Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВАЯ КОРОНКА

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;

n_вр - частота вращения коронки, об/мин;

D_н - наружный диаметр коронки, мм;

D_в - внутренний диаметр коронки, мм.

Поскольку Р=25200 Н; n_вр=1500 об/мин; D_н=76 мм; D_в=48 мм, имеем

N=0,81×10^-8×25200×1500(76+48)=38 кВт.

Крутящий момент на коронке

М_кр=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 S_от 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:

S_от=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.