Буровая коронка с фрикционными элементами


 


Владельцы патента RU 2539471:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского Сибирского отделения Российской Академии наук (RU)

Изобретение относится к буровым коронкам для разрушения крепких горных пород, в том числе трещиноватых и перемежающихся по твердости. Технический результат заключается в эффективном разрушении забоя, высокой механической скорости бурения. Буровая коронка содержит корпус с прорезями в нижней части, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения коронки, и разделяющими корпус коронки на ступенчатые секторы, опережающие из которых армированы режущими элементами и имеют сопротивление изгибу, обеспечивающее подъем резцов, когда сопротивление резанию возрастает до недопустимой величины для данных резцов, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку. Отстающие секторы армированы термоизносостойкими фрикционными элементами. Направляющая втулка присоединена к корпусу коронки, снабженному присоединительной резьбой. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, предназначенным для разрушения крепких горных пород, в том числе трещиноватых и перемежающихся по твердости.

Известна термофрикционная буровая коронка для бурения крепких пород, включающая корпус с фрикционными элементами и подпружиненные твердосплавные резцы [1]. При бурении фрикционные элементы трением нагревают и разупрочняют поверхностный слой породы, а резцы срезают этот слой. Недостатком является увеличение ширины торца коронки по сравнению с одинарной алмазной коронкой, из-за чего увеличивается объем разрушения пород при бурении.

Известна одинарная буровая коронка, включающая корпус, жестко закрепленные к корпусу выступающие резцы из сверхтвердых и ударопрочных инструментальных материалов и фрикционные элементы [2]. Особенностью этой коронки является то, что когда режущие элементы под действием большого осевого усилия внедрятся в забой, фрикционные элементы входят в контакт с забоем и, трением нагревая, разупрочняют поверхностный слой пород забоя буримой скважины, а резцы снимают этот разупрочненный слой. Это позволяет бурить весьма крепкие породы. Однако в начальный момент бурения резцы должны внедриться и резать крепкие породы, что посильно только современным сверхтвердым ударопрочным материалам.

Недостатком этой коронки является высокая стоимость сверхтвердых резцов и возможность их разрушения при бурении пород с твердыми включениями, неразупрочняющимися от нагрева трением. Применение твердых сплавов возможно только при бурении пород крепостью не выше VIII-IX категории по буримости.

Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является буровая коронка для бурения по трещиноватым и перемежающимся по твердости породам [3]. Коронка содержит корпус с прорезями в нижней части, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения коронки, и разделяющими его на ступенчатые секторы, армированные твердосплавными резцами, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку с присоединительной резьбой. При этом опережающие секторы имеют меньшее сопротивление изгибу по сравнению с другими секторами коронки, оснащенными алмазными породоразрушающими элементами. Для этого опережающие секторы имеют меньшее поперечное сечение, что достигается выполнением их с разгрузочными радиальными каналами, расположенными у основания прорезей, или же выполнением их во фронтальной плоскости трапецеидальной формы, меньшее основание которой расположено со стороны присоединительной резьбы. Достоинством данной коронки является обеспечение более эффективного разрушения породы за счет образования ступенчатого забоя и разрушения менее твердых пород твердосплавными резцами, а более твердых - алмазными секторами. Причем, когда работают алмазные сектора, твердосплавные резцы срезают гребешки от микрорезания алмазных зерен, создавая наилучшие условия работы алмазным секторам. Однако крепкие и неабразивные породы вызывают заполирование алмазов, кроме того, наличие алмазных секторов повышает стоимость коронки и требует интенсивного охлаждения, что обеспечивается подачей на забой большого количества охлаждающей воды. Последнее обстоятельство делает невозможным применение в качестве охлаждающего и очистительного агента воздуха, что снижает эффективность применения данной коронки в условиях Севера, в горах и в других мало- или безводных районах. Кроме того, развитая промывочная система охлаждения резцов водой не позволяет твердосплавным резцам работать в оптимальном температурном режиме. Дело в том, что исследования последних лет показали, что твердосплавные резцы имеют наибольшую работоспособность при температуре в пределах 730-750°C [4]. Однако для этого необходимо специально подогревать твердосплавный резец. При обычном бурении даже с продувкой твердосплавный резец при трении до нагрева до такой температуры начинает выкрашиваться и быстро изнашиваться. Только в условиях металлообработки, когда теплоотвод осуществляется в основном только через стружкообразование, возможно за счет увеличения механических нагрузок обрабатывать металлы твердосплавными резцами в оптимальных температурных режимах резания, т.е. 730-750°C. Следует также как недостаток отметить воздействие высокой температуры на корпус коронки при его сварке, которое может снизить упругие свойства опережающих секторов.

Таким образом, может быть поставлена задача эффективного бурения крепких, в том числе и неабразивных, пород без использования алмазных резцов, и с возможностью бурения в условиях многолетней мерзлоты и маловодья продувкой. Эта задача может быть решена, если в коронке, содержащей корпус с прорезями в нижней части, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения корпуса, и разделяющими ее на ступенчатые секторы, опережающие из которых армированы твердосплавными режущими элементами и имеют сопротивление изгибу, обеспечивающее подъем резцов, когда усилие резания возрастает до недопустимой величины для данных резцов, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку, отстающие секторы армировать термоизносостойкими фрикционными элементами, а направляющую втулку присоединить к корпусу коронки, изготовленному с резьбой для соединения с колонковой трубой или с буровым снарядом. При этом опережающие сектора у основания прорезей выполнены с меньшим поперечным сечением по сравнению с отстающими секторами путем выполнения радиального канала или постепенного его уменьшения по мере удаления от торца коронки.

Достоинством предложенной термофрикционной коронки с резцами на упругих секторах, является снижение энергоемкости разрушения забоя благодаря использованию тепла трения для разупрочнения пород забоя, и тем самым гарантирует высокую механическую скорость бурения и значительный рост проходки на коронку, и повышение эффективности работы при разбуривании пород с различной крепостью. В целом это снижает себестоимость буровых работ, что имеет особое значение при рыночной экономике.

Отличительной особенностью данной коронки является возможность бурения с применением сжатого воздуха, что особенно актуально в условиях Севера и маловодья. Кроме того, достигается возможность работы твердосплавных резцов в оптимальных температурных условиях работы (730-750°C [4]). Коронки с твердосплавными резцами в серийных условиях выпуска будут кратно дешевле алмазных коронок.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен общий вид коронки в разрезе.

Буровая коронка включает корпус 1 с присоединительной резьбой и прорезями 2 на нижнем торце, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения корпуса, и разделяющими его на ступенчато расположенные опережающие и отстающие секторы 3 и 4, армированные резцами 5 и фрикционными элементами 6, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку 7, соединенную с ним посредством сварного шва 8 или резьбы (не показана). В зависимости от твердости буримых пород резцы могут быть выполнены из твердого или сверхтвердого сплавов. Опережающие секторы выполнены с возможностью значительной упругой деформации по касательной к окружности направляющей втулки, вплоть до контакта с секторами, служащими ограничителем высоты подъема резцов в пределах упругой деформации опережающих секторов. Это нерабочее положение резцов на фиг.1 обозначено римской цифрой I. Высота подъема резцов равна величине их опережения h. При этом усилие давления твердосплавных резцов не должно превышать усилия внедрения в породы крепостью свыше VII категории по буримости. Это может быть достигнуто за счет выполнения опережающих секторов с определенным сопротивлением изгибу, которое зависит от материала и сечения вышеупомянутых секторов. Уменьшение их сечения может быть обеспечено путем изготовления с разгрузочными радиальными пазами 9, расположенными у основания прорезей, или путем их выполнения во фронтальной плоскости в виде равнобокой трапеции, к большему основанию которой крепятся резцы. Это позволяет при увеличении осевой нагрузки менять положение опережающих секторов относительно других, изменяя глубину внедрения резцов в забой.

Принцип работы коронки заключается в следующем. При бурении мягких и средней твердости пород под действием осевой нагрузки и крутящего момента резцы 5 на опережающих секторах 3 внедряются в породу и снимают определенный слой породы. Это обеспечивается путем подбора высоты смещения - h секторов 3 и 4. При этом усилие сопротивления пород разрушению не преодолевает сопротивление опережающих секторов изгибу и последние мало меняют свое расположение относительно отстающих секторов 4. Разрушенная порода выносится промывочной жидкостью или воздухом. При бурении более твердых пород осевое давление на коронку увеличивается, сопротивление разрушению также увеличивается и превышает сопротивление изгибу опережающих секторов. Благодаря этому резцы начинают выходить из заглубленного состояния, и величина их опережения уменьшается до нуля. При этом сектора 3 примыкают к секторам 4, и фрикционные элементы 6 секторов 4 начинают контактировать с породой, трением нагревая и разупрочняя породы забоя скважины. И когда сопротивление резанию разупрочненной породы станет меньше сопротивления изгибу секторов 3, резцы 4 начнут внедряться в забой и снимать слой породы.

Если при бурении мягких пород будут встречаться пропластки крепких пород, то резцы сектора 3 примкнут к сзади расположенным секторам 4, выводя резцы 5 из заглубленного положения. Скорость бурения значительно уменьшится, что потребует значительного увеличения осевого усилия. Благодаря этому фрикционные элементы войдут в контакт с забоем и начнут разупрочнять породы забоя, а опережающие секторы 3 восстановят свое исходное положение и в работу вновь вступают резцы 5, и далее коронка будет работать как при бурении крепких пород. Если при оптимальных режимах бурения скорость проходки резко увеличится, это значит, что твердые пропластки пород пройдены, и можно переходить на другие параметры режима бурения. В этом случае при уменьшении осевого усилия фрикционные элементы 6 выходят из контакта с породой и забой полностью разрушается резцами 5.

Благодаря выполнению опережающих секторов 3 с "ослабленным сечением" у основания прорезей и подбору материала корпуса с определенной силой упругости, режущие элементы участвуют в разбуривании твердых пропластков только после разупрочнения фрикционными элементами 6.

Источники, принятые во внимание

1. А.С. РФ №1541364, МПК E21B 7/14. Термомеханический породоразрушающий инструмент / Г.С.Бродов, О.Я.Манякина. Заявитель Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки Всесоюзного производственного объединения "Союзгеотехника". Заявлено 26.10.1987, опубликовано 07.02.1990.

2. Патент РФ №2416709, МПК E21B 7/14, E21B 10/48. Коронка терморезцовая / М.Л.Брук, С.А.Ермаков, Л.Н.Федоров. Патентообладатель и заявитель Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН. Заявлено 20.08.2009, опубликовано 21.08.2011.

3. Патент РФ №2268348, МПК E21B 10/02, E21B 10/48. Буровая коронка / Н.М.Панин, В.А.Кирсанов, В.Ф.Сорокин, В.И.Орлов. Патентообладатель и заявитель: Н.М.Панин, В.А.Кирсанов, В.Ф.Сорокин, В.И.Орлов. Заявлено 26.07.2004, опубликовано 20.01.2006.

4. Патент РФ 2207936, МПК 7 B23B 1/00. Способ металлообработки твердосплавным инструментом. / Е.В.Артамонов, И.А.Ефимович, В.М.Костив, Т.Е.Помигалова . Заявл. 4.10.2001; Опубл. 10.07.03.

1. Буровая коронка, содержащая корпус с прорезями в нижней части, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения коронки, и разделяющими корпус коронки на ступенчатые секторы, опережающие из которых армированы режущими элементами и имеют сопротивление изгибу, обеспечивающее подъем резцов, когда сопротивление резанию возрастает до недопустимой величины для данных резцов, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку, отличающаяся тем, что отстающие секторы армированы термоизносостойкими фрикционными элементами, а направляющая втулка присоединена к корпусу коронки, снабженному присоединительной резьбой.

2. Буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что опережающие секторы армированы твердосплавными резцами.

3. Буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что опережающие секторы армированы сверхтвердыми удароизносостойкими резцами.

4. Буровая коронка по пп.1, 2 и 3, отличающаяся тем, что направляющая втулка выполнена разрезной.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано для бурения различных отверстий. Устройство содержит электродвигатель, редуктор с полым валом, источник лазерного излучения, инструмент для сверления, механизм возвратно-поступательной подачи инструмента сверления, оптическое волокно, газовую систему, резервуар для жидкости, смеситель, систему впрыскивания жидкости в смеситель, систему отсасывания, каналы для охлаждения оптического волокна, для подачи хладагента в зону забоя и для отвода отсасываемых из зоны забоя хладагента и шлама.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения различных отверстий.

Изобретение относится к области гражданского строительства, атомной и нефтегазовой отраслям и может быть использовано в сейсмических районах для бурения отверстий в бетонных зданиях с целью их укрепления стяжками и в опасных отвесных участках горной породы, для бурения тонких диагностических глубоких отверстий в многометровых бетонных стенах могильников с захоронениями радиоактивных веществ, для бурения в стенке скважины локальных боковых отверстий в окружающей породе.

Группа изобретений относится к способу и устройству для бурения с расплавлением для выполнения точных по размеру скважин, шахт и туннелей в грунте, в частности в скальной породе, в котором с помощью расплава расплавляют основание скважины и расплав вскрышной породы выдавливают в окружающую среду, в частности в разрыхленную за счет воздействия температуры и давления окружающую скальную породу, и в котором во время бурения за счет затвердевающего расплава образуется затяжка скважины вокруг образованной из трубных элементов колонны обсадных труб.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к бурению скважин. Устройство для совмещенного механического и термического расширения скважин содержит электронагреватели с адсорбером, которые последовательно установлены в магистрали подвода воздуха, при этом адсорбер выполнен в виде двух вставленных один в другой и ограниченных поверхностями цилиндров разного диаметра, причем адсорбер внутренней стенкой меньшего цилиндра плотно насажен на внешнюю поверхность трубы для отвода парогазовой смеси в атмосферу, адсорбент размещен в подпружиненной кассете, свободно перемещающейся в вертикальном направлении между внутренней поверхностью большего цилиндра и внешней поверхностью меньшего цилиндра.

Изобретение относится к области проходки скважин или туннелей методом выплавления породы. .

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к бурению скважин. .

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин различного целевого назначения с отбором так и без отбора керна в породах до XI категории по буримости.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения скважин в рыхлых породах, в частности в четвертичных отложениях и техногенных грунтах с одновременным долговечным и экологически чистым беструбным креплением при сооружении гидрогеологических и инженерных скважин различного назначения (на воду, водопонижающих, взрывных, для закрепления оползней, бортов карьеров и отвалов, для установки или сооружения свай в строительстве, укрепления фундаментов зданий и сооружений, прокладки коммуникаций и др.), при проходке и креплении верхних горизонтов, представленных рыхлыми или выветрелыми породами, а также креплении зон тектонических нарушений и изоляции флюидопроявлений и поглощений с применением в последнем случае относительно легкоплавких тампонажных материалов в условиях бурения геологоразведочных и эксплуатационных скважин.

Изобретение относится к строительной промышленности, в частности к ручным сверлильным машинам, и может применяться для бурения-сверления отверстий в гранитных блоках и бетонных стенах.

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

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 буровым коронкам для бурения геологоразведочных скважин в перемежающихся по твердости породах, а также в мерзлых абразивных грунтах. Технический результат заключается в повышении скорости бурения и проходки на рейс и на коронку с одновременным уменьшением расхода промывочной жидкости, а также повышение КПД резания при переходе на режим терморезания с разупрочнением крепких пород. Кольцевая буровая коронка содержит корпус с присоединительной резьбой, секторы, образованные на корпусе коронки и разделяющиеся друг от друга промывочными каналами, режущие пластины с износостойким покрытием толщиной не менее 0,7 мм на передней грани, установленные с отрицательным передним углом в плане к боковой внутренней и внешней поверхностям резания и отрицательным передним углом к торцевой поверхности забоя скважины, цилиндрические клинья и прижимные винты, крепящие в цилиндрических пазах клинья. Режущие пластины выполнены с полукруглым хвостовиком, прямолинейными боковыми кромками и рабочим забойным лезвием, имеющим контур в виде сопряженных дугообразных линий. На задней грани режущих пластин выполнено покрытие толщиной, равной толщине покрытия на передней грани, причем покрытия изготовлены из сверхтвердого, ударопрочного и термостойкого материала. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх