Многоярусная буровая коронка

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. Многоярусная буровая коронка включает несколько ярусов резцов, находящихся на разном расстоянии от забоя скважины. Резцы, 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 или смещена у одной части резцов данного яруса в сторону большего диаметра корпуса, а у другой - в сторону меньшего. Цилиндрические хвостовики державок, имеющие расточку, образующую верхний и нижний круговой уступ, вместе с упирающимися в них упорным подшипником и пакетом пружин сжатия, входят в глухие отверстия с торца тела коронки параллельно ее оси. Сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус, и при этом каждый последующий вышерасположенный ярус предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения. Хвостовики державок резцов всех ярусов, кроме верхнего, вместе с предварительно поджатым упорным подшипником и пакетом пружин удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним уступом кругового паза цилиндрических хвостовиков державок в верхнюю грань сваренного из двух половин опорного кольца, установленного в кольцевой паз, выполненный на наружной поверхности тела коронки, а хвостовики державок верхнего яруса - благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика. 4 ил.

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для геологоразведочного бурения в часто перемежающихся по физико-механическим свойствам горных породах, преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником.

В таких сложных условиях бурения трудно обеспечить эффективность работы буровой коронки, так как существенное различие пород по твердости, абразивности и трещиноватости и их частая перемежаемость требуют соответствующее и принципиально отличное вооружение, которое невозможно совместить в одной стандартной буровой коронке. Это обусловливает значительные затраты времени на спуско-подъемные операции с целью замены буровой коронки на соответствующую изменившимся физико-механическим свойствам породы.

При этом, с одной стороны, стремление к максимальному увеличению ресурса коронки постепенно привело к чрезмерному насыщению ее торца породоразрушающими элементами в ущерб элементам промывки и, соответственно, к увеличению энергозатрат и снижению механической скорости бурения. С другой - резервы повышения долговечности буровой коронки за счет усиления вооружения практически исчерпаны, так как, например, возможность дальнейшего увеличения достигнутой в современной алмазной импрегнированной коронке высоты матрицы ограничена ресурсом подрезных резцов.

Исследованиями последних лет установлено (см. Сверхтвердые материалы в геологоразведочном инструменте / Коллектив авторов: Р.К.Богданов, А.П.Закора, A.M.Исонкин и др. Екатеринбуг: Изд-во УГГГА, 2003, 138 с.), что при оптимизации конструкций буровых коронок необходимо стремиться к уменьшению длины секторов алмазных и количества резцов твердосплавных коронок, сохраняя при этом равномерность нагрузки по их торцу. Так, в алмазных коронках диаметром 76 мм, при уменьшении длины сектора торца с 13 до 8 мм, ресурс их возрос на 64%, а уменьшение числа резцов твердосплавных коронок того же диаметра с 8 до 3 привело к увеличению механической скорости в 2 раза.

Известна алмазная буровая коронка (а.с. №1689581, авторы Белов A.M. и др.) с дополнительным корпусом, несущим свой ряд резцов и соединенным с основным посредством заклепок, которые срезаются осевым усилием после срабатывания резцов, расположенных на дополнительном корпусе, благодаря чему в работу вступают резцы основного корпуса коронки.

Известна также, как более близкий аналог, двухъярусная буровая коронка (а.с. №161008, авторы Лачинян Л.А. и др.), принятая за прототип, резцы верхнего неподвижного яруса которой установлены непосредственно на корпусе коронки, а нижнего (временно неподвижного) установлены также на корпусе коронки, но на временных опорах с амортизирующим наполнителем. В данной коронке сначала работают резцы нижнего яруса, на которые, после затупления резцов, создают избыточное осевое усилие, в результате чего резцы этого яруса срезают временную опору и, вдавливаясь в тело коронки через амортизирующий наполнитель, обеспечивают бурение резцами верхнего яруса.

Такая коронка, как/и упомянутая выше, имеет в сравнении с обычной более высокий ресурс, позволяет существенно снизить энергоемкость процесса бурения и повысить его механическую скорость. Однако возможность увязки вооружения такой коронки с часто меняющимися физико-механическими свойствами встречаемых пород ограничена, так как после срабатывания первого яруса резцов он не восстанавливается для встречи вновь изменившейся породы, т.е. имеет одноразовое применение.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности работы буровой коронки, с одной стороны, путем снабжения ее универсальным набором вооружения и в обеспечении оперативного включения в работу той группы минимально необходимого вооружения, которая наиболее полно соответствует физико-механическим свойствам проходимых в данный момент времени пород при неограниченной частоте их перемежаемости, и с другой - за счет увеличения ее вооруженности резцами, обрабатывающими стенки скважины и керн.

Для решения этой задачи в буровой коронке, включающей несколько ярусов резцов, находящихся на разном расстоянии от забоя скважины, 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 или смещена у одной части резцов данного яруса в сторону большего диаметра корпуса, а у другой - в сторону меньшего, причем цилиндрические хвостовики державок, имеющие проточку, образующую верхний и нижний круговой уступ, вместе с упирающимися в них упорным подшипником и пакетом пружин сжатия, входят, также с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси, в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси.

Сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов. При этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения.

В то же время хвостовики державок резцов всех ярусов, кроме верхнего, вместе с предварительно поджатыми упорными подшипниками и пакетами пружин удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним кольцевым уступом расточки хвостовиков державок в верхнюю грань сваренного из двух половин опорного кольца, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз, выполненный на наружной поверхности тела коронки, а хвостовики державок верхнего яруса резцов - благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика.

При создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса.

При дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним кольцевым уступом в нижнюю грань упомянутого опорного кольца, приподнимают резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого. И, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и затем только резцы первого.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 и 2 схематично изображены трехъярусная и четырехъярусная алмазная буровая коронка, ось вращения резцов которой расположена на среднем диаметре торца ее корпуса. Для упрощения чертежей и большей их наглядности промывочные окна, шламовые пазы и уплотнительные элементы не показаны. Нумерация ярусов начинается с ближнего к забою.

Здесь показаны:

фиг.1 - трехъярусная буровая коронка с четырьмя державками резцов на каждом ярусе;

фиг.2 - четырехъярусная буровая коронка с тремя державками резцов на каждом ярусе;

на фиг.3 представлен вид по А-А (см. фиг.1) трехъярусной буровой коронки, а на фиг.4 - ее развертка (вид по внешнему диаметру) с местным разрезом по среднему ее диаметру.

Трехъярусная буровая коронка (см. фиг.3 и 4) 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, расположенную на среднем диаметре торца корпуса коронки. Цилиндрические хвостовики 3 державок, имеющие проточку, образующую верхний 4 и нижний кольцевой уступ 5, вместе с упирающимися в них упорным подшипником 6, пятой 15 и пакетами пружин сжатия 7, входят также с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси в глухие отверстия 8, выполненные с торца тела коронки 16 параллельно ее оси.

Сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов. При этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения.

Хвостовики державок резцов всех ярусов, кроме верхнего, вместе с предварительно поджатыми упорным подшипником 6 и пакетами пружин 7, удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним кольцевым уступом 4 проточки хвостовиков державок в верхнюю грань 9 сваренного из двух половин опорного кольца 10, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз 11, выполненный на наружной поверхности тела коронки. Хвостовики державок верхнего яруса удерживаются от выпадания из своих отверстий благодаря стальному шарику 12, установленному через отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика (фиг.4).

Кольцевой паз вместе с опорным кольцом защищен от внешних воздействий металлическим или пластиковым кожухом 13 (на фиг.4 не показан).

При создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается, и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса, а при дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним кольцевым уступом 5 проточки хвостовиков в нижнюю грань 14 упомянутого опорного кольца 10, приподнимают резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого, и, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и затем только резцы первого.

Заявляемая конструкция многоярусной буровой коронки позволяет решить поставленную задачу.

Действительно, резцы первого от забоя яруса разрушают породу при условии, что осевая нагрузка на забой соответствует силе сжатия пакета пружин этого яруса. При встрече более твердой породы и, как следствие, создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов этого яруса, пакеты его пружин сжимаются и в работу, вместе с резцами первого яруса, вступают резцы второго яруса. При этом породу разрушают резцы второго яруса, а резцы первого работают в режиме самозатачивания. При встрече еще более твердой породы и дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним кольцевым уступом 5 проточки хвостовика 3 в нижнюю грань 14 опорного кольца 10 (фиг.3 и 4), приподнимают резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого.

В этом случае породу разрушают резцы третьего яруса, а резцы первого также находятся в режиме самозатачивания. При изменении твердости пород и соответственно нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и затем только резцы первого.

Таким образом, применение предлагаемой многоярусной буровой коронки, благодаря универсальности набора вооружения и возможности включения в работу той минимально необходимой группы вооружения, которая наиболее полно соответствует физико-механическим свойствам проходимых в каждый данный момент времени пород при неограниченной частоте их перемежаемости, позволяет существенно повысить эффективность процесса бурения за счет снижения энергоемкости процесса, повышения механической скорости, ресурса коронки и экономии времени на ее замену, в особенности при бурении со съемным керноприемником. Резцы имеют возможность вращения вокруг своей оси.

В данном случае (см. фиг.1) оси резцов расположены на среднем диаметре торца корпуса коронки и сцепление каждого резца со стенкой скважины обусловливает его вращение против часовой стрелки, а сцепление с керном, наоборот, - по часовой стрелке. Но, поскольку крутящий момент вращения точек резца относительно оси коронки по внешнему диаметру больше, то, в конечном итоге, резец должен проворачиваться против часовой стрелки. Вместе с тем, в результате сцепления резца с центральной частью кольцевого забоя под действием осевой нагрузки, одновременно с вращением происходит проскальзывание резца и создаются 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 2-х резцов каждого яруса ближе к наружному диаметру коронки, а 2-х других - к внутреннему, то, поскольку они контактируют или только со стенкой скважины, или только с керном, с учетом контакта их также с центральной частью забоя, степень проскальзывания резцов будет значительно меньше, и, как следствие, преимущественную реализацию получит наиболее эффективный вид разрушения горной породы - смятие и раздавливание (см. Сулакшин С.С. Бурение геологоразведочных скважин: Справочное пособие. - М.: Недра, 1991. - 334 с.: ил.)

Вращение резцов вокруг своей оси обеспечивает более высокую вооруженность коронки подрезными резцами. Матрицу, например, 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 штабики выполнены цилиндрической формы с диаметром той же величины «а», и подрезные алмазы расположены по всей длине окружности штабика, т.е. на длине 3,14а, и поэтому вооруженность подрезными алмазами в цилиндрическом штабике в 1,57 раза выше (3,14а:2а=1,57). Учитывая, что цилиндрические резцы установлены с зазором и их общая 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.

Наличие у резцов амортизаторов в виде пакетов пружин сжатия резко снижает действие ударных нагрузок, возникающих в результате продольных и поперечных колебаний бурового снаряда и приводящих к скалыванию резцов, в особенности алмазных, как наиболее хрупких, и, следовательно, пружины-амортизаторы способствуют повышению долговечности буровой коронки.

Пример реализации предлагаемой многоярусной буровой коронки.

В качестве примера принимаем трехъярусную импрегнированную алмазную коронку с наружным и внутренним диаметром соответственно 75,31 и 47,62 мм, т.е. соответствующую по габаритным параметрам коронке размера WLN по ISO 10097-1:1999(Е) для бурения со съемным керноприемником. Толщина матрицы коронки по данному стандарту 13,8 мм. В этих габаритных параметрах размещены все конструктивные элементы трехъярусной алмазной коронки, представленной на фиг.1, 3 и 4. Учитывая, что ресурс подрезных резцов предлагаемой коронки в 1,5 раза выше в сравнении с обычной, высоту матрицы ее увеличиваем также в 1,5 раза, что обеспечивает соответствующее повышение долговечности.

Диаметр проточки хвостовика, образующей верхний и нижний круговой уступ, равен 4 мм. В качестве упорного подшипника принят шарик диаметром 6 мм по ГОСТ 3722-81 с пятой.

Бурение проводим с применением снаряда со съемным керноприемником в породах V-X категорий буримости, в том числе резцами ярусов: первого - V-VI, второго - VI-VIII, третьего - VIII-Х категорий буримости. Частота вращения - до 1500 об/мин.

Удельную осевую нагрузку принимаем 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, 904 с.; ил.) в зависимости от категории пород по буримости соответственно для резцов 3-х ярусов (кН/см²): V-VI - 0,4-0,6; VI-VIII - 0,6-0,8 и VIII-X - 0,8-1,0. Всего в работе 12 резцов, в том числе по 4 резца в каждом ярусе. Соответственно, площади рабочей поверхности резцов с учетом промывочных окон и шламовых пазов составляют по 2,1 см² на резец и, следовательно по 8,4 см² в каждом ярусе. Согласно этим параметрам осевые нагрузки на резцы каждого яруса составят (кН): 1-й ярус - 3,8-5,2 (на один резец 0,8-1,3); 2-й ярус - 5,2-6,8 (на один резец 1,3-1,7) и 3-й ярус - 6,8-8,4 (на один резец 1,7-2,1).

Резцы коронки представлены алмазоносными штабиками, припаянными к державкам всех ярусов резцов, причем, как условно показано на схематических чертежах, чем выше твердость пород, тем мельче алмазы. При этом максимальная деформация (ход) пакета пружин резцов первого яруса составляет h₁=9 мм, второго - h₂=6 мм, третьего - h₃=3 мм (см. фиг.5).

По мере роста осевой нагрузки резцы первого яруса, выбирая первые 2 мм своего хода, разрушают породы V категории и, затем, в пределах хода пружин в 1 мм, совместно с вступившими в работу резцами 2-го яруса, разрушают породу VI категории. С дальнейшим увеличением осевой нагрузки, резцы 2-го яруса, в пределах хода своих пружин в 3 мм, разрушают сначала породу VII и, затем, совместно с резцами 3-го яруса, - породу VIII категории. Далее, цилиндрические хвостовики державок резцов 1-го яруса, вступивших в режим самозатачивания, после хода в 6 мм, под действием возросшей осевой силы, упираясь своим нижним кольцевым уступом 5 в нижнюю грань 14 опорного кольца 10, отрывают резцы 2-го яруса от забоя, открывая возможность продолжения работы резцам 3-го яруса для разрушения пород VIII-X категорий буримости при нагрузке на резец 1,7-2,1 кН или при общей нагрузке на коронку 6,8-8,4 кН.

Таким образом, при изменении осевой нагрузки на коронку в ту или иную сторону, в любой последовательности и при любой ее величине в пределах заданных границ, в работу вступают резцы, предназначенные для разрушения соответствующей данной нагрузке породы. Очевидно, что эта принципиальная схема работы коронки может быть использована и применительно к породам, которые отличаются не только твердостью, но и трещиноватостью или абразивностью. При этом вооружение резцов коронки должно соответствовать этим физико-механическим свойствам пород согласно назначению каждого яруса резцов.

Для обеспечения режима самозатачивания и во избежание заполирования алмазов резцов 1-го яруса коронки, твердость материала матрицы их штабиков подбираем в соответствии с абразивностью пород, предназначенных для разрушения резцами 2-го и 3-го яруса, т.е., в данном случае, VII-X категорий буримости.

Кроме того, поскольку резцы первого яруса находятся в постоянном контакте с забоем скважины, они могут быть усилены подрезными вставками из композиционного материала типа твесал, которые располагаются непосредственно в алмазоносном штабике с перекрытием торцевого слоя благодаря чему полный износ последнего может произойти только после износа вставок твесала. Принимая во внимание значительные осевые нагрузки, действующие на резцы подвижных ярусов, выбираем для их восприятия пакеты тарельчатых пружин по ГОСТ 3057-90. Учитывая толщину стенки тела корпуса коронки (12,8 мм), принимаем пружину №020 с наружным диаметром 8 мм, сила которой при максимальной деформации составляет F₃=400 Н. Номинальный диаметр отверстий и цилиндрических хвостовиков державок 8,3 мм.

Рассчитываем число пружин для первого яруса резцов. Оно представлено двумя группами пружин: параллельной и последовательной сборки. При рабочей деформации 0,8 F₃=341 Н и в соответствии с максимальной осевой нагрузкой на резец первого яруса (1300 Н) необходимое число пружин параллельной сборки составит

n₁=1300:341=3,80,

принимаем n₁=4 шт.

Максимальная деформация группы пружин параллельной сборки составит

S_пар.с=S₃=0,17 мм,

где S₁ - максимальная деформация пружины №020.

Поскольку общий ход пакета пружин резца первого яруса принят равным h₁=9 мм (см. фиг.5), максимальная деформация группы пружин последовательной сборки составит

S_пoc.с=9-0,17=8,83 мм

Число группы пружин последовательной сборки в пакете равно

n=8,83:0,17=51,94,

принимаем n=52 шт.

Высота группы пружин параллельной сборки в пакете в свободном состоянии

$$L_{пар.с}=I_{о}+(n_1-1)t,(1)$$

где

I_о - высота пружины, мм;

t - толщина пружины, мм.

L_пар.с=0,67+(4-1)0,5=2,17 мм.

Высота группы пружин последовательной сборки в свободном состоянии

L_пос.с=I_о×n=0,67×52=34,84 мм.

Общая высота пакета пружин в свободном состоянии

2,17+34,84=37,0 мм.

Общая высота пакета пружин резца первого яруса с предварительной деформацией 0,2 F₃ (с поджатием при установке) составит

37,0-37,0×0,2=29,6 мм.

Аналогично для резца второго яруса получаем необходимое число группы пружин параллельной сборки n₁=1700: 341=4,98; принимаем n₁=5 шт.; S_пар.с=0,17 мм; поскольку максимальная деформации пакета пружин принята равной h₂=6 мм (см. фиг.5), общий ход группы пружин последовательной сборки будет равен S_пос.с=6-0,17=5,83 мм; тогда n=5,83: 0,17=34,29, принимаем n=34 шт.;

L_пар.с=0,67+(5-1)0,5=2,67 мм; L_пос.с=0,67×34=22,78 мм; общая высота пакета пружин резца второго яруса в свободном состоянии 22,78+2,67=25,45 мм; то же с предварительной деформацией 0,2 F₃ составит 25,45-25,45×0,2=20,36 мм.

Для резцов третьего яруса также получаем необходимое число группы пружин параллельной сборки n 1=2100: 341=6,16; принимаем n₁=6 шт.; S_пар.с=0,17 мм; поскольку максимальная деформация пакета пружин принята равной h₃=3 мм (см. фиг.5), общий ход группы пружин последовательной сборки будет равен S_пос.с=3-0,17=2,83 мм; тогда n=2,83:0,17=16,64, принимаем n=17 шт.

L_пар.с=0,67+(6-1)0,5=3,17 мм; L_пос.с=0,67×17=11,39 мм; общая высота пакета пружин резца третьего яруса в свободном состоянии 3,17+11,39=14,56 мм. То же с предварительной деформацией 0,2 F₃ составит 14,5-14,56×0,2=11,65 мм.

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.

Максимальные напряжения возникают в отверстиях третьего яруса резцов, в котором максимальная осевая сила на забой составляет 8,4 кН. 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.):

$$N=\mathrm{0,81}\times {10}^{-8}P\times n_{вр}(D_{н}+D_{в}),(2)$$

где

P - 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=8400 Н; n_вр=1500 об/мин; D_н=75,31 мм; D_в=47,62 мм, имеем

N=0,81×10^-8×6000×1500(75,31+47,62)=12,6 кВт.

Из 12 резцов в работе участвуют только 4, т.е. 33% от общей площади торца обычной коронки, и, следовательно, затраты мощности соответственно составят

12,6×0,33=4,16 кВт.

Тогда крутящий момент на коронке

М_кр=9552×4,16:1500=26,5 Нм.

Учитывая, что радиус буровой коронки равен

R=75,31:2:1000=0,0376 м

и что одновременно работают 4 резца, находим расчетную окружную силу на один резец

q_рез.р=M_кр:R:4=26,5:0.0376:4=176 Н.

Площадь S от внутренней поверхности отверстия диаметром d=8,3 мм, воспринимающая боковую нагрузку смятия, будет равна:

$$S_{от}=\mathrm{3,14}\times d\times h:2(3)$$

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=3,14×8,3×0,2:2=2,60 мм²,

и напряжение смятия будет равно

176:2,60=67,7 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

662:67,7=9,8,

что достаточно.

Проверяем на смятие материал опорного кольца и кольцевого уступа проточки цилиндрического хвостовика державки резца первого яруса от действия осевой нагрузки на забой. Максимальная нагрузка имеет место в сопряжении этих двух элементов коронки при совместной работе первого и третьего яруса резцов, когда нагрузка на резец первого яруса составит суммарную нагрузку резца первого и второго яруса, т.е.

1,3+1,7=3 кН=3000 H.

Опорная площадь кольцевого уступа, образованного проточкой диаметром 4 мм цилиндрического хвостовика диаметром 8,3 мм, на контакте с гранью опорного кольца составляет (см. фиг.4) 25% от общей площади кольцевого уступа хвостовика:

S_оп=(8,3²-4²)×0,785×0,25=10,4 мм².

Напряжение смятия кольцевого уступа цилиндрического хвостовика и сопрягаемой поверхности опорного кольца составит

3000:10,4=288 Н/мм²,

а запас прочности на смятие, с учетом допускаемого напряжения для стали 35 будет равен

662:288=2,3,

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 16170 Н (1650 кг).

Запас прочности определяем для пяты и рабочего торца хвостовика, сегментная поверхность которых, в сопряжении с шариком, определяется следующей зависимостью:

$$S=\mathrm{3,14}\times d\times H,(4)$$

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=37,68 мм².

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

3000 Н:37,68=79,6 Н/мм².

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

662:79,6=8,4,

что достаточно.

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

Приведенный пример реализации предлагаемой конструкции многоярусной 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 в 1,5 раза, увеличить механическую скорость, снизить энергоемкость процесса бурения и значительно сократить затраты времени на спуско-подъемные операции для ее замены.

Многоярусная буровая коронка, включающая несколько ярусов резцов, находящихся на разном расстоянии от забоя скважины, 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 или смещена у одной части резцов данного яруса в сторону большего диаметра корпуса, а у другой - в сторону меньшего, причем цилиндрические хвостовики державок, имеющие расточку, образующую верхний и нижний круговой уступ, вместе с упирающимися в них упорным подшипником и пакетом пружин сжатия, входят также с минимальным зазором и возможностью вращения вокруг своей оси в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси, а сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов, и при этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения, в то же время, хвостовики державок резцов всех ярусов, кроме верхнего, вместе с предварительно поджатым упорным подшипником и пакетом пружин удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним уступом кругового паза цилиндрических хвостовиков державок в верхнюю грань сваренного из двух половин опорного кольца, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз, выполненный на наружной поверхности тела коронки, а хвостовики державок верхнего яруса резцов - благодаря стальному шарику, установленному через боковое отверстие в теле коронки у ее торца в кольцевую проточку, выполненную у нижнего конца хвостовика, причем при создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается, и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса, а при дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним кольцевым уступом в нижнюю грань упомянутого опорного кольца, приподнимают и утапливают в тело торца коронки резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого, и, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса, и, затем, только резцы первого.