Инструмент для вращательного бурения
Владельцы патента RU 2654900:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева" (КузГТУ) (RU)
Инструмент для вращательного бурения может быть использован в горном деле для бурения или расширения скважин восходящим режимом. Технический результат заключается в уменьшении износа породоразрушающих элементов и улучшении прохождения разрушенных частей керна через сквозной корпус при бурении восходящим режимом. Инструмент для вращательного бурения содержит сквозной корпус с размещенными на его торце чередующимися по линии окружности концентрично с центром вращения корпуса неподвижными и режущего действия подвижными относительно корпуса породоразрушающими элементами, установленными с возможностью поворота и подпружиненными в тангенциальном направлении вращения корпуса. Подвижные породоразрушающие элементы в свободном крайнем положении находятся под острым углом к направлению вращения и в обоих крайних положениях расположены с отставанием от неподвижных породоразрушающих элементов на такое расстояние, при котором неподвижные породоразрушающие элементы способны образовывать кольцевую щель, имеют форму клина, ширина основания которого больше ширины кольцевой щели. Общая по длине радиуса скважины ширина неподвижных породоразрушающих элементов такая, что образованные целики на забое могут скалываться под действием подвижных породоразрушающих элементов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Предлагаемое изобретение может быть использовано в горном деле для бурения или расширения скважин восходящим режимом.
Известен расширитель прямого хода для бурения восходящим режимом, содержащий сквозной цилиндрический корпус с размещенными неподвижно на его торце чередующимися по линии окружности концентрично с центром вращения корпуса разного типа породоразрушающими элементами режущего действия (Ситников Г.А., Пантелеева Л.П., Пудов Е.Ю. Разработка конструкции расширителя бурового инструмента для бурения скважин в неоднородных горных породах // Школа розробки. - 2011, С 280-283, рис. 2).
Недостатком данной конструкции является возможность разрушения образующегося керна на части такой величины, при которой затруднен их проход через сквозной корпус в ходе бурения восходящим режимом.
Известен буровой инструмент, содержащий сквозной кольцевой корпус, на торце которого размещены породоразрушающие элементы, оснащенный подвижными керноломами, расположенными в промежутках между породоразрушающими элементами и имеющими отдельный привод (пат. на изобретение РФ №2270321, Е21В 10/62, опубл. 20.02.2006).
Недостатком данной конструкции является необходимость наличия привода для керноломов, а значит, усложнение конструкции.
Известна машина для проходки горных выработок с рабочим органом бурового действия, содержащим корпус, с размещенными на его торце чередующимися по нескольким линиям окружностей концентрично с центром вращения корпуса породоразрушающими элементами режущего действия и отламывателями, неподвижно закрепленными на корпусе с шириной основания большей, чем ширина кольцевой щели. Отламыватели расположены с отставанием от породоразрушающих элементов на такое расстояние, при котором породоразрушающие элементы способны образовывать кольцевую щель. Общая по длине радиуса скважины ширина неподвижных породоразрушающих элементов такая, что образованные целики на забое могут скалываться под действием отламывателей (а.с. СССР №94922, Е21С 27/02, опубл. 01.01.1953, бюл. №1).
Недостатком данной конструкции является длительный контакт отламывателей с горной породой до тех пор, пока не произойдет разрушение целика горной породы, а значит, повышенный их износ, вследствие того, что отламыватели расположены на корпусе неподвижно.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является инструмент для вращательного бурения, содержащий сквозной корпус, с размещенными на его торце чередующимися по линии окружности концентрично с центром вращения корпуса неподвижными и режущего действия подвижными относительно корпуса породоразрушающими элементами, установленными с возможностью поворота и подпружиненными в тангенциальном направлении вращения корпуса. В одном крайнем положении подвижные породоразрушающие элементы расположены на одном уровне с неподвижными, а в другом - с опережением (а.с. №1084407, Е21В 10/48, опубл. 07.04.1984, бюл. №13).
Недостатком данной конструкции является невозможность подвижных породоразрушающих элементов приводить к отламыванию керна, повышенный их износ, вследствие того, что они постоянно находятся в контакте с горной породой.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение постепенного разрушения внутренней части забоя крупным сколом путем обеспечения прерывистого контакта с горной породой отдельных породоразрушающих элементов, что приведет к уменьшению их износа, а постепенное разрушение керна - к улучшению прохождения разрушенных частей керна через сквозной корпус при бурении восходящим режимом.
Для достижения указанного технического результата в инструменте для вращательного бурения, содержащем сквозной корпус с размещенными на его торце чередующимися по линии окружности концентрично с центром вращения корпуса неподвижными и режущего действия подвижными относительно корпуса породоразрушающими элементами, установленными с возможностью поворота и подпружиненными в тангенциальном направлении вращения корпуса, подвижные породоразрушающие элементы в свободном крайнем положении находятся под острым углом к направлению вращения и в обоих крайних положениях расположены с отставанием от неподвижных породоразрушающих элементов на такое расстояние, при котором неподвижные породоразрушающие элементы способны образовывать кольцевую щель, имеют форму клина, ширина основания которого больше ширины кольцевой щели, общая по длине радиуса скважины ширина неподвижных породоразрушающих элементов такая, что образованные целики на забое могут скалываться под действием подвижных породоразрушающих элементов.
Общая по длине радиуса скважины ширина неподвижных породоразрушающих элементов, при которой образованные целики на забое могут скалываться под действием подвижных породоразрушающих элементов, в частном случае может быть обеспечена путем расположения неподвижных породоразрушающих элементов по линиям нескольких концентрических окружностей и/или наличия опережающего забурника.
На фиг. 1 изображена развертка размещенных на торце корпуса породоразрушающих элементов по линии окружности; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 – продольно-осевой разрез инструмента для вращательного бурения внутри породного массива; на фиг. 4 - вид А на фиг. 3 без изображения породного массива.
Инструмент для вращательного бурения содержит сквозной корпус 1 с размещенными на его торце чередующимися по линии окружности концентрично с центром вращения корпуса 1 неподвижными, например в виде резцов, породоразрушающими элементами 2 и режущего действия, подвижными относительно корпуса 1, породоразрушающими элементами 3, установленными с возможностью поворота и подпружиненными в тангенциальном направлении вращения корпуса 1. Подвижные породоразрушающие элементы 3 в свободном крайнем положении находятся под острым углом к направлению вращения и в обоих крайних положениях расположены с отставанием от неподвижных породоразрушающих элементов 2 на такое расстояние, при котором неподвижные породоразрушающие элементы 2 способны образовывать кольцевую щель. Подвижные породоразрушающие элементы 3 имеют форму клина, ширина основания которого больше ширины кольцевой щели. Общая по длине радиуса скважины ширина неподвижных породоразрушающих элементов 2 такая, что образованные целики на забое могут скалываться под действием подвижных породоразрушающих элементов 3.
Выбор конкретной ширины неподвижных породоразшающих элементов 2 очевидно должен зависеть от свойств буримой породы и диаметра скважины и таким образом является осуществимым в конкретных условиях бурения. Общая по длине радиуса скважины ширина неподвижных породоразрушающих элементов 2, при которой образованные целики на забое могут скалываться под действием подвижных породоразрушающих элементов 3, в частном случае может быть обеспечена путем расположения неподвижных породоразрушающих элементов по линиям нескольких концентрических окружностей и/или наличия опережающего забурника 4 (фиг. 3 и 4).
Работает инструмент для вращательного бурения следующим образом.
На корпус 1 передаются крутящий момент и восходящее осевое усилие, в результате этого забурник 4, разрушая породу, оказывает центрирующее воздействие на корпус 1, и вместе с неподвижными породоразрушающими элементами 2 образуют кольцевые щели, между которыми образуются неразрушенные целики горной породы, так как подвижные породоразрушающие элементы 3 расположены с отставанием от неподвижных породоразрушающих элементов 2.
При достижении такой высоты целиков, при которой подвижные породоразрушающие элементы начинают взаимодействовать с горной породой, от сил трения происходит поворот подвижных породоразрушающих элементов 3, которые, так как расположены под острым углом к направлению вращения, начинают внедряться в межцеликовое пространство со скоростью большей, чем скорость бурения. Из-за того что подвижные породоразрушающие элементы 3 имеют форму клина, ширина основания которого больше ширины кольцевой щели (фиг. 2), происходит их расклинивание в кольцевой щели, в результате чего возникает радиальная нагрузка на целики горной породы и их откалывание. После этого подвижные породоразрушающие элементы 3 переходят в исходное положение, при котором они не касаются горной породы и не изнашиваются от трения. Отделенная горная порода имеет размер, соответствующий части кольцевого целика, и под действием собственного веса падает через сквозной корпус 1.
Таким образом обеспечивается постепенное разрушение внутренней части забоя крупным сколом путем обеспечения прерывистого контакта с горной породой подвижных породоразрушающих элементов 3, что приведет к уменьшению их износа, а постепенное разрушение внутренней части забоя - к улучшению прохождения разрушенных частей горной породы через сквозной корпус 1 при бурении восходящим режимом.
1. Инструмент для вращательного бурения, содержащий сквозной корпус с размещенными на его торце чередующимися по линии окружности концентрично с центром вращения корпуса неподвижными и режущего действия подвижными относительно корпуса породоразрушающими элементами, установленными с возможностью поворота и подпружиненными в тангенциальном направлении вращения корпуса, отличающийся тем, что подвижные породоразрушающие элементы в свободном крайнем положении находятся под острым углом к направлению вращения и в обоих крайних положениях расположены с отставанием от неподвижных породоразрушающих элементов на такое расстояние, при котором неподвижные породоразрушающие элементы способны образовывать кольцевую щель, имеют форму клина, ширина основания которого больше ширины кольцевой щели, общая по длине радиуса скважины ширина неподвижных породоразрушающих элементов такая, что образованные целики на забое могут скалываться под действием подвижных породоразрушающих элементов.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что общая по длине радиуса скважины ширина неподвижных породоразрушающих элементов, при которой образованные целики на забое могут скалываться под действием подвижных породоразрушающих элементов, обеспечена путем расположения неподвижных породоразрушающих элементов по линиям нескольких концентрических окружностей и/или наличия опережающего забурника.
