БУРОВОЕ РЕЖУЩЕЕ ОТКРЫВАЮЩЕЕСЯ ДОЛОТО

Полезная модель относится к горной промышленности и строительству, в частности, к конструкциям буровых режущих открывающихся долот, применяемых в сейсморазведке при бурении взрывных скважин в неустойчивых грунтах, или в строительстве при сооружении буронабивных свай.
Известно буровое режущее открывающееся долото (Е.И.Танов с соавт., Шнековый буровой инструмент, М. «Недра», 1985, с.30-31). Это долото содержит корпус со сквозным осевым отверстием, периферийные резцы-расширители, размещенные на корпусе, крышку в виде плоского диска, сопряженную в закрытом положении с выточкой в осевом отверстии корпуса. На наружной стороне крышки неподвижно размещена жестко связанная с ней лопасть с режущими элементами. Корпуса периферийных резцов-расширителей выполнены в виде проушин, в которых размещены концы лопасти. При этом, один из них соединен со своей проушиной шарнирно, с помощью пропущенной насквозь оси, а второй - с помощью легко срезаемого шплинта - фиксатора закрытого положения крышки. В качестве шплинта-фиксатора обычно используют алюминиевую проволоку или спичку.
Описанная конструкция нашла широкое применение и лежит в основе буровых режущих открывающихся долот, например, выпускаемых ОАО «Курганавторемонт» (см. WWW.kurganavtoremont.ru), или ЗАО «Геомаш» (Комплекс КШР-320, WWW.geomash.ru).
Такие долота применяются при бурении взрывных скважин при наличии в геологическом разрезе неустойчивых грунтов и хорошо работают при однородной структуре грунта. Однако в разрезах, включающих в себя валунно-галечные отложения, под действием ударов проушиной о камни происходит ее деформация и защемление в ней шарнирного соединения крышки с корпусом. Это исключает возможность открывания крышки и успешного заряжания скважины, или заполнения ее бетоном в случае, если она буронабивная.
Попыткой устранения описанного недостатка этой конструкции является известное буровое режущее долото (патент РФ №75403, U1, МПК E02D 7\22, 2006 г.) В этом долоте, также содержащем корпус со сквозным осевым отверстием, лопасти с периферийными резцами и крышку, размещенную в отверстии, с выполненной на ее наружном торце двухперой режущей частью, недостаток устранен за счет следующих конструктивных особенностей. Элемент, связывающий крышку долота с корпусом, выполнен в виде троса и размещен внутри долота, а крышка выполнена в виде хвостовика с проушиной на верхнем торце для соединения с тросом и имеет кольцевую канавку для шарикового фиксатора крышки и канавку с эластичным уплотнением. На крышке образованы две боковые параллельные грани, сопряженные с конгруэнтным им пазом в корпусе долота для передачи крутящего момента на режущую часть. При этом, последняя существенно выступает в сторону забоя над плоскостью вращения режущих кромок периферийных резцов.
В силу того, что элемент в виде троса, связывающий крышку долота с корпусом, расположен внутри него, эта конструкция не просто уменьшает недостаток предыдущей, но в принципе устраняет его, исключая повреждения устройства галечником.
Однако, при этом, область использования такого долота ограничивается лишь бурением скважин для буронабивных свай. Применению его для бурения взрывных скважин препятствует крышка долота, в открытом положении наполовину перекрывающая сечение отверстия и являющаяся помехой для погружения заряда.
Кроме этого, качество описанного долота, как режущего инструмента, существенно обесценивается его следующей конструктивной особенностью. В стремлении уменьшить, насколько это возможно, степень влияния крышки, как помехи заполнению скважины бетонной смесью, диаметр его головной режущей части, расположенный на крышке, ограничен диаметром корпуса долота. При этом буровой шлам, образуемый головной режущей частью, оказывается запертым в углублении забоя, образованном ей. Его вынос из этой зоны затруднен и возможен только выдавливанием, что требует дополнительного увеличения усилия давления на забой, приводя, с одной стороны, в силу ограниченности этого давления возможностями буровой установки, к уменьшению производительности проходки, а с другой стороны - на мерзлоте из-за повышенного трения приводит к чрезмерному растепливанию бурового шлама и образованию так называемых «сальников», препятствующих его выносу на поверхность и дальнейшей проходке скважины.
В качестве прототипа заявленного технического решения выбрана конструкция бурового открывающегося долота с шарнирным креплением крышки долота к корпусу, описанная в заявке первой, поскольку она наиболее близка заявленной по принципиальному устройству и обладает более широкой областью использования.
Устранению недостатка прототипа препятствует следующее техническое противоречие. Увеличение толщины стенки проушины шарнирного соединения увеличивает ее прочность и исключает деформацию вызывающую защемление шарнира, обеспечивая тем самым безотказное открывание крышки. Однако, увеличение размеров ее сечения до величины, исключающей деформацию при ударах, настолько существенно, что приводит к недопустимому ухудшению долота, как режущего инструмента. Причиной является то, что при этом увеличивается и без этого являющийся уже помехой выносу шлама уступ на передней поверхности лопасти, образованный стенкой проушины. Этот уступ является препятствием движению разбуренного грунта от центральной части забоя к периферии. В результате карман, образованный стенкой проушины ухудшает вынос шлама из забоя, заполняется им, снижая удельное давление режущих кромок на забой и уменьшая, в конечном счете, подачу долота на оборот и производительность проходки. Особенно существенно она снижается при бурении мерзлых грунтов из-за растепливания шлама повышенным давлением на него и трением, что способствует образованию так называемых «сальников», резко ухудшающих, или вообще прекращающих вынос шлама.
Устранение описанного технического противоречия является задачей заявленной полезной модели, а непосредственным техническим результатом, достигаемым при ее решении, является нечувствительность шарнирного соединения крышки долота к повреждениям галечником и уменьшение габаритов шарнира, как помехи, ухудшающей вынос бурового шлама из забоя.
Поставленная задача решается тем, что в соответствии с заявленным решением, в буровом режущем открывающемся долоте, содержащем корпус со сквозным осевым отверстием, крышку в виде плоского диска, сопряженную в закрытом положении с выточкой в нижней части отверстия и шарнирно связанную с корпусом в плоскости его осевого сечения, а также резцы, расположенные на крышке в плоскости шарнира, имеются следующие отличительные особенности. В частности, на торцевой поверхности корпуса выполнен диаметрально расположенный паз, а на крышке - радиальные выступы, сопряженные с упомянутым пазом. При этом, шарнирное сопряжение крышки с корпусом образовано отверстием, выполненным в одном из радиальных выступов крышки за пределами паза корпуса, и осью, размещенной в этом отверстии, концы которой отогнуты к корпусу и неподвижно соединены с ним, например, сваркой.
Долото дополнительно может быть снабжено периферийными резцами, расположенными в плоскости, перпендикулярной плоскости шарнирного соединения. Они центрируют долото в забое и улучшают условия его эксплуатации в геологических разрезах с неоднородной структурой, например, в галечниках за счет уменьшения динамических нагрузок.
Для уменьшения зазора в сопряжении крышки с выточкой в корпусе поверхность их сопряжения может быть выполнена конической.
Для гарантированной герметичности при бурении в напорных мелкозернистых плывунах сопряжение крышки с выточкой в отверстии корпуса может быть дополнительно снабжено уплотнением в виде эластичного кольца, размещенного в канавке..
Изобретение поясняется чертежами, где показаны: фиг.1 - долото, вид сбоку с местным разрезом (штрихпунктирной линией показана крышка в открытом положении); фиг.2 - долото, вид снизу с местным разрезом в плоскости оси шарнира; фиг.3 - долото, вид снизу при открытой крышке; фиг.4 - сечение А-А на фиг.2; на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.2; фиг.6 - долото, вид снизу - вариант выполнения с дополнительными периферийными резцами.
Буровое режущее открывающееся долото (фиг.1) содержит корпус 1, имеющий сквозное осевое отверстие 2. Верхняя часть долота выполнена в виде резьбового хвостовика 3 для соединения со шнеком (не показан), а отверстие 2 в нижней части долота снабжено выточкой 4 для размещения крышки 5. На торцевой поверхности корпуса выполнен диаметрально расположенный паз 6 (фиг.2, 3, 5), а на крышке 5 - радиальные выступы 7 и 8, сопряженные с этим пазом. Один из них, выступ 7, на выступающей из паза 6 части имеет сквозное отверстие 9 с размещенной в нем осью 10, концы которой отогнуты к корпусу 1 и соединены с ним сваркой (фиг.2.4).
На крышке 5 долота размещены резцы 11, армированные твердым сплавом 12, периферийная часть которых, формирует полный диаметр скважины, а центральная имеет кернообразующий промежуток d для снижения сопротивления бурению. Кроме того, долото для работы в разрезах с неоднородным грунтом может дополнительно снабжаться периферийными резцами 13, расположенными в плоскости, перпендикулярной плоскости шарнирного соединения, которые улучшают центрирование долота в забое и снижают динамические усилия (фиг.6).
Для обеспечения сопряжения крышки с выточкой в корпусе с минимальным зазором, поверхность их сопряжения выполнена конической с половиной угла при вершине конуса α/2, определяемой из условия возможности выхода крышки 5 из выточки 4 при ее открывании, а для обеспечения гарантированной герметичности долота при работе в разрезах с напорными мелкозернистыми плывунами сопряжение крышки долота с выточкой в корпусе может быть снабжено уплотнением в виде размещенного в кольцевой канавке выточки эластичного кольца (не показано). При этом половина угла при вершине конуса α/2, поверхности сопряжения крышки 5 и эластичного кольца не должно превышать угла трения между материалом крышки и материалом уплотнения. Это позволяет удерживать крышку в закрытом положении до опускания долота на грунт. В других случаях, с менее жесткими требованиями по герметичности, эластичное уплотнение не требуется, а для удержания крышки в закрытом положении могут применяться другие известные средства, конструкция которых не относится к сути заявленного технического решения.
Используют долото следующим образом. Перед бурением закрывают крышку, опускают буровой снаряд на грунт и производят бурение до необходимой глубины. Затем поднимают шнековую колонну над забоем на величину, достаточную для погружения заряда ВВ, открывают крышку долота ударом шеста, или сжатым воздухом, и опускают заряд на забой. После этого колонну поднимают, последовательно демонтируя шнеки.
Преимущества изобретения при его использовании проявляются как в сравнении с прототипом, так и в сравнении с аналогом описанными выше в заявке. В частности, главное преимущество заявленного технического решения перед прототипом заключается в безотказности открывания крышки долота при бурении грунта, включающего галечник. Техническим результатом, обеспечивающим безотказность, является нечувствительность шарнира к повреждающему воздействию галечника в условиях жестких ограничений по габаритам (компактности). Другим положительным следствием увеличения отношения «прочность-компактность» является устранение помехи для эвакуации шлама из забоя в виде порога, образованного в прототипе стенкой проушины шарнира, создающего своеобразный «карман» с уплотненным в нем и не удаляющимся из него шламом. Это, увеличивает производительность проходки (особенно в мерзлоте) за счет увеличения удельного давления режущей кромки на грунт, что обусловлено, при прочих равных условиях, уменьшением реальной площади соприкосновения долота с забоем на величину площади упомянутых «карманов». Компактность и «обтекаемость» шарнира дополнительно уменьшает вероятность его силового взаимодействия с крупными фрагментами галечника.
Преимущество заявленного долота перед аналогом, описанным в заявке заключается в более широкой сфере применения, поскольку, в отличие от аналога, применяемого только в строительстве, для сооружения буронабивных свай, заявленное можно использовать также и при бурении взрывных скважин, так как в заявленном крышка не является помехой для погружения заряда