, перпендикулярно плоскости последней, с возможностью вращения центрирующие элементы для взаимодействия со стенками скважины, выполненные в виде конических дисков с упрочненной рабочей поверхностью, угол образующей конуса дисков которой равен углу подъема винтовой спирали, упрочненная рабочая поверхность конических дисков выполнена гладкой, а сами конические диски связаны с осями посредством эксцентриковых втулок, которые установлены с возможностью поворота на угол, обеспечивающий при реверсивном вращении шнековой буровой штанги увод конических дисков под винтовую спираль, при этом проекция образующей конических дисков на винтовую спираль с предельным износом по диаметру касательна к ее торцевой поверхности. Кроме того, в шнековой буровой штанге на внутренних поверхностях эксцентриковых втулок выполнены выступы, а на наружных поверхностях осей - пазы, взаимодействующие своими стенками с выступами эксцентриковых втулок при крайних положениях конических дисков.
На фиг.1 изображен общий вид шнековой буровой штанги; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - шнековая буровая штанга, вид сверху; на фиг.4 - сечение Б-Б на фиг.2 (рабочее направление вращения); на фиг5 - сечение Б-Б на фиг.2 (реверсивное вращение).
Шнековая буровая штанга содержит полую трубу 1 и винтовую спираль 2, на нерабочей поверхности 3 которой, на осях 4 с определенным шагом, перпендикулярно плоскости нерабочей поверхности 3, с возможностью вращения установлены центрирующие элементы для взаимодействия со стенками 5 скважины и защиты торцевой поверхности 6 винтовой спирали 2 от износа. Центрирующие элементы выполнены в виде конических дисков 7 с гладкой упрочненной (например, поверхностная закалка токами высокой частоты) рабочей поверхностью 8.
Угол образующей α конуса диска 7 равен углу подъема α винтовой спирали 2 шнековой буровой штанги. Конические диски 7 свободно установлены на эксцентриковых втулках 9, которые установлены на осях 4 с возможностью поворота на некоторый угол β при реверсивном вращении шнековой буровой штанги и увода конических дисков 7 под винтовую спираль 2. Максимальный угол поворота β эксцентриковых втулок 9 ограничен положением конических дисков 7, при котором проекция их образующей на винтовую спираль 2 с предельным износом 10 по диаметру касательна к ее торцевой поверхности 6. Конические диски 7 закреплены от осевого перемещения по осям 4 посредством гайки 11 и двух шайб 12 и 13. На наружной поверхности осей 4 выполнены пазы 14, взаимодействующие своими стенками 15 и 16 с выступами 17 (например, шпонка), расположенными на внутренних поверхностях эксцентриковых втулок 9 при крайних положениях конических дисков 7.
Шнековая буровая штанга работает следующим образом. Перед началом бурения конические диски 7 устанавливаются в крайнее рабочее положение (фиг.4), при котором их образующие контактируют со стенками 5 скважины путем поворота эксцентриковых втулок 9 вместе с выступами 17 и их перемещения в пазах 14 осей 4 до упора в стенки 15, после чего включается вращение шнековой буровой штанги в рабочем направлении. В процессе бурения влажных грунтов конические диски 7, взаимодействуя со стенками 5 скважины, обкатываются по ее образующей, чему способствует угол α образующей конуса диска 7, который равен углу подъема винтовой спирали 2. Обкатываясь по стенкам 5 скважины, конические диски 7 своими гладкими упрочненными рабочими поверхностями 8 уплотняют и вдавливают (раскатывают) «штукатурку» в стенки 5 скважины, не давая возможности им оплывать.
По достижении проектной глубины шнековой буровой штанге придается реверсивное вращение, в результате которого конические диски 7 начинают обкатываться по уплотненным стенкам 5 в обратном направлении, передавая усилие отпора стенок 5 скважины на эксцентриковые втулки 9 (фиг.5), которые, поворачиваясь на некоторый угол в пазах 14 осей 4, своими выступами 17 уводят конические диски 7 под винтовую спираль 2, исключая тем самым активный контакт конических дисков 7 со стенками 5 скважины, и предохраняют их от разрушения при извлечении шнековых буровых штанг.
По мере достижения предельного износа 10 (фиг.4, 5) винтовой спирали 2 эксцентриковые втулки 9 будут при реверсивном вращении шнековой буровой штанги поворачиваться в пазах 14 осей 4 и упираться своими выступами 17 в стенки 16 пазов 14, что будет свидетельствовать о достижении предельного износа 10 винтовой спирали 2 по диаметру.
Данное техническое решение позволяет повысить прочность стенок скважины при сохранении их диаметра, исключает случаи прихвата шнековых буровых штанг в скважине, облегчает их извлечение из скважины, упрощает процедуру отбраковки изношенных буровых штанг и в целом повышает эффективность буровых работ во влажных грунтах.
1. Шнековая буровая штанга, содержащая трубу, винтовую спираль и установленные на ее нерабочей поверхности на осях, перпендикулярно плоскости последней, с возможностью вращения центрирующие элементы для взаимодействия со стенками скважины, выполненные в виде конических дисков с упрочненной рабочей поверхностью, угол образующей конуса дисков которой равен углу подъема винтовой спирали, отличающаяся тем, что упрочненная рабочая поверхность конических дисков выполнена гладкой, а сами конические диски связаны с осями посредством эксцентриковых втулок, которые установлены с возможностью поворота на угол, обеспечивающий при реверсивном вращении шнековой буровой штанги увод конических дисков под винтовую спираль, при этом проекция образующей конических дисков на винтовую спираль с предельным износом по диаметру касательна к ее торцевой поверхности.
2. Шнековая буровая штанга, отличающаяся тем, что на внутренних поверхностях эксцентриковых втулок выполнены выступы, а на наружных поверхностях осей - пазы, взаимодействующие своими стенками с выступами эксцентриковых втулок при крайних положениях конических дисков.
