ШНЕКОВЫЙ БУР

Полезная модель относится к горной промышленности, в частности к породоразрушающим забойным инструментам, и может быть использована при создания шнековых буров для сооружения скважин различного назначения, в геологических разрезах которых присутствуют грунты перемежающиеся по крепости I-IV категории по буримости.
Известно буровое лопастное долото, состоящее из корпуса и радиально расположенных лопастей. Передняя грань и калибрующая поверхность лопастей армированы твердым сплавом /1/.
Недостатками этого долота являются сложность и ненадежность его конструкции, которая зависит от согласованной работы многих конструктивных элементов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является лопастное долото, которое можно использовать и в качестве шнекового бура, для бурения скважин в мягких грунтах I-IV категории по буримости /2/.
Недостатком этого долота является установка всех резцов на лопастях с неизменным положительным углом атаки при этом на каждый из резцов будет действовать практически равное усилие со стороны массива грунта. Из теории разрушения грунтов известно, что чем больше угол атаки резца, тем меньше работа резания и эффективнее процесс бурения. Это теоретическое положение с успехом используется при создании лопастных долот и шнековых буров для разрушения горных пород средней твердости, где мгновенная величина внедрения породоразрушающих элементов в массив забоя скважины незначительная, а механическая скорость бурения невысока.
При создании лопастных буров большого диаметра (более 350 мм) для бурения мягких грунтов I-IV категории по буримости это теоретическое положение в чистом виде использовать не представляется возможным, т.к. при наиболее рациональном угле атаки всех резцов процесс резания на всех участках забоя скважины близок к рациональному по энергоемкости, обеспечивающим наилучшие показатели разрушения грунтов, но при этом возникает эффект неконтролируемого завинчивания долота в массив грунта со значительным увеличением механической скорости бурения. Последнее приводит к тому, что возникают большие реактивные усилия, направленные вниз по оси скважины, достигая 0,8-1,2 кН на 1 м длины шнековой колонны /3/. Кроме того, сила трения со стороны стенок скважины, плоскостей реборд и корпуса шнековой колонны, возникающие при движении разрушенного грунта от забоя к устью скважины, и сила гравитации от этой массы грунта, препятствуют этому движению, создавая дополнительные нагрузки на буровой снаряд и узлы буровой установки.
Практика отработки лопастных долот и шнековых буров диаметром более 320 мм в мягких грунтах показала, что при больших скоростях углубки возникает эффект неконтролируемого завинчивания забойного инструмента в массив грунта, при этом, указанные выше силы превосходят прочность бурового снаряда или деталей вращятеля бурового станка и часто приводят к авариям в скважинах или поломки вращателя. Вышеописанное является главным недостатком такого забойного инструмента. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Задача, решаемая полезной моделью в части шнекового бура, заключается в исключении возможности возникновения эффекта неконтролируемого завинчивания шнекового бура в массив грунта крепостью I-IV категории по буримости.
Технический результат состоит в безаварийном бурении мягких грунтов и обеспечении надежной работы узлов буровой установки.
Достижению технического результата в части шнекового бура способствует то, что в шнековом буре, состоящем из корпуса с ребордами, присоединительного наконечника, породоразрушающих резцов, смонтированных на ребордах, и пилотного долота, на задних гранях резцов имеются шарниры, в которых подвижно установлены ограничители механической скорости бурения, свободные концы которых жестко связаны с пружинными элементами, а противоположные концы пружинных элементов жестко связаны с ребордами шнека.
Полезная модель поясняется чертежами. На фиг.1 представлен шнековый бур в рабочем положении при бурении по грунтам I-II категории по буримости; на Фиг.2 представлен шнековый бур в рабочем положении при бурении по грунтам III-IV категории.
Перечень позиций.
1. Корпус шнекового бура.
2. Реборда шнекового бура.
3. Присоединительный ниппель.
4. Породоразрушающие резцы.
5. Пилотное долото.
6. Ограничитель механической скорости бурения.
7,Шарнир.
8. Пружинный элемент.
Шнековый бур состоит из корпуса 1 с ребордами 2, присоединительного ниппнля 3, пилотного долота 5, породоразрушающих резцов 4 (далее - резцы), смонтированных на ребордах 2, ограничителей механической скорости бурения 6 (далее - ограничитель) с шарнирами 7 и пружинных элементов 8, жестко связанных с ребордами 2 шнекового бура и ограничителями 6.
Шнековый бур работает следующим образом. При бурении грунтов I-II категории резцы 4 устанавливаются с положительным передним углом атаки, что, как было сказано выше, обеспечивает наилучшие условия резания и высокую механическую скорость бурения. А для того, чтобы не возникли условия неконтролируемого завинчивания шнекового бура в массив грунта, ограничители 6, расположенные в данном случае параллельно плоскости забоя скважины, препятствуют интенсивному внедрению резцов 4 в грунт, за счет большой площади контакта разрушенного грунта с нижней поверхностью ограничителей 6. (Фиг.1).
Здесь необходимо отметить, что жесткость пружинного элемента 8 заранее рассчитывается таким образом, чтобы суммарная их жесткость превышала силу реакции от забоя скважины, которая зависит от прилагаемого осевого усилия на шнековый бур. Например, если процесс бурения происходит при осевом усилии на забой 2000 даН, которого вполне достаточно для разрушения грунтов I-II категории, то жесткость одного пружинного элемента 8 должна быть 1100-1200 даН, а суммарная жесткость двух - 2200-2400 даН. В этом случае ограничители 6 будут расположены параллельно плоскости забоя скважины, а реакция от забоя R - перпендикулярна плоскости ограничителя 6, а тренд угловой скорости ω параллелен плоскости забоя. Для преодоления этой силы необходимо затратить часть энергии, поступающей от бурового агрегата к забою, что будет препятствовать достижению механической скорости бурения критического значения, при котором может возникнуть эффект неконтролируемого завинчивания шнекового бура в массив грунта.
При разрушении более крепких грунтов (III-IV категории) осевое усилие на забой необходимо увеличивать для сохранения достаточно высокой механической скорости бурения. При этом суммарной жесткости пружинных элементов 8 будет недостаточно для компенсации соответствующей реакции от забоя скважины R, значение которой с ростом осевого усилия будет возрастать, и они начнут деформироваться, а ограничители 6 приобретут наклонное положение относительно плоскости забоя под углом α (Фиг.2).
Эта деформация будет происходить до тех пор, пока ответная реакция сжатого пружинного элемента 8 не станет адекватной реакции от забоя, т.к. с увеличением степени сжатости пружинного элемента 8 жесткость его возрастает. В этом случае сила реакции от забоя R будет направлена под углом 90+α к плоскости ограничителя 6, а тренд угловой скорости ω будет параллелен плоскости ограничителя 6, но под углом α к плоскости забоя скважины, что уменьшит сопротивление на ограничителе 6 и даст возможность несколько увеличить механическую скорость бурения, не допуская возникновения эффекта неконтролируемого завинчивания шнекового бура в массив грунта.
Существенным преимуществом данной конструкции шнекового бура является возможность бурения перемежающихся по крепости грунтов (при соответствующей корректировке параметров режима бурения) с исключением возможности возникновения эффекта неконтролируемого завинчивания шнекового бура в массив горной породы при сооружении скважин большого диаметра.
Таким образом, предложенное техническое решение полезной модели - шнековый бур, является наиболее рациональным как с точки зрения безаварийного бурения скважин большого диаметра в грунтах I-IV категории по буримости, так и с точки зрения исключения поломок деталей и узлов буровой установки, по сравнению с известными аналогами, что способствует расширению области применения данной конструкции.
Источники информации:
1. Патент РФ №2225492. Кл. Е21В 10/42. Опубл. 2004 г.
2. Танов Е.И., Площадный В.Я. Шнековый буровой инструмент. Справочник, «Недра». 1985. Стр. 16.
3. Башлык С.М., Загибайло Г.Т. Бурение скважин. М. «Недра». 1990. Стр. 42.