БУРОВАЯ КОРОНКА С КЛИНОВЫМ ЗАЖИМОМ РЕЗЦОВ
DRILL BIT WITH WEDGE CLAMP FOR CUTTERS

Изобретение относится к горному делу, а именно к буровым коронкам, предназначенным для проходки геологоразведочных скважин на месторождениях твердых полезных ископаемых и воды в породах различной крепости, в том числе и перемежающихся по твердости.
Известна буровая коронка с пластинами-резцами из спеченных нанопорошков кубического нитрида бора (НКНБ), выпускаемых ООО «Микробор Композит» [1]. НКНБ обладает действительно уникальными характеристиками: твердость 72 ГПа, термостойкость до 1500°C и ударопрочность. Причем пайка резцов из этого материала проводится специальным припоем «Микробор» с температурой плавления 1200°C.
Положительной особенностью этой коронки является одновременное разупрочнение и резание пород забоя скважины при температуре трения свыше 600°C и уменьшение потери тепла путем ограничения доступа (герметизация) охлаждающего агента под торец коронки.
Однако существенным недостатком коронок с паяными резцами при температуре 1200°C является наличие высокотемпературных напряжений в зоне пайки, которые вызывают преждевременный выход из строя резцов этих коронок, как и твердосплавных (пайка 950°C), и невозможность переустановки резцов на новые неизношенные грани. Кроме того, плохая смачиваемость НКНБ припоями усложняет технологию пайки и не обеспечивает ее прочность.
Известна буровая коронка со скважино- и кернообразующими круглыми резцами в виде плоских алмазно-твердосплавных пластин (АТП), установленными в цилиндрические пазы под отрицательные передние углы в плане к боковой внутренней поверхности резания и прижатыми к противоположной стенке посредством цилиндрического клина и прижимного винта [2].
Достоинством коронки является самозатачиваемость резцов и возможность установки резцов на новые неизношенные кромки, что повышает ресурс отработки коронки. Но большим достоинством данной коронки является то, что возникающие силы резания компенсируются в узле крепления резцов не только силами трения, но и ответными реакциями корпуса коронки, благодаря наличию у резцов опор по направлению действия сил резания.
Однако недостатком этого соединения является низкая надежность в условиях постоянных вибраций резьбового крепления резцов в виде АТП, небольшое усилие зажима резцов, так как достаточное усилие не может быть создано резьбой винтов диаметром порядка 4-6 мм, и технологическая сложность изготовления коронок из-за наличия перекрещивающихся цилиндрических каналов для установки прижимных клиньев и резцов АТП. К недостаткам следует также отнести установку клина и прижимного винта перед резцом в промывочном пазу, что вызывает уменьшение его поперечного сечения, следовательно, ухудшение условий очистки забоя, т.е. снижение механической скорости бурения. Кроме того, круглая форма резцов, ввиду начального точечного бокового контакта с породами скважины и керна, вызывает их ускоренный износ, что не позволяет проходить скважину длинными рейсами, т.е. увеличивается число подъемов и спусков бурового снаряда в цикле проходки скважины. Указанная коронка выбрана в качестве прототипа.
Задачами изобретения являются повышение надежности механического крепления пластин-резцов, увеличение усилия зажима пластин-резцов, рейсовой проходки и ресурса коронки, улучшение условий очистки забоя. Поставленные задачи решаются тем, что в буровой коронке с клиновым зажимом резцов, содержащей корпус с присоединительной резьбой, секторы, образованные на корончатом кольце-корпусе коронки и разделяющиеся друг от друга промывочными каналами, установленные с отрицательным передним углом к торцевой поверхности забоя скважины и отрицательным передним углом в плане к боковой внутренней и внешней поверхностям резания скважино- и кернообразующие пластины-резцы и зажимные клинья, на корончатом кольце выполнены глухие прямоугольные пазы, в которые установлены четырехугольные скважино- и кернообразующие пластины-резцы из ударо- и термостойкого инструментального материала, например НКНБ, а зажимные клинья установлены в клинообразные пазы между резцами и промывочными пазами таким образом, что пластины-резцы прижаты через промежуточную стенку к задней стенке промывочного паза, при этом клинья обращены к торцу коронки и у основания заклинены распорными клиньями со скосами, выполненными под углы самоторможения. Для повышения надежности клинья с самоторможением зафиксированы припаянным или приваренным стопором или локальной зачеканкой над клином материала кольца. Для равномерной передачи усилия зажима пластинам-резцам зажимные клинья выполнены шириной, равной ширине пластин-резцов, а в угловой зоне паза под пластины-резцы со стороны промежуточной стенки выполнен вертикальный разгрузочный тонкий неглубокий 0,3-0,5 мм пропил, устраняющий концентрацию напряжений в этой зоне. Для недопущения плавления коронки от аварийного перегрева нижней части коронки все ее детали могут быть изготовлены из жаропрочной стали. Толщина промежуточной стенки должна обеспечивать ее целостность при заклинивании зажимного клина и достаточную податливость для передачи усилия зажима пластинам-резцам. Как вариант зажимные клинья могут быть выполнены шириной, равной ширине торца коронки, но с переменной толщиной, обеспечивающей зажим только пластин-резцов.
Таким образом, особенностью коронки является применение четырехугольных пластин-резцов из ударопрочного и термостойкого инструментального материала, например НКНБ, и установка их в прямоугольные глухие пазы с зажимом клиньями, обращенными к торцу коронки и заклиненными у основания распорными клиньями.
Сочетание этих особенностей с достоинствами прототипа дает предлагаемой коронке следующие преимущества над прототипом:
- повышение усилия зажима пластин-резцов и надежности их крепления за счет применения зажимных клиньев;
- помехи (прижимной клин), препятствующие увеличению глубины и поперечного сечения промывочного паза, устранены, что, безусловно, приводит к своевременному удалению продуктов разрушения от зоны резания, следовательно, и механической скорости бурения;
- повышение скорости проходки скважин за счет увеличение длины рейса.
Комплексный анализ отличительных признаков коронки показывает, что коронка обладает новизной и изобретательским уровнем, так как только комплексное действие известных свойств каждого порождает новые свойства коронки, благодаря которым обеспечивается решение поставленных задач и достижение вышеуказанных технических результатов.
Сущность предлагаемого изобретения раскрывается нижеприведенными рисунками. На фиг. 1 изображен вид на кольцевую коронку спереди; на фиг. 2 - вид на фиг. 1 снизу.
Коронка состоит из корпуса 1, корончатого кольца 2, скважино- и кернообразующих пластин-резцов 3 и 4, соответственно, зажимных клиньев 5 и распорных клиньев 6. В глухих прямоугольных пазах 7 пластины-резцы зажаты распорными клиньями, которые вместе с распорными клиньями вставлены в клинообразные пазы 8. Для повышения податливости задней стенки глухого паза и равномерного зажима пластин-резцов она у основания ослаблена пропилом 9, выполненным параллельно кромкам пластин-резцов. Для охлаждения корпуса коронки и выноса продуктов разрушения служат промывочные пазы 10 и изготовленные по внутреннему и внешнему диаметрам корпуса коронки каналы 11. Пазы отделены промежуточной стенкой 12.
В корончатом кольце 2 выполнены наклоненные навстречу вращению коронки под углом глухие прямоугольные пазы 7. Причем в плане ориентированы навстречу к внутренней и внешней цилиндрическим поверхностям резания под определенным углом (на фиг. 2 этот угол принят 15 градусов). Благодаря этому в каждом пазе 7 его задняя, т.е. промежуточная стенка 12, воспринимает усилие зажима от клина и более-менее равномерно прижимает пластины-резцы к передней стенке паза. При этом для удержания клина в положении зажима он у основания подклинен распорным клином 6, кроме того для облегчения сборки стенки паза, как и клина, скошены под угол самоторможения, например, как в конусе Морзе. В свою очередь, клин 6, как и паз 8, также скошен под угол самоторможения и зафиксирован в рабочем положении приваренным или припаянным стопором или образованием локального наплыва (зачеканка) стенки паза над клином.
Кольцевая буровая коронка работает следующим образом. При вращении, передаваемом от става бурового станка (на фиг. 1 не показан), коронка при соприкосновении с забоем скважины разрушает его за счет того, что резцы 3 и 4 установлены с отрицательными передними углами к забою, поверхности керна и стенке скважины. В начальный момент бурения при острых режущих кромках резцов осуществляется преимущественно механическое резание. Однако по мере изнашивания режущих кромок, увеличивается площадь контакта резцов с забоем и для продолжения бурения, соответственно, увеличивается нагрузка на резцы. При определенном повышении осевого давления из-за трения резцов о породу достигается температура разупрочнения пород забоя до 600-800°C. При твердосплавном и алмазном бурении такой режим бурения ведет к выходу из строя резцов, поэтому он не применяется. В новой коронке применение резцов из термостойкого (1500°C) нанокомпозита КНБ позволяет резцам работать без потери эксплуатационных свойств в условиях высокотемпературного разупрочнения горных пород. Для достижения такого режима работы коронки при минимальном осевом усилии легкоизнашиваемый торец коронки постоянно контактирует с забоем, ограничивая доступ охлаждающего агента (воды или воздуха) к забою - режим теплосбережения. В связи с этим первоначальный выпуск резцов не превышает глубины внедрения их лезвий в породу забоя. Коронка может работать и с большим выпуском резцов, особенно, если бурится некрепкая порода при минимальной толщине пластинчатых резцов или буровой шлам удаляется воздухом.
Для переустановки резцов сначала освобождают клин 6 от припаянных или приваренных стопоров или наплывов над ним и нажатием выдавливают клин из промывочного паза специальным инструментом со скосом через отверстие под клином (на фиг. не показан) или легкими ударами, надставив инструмент в виде выколотки в торец или специальный упор. При этом освобождается клин 5, но если он имеет скосы под угол самоторможения, то также выбивается или выдавливается как клин 6. После этого резцы неизношенными кромками устанавливают в пазы в положении резания и зажимают их теми же клиньями, которые стопорят теми же способами. При этом выходящее за пределы допустимого уменьшение диаметра коронки можно компенсировать пластинами соответствующей толщины, установленными между нерабочими боковыми гранями пластин-резцов и глухой стенкой пазов 7.
При толщине резцов 1-2 мм со специальными опорами в породах средней крепости коронка может работать как самозатачивающаяся коронка типа CA4. Но даже в этом случае из-за износа боковых граней резцов необходимо будет их переустанавливать и вставлять к глухой стенке пазов компенсационные пластины.
По нашему мнению, предложенная конструкция буровой коронки с клиновым креплением труднопаяемых резцов является более надежной, кроме того, установка зажимных клиньев за резцами освобождает промывочные окна и расширяет конструктивные варианты крепления резцов механическим способом.
Источники информации
1. Патент РФ №2468175, МПК E21B 7/14. Коронка терморезцовая с герметизатором забоя / С.А. Ермаков, Л.Н. Федоров, P.M. Скрябин, Б.В. Григорьев, С.С. Кельциев, В.В. Ткаченко; заявитель и патентообладатель Учреждение Российской академии наук Ин-т горн. дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. - №2011110211/03; заявл. 27.03.2011; опубл. 27.11.2012. БИ №33. С. 335.
2. Патент РФ №2422613, МПК E21B 10/48. Кольцевая буровая коронка /А.Я. Третьяк, Ю.Ф. Литкевич, А.Е. Асеева и др.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет. - №2009146596/03; заявл. 15.12.2009; опубл. 27.06.2011, бюл. №18. - С. 839.