Буровая коронка



Буровая коронка
Буровая коронка

 


Владельцы патента RU 2522685:

Открытое акционерное общество "Завод бурового оборудования" (RU)

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для геологоразведочного бурения преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником. В буровой коронке резцы, прочно связанные с ними державки, а также выполненные заодно с державками хвостовики, имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения, которая расположена на среднем диаметре торца корпуса коронки. Цилиндрические хвостовики державок, вместе с упирающимся в них упорным подшипником, с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, входят в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси. Резцы удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика. Технический результат заключается в повышении долговечности коронки, увеличении механической скорости и снижении энергоемкости процесса бурения. 2 ил.

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для геологоразведочного бурения преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником.

В таких условиях буровая коронка должна иметь высокий ресурс и механическую скорость бурения. Максимальным ресурсом обладают многослойные алмазные или так называемые импрегнированные коронки.

Известна принятая за прототип, одна из наиболее долговечных импрегнированных алмазных буровых коронок типа К-41 для бурения со съемным керноприемником комплекса КССК-76 (см. Будюков и др. Алмазный породоразрушающий инструмент. - Тула: ИПП «Гриф и К», 2005. - 288 с., ил.), возможности повышения долговечности которой, как и подобных ей, путем усиления вооружения, исчерпаны из-за ограниченности ресурса ее резцов, формирующих стенки скважины и керн.

Задача изобретения состоит в увеличении калибрующего вооружения коронки, обрабатывающего стенки скважины и керн, что позволит соответственно повысить ресурс вооружения, выполняющего работу по разрушению забоя, и, как следствие, ресурс коронки по вооружению в целом.

Для решения этой задачи в буровой коронке резцы, прочно связанные с ними державки, а также выполненные заодно с державками хвостовики, имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения, которая расположена на среднем диаметре торца корпуса коронки, причем цилиндрические хвостовики державок, вместе с упирающимся в них упорным подшипником, входят, с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси. При этом резцы удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика

Изобретение иллюстрируется чертежами, где изображены:

на фиг.1 - вид с торца алмазной буровой коронки с цилиндрическими резцами, оси которых расположены на среднем диаметре торца корпуса коронки,

на фиг.2 - сечение А-А коронки, представленной на фиг.1.

Для упрощения чертежей и большей их наглядности промывочные окна, шламовые пазы и уплотнительные элементы не показаны.

Буровая коронка отличается тем, что резцы 1, прочно связанные с ними державки 2, а также выполненные заодно с державками хвостовики 3 имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения. Цилиндрические хвостовики 3 державок вместе с упирающимся в них упорным подшипником 4 и пятой 5 входят, с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, в глухие отверстия 6, выполненные с торца тела коронки 7 параллельно ее оси. При этом резцы удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику 8, установленному через боковое отверстие 9 в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку 10, выполненную у нижнего конца хвостовика 3.

Заявляемая конструкция буровой коронки позволяет решить поставленную задачу. Действительно, резцы предлагаемой буровой коронки благодаря цилиндрической форме и общей оси вращения с державками и хвостовиками, опирающимися на упорные подшипники, имеют возможность одновременного вращения вокруг своей оси и создания нагрузки на забой скважины для его разрушения.

В данном случае (см. фиг.1) оси всех резцов расположены на среднем диаметре торца корпуса коронки и сцепление резца со стенкой скважины обусловливает его вращение против часовой стрелки, а сцепление с керном, наоборот, - по часовой. Но, поскольку крутящий момент на наиболее отдаленных от оси коронки точках резца больше, он должен проворачиваться против часовой стрелки. Вместе с тем, за счет контакта с дном забоя, в результате, здесь возможно вращение резца с проскальзыванием. Вращение резцов с проскальзыванием создает условия возникновения практически всех видов разрушения горных пород - истирание, резание, скалывание, смятие и раздавливание в различных комбинациях в зависимости от их физико-механических свойств и применяемых режимов бурения.

В случае же расположения осей одной части резцов ближе к наружному диаметру корпуса коронки, а другой - к внутреннему, то, поскольку они контактируют или только со стенкой скважины или только с керном, то, с учетом контакта их также с дном забоя, степень проскальзывания резцов будет значительно меньше, и, как следствие, реализацию получит такой вид разрушения горной породы, как смятие и раздавливание (см. Сулакшин С.С. Бурение геологоразведочных скважин: Справочное пособие. - М.: Недра, 1993. - 334 с.: ил.).

Далее, вращение резцов вокруг своей оси обеспечивает более высокую вооруженность подрезными алмазами. Действительно, матрицу обычной алмазной буровой коронки можно представить в виде набора штабиков квадратной формы со стороной «а», равной ширине матрицы. В каждом таком штабике подрезные алмазы можно разместить только на внутренней и внешней стороне квадрата, т.е. на длине 2а. В предлагаемой коронке с расположением оси резцов на среднем диаметре ее торца, штабики цилиндрической формы имеют диаметр той же величины «а», и, поскольку подрезные алмазы расположены по всей длине окружности штабика, т.е. на длине 3,14а, вооруженность вращающегося резца подрезными алмазами в цилиндрическом штабике в 1,57 раза выше (3,14а:2а=1,57), чем в квадратном с двумя рабочими сторонами. Учитывая, что цилиндрические резцы установлены с зазором и их площадь забоя за счет этого чуть меньше, чем у обычной, преимущество в вооруженности подрезными алмазами выше не в 1,57, а в 1,5 раза. Следовательно, при прочих равных условиях долговечность такой коронки в сравнении с обычной также в 1,5 раза выше.

