ШНЕКОВЫЙ БУР ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН
SCREW BORER FOR ROTARY BORING OF WELLS

Изобретение относится к буровой технике, а именно к конструкции бурового инструмента для вращательного бурения неглубоких скважин в грунтах I-IV категорий буримости по нормам СНИП IV-2-82 с твердыми включениями, а также в вечномерзлых и с сезонным промерзанием грунтах.
Известны бурильные инструменты для бурильных машин, работающих способом вращательного бурения, которые выпускаются Алапаевским заводом «Стройдормаш», содержащие двухзаходный лопастный корпус с забурником и установленными в нижней части лопастей режущими элементами (резцами), расположенными в одной плоскости вращения (Каталог ОАО «Бурильные машины и инструменты», ОАО «Стройдормаш», 2009 г.). Недостаток этих буров в том, что они имеют большой расход мощности, большой удельный расход твердого сплава, увод оси скважины при бурении скважин с твердыми включениями.
Наиболее близким аналогом является известный бурильный инструмент из RU 2004761 С1 для вращательного бурения скважин, содержащий корпус в виде спиральных лопастей и закрепленных на них шарнирно заслонок в верхней части, соосно закрепленный в нижней части лопастей забурник и закрепленные к лопастям по радиальным линиям ступенчато с возможностью перекрытия друг друга под разными углами к вертикальной плоскости центральные резцы и периферийные резцы, установленные на образующих конуса, вершина которого расположена на оси корпуса в нижней части забурника. При этом центральные резцы расположены на образующих конуса, вершина которого расположена на оси корпуса в верхней части забурника, причем образующие конусов периферийных и центральных резцов пересекаются в месте установки ближайшего к центру периферийного резца, расположенного ниже остальных, режущие кромки центральных и периферийных резцов смещены по окружности в направлении вращения относительно радиальной линии периферийного резца, а верхний край режущей кромки забурника расположен выше режущих кромок центральных и периферийных резцов.
Недостатком этих буров является:
- отсутствие нисходящей ступенчатой скважины, что ведет к увеличению осевого давления на бур при бурении твердых пород, что соответственно приводит к быстрому износу резцов;
- нерациональное использование мощности бурового станка и увеличение крутящего момента на шпинделе станка;
- возможность увода оси скважины от заданного значения при бурении мягких пород с твердыми включениями.
Однако этот бурильный инструмент обладает рядом недостатков: во-первых, крайне неблагоприятные условия работы резцов, а во-вторых, нерациональное использование мощности привода.
Технический результат заключается в том, что повышается эффективность работы бура:
- улучшение условий работы бура;
- формирование скважины с вертикальной осью и уплотненными стенками;
- обеспечение устойчивости бура при бурении вертикальных скважин с твердыми включениями при бурении грунта с твердыми включениями, т.е. ось скважины не уходит с первоначальной настройки оси скважины в сторону.
Заявляется бур, состоящий из шнекового корпуса 1, в верхней части которого шарнирно закреплены заслонки 2, буровых сменных резцов 5, 6, 7, вала 8 для крепления пилота-забурника 9, отличающийся тем, что шнековый корпус 1 установлен на опорные пластины 3, в центре которых расположен вал 8 пилота-забурника 9 так, что его верхняя линия резания расположена ниже линии резания самого нижнего резца, а вершины крайних боковых резцов расположены на одном расстоянии от оси вращения и на одной высоте относительно горизонтальной плоскости, причем внутренние боковые грани резцов параллельны линии, соединяющей вершину резца с осью вращения, а опорные пластины смещены относительно друг друга на угол α.
На Фиг.1 представлен заявляемый бур для вращательного бурения скважин, где:
1 - шнековый корпус;
2 - заслонка;
3 - опорная пластина;
4 - карман для крепления резца;
5, 6, 7 - резцы;
8 - вал пилота-забурника;
9 - пилот-забурник.
На Фиг.2 представлена схема образования ступенчатого забоя при бурении скважины, где:
D - диаметр буровой скважины;
d - диаметр скважины пилота-забурника;
h - расстояние между нижней линией резания резцов и верхней линией пилота-забурника.
На Фиг.3 представлена схема расположения резцов и расклад сил при резании грунта, где:
3 - опорные пластины;
5 - боковые резцы;
6, 7 - резцы;
9 - пилот-забурник.
Заявляемые технические результаты достигаются следующим образом.
1
1
1
1
1
1
С целью обеспечения устойчивости бура при бурении вертикальных скважин с твердыми включениями и формирования скважины с вертикальной осью и уплотненными стенками пилот-забурник 9 установлен таким образом, что его верхняя линия резания расположена ниже линии резания самого нижнего резца, а вершины крайних боковых резцов расположены на одном расстоянии от оси вращения и на одной высоте относительно горизонтальной плоскости, причем внутренние боковые грани резцов параллельны линии, соединяющей вершину резца с осью вращения, при этом внутренние боковые грани режут грунт и отбрасывают его внутрь скважины, а наружные грани режут грунт и отбрасывают его на стенку скважины, уплотняя ее. На Фиг.2 видно, как это происходит. Верхняя линия резания пилота-забурника располагается ниже нижней линии резания резцов. При вращении бура резец, соприкасаясь с грунтом, превращает вращающий момент шпинделя в усилие резания Р и P, которые раскладываются на две составляющие силы: силы N и N, которые срезают слой грунта. Сила N вдавливает в боковую стенку скважины, а сила N отбрасывает срезанный слой грунта внутрь на лопасти шнекового корпуса 1. Силы Q и Q участвуют в истирании резцов при работе бура и равны Q=f×P, Q=f×P. Опорные пластины 3 смещены относительно друг друга на угол α так, чтобы обеспечить максимальный проход разрушенного грунта между стенками скважины и пластинами. Разрушенный грунт, подпираемый вновь разрушаемым грунтом, выдавливается вверх на лопасти корпуса 1 и транспортируется ими в пространство над заслонками 2. Для того чтобы подъем грунта производился при малом осевом давлении бура, необходимо обеспечить наиболее проходную площадь для грунта, которую перекрывают опорные пластины. Поэтому опорные пластины 3 установлены так, чтобы обеспечить минимальный коэффициент перекрытия площади скважины К=Fпластины/Fскважины≤0,5. После проходки бура на определенную глубину бур поднимают на поверхность вместе с разрушенным грунтом, просыпаться которому препятствуют заслонки 2.
С целью улучшения внедрения бура в грунт сменные резцы 5, 6, 7 установлены по ступенчатой схеме под определенным углом к плоскости вращения, причем режущая кромка резца имеет оптимальный режим работы для данного твердого сплава. Причем крайние резцы на одной из опорных пластин 3 расположены на оси вращения для формирования диаметра скважин, а другие резцы расположены с возможностью рыхления грунта по следующей схеме: сначала рыхлят грунт резцы, расположенные ближе к оси вращения, затем следующие и так до перекрытия всей площади скважины. При встрече пилота-забурника 9 с твердыми включениями он поднимается, но не выходит из своей опережающей скважины, что позволяет буру оставаться на своей вертикальной оси. В дальнейшем забурник 9 либо разбуривает твердое включение, либо вдавливает его вбок в более мягкую породу, где его выдадут на шнековые лопасти резцы.
Заявляемое техническое решение позволяет получить повышение эксплуатационных характеристик, улучшить условия работы бура, формировать скважины с вертикальной осью и уплотненными стенками, а также обеспечить устойчивость бура при бурении грунта с твердыми включениями.