БУРОВАЯ КОРОНКА С ФРИКЦИОННЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
DRILL CROWN WITH FRICTION ELEMENTS

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, предназначенным для разрушения крепких горных пород, в том числе трещиноватых и перемежающихся по твердости.
Известна термофрикционная буровая коронка для бурения крепких пород, включающая корпус с фрикционными элементами и подпружиненные твердосплавные резцы [1]. При бурении фрикционные элементы трением нагревают и разупрочняют поверхностный слой породы, а резцы срезают этот слой. Недостатком является увеличение ширины торца коронки по сравнению с одинарной алмазной коронкой, из-за чего увеличивается объем разрушения пород при бурении.
Известна одинарная буровая коронка, включающая корпус, жестко закрепленные к корпусу выступающие резцы из сверхтвердых и ударопрочных инструментальных материалов и фрикционные элементы [2]. Особенностью этой коронки является то, что когда режущие элементы под действием большого осевого усилия внедрятся в забой, фрикционные элементы входят в контакт с забоем и, трением нагревая, разупрочняют поверхностный слой пород забоя буримой скважины, а резцы снимают этот разупрочненный слой. Это позволяет бурить весьма крепкие породы. Однако в начальный момент бурения резцы должны внедриться и резать крепкие породы, что посильно только современным сверхтвердым ударопрочным материалам.
Недостатком этой коронки является высокая стоимость сверхтвердых резцов и возможность их разрушения при бурении пород с твердыми включениями, неразупрочняющимися от нагрева трением. Применение твердых сплавов возможно только при бурении пород крепостью не выше VIII-IX категории по буримости.
Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является буровая коронка для бурения по трещиноватым и перемежающимся по твердости породам [3]. Коронка содержит корпус с прорезями в нижней части, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения коронки, и разделяющими его на ступенчатые секторы, армированные твердосплавными резцами, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку с присоединительной резьбой. При этом опережающие секторы имеют меньшее сопротивление изгибу по сравнению с другими секторами коронки, оснащенными алмазными породоразрушающими элементами. Для этого опережающие секторы имеют меньшее поперечное сечение, что достигается выполнением их с разгрузочными радиальными каналами, расположенными у основания прорезей, или же выполнением их во фронтальной плоскости трапецеидальной формы, меньшее основание которой расположено со стороны присоединительной резьбы. Достоинством данной коронки является обеспечение более эффективного разрушения породы за счет образования ступенчатого забоя и разрушения менее твердых пород твердосплавными резцами, а более твердых - алмазными секторами. Причем, когда работают алмазные сектора, твердосплавные резцы срезают гребешки от микрорезания алмазных зерен, создавая наилучшие условия работы алмазным секторам. Однако крепкие и неабразивные породы вызывают заполирование алмазов, кроме того, наличие алмазных секторов повышает стоимость коронки и требует интенсивного охлаждения, что обеспечивается подачей на забой большого количества охлаждающей воды. Последнее обстоятельство делает невозможным применение в качестве охлаждающего и очистительного агента воздуха, что снижает эффективность применения данной коронки в условиях Севера, в горах и в других мало- или безводных районах. Кроме того, развитая промывочная система охлаждения резцов водой не позволяет твердосплавным резцам работать в оптимальном температурном режиме. Дело в том, что исследования последних лет показали, что твердосплавные резцы имеют наибольшую работоспособность при температуре в пределах 730-750°C [4]. Однако для этого необходимо специально подогревать твердосплавный резец. При обычном бурении даже с продувкой твердосплавный резец при трении до нагрева до такой температуры начинает выкрашиваться и быстро изнашиваться. Только в условиях металлообработки, когда теплоотвод осуществляется в основном только через стружкообразование, возможно за счет увеличения механических нагрузок обрабатывать металлы твердосплавными резцами в оптимальных температурных режимах резания, т.е. 730-750°C. Следует также как недостаток отметить воздействие высокой температуры на корпус коронки при его сварке, которое может снизить упругие свойства опережающих секторов.
Таким образом, может быть поставлена задача эффективного бурения крепких, в том числе и неабразивных, пород без использования алмазных резцов, и с возможностью бурения в условиях многолетней мерзлоты и маловодья продувкой. Эта задача может быть решена, если в коронке, содержащей корпус с прорезями в нижней части, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения корпуса, и разделяющими ее на ступенчатые секторы, опережающие из которых армированы твердосплавными режущими элементами и имеют сопротивление изгибу, обеспечивающее подъем резцов, когда усилие резания возрастает до недопустимой величины для данных резцов, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку, отстающие секторы армировать термоизносостойкими фрикционными элементами, а направляющую втулку присоединить к корпусу коронки, изготовленному с резьбой для соединения с колонковой трубой или с буровым снарядом. При этом опережающие сектора у основания прорезей выполнены с меньшим поперечным сечением по сравнению с отстающими секторами путем выполнения радиального канала или постепенного его уменьшения по мере удаления от торца коронки.
Достоинством предложенной термофрикционной коронки с резцами на упругих секторах, является снижение энергоемкости разрушения забоя благодаря использованию тепла трения для разупрочнения пород забоя, и тем самым гарантирует высокую механическую скорость бурения и значительный рост проходки на коронку, и повышение эффективности работы при разбуривании пород с различной крепостью. В целом это снижает себестоимость буровых работ, что имеет особое значение при рыночной экономике.
Отличительной особенностью данной коронки является возможность бурения с применением сжатого воздуха, что особенно актуально в условиях Севера и маловодья. Кроме того, достигается возможность работы твердосплавных резцов в оптимальных температурных условиях работы (730-750°C [4]). Коронки с твердосплавными резцами в серийных условиях выпуска будут кратно дешевле алмазных коронок.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен общий вид коронки в разрезе.
Буровая коронка включает корпус 1 с присоединительной резьбой и прорезями 2 на нижнем торце, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения корпуса, и разделяющими его на ступенчато расположенные опережающие и отстающие секторы 3 и 4, армированные резцами 5 и фрикционными элементами 6, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку 7, соединенную с ним посредством сварного шва 8 или резьбы (не показана). В зависимости от твердости буримых пород резцы могут быть выполнены из твердого или сверхтвердого сплавов. Опережающие секторы выполнены с возможностью значительной упругой деформации по касательной к окружности направляющей втулки, вплоть до контакта с секторами, служащими ограничителем высоты подъема резцов в пределах упругой деформации опережающих секторов. Это нерабочее положение резцов на фиг.1 обозначено римской цифрой I. Высота подъема резцов равна величине их опережения h. При этом усилие давления твердосплавных резцов не должно превышать усилия внедрения в породы крепостью свыше VII категории по буримости. Это может быть достигнуто за счет выполнения опережающих секторов с определенным сопротивлением изгибу, которое зависит от материала и сечения вышеупомянутых секторов. Уменьшение их сечения может быть обеспечено путем изготовления с разгрузочными радиальными пазами 9, расположенными у основания прорезей, или путем их выполнения во фронтальной плоскости в виде равнобокой трапеции, к большему основанию которой крепятся резцы. Это позволяет при увеличении осевой нагрузки менять положение опережающих секторов относительно других, изменяя глубину внедрения резцов в забой.
Принцип работы коронки заключается в следующем. При бурении мягких и средней твердости пород под действием осевой нагрузки и крутящего момента резцы 5 на опережающих секторах 3 внедряются в породу и снимают определенный слой породы. Это обеспечивается путем подбора высоты смещения - h секторов 3 и 4. При этом усилие сопротивления пород разрушению не преодолевает сопротивление опережающих секторов изгибу и последние мало меняют свое расположение относительно отстающих секторов 4. Разрушенная порода выносится промывочной жидкостью или воздухом. При бурении более твердых пород осевое давление на коронку увеличивается, сопротивление разрушению также увеличивается и превышает сопротивление изгибу опережающих секторов. Благодаря этому резцы начинают выходить из заглубленного состояния, и величина их опережения уменьшается до нуля. При этом сектора 3 примыкают к секторам 4, и фрикционные элементы 6 секторов 4 начинают контактировать с породой, трением нагревая и разупрочняя породы забоя скважины. И когда сопротивление резанию разупрочненной породы станет меньше сопротивления изгибу секторов 3, резцы 4 начнут внедряться в забой и снимать слой породы.
Если при бурении мягких пород будут встречаться пропластки крепких пород, то резцы сектора 3 примкнут к сзади расположенным секторам 4, выводя резцы 5 из заглубленного положения. Скорость бурения значительно уменьшится, что потребует значительного увеличения осевого усилия. Благодаря этому фрикционные элементы войдут в контакт с забоем и начнут разупрочнять породы забоя, а опережающие секторы 3 восстановят свое исходное положение и в работу вновь вступают резцы 5, и далее коронка будет работать как при бурении крепких пород. Если при оптимальных режимах бурения скорость проходки резко увеличится, это значит, что твердые пропластки пород пройдены, и можно переходить на другие параметры режима бурения. В этом случае при уменьшении осевого усилия фрикционные элементы 6 выходят из контакта с породой и забой полностью разрушается резцами 5.
Благодаря выполнению опережающих секторов 3 с "ослабленным сечением" у основания прорезей и подбору материала корпуса с определенной силой упругости, режущие элементы участвуют в разбуривании твердых пропластков только после разупрочнения фрикционными элементами 6.
Источники, принятые во внимание
1. А.С. РФ №1541364, МПК E21B 7/14. Термомеханический породоразрушающий инструмент / Г.С.Бродов, О.Я.Манякина. Заявитель  Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки Всесоюзного производственного объединения "Союзгеотехника". Заявлено 26.10.1987, опубликовано 07.02.1990.
2. Патент РФ №2416709, МПК E21B 7/14, E21B 10/48. Коронка терморезцовая / М.Л.Брук, С.А.Ермаков, Л.Н.Федоров. Патентообладатель и заявитель Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН. Заявлено 20.08.2009, опубликовано 21.08.2011.
3. Патент РФ №2268348, МПК E21B 10/02, E21B 10/48. Буровая коронка / Н.М.Панин, В.А.Кирсанов, В.Ф.Сорокин, В.И.Орлов. Патентообладатель и заявитель: Н.М.Панин, В.А.Кирсанов, В.Ф.Сорокин, В.И.Орлов. Заявлено 26.07.2004, опубликовано 20.01.2006.
4. Патент РФ 2207936, МПК 7 B23B 1/00. Способ металлообработки твердосплавным инструментом. / Е.В.Артамонов, И.А.Ефимович, В.М.Костив, Т.Е.Помигалова . Заявл. 4.10.2001; Опубл. 10.07.03.