Хвостовик для бурильных установок, предназначенный для бурения по коренным породам

Изобретение относится к области горного дела, а именно к хвостовику для бурильных машин для бурения по коренным породам. Хвостовик содержит удлиненный цилиндрический корпус, который содержит два концевых участка, из которых первый участок имеет резьбу для соединения хвостовика с бурильной колонной, а второй участок имеет средство для передачи вращающего момента хвостовику и бурильной колонне. Корпус внутри имеет проходящий в осевом направлении промывочный канал, который оканчивается в выходном отверстии в первом концевом участке корпуса и в который можно вводить промывочную среду, по меньшей мере, через одно радиально направленное отверстие боковой промывки. Радиально внешний ограничивающий край отверстия боковой промывки проходит по траектории, которая является по существу выпуклой, и каждый конец отверстия является изогнутым более, чем другие части ограничивающего края. Обеспечивает снижение до минимума количества поломок, обусловленных конфигурацией отверстия боковой промывки. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается хвостовика для бурильных установок для бурения по коренным породам, содержащего удлиненный цилиндрический корпус, имеющий средний участок и два концевых участка, из которых первый концевой участок имеет резьбу для соединения хвостовика с удлинительной втулкой бурильной колонны, а второй концевой участок имеет средство для передачи вращающего момента хвостовику и бурильной колонне, причем внутри этого корпуса выполнен проходящий в осевом направлении промывочный канал, который оканчивается в выходном отверстии в первом концевом участке корпуса и в котором промывочную среду можно вводить по меньшей мере через одно радиальное отверстие боковой промывки, которое может быть закрыто промывочной головкой.

Обычные хвостовики (см., например, патент Швеции SE 432460) для ударного бурения по коренным породам описанного выше типа содержат сформированную резьбу в области первой торцевой поверхности или выходного конца для расцепляемого соединения хвостовика с бурильной колонной обычно через удлинительную втулку. На противоположной второй торцевой поверхности корпус имеет концевую секцию из твердого материала, относительно которого действует ударный поршень, встроенный в бурильную установку. В связи с этой твердой концевой секцией также использован набор шпоночных канавок для кручения или вращения хвостовика и бурильной колонны. В известных хвостовиках осевой промывочный канал производят просто с помощью сверления отверстия от одной торцевой поверхности в твердом по существу цилиндрическом металлическом корпусе. Затем дрель подают внутрь от первого конца цилиндрического металлического корпуса до точки, расположенной на соответствующем расстоянии от противоположного второго конца корпуса, чтобы оставить твердую секцию корпуса между нижней частью отверстия и торцевой поверхностью, относительно которой действует поршень.

Осевой промывочный канал открыт радиально наружу в области между шпоночными канавками и первой торцевой поверхностью посредством отверстия боковой промывки. Отверстие боковой промывки образует впускное отверстие для промывочной среды типа воды или воздуха. Отверстие боковой промывки имеет удлиненное поперечное сечение и проходит перпендикулярно осевому промывочному каналу.

Из патента Великобритании GB 2212747 известен хвостовик, отверстие боковой промывки которого не проходит перпендикулярно осевому промывочному каналу.

Известные хвостовики имеют недостатки, заключающиеся в преждевременных поломках, которые могут происходить из-за конфигураций соответствующего отверстия боковой промывки.

Цели и признаки изобретения

Настоящее изобретение направлено на устранение представленных выше недостатков ранее известных хвостовиков и создание улучшенного хвостовика. Таким образом, главная цель изобретения состоит в снижении до минимума количества поломок, которые могут происходить из-за конфигураций отверстия боковой промывки. Согласно изобретению, эта цель достигнута благодаря признаку, обозначенному в отличительной части п.1 формулы изобретения.

В зависимых пунктах формулы изобретения дополнительно определены предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Краткое описание прилагаемых чертежей

Фиг.1A изображает вид сбоку хвостовика согласно настоящему изобретению.

Фиг.1B изображает часть хвостовика согласно фиг.1A.

Фиг.1C схематично изображает промывочное отверстие.

Фиг.2A изображает на виде сбоку альтернативный вариант осуществления хвостовика согласно настоящему изобретению.

Фиг.2B изображает часть хвостовика согласно фиг.2A.

Фиг.2C изображает осевое сечение по линии C-C на фиг.2B.

Фиг.3 изображает альтернативный вариант осуществления промывочного отверстия на виде, соответствующем фиг.1B.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Хвостовик 10, показанный на фиг.1A, содержит удлиненный корпус 11 главным образом цилиндрической формы, материал которого изготовлен из одного или нескольких металлов, типа стали. Хвостовик 10 имеет центральную линию CL. Внутри корпуса выполнен проходящий в осевом направлении промывочный канал 12. Этот канал расположен в центре корпуса 11. Промывочную среду, например, воду или воздух, можно вводить в канал через радиально направленное отверстие 14 боковой промывки, которое практически закрыто так называемой промывочной головкой (не показанной), причем эта промывочная среда может подаваться через устройство подачи (не показано). Осевой промывочный канал 12 представляет собой глухой канал, который оканчивается в выходном отверстии 16 у первого конца 17 корпуса. Резьба 18 для подсоединения хвостовика с помощью удлинительной втулки к бурильной колонне выполнена на конце 17. Резьба 18 представляет собой в общем трапецеидальную или круглую резьбу для ударного бурения по коренным породам. На противоположном, втором конце 19 хвостовика имеется плоская торцевая поверхность 20, относительно которой направляется поршень (не показан) бурильной установки для оказания воздействия. От этой плоской поверхности 20 динамического воздействия проходят шпоночные канавки 21, с помощью которых хвостовик можно подсоединять к механизму в бурильной установке для вращения хвостовика и бурильной колонны.

Фиг.1B и 1C изображают отверстие 14 боковой промывки в хвостовике 10 согласно настоящему изобретению. Отверстие 14 боковой промывки имеет модифицированную конфигурацию по сравнению с обычными хвостовиками. Радиально внешний ограничивающий край отверстия 14 боковой промывки следует по траектории, которая является выпуклой, предпочтительно овальной, или наиболее предпочтительно, по существу эллиптической. Под термином "ограничивающий край" здесь предполагается линия пересечения между поверхностью оболочки корпуса 11 и отверстием 14 боковой промывки. Отверстие 14 боковой промывки изготовлено, например, с помощью торцевой фрезы, и это означает, что осевые концы 22, 23 отверстия имеют наименьший радиус кривизны и, следовательно, лежат на большой оси эллипса, в то время как точки 24, 25 максимумов длинных сторон, следовательно, лежат на малой оси L эллипса. Большая ось S эллипса обеспечена предпочтительно параллельно средней линии переходной муфты хвостовика. Ограничивающий край следует по выпуклой траектории на среднем участке отверстия 14, которая является идентичной с обеих сторон от большой оси S.

Отверстие боковой промывки по существу направлено перпендикулярно относительно центрального промывочного канала, и этот резкий переход приводит к эрозии подобно повреждениям в стенке отверстия. Повреждения зависят от кавернообразования, особенно на осевых торцевых стенках отверстия боковой промывки, где из-за направленного внутрь потока возникает эрозионная коррозия.

Наклонное отверстие боковой промывки в известном хвостовике имеет острые углы, на которых возникает дополнительная глубокая науглероженная зона. Из-за науглероженного слоя, являющегося твердым и ломким, там часто происходят повреждения. Эти повреждения воздействуют, в свою очередь, как точки инициирования для усталостных трещин, которые распространяются в осевом направлении, в конце концов, приводя к поломке. Поскольку эти поломки случаются внутри бурильной установки, они могут вызывать повреждения дорогостоящей установки, и чтобы избегать этого в местах, где возникает эта проблема, обычно хвостовики удаляют прежде, чем они изнашиваются.

При ударном бурении по коренным породам производится ударная волна, которая распространяется через хвостовик и другие задействованные компоненты прежде, чем она наконец достигает скальной породы. Для получения эффективного бурения, т.е. желательно установить хорошее взаимодействие между буровой коронкой и скальной породой, которое происходит посредством тангенциальной силы, и благодаря повороту буровой коронки в новое положение прежде, чем распространяется следующая ударная волна. Ударные волны, тангенциальная сила и вращающий момент следует непрерывно приспосабливать к текущим условиям, поскольку жесткость скальной породы обычно изменяется, что приводит к изменяющимся состояниям деформации в задействованных компонентах.

При помощи метода конечных элементов был проведен анализ напряжения области вокруг промывочного отверстия. Предпосылка проблемы заключается в том, что в известных конструкциях трещины инициировались и росли по существу в двух направлениях, что позже приводило к поломке, которая вызывала простой. Анализ конечных элементов нацелен на исследование возможностей понижения уровня напряжения в области вокруг промывочного отверстия через альтернативную конструкцию промывочного отверстия и, таким образом, вносит вклад в увеличение ресурса. Отправной точкой для анализа было сравнение уровня напряжения для промывочного отверстия в известном хвостовике согласно патенту Швеции №432460 и промывочного отверстия в хвостовике согласно настоящему изобретению. Это показало возможность понизить уровень пиков напряжения вокруг периферии отверстия до 52% и, таким образом, внести вклад в увеличение ресурса для хвостовика.

Эллипс, показанный на фиг.1B и 1C, по существу описывается формулой

x²/a²+y²/b²=1,

где 2a - длина большой оси S, а 2b - длина малой оси L эллипса, тогда как x и y представляют собой значения относительно начала, расположенного в центре эллипса. Каждый конец 22, 23 может быть изогнут с радиусом R, например, как показано на фиг.1B.

Альтернативный вариант осуществления хвостовика 10′ согласно настоящему изобретению, показанный на фиг.2A, 2B и 2C, содержит такие же детали, как описанный выше хвостовик, за исключением отличий, существующих в отношении отверстия 14′ боковой промывки. Радиально внешний ограничивающий край отверстия 14′ содержит два проектируемых эллипса 34′, 44′, которые, например, выфрезерованы с помощью торцевой фрезы под углом в 30° относительно перпендикуляра N к центральной линии CL. Два проектируемых эллипса накладываются друг на друга. Осевые концы 22′, 23′ отверстия 14′ определены некоторым радиусом в интервале 2-5 мм.

Посредством закругления кромок радиально внешнего участка 114 отверстия боковой промывки типа, изображенного на фиг.3, дополнительно избегают критически укороченных сопряжений. У отверстия снимают фаску, например, с помощью той же самой торцевой фрезы, которую использовали, чтобы произвести отверстие. Это означает, что торцевую фрезу во время обработки на станке перемещают в осевом направлении, а также она находится под углом относительно перпендикуляра к центральной линии CL хвостовика.

Во всех вариантах осуществления каждый конец 22, 23, 22′, 23′ отверстия 14; 14′ изогнут больше, чем другие части ограничивающего края. То есть концы изогнуты больше, чем средний участок отверстия. Упомянутые концы не должны быть идентичными.

Изобретение не ограничено тем, что было описано, и конструкцией, показанной на чертежах. Таким образом, хвостовик можно собирать больше, чем из двух составных частей, предпочтительно из разных материалов, например, посредством сварки трением.

1. Хвостовик для бурильных установок, предназначенный для бурения по коренным породам, содержащий удлиненный цилиндрический корпус (11; 11′), имеющий два концевых участка (17, 19; 17′, 19′), при этом первый концевой участок (17; 17′) имеет резьбу (18; 18′) для соединения хвостовика с бурильной колонной, второй концевой участок (19; 19′) имеет средство (21; 21′) для передачи вращающего момента хвостовику и бурильной колонне, корпус имеет проходящий в нем в осевом направлении промывочный канал (12; 12′), который оканчивается в выходном отверстии (16; 16′) в первом концевом участке (17; 17′) корпуса и промывочная среда вводится через, по меньшей мере, одно по существу радиально направленное отверстие (14; 14′) боковой промывки, имеющее концы, отличающийся тем, что радиально внешний ограничивающий край отверстия (14; 14′) боковой промывки проходит по траектории, являющейся по существу выпуклой, и каждый конец (22, 23; 22', 23′) отверстия (14; 14′) является изогнутым более чем другие части ограничивающего края.

2. Хвостовик по п.1, отличающийся тем, что радиально внешний ограничивающий край отверстия (14; 14′) боковой промывки проходит по траектории, являющейся по существу эллиптической.

3. Хвостовик по п.1 или 2, отличающийся тем, что каждый конец (22, 23; 22′, 23′) отверстия (14; 14′) изогнут с радиусом (R).

4. Хвостовик по п.1 или 2, отличающийся тем, что радиально внешний ограничивающий край отверстия (14′) боковой промывки содержит два эллипса (34′, 44′), перекрывающие друг друга.

5. Хвостовик по п.1 или 2, отличающийся тем, что осевые концы (22′, 23′) отверстия 14′ определены радиусом в интервале 2-5 мм.

6. Хвостовик по п.4, отличающийся тем, что эллипсы (34′, 44′) образуют угол относительно перпендикуляра (N) к центральной линии (CL) хвостовика.

7. Хвостовик по любому из пп.1, 2, 6, отличающийся тем, что ограничивающий край в среднем участке отверстия (14; 14′) проходит по выпуклой траектории, являющейся идентичной с обеих сторон от ее большой оси (S).