Таким образом, применение предлагаемой буровой коронки обеспечивает, с одной стороны, благодаря возможности вращения резцов вокруг своей оси более эффективное разрушение горной породы и, с другой, в результате усиления вооруженности подрезными резцами, - более высокий ее ресурс.

Пример реализации предлагаемой буровой коронки.

В качестве примера принимаем алмазную буровую коронку диаметром 76 мм для бурения комплексом КССК-76. Внутренний диаметр коронки 40 мм. Толщина матрицы 18 мм. В этих габаритных параметрах размещены все конструктивные элементы предлагаемой алмазной коронки, представленной на фиг.1 и 2. Алмазоносные штабики цилиндрического профиля имеют максимальный диаметр 18 мм, т.е. равный разности наружного и внутреннего диаметра обычной коронки, применяемой при бурения комплексом КССК-76. Учитывая, что ресурс подрезных резцов предлагаемой коронки в 1,5 раза выше в сравнении с обычной, высоту ее матрицы увеличиваем также в 1,5 раза, что обеспечивает соответствующее повышение долговечности коронки. Диаметр хвостовика, пяты упорного подшипника и соответствующего им отверстия равен 8 мм. В качестве упорного подшипника принимаем шарик диаметром 6 мм по ГОСТ 3722-81. Бурение проводим с применением снаряда со съемным керноприемником в породах IХ-Х категорий буримости. Частота вращения - до 1500 об/мин.

Удельную осевую нагрузку принимаем максимальную в соответствии с рекомендациями для алмазного бурения (см. Бурение разведочных скважин. Учеб. для вузов / Н.В. Соловьев и др.; под общ. ред. Н.В. Соловьева. - М.: Высш. шк., 2007. - 2007., 904 с.; ил.) в породах Х категории буримости, равную 1,0 кН/см2. Всего в работе 12 резцов. Площадь рабочей поверхности резца с учетом промывочных окон и шламовых пазов равна 2,1 см2. Следовательно, нагрузка на резец составит 2,1 кН, а общая нагрузка на коронку - 2,1×12=25,2 кН.

Проверяем прочность тела коронки, которое, в местах сопряжения цилиндрического хвостовика державки подвижного резца со стенкой отверстия, испытывает напряжения смятия от действия окружной силы вращения при разрушении породы на забое. В качестве материала для корпуса коронки примем сталь 35 с пределом текучести 294 Н/мм2.

Сначала определяем затраты мощности на вращение обычной алмазной коронки из следующей зависимости (см. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: В 2-х томах / Под общей редакцией проф. Е.А. Козловского. - Том 2 - М.: Недра, 1984, 437 с.):

где:

Р - осевая нагрузка на коронку, Н;

nвр - частота вращения коронки, об/мин;

Dн - наружный диаметр коронки, мм;

Dв - внутренний диаметр коронки, мм.

Поскольку Р=25200 Н; nвр=1500 об/мин; Dн=76 мм; Dв=48 мм, имеем

N=0,81×10-8×25200×1500(76+48)=38 кВт.

Крутящий момент на коронке

Мкр=9552×38:1500=242 Нм.

Учитывая, что радиус буровой коронки равен

R=76:2:1000=0,038 м,

и что одновременно работают 12 резцов, находим среднюю расчетную окружную силу на один резец

Площадь Sот внутренней поверхности отверстия диаметром d=8 мм, воспринимающая боковую нагрузку смятия, будет равна:

где: h - высота сопряжения цилиндрического хвостовика с нижней кромкой внутренней поверхности отверстия, связанная с его перекосом, величина которого зависит от зазора между отверстием и цилиндрическим хвостовиком державки. Учитывая, что цилиндрический хвостовик входит в отверстие с минимальным зазором (например, по скользящей посадке), принимаем величину h=0,2 мм. Тогда:

Sот=3,14×8×0,2:2=2,51 мм2,

и напряжение смятия будет равно

530:2,51=211 Н/мм2.

При нагрузке смятия допускаемое напряжение для стали 35 составит 294×2,25=662 Н/мм2, где 294 - предел текучести стали 35, Н/мм2, а запас прочности тела корпуса коронки на смятие будет равен

662:211=3,1,

что достаточно.

Проверяем прочность опорной поверхности упорного подшипника, представляющего собой шарик диаметром 6 мм с пятой. Согласно ГОСТ 3722-81 твердость шарика не менее 62HRC, разрушающая сила 22000 Н (2245 кг). Запас прочности находим для пяты и рабочего торца хвостовика, сегментная поверхность которых в сопряжении с шариком определяется следующей зависимостью:

где:

d - диаметр шарика;

Н - высота сегментной поверхности на контакте шарика с пятой или рабочим торцом хвостовика. При d=6 мм и Н=2 мм имеем:

S=3,14×6×2=37,7 мм2.

Максимальное напряжение смятия в подшипнике (на рабочей поверхности пяты или хвостовика):

2100:37,7=55,7 Н/мм2.

Запас прочности, при допускаемом напряжении на смятие 662 Н/мм2, составит

662: 55,7=11,9,

что достаточно.

Для обеспечения высокой износостойкости рабочих поверхностей пяты и хвостовика подвергаем их карбонитрации, что повышает твердость этих поверхностей до 56 HRC, т.е. до величины, близкой к твердости поверхности шарика.

Приведенный пример реализации предлагаемой конструкции буровой коронки при оптимальных параметрах режима бурения и с учетом реальных нагрузок, воспринимаемых наиболее ответственными элементами конструкции в процессе разрушения забоя, показал ее работоспособность и высокую прочность согласно своему назначению. Применение такой буровой коронки позволит при прочих равных условиях повысить ее ресурс не менее чем в 1,5 раза, увеличить механическую скорость и снизить энергоемкость процесса бурения.

Буровая коронка, отличающаяся тем, что резцы, прочно связанные с ними державки, а также выполненные заодно с державками хвостовики, имеют цилиндрическую форму и общую ось вращения, которая расположена на среднем диаметре торца корпуса коронки, причем цилиндрические хвостовики державок, вместе с упирающимся в них упорным подшипником, с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, входят в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси, и при этом резцы удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту. Обеспечивает повышение ресурса коронки, увеличение механической скорости, снижение энергоемкости процесса бурения и сокращение времени на спуско-подъемные операции для ее замены.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту. Обеспечивает повышение ресурса коронки, увеличение механической скорости, снижение энергоемкости процесса бурения и сокращение времени на спуско-подъемные операции для ее замены.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту. Обеспечивает повышение ресурса коронки, увеличение механической скорости, снижение энергоемкости процесса бурения и сокращение времени на спуско-подъемные операции для ее замены.

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. Обеспечивает повышение эффективности работы коронки.

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. Обеспечивает повышение эффективности работы коронки.

Изобретение относится к области производства породоразрушающего алмазного инструмента, в частности импрегнированных алмазных буровых коронок, используемых при бурении скважин с отбором керна при разведке месторождений полезных ископаемых.

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. Обеспечивает повышение эффективности работы коронки.

Изобретение относится к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. Обеспечивает повышение проходки и механической скорости бурения, лучшее охлаждение матрицы и более качественную очистку забоя от шлама.

Изобретение относится к буровым коронкам, армированным природными и искусственными алмазами для бурения глубоких скважин. Обеспечивает увеличение механической скорости бурения, стойкости коронки, повышение сохранности керна.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к коронкам, предназначенным для бурения скважин с отбором керна. .

Изобретение относится к области машиностроения и горной промышленности и предназначено для соединения и передачи момента вращения и усилия давления от цилиндрической кольцевой детали с радиальными пазами к деталям в виде пластин, в том числе для крепления пластинчатых резцов к буровой коронке.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту. Обеспечивает повышение ресурса коронки, увеличение механической скорости, снижение энергоемкости процесса бурения и сокращение времени на спуско-подъемные операции для ее замены.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту. Обеспечивает повышение ресурса коронки, увеличение механической скорости, снижение энергоемкости процесса бурения и сокращение времени на спуско-подъемные операции для ее замены.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту. Обеспечивает повышение ресурса коронки, увеличение механической скорости, снижение энергоемкости процесса бурения и сокращение времени на спуско-подъемные операции для ее замены.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к коронкам, предназначенным преимущественно для бурения скважин большого диаметра с отбором керна.

Изобретение относится к коронкам, предназначенным для бурения по трещиноватым и перемежающимся по твердости породам. Обеспечивает повышение эффективности работы буровой коронки.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано для искусственного искривления с отбором керна скважины, пробуренной в ледовых массивах Арктики и Антарктики.

Изобретение относится к коронкам, предназначенным для бурения скважин с отбором керна. .

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, предназначенным для разрушения, преимущественно абразивных и перемежающихся по твердости пород.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к коронкам с твердосплавным или алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. Технический результат заключается в повышении эффективности работы буровой коронки, в основном при бурении по перемежающимся и трещиноватым породам. Буровая коронка содержит корпус, рабочий торец которого разделен промывочными пазами на секторы, армированные износостойкими вставками, и амортизатор. Для повышения эффективности работы буровой коронки амортизатор выполнен в виде двух телескопически установленных ленточных пружин, выполненных с одной стороны присоединительной резьбой для соединения с корпусом коронки и колонковым снарядом, а с другой стороны они жестко соединены одна с другой, причем наружная поверхность пружины большего диаметра армирована износостойкими вставками. Внутренняя и наружная пружины установлены с возможностью контактирования между собой своими боковыми поверхностями, при этом зазор между обращенными один к другому торцами витков соседних пружин в исходном положении больше рабочего хода пружины, но меньше высоты их продольных полок. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх