БУРОВОЕ РЕЖУЩЕЕ ОТКРЫВАЮЩЕЕСЯ ДОЛОТО

Полезная модель относится к буровой технике, в частности к конструкциям буровых режущих открывающихся долот, применяемых в сейсморазведке при бурении взрывных скважин в сложных горногеологических условиях.
Известно буровое режущее открывающееся долото, содержащее корпус, лопасти с резцами и связанную с корпусом посредством элементов крепления крышку с уплотнительным кольцом в хвостовой части и с двухперовым режущим лезвием с плоской передней гранью в головной части, открывающую центральный канал долота по всему поперечному сечению под действием массы бетонного раствора и удерживаемую в открытом состоянии относительно корпуса при помощи элемента фиксации, при этом элемент фиксации крышки долота к его корпусу выполнен в виде стопорного каната, размещенного внутри центрального канала долота с выходом его на наружную поверхность корпуса долота через сквозное отверстие, выполненное в корпусе, а элементы крепления крышки долота к его корпусу выполнены в виде шариковых фиксаторов, с упругими и нажимными элементами, контактирующих с кольцевой проточкой, выполненной на хвостовой части крышки, и двух взаимно параллельных граней, выполненных на головной части крышки, входящих в конгруэнтный им паз на торцевой поверхности корпуса долота, причем один конец стопорного каната шарнирно закреплен посредством проушины в торце хвостовой части крышки, а второй крепежным разъемным элементом, расположенным на наружной поверхности долота, при этом нажимные элементы шариковых фиксаторов выполнены в потаи, а крепежный разъемный элемент расположен на наружной поверхности корпуса долота с опережением плоской передней грани двухперового режущего лезвия крышки долота в сторону его вращения и размещен под нерабочей поверхностью лопасти долота (RU, патент №75403, E02D 7/22, Опубл. 10.08.2008, Бюл. №22).
Недостаток такого бурового режущего открывающегося долота заключается в том, что 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.
Известно буровое режущее открывающееся долото, содержащее 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 (ТАНОВ Е.И. и др. Шнековый буровой инструмент. Справочник. - М.: Недра, 1985, С. 30-31). 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.
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.
Известно буровое режущее долото, содержащее корпус со сквозным осевым отверстием, боковые резцы, армированные твердым сплавом и размещенные на корпусе долота, и одноразовую заглушку, верхняя часть которой выполнена с уплотнительными буртиками, при этом корпус одноразовой заглушки выполнен пустотелым, а в торце корпуса долота выполнена проточка (RU, патент №2582357, Е21В 10/42, Опубл. 27.04.2016, Бюл. №12).
Недостаток бурового режущего долота заключается в отсутствии на торцевой поверхности долота резцов, разрушающих центральную часть забоя, и в невозможности их установки на указанной поверхности, что существенно затрудняет процесс бурения скважин до проектной глубины, особенно по породам, включающим валунно-галечные отложения. В этом случае возникает необходимость увеличения давления на забой, которое приводит к увеличению затрат энергии на 1 м проходки. В некоторых случаях, в силу ограниченности технических характеристик буровой установки и увеличения проектной глубины бурения, усилия подачи на долото может быть недостаточно для разрушения керна.
Следует также отметить необходимость иметь большой запас одноразовых заглушек, что значительно повышает стоимость долота по сравнению с аналогичными буровыми режущими долотами, имеющими открывающуюся крышку.
Наиболее близким к заявленному является буровое режущее открывающееся долото, содержащее 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 (RU, патент №123821, Е21В 10/42, Опубл. 10.01.2013, Бюл. №1). На торцевой поверхности корпуса выполнен диаметрально расположенный паз, а на крышке - радиальные выступы, сопряженные с упомянутым пазом, при этом шарнирное соединение крышки с корпусом образовано отверстием, выполненным в одном из ее радиальных выступов за пределами паза корпуса, и осью, размещенной в этом отверстии, при этом ее концы отогнуты к корпусу и неподвижно соединены с ним, например, сваркой. Долото дополнительно снабжено периферийными резцами, расположенными в плоскости, перпендикулярной плоскости шарнирного соединения. Поверхность сопряжения крышки с выточкой выполнена конической. Сопряжение крышки с выточкой в отверстии корпуса дополнительно снабжено уплотнением в виде эластичного кольца, размещенного в канавке.
Недостаток такого бурового режущего открывающегося долота заключается в том, что оно имеет достаточно слабую фиксацию крышки, закрывающей проходное отверстие для заряда взрывчатого вещества. При подъеме долота над забоем скважины во время бурения возможно самопроизвольное открывание крышки, и как следствие, разрушение шарнирного соединения с последующим обрывом крышки в скважине. Необходимость в подъеме шнековой колонны возникает при прихвате шнековой колонны во время бурения по породам, включающим плотные глины, песчаники, галечник, а также при увеличении глубины бурения.
К недостаткам также следует отнести расположение резцов на крышке в плоскости шарнира. С увеличением глубины бурения увеличивается осевое усилие и крутящий момент, что приводит к увеличению глубины внедрения торцевых резцов в породу. В результате момент сопротивления вращению через торцевые резцы вызывает возникновение упругих деформаций в крышке, которые с увеличением глубины могут накапливаться и переходить в пластические деформации, следствием которых является изменение первоначальной геометрии, что в свою очередь, с одной стороны, может привести к самопроизвольному открыванию крышки в процессе бурения скважины, а, с другой стороны, наоборот к ее защемлению, препятствующему ее открыванию для размещения в скважине заряда взрывчатого вещества.
В основу полезной модели положена техническая проблема, заключающаяся в расширении арсенала буровых режущих открывающихся долот путем создания бурового режущего открывающегося долота, характеризующегося надежным удержанием крышки долота в закрытом положении при бурении скважины и безотказностью открывания крышки долота, гарантирующего успешное размещение в скважине заряда взрывчатого вещества.
При этом техническим результатом является реализация этого назначения.
Достижение вышеуказанного технического результата обеспечивается тем, что буровое режущее открывающееся долото, включающее корпус со сквозным осевым отверстием и с диаметрально расположенным пазом на его торцевой поверхности, крышку, шарнирно связанную с корпусом, сопряженную в закрытом положении с выточкой в нижней части отверстия и выполненную с конической поверхностью сопряжения с выточкой, торцевые резцы, периферийные резцы, расположенные на корпусе долота, и уплотнение крышки с корпусом в виде размещенного в кольцевой канавке эластичного кольца, дополнительно снабжено фиксатором крышки в виде пружинного круглого кольца, размещенного в выполненной в корпусе долота канавке и контактирующего в закрытом положении крышки с выполненной на ее поверхности кольцевой проточкой, уплотнение крышки с корпусом размещено выше выполненной в корпусе долота канавки с размещенным в ней пружинным круглым кольцом, а шарнирное соединение выполнено в виде закрепленного на наружной поверхности корпуса крепежного элемента с осью, на которой с возможностью вращения относительно корпуса установлен опорный элемент, сопряженный с выполненным на торцевой поверхности корпуса диаметрально расположенным пазом, при этом крышка жестко соединена с упомянутым опорным элементом, а торцевые резцы расположены на его наружной поверхности.
Периферийные резцы могут быть выполнены наклонными.
Периферийные резцы могут быть выполнены съемными в виде сменных элементов.
Наличие фиксатора крышки в виде пружинного круглого кольца, размещенного в выполненной в корпусе долота канавке и контактирующего в закрытом положении крышки с выполненной на ее поверхности кольцевой проточкой, размещение уплотнения крышки с корпусом выше выполненной в корпусе долота канавки с размещенным в ней пружинным круглым кольцом, выполнение шарнирного соединения в виде закрепленного на наружной поверхности корпуса крепежного элемента с осью, на которой с возможностью вращения относительно корпуса установлен опорный элемент, сопряженный с выполненным на торцевой поверхности корпуса диаметрально расположенным пазом, жесткое соединение крышки с упомянутым опорным элементом и расположение торцевых резцов на его наружной поверхности обеспечивает надежное удержание крышки долота в закрытом положении при бурении скважины и безотказность открывания крышки долота, гарантирующего успешное размещение в скважине заряда взрывчатого вещества.
Благодаря выполнению фиксатора крышки в виде пружинного круглого кольца, размещенного в выполненной в корпусе долота канавке и контактирующего в закрытом положении крышки с выполненной на ее поверхности кольцевой проточкой, во-первых, обеспечивается удержание крышки долота в закрытом положении до опускания долота на грунт, исключая ее самопроизвольное открывание, во-вторых, обеспечивается надежное удержание крышки долота в закрытом положении при бурении скважины, и, в-третьих, преодолевая сопротивление пружинного круглого кольца, обеспечивается при небольшом усилии открывание крышки долота для размещения заряда взрывчатого вещества.
При этом размещение уплотнения крышки с корпусом выше выполненной в корпусе долота канавки с размещенным в ней пружинным круглым кольцом обеспечивается надежная герметичность внутренней полости бурового режущего долота и соответственно внутренней полости шнековой колонны от попадания обводненных пород, представленных напорными плывунами.
Благодаря выполнению шарнирного соединения в виде закрепленного на наружной поверхности корпуса крепежного элемента с осью, на которой с возможностью вращения относительно корпуса установлен опорный элемент, сопряженный с выполненным на торцевой поверхности корпуса диаметрально расположенным пазом, расположению торцевых резцов на его наружной поверхности и жесткому соединению крышки с упомянутым опорным элементом, во-первых, полностью открывается центральный канал долота путем свободного поворота опорного элемента совместно с жестко закрепленной на нем крышкой относительно оси, обеспечивая тем самым успешное размещение в скважине заряда взрывчатого вещества, во-вторых, при бурении скважины рабочие нагрузки - осевое усилие подачи и крутящий момент передаются на торцевые резцы не через крышку, а через опорный элемент, надежно зафиксированный в выполненном на торцевой поверхности корпуса долота диаметрально расположенном пазу и рассчитанный на больший запас прочности, что практически исключает накапливание остаточных деформаций, отсутствие которых не приводит к возможной деформации и защемлению, что, в свою очередь, с одной стороны, обеспечивает ее надежное удержание в закрытом положении при бурении скважины, а, с другой стороны, ее безотказное открывание, гарантирующее успешное размещение в скважине заряда взрывчатого вещества.
Периферийные резцы центрируют долото в забое и снижают динамические усилия, улучшая тем самым условия его эксплуатации. Благодаря выполнению периферийных резцов наклонными улучшается вынос бурового шлама из забоя, что также улучшаются условия эксплуатации долота. Благородя выполнению периферийных резцов съемными в виде сменных элементов обеспечивается, во-первых, возможность их замены при износе, а, во-вторых, обеспечивается возможность использования сменных периферийных резцов с разными углами наклона и имеющих различную форму в зависимости от условий бурения.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 изображено буровое режущее открывающееся долото, вид сбоку (штрихпунктирной линией показана крышка в открытом положении); на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1, в плоскости оси шарнира; на фиг. 4 - буровое режущее открывающееся долото, вид спереди (штрихпунктирной линией показана крышка в открытом положении); на фиг. 5. - разрез В-В на фиг. 4; на фиг. 6. - вид Г на фиг. 4.
Буровое режущее открывающееся долото включает корпус 1 со сквозным осевым отверстием 2 и с диаметрально расположенным пазом 3 на его торцевой поверхности, крышку 4, шарнирно связанную с корпусом 1, сопряженную в закрытом положении с выточкой 5 в нижней части отверстия 2 и выполненную с конической поверхностью сопряжения с выточкой 5, торцевые резцы 6, периферийные резцы 7, расположенные на корпусе 1 долота, и уплотнение крышки 4 с корпусом 1 в виде размещенного в кольцевой канавке эластичного кольца 8. Эластичное кольцо 8 выполнено, например, из резины. Верхняя часть корпуса 1 долота выполнена в виде резьбового хвостовика для соединения со шнеком. Торцевые резцы 6 выполнены из твердого сплава вольфрамо-кобальтовой группы. Периферийные резцы 7 также армированы твердым сплавом вольфрамо-кобальтовой группы. Периферийные резцы 7 могут быть выполнены наклонными с разными углами наклона в зависимости от условий бурения. Периферийные резцы 7 могут быть выполнены съемными в виде сменных элементов, имеющих различную форму в зависимости от условий бурения. Долото снабжено фиксатором крышки 4 в виде пружинного круглого кольца 9, размещенного в выполненной в корпусе 1 долота канавке и контактирующего в закрытом положении крышки 4 с выполненной на ее поверхности кольцевой проточкой 10. При этом уплотнение крышки 4 с корпусом 1 размещено выше выполненной в корпусе 1 долота канавки с размещенным в ней пружинным круглым кольцом 9. Шарнирное соединение выполнено в виде закрепленного на наружной поверхности корпуса 1 крепежного элемента 11 с осью 12, на которой с возможностью вращения относительно корпуса 1 установлен опорный элемент 13, сопряженный с выполненным на торцевой поверхности корпуса 1 диаметрально расположенным пазом 3. При этом крышка 4 жестко соединена с упомянутым опорным элементом 13. Соединение крышки 4 с опорным элементом 13 выполнено посредством сварки. Крепежный элемент 11 выполнен, например, в виде проушины. Крепежный элемент 11 закреплен на наружной поверхности корпуса 1 посредством сварки. Торцевые резцы 6 расположены на наружной поверхности опорного элемента 13. Соединение торцевых резцов 6 с опорным элементом 13 выполнено посредством сварки.
Буровое режущее открывающееся долото используется следующим образом.
Буровое режущее открывающееся долото применяется в сейсморазведке при бурении взрывных скважин в сложных горногеологических условиях.
При бурении скважин буровое режущее открывающееся долото соединяется с полой шнековой колонной при помощи резьбового соединения.
Перед бурением скважины сквозное осевое отверстие 2 бурового режущего долота закрывