Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВОЕ РЕЖУЩЕЕ ОТКРЫВАЮЩЕЕСЯ ДОЛОТО

Изобретение относится к горной промышленности и строительству, в частности к конструкциям буровых режущих открывающихся долот, применяемых в сейсморазведке при бурении взрывных скважин в неустойчивых грунтах или в строительстве при сооружении буронабивных свай.

Известно буровое режущее открывающееся долото (Е.И.Танов с соавт. Шнековый буровой инструмент. М.: Недра, 1985, с.30-31). Это долото содержит корпус со сквозным осевым отверстием, периферийные резцы-расширители, размещенные на корпусе, крышку в виде плоского диска, сопряженную в закрытом положении с выточкой в осевом отверстии корпуса. На наружной стороне крышки неподвижно размещена жестко связанная с ней лопасть с режущими элементами. Корпуса периферийных резцов-расширителей выполнены в виде проушин, в которых размещены концы лопасти. При этом один из них соединен со своей проушиной шарнирно с помощью пропущенной насквозь оси, а второй - с помощью легко срезаемого шплинта - фиксатора закрытого положения крышки. В качестве шплинта-фиксатора обычно используют алюминиевую проволоку или спичку.

Описанная конструкция нашла широкое применение и лежит в основе буровых режущих открывающихся долот, например, выпускаемых ОАО «Курганавторемонт» (см. WWW. kurganavtoremont.ru), или ЗАО «Геомаш» (Комплекс КШР-320, WWW.geomash.ru).

Такие долота применяются при бурении взрывных скважин при наличии в геологическом разрезе неустойчивых грунтов и хорошо работают при однородной структуре грунта. Однако в разрезах, включающих в себя валунно-галечные отложения, под действием ударов проушиной о камни происходит ее деформация и защемление в ней шарнирного соединения крышки с корпусом. Это исключает возможность открывания крышки и успешного заряжания скважины или заполнения ее бетоном в случае, если она буронабивная.

Попыткой устранения описанного недостатка этой конструкции является известное буровое режущее долото (патент РФ №75403 U1, МПК E02D 7/22, 2006 г.) В этом долоте, также содержащем корпус со сквозным осевым отверстием, лопасти с периферийными резцами и крышку, размещенную в отверстии, с выполненной на ее наружном торце двухперой режущей частью, недостаток устранен за счет следующих конструктивных особенностей. Элемент, связывающий крышку долота с корпусом, выполнен в виде троса и размещен внутри долота, а крышка выполнена в виде хвостовика с проушиной на верхнем торце для соединения с тросом и имеет кольцевую канавку для шарикового фиксатора крышки и канавку с эластичным уплотнением. На крышке образованы две боковые параллельные грани, сопряженные с конгруэнтным им пазом в корпусе долота для передачи крутящего момента на режущую часть. При этом последняя существенно выступает в сторону забоя над плоскостью вращения режущих кромок периферийных резцов.

В силу того что элемент в виде троса, связывающий крышку долота с корпусом, расположен внутри него, эта конструкция не просто уменьшает недостаток предыдущей, но в принципе устраняет его, исключая повреждения устройства галечником.

Однако при этом область использования такого долота ограничивается лишь бурением скважин для буронабивных свай. Применению его для бурения взрывных скважин препятствует крышка долота, в открытом положении наполовину перекрывающая сечение отверстия и являющаяся помехой для погружения заряда.

Кроме этого, качество описанного долота как режущего инструмента существенно обесценивается его следующей конструктивной особенностью. В стремлении уменьшить, насколько это возможно, степень влияния крышки как помехи заполнению скважины бетонной смесью диаметр его головной режущей части, расположенный на крышке, ограничен диаметром корпуса долота. При этом буровой шлам, образуемый головной режущей частью, оказывается запертым в углублении забоя, образованном ею. Его вынос из этой зоны затруднен и возможен только выдавливанием, что требует дополнительного увеличения давления на забой, приводя, с одной стороны, в силу ограниченности этого давления возможностями буровой установки, к уменьшению производительности проходки, а с другой стороны - на мерзлоте из-за повышенного трения приводит к чрезмерному растепливанию бурового шлама и образованию так называемых «сальников», препятствующих его выносу на поверхность и дальнейшей проходке скважины.

В качестве прототипа заявленного технического решения выбрана конструкция бурового открывающегося долота с шарнирным креплением крышки долота к корпусу, описанная здесь первой, поскольку она наиболее близка заявленной по принципиальному устройству и обладает более широкой областью использования.

Устранению недостатка прототипа препятствует следующее техническое противоречие. Увеличение толщины стенки проушины шарнирного соединения увеличивает ее прочность, обеспечивая тем самым безотказное открывание крышки. Однако увеличение прочности проушины увеличением размеров ее сечения до величины, исключающей деформацию при ударах, приводит к ухудшению долота как режущего инструмента, поскольку при этом увеличивается и без этого являющийся уже помехой выносу шлама уступ на передней поверхности лопасти, образованный стенкой проушины. Этот уступ является препятствием движению разбуренного грунта от центральной части забоя к периферии. В результате карман, образованный уступом, заполняется уплотненным шламом, препятствующим внедрению режущих кромок лопасти в поверхность забоя. Это при прочих равных условиях существенно снижает удельное давление режущих кромок на забой, что уменьшает подачу долота на оборот и, соответственно, снижает производительность бурения. Особенно существенно она снижается при бурении мерзлых грунтов из-за растепливания шлама повышенным давлением на него и трением, что способствует образованию так называемых «сальников», резко ухудшающих или вообще прекращающих вынос шлама.

Устранение описанного технического противоречия является задачей заявленного изобретения, решение которой позволит обеспечить достаточную для обеспечения безотказности прочность шарнирного соединения крышки долота с корпусом при существенном уменьшении габаритов шарнира как помехи, ухудшающей режущие свойства долота.

Поставленная задача решается тем, что в соответствии с изобретением в буровом режущем открывающемся долоте, содержащем корпус со сквозным осевым отверстием, крышку в виде плоского диска, сопряженную в закрытом положении с выточкой в отверстии корпуса и шарнирно связанную с последним в плоскости оси отверстия, а также резцы, расположенные на крышке, имеются следующие отличительные особенности.

В частности, на торцевой поверхности корпуса выполнен диаметрально расположенный паз, а на крышке - радиальные выступы, сопряженные с упомянутым пазом. При этом шарнирное сопряжение крышки с корпусом образовано круглыми гнездами, образованными напротив друг друга на противоположных боковых сторонах одного из радиальных выступов крышки и сопряженными с этими гнездами конгруэнтными им шипами. Последние образованы на концах конструктивных элементов, неподвижно соединенных с корпусом долота, например, сваркой.

Для обеспечения беззазорного сопряжения крышки с выточкой поверхность их сопряжения может быть выполнена конической.

Эти конструктивные элементы могут быть выполнены в виде стержней круглого или иного сечения, имеющих прямолинейную, углообразную или дугообразную форму. Последняя является наиболее предпочтительной, поскольку обеспечивает максимальную компактность шарнирного соединения, наилучшим образом вписываясь в габарит корпуса.

Точно так же изобретение может быть реализовано при различной форме шипов и сопряженных с ними гнезд - цилиндрической, сферической, параболической или конической. Однако предпочтительной является коническая форма, так как одновременно удовлетворяет требованию и технологичности изготовления, и равнопрочности элементов сопряжения. При этом диаметр шипа практически равен диаметру проушины, что обеспечивает максимально возможную компактность шарнирного сопряжения и является существенным для снижения упоминавшихся уже при описании прототипа помех выносу шлама из зоны резания и исключению «карманов», заполненных уплотненным шламом, снижающим удельное давление режущих кромок на забой.

В разрезах с однородными грунтами заявленное долото может успешно использоваться с двумя резцами в виде лопастей, размещенных на его крышке. Однако в неоднородных грунтах, включающих галечники, более целесообразен его вариант с дополнительными периферийными резцами, расположенными в плоскости, перпендикулярной плоскости шарнира, которые улучшают его самоцентрирование в забое и снижают динамические усилия.

Для обеспечения герметичности долота при бурении в напорных плывунах сопряжение крышки с выточкой в корпусе долота может быть дополнительно снабжено уплотнением в виде эластичного кольца, размещенного в канавке.

Кроме того, для совмещения функций уплотнения и фиксатора закрытого положения крышки сопрягаемая с крышкой поверхность эластичного кольца также выполнена конической и конгруэнтной конусу поверхности крышки, половина угла при вершине которого не превышает величины угла трения между материалом уплотнения и материалом крышки.

Изобретение поясняется чертежами, где показаны: фиг.1 - долото, вид сбоку, с местным разрезом (штрихпунктирной линией показана крышка в открытом положении); фиг.2 - долото, вид снизу, с местным разрезом в плоскости оси шарнира; фиг.3 - долото, вид снизу, при открытой крышке; фиг.4 - долото, вид снизу - вариант выполнения с дополнительными периферийными резцами; фиг.5, 6, 7 - варианты выполнения формы поверхности сопряжения шарнира; фиг.8, 9 - варианты выполнения формы конструктивных элементов с шипами; фиг.10 - сечение А-А на фиг.2.

Буровое режущее открывающееся долото содержит корпус 1, имеющий сквозное осевое отверстие 2. Верхняя часть долота выполнена в виде резьбового хвостовика 3 для соединения со шнеком (не показан), а отверстие 2 в нижней части долота снабжено выточкой 4 (фиг.1, 3), для размещения крышки 5. На торцевой поверхности корпуса выполнен диаметрально расположенный паз 6, а на крышке 5 - радиальные выступы 7 и 8, сопряженные с этим пазом. Один из них, выступ 7, имеет на противоположных сторонах расположенные соосно друг другу конические гнезда 9, с которыми сопряжены конгруэнтные им шипы 10, выполненные, в свою очередь, на концах дугообразных стержней 11, соединенных с корпусом сваркой (фиг.10).

Другие варианты выполнения формы поверхности сопряжения шарнира, при которых может быть реализовано изобретение - сферическая (фиг.5), параболическая (фиг.6) также возможны, но менее целесообразны, чем показанная на фиг.2 коническая, поскольку в отличие от нее не обеспечивают одновременно и равнопрочности, и технологичности. В частности, например, сферическая и параболическая обеспечивают равнопрочность, но имеют сложную в изготовлении форму, а шипы цилиндрической формы просты в изготовлении, но в данных ограничениях по габаритам не обеспечивают достаточной прочности шарнирного сопряжения.

Также и стержни 11 кроме показанной на фиг.2 дугообразной формы могут быть выполнены прямолинейной (фиг.8) или углообразной (фиг.9) формы. Однако дугообразная является наиболее компактной и предпочтительной, обеспечивая наименьшее выступание их за габариты корпуса долота, уменьшая тем самым препятствия к эвакуации бурового шлама из забоя, приводящие к непроизводительному повышению затрат мощности, а на мерзлоте - к повышению вероятности образования так называемых «сальников» как результата чрезмерного растепливания шлама.

На крышке 5 долота размещены резцы 12, армированные твердым сплавом 13, периферийная часть которых формирует полный диаметр скважины, а центральная имеет кернообразующий промежуток (фиг.2) для снижения сопротивления бурению. Кроме того, долото для работы в разрезах с неоднородным грунтом может дополнительно снабжаться периферийными резцами 14, расположенными в плоскости, перпендикулярной плоскости шарнирного соединения, которые улучшают центрирование долота в забое и снижают динамические усилия (фиг.4).

Для обеспечения сопряжения крышки с выточкой в корпусе с минимальным зазором поверхность их сопряжения может быть выполнена конической, а для обеспечения гарантированной герметичности долота при работе в разрезах с напорными плывунами сопряжение крышки долота с корпусом снабжено уплотнением в виде размещенного в кольцевой канавке эластичного кольца 14. При этом поверхность крышки, взаимодействующая с уплотнением, представляет собой конус, половина угла при вершине которого (α/2) не превышает угла трения между материалом крышки и материалом уплотнения. Это позволяет использовать кольцо 14 также и в качестве фиксатора, удерживающего крышку в закрытом положении, упрощая конструкцию. В других случаях, с менее жесткими требованиями по герметичности, эластичное уплотнение не требуется, а для удержания крышки в закрытом положении могут применяться другие известные средства, конструкция которых не относится к сути заявленного технического решения.

Используют долото следующим образом. Перед бурением закрывают крышку, опускают буровой снаряд на грунт и производят бурение до необходимой глубины. Затем поднимают шнековую колонну над забоем на величину, достаточную для погружения заряда ВВ, открывают крышку долота ударом шеста или сжатым воздухом и опускают заряд на дно забоя. После этого колонну поднимают, последовательно демонтируя шнеки.

Преимущества изобретения при его использовании проявляются как в сравнении с прототипом, так и в сравнении с аналогом, описанными выше. В частности, главное преимущество заявленного технического решения перед прототипом заключается в безотказности открывания крышки долота при бурении грунта, включающего галечник. Техническим эффектом, обеспечивающим безотказность, является повышение прочности шарнира в условиях жестких ограничений по габаритам (компактности). Другим положительным следствием увеличения отношения «прочность-компактность» является устранение помехи для эвакуации шлама из забоя в виде порога, образованного в прототипе стенкой проушины шарнира, создающего своеобразный «карман» с уплотненным в нем и не удаляющимся из него шламом. Это увеличивает производительность проходки (особенно в мерзлоте) за счет увеличения удельного давления режущей кромки на грунт, что обусловлено, при прочих равных условиях, уменьшением реальной площади соприкосновения долота с забоем на величину площади упомянутых «карманов». Компактность и «обтекаемость» шарнира дополнительно уменьшает вероятность его силового взаимодействия с крупными фрагментами шлама.

Преимущество заявленного долота перед аналогом, описанным в заявке, заключается в более широкой сфере применения, поскольку в отличие от аналога применяемого только в строительстве для сооружения буронабивных свай заявленное можно использовать также и при бурении взрывных скважин, так как в заявленном крышка не является помехой для погружения заряда. Что касается средства фиксации для удержания крышки в открытом положении, гарантирующего успешное заряжание скважины, необходимость в котором может появиться в скважинах особо неустойчивыми стенками, то оно к сути заявленного технического решения не относится и в данной заявке не рассматривается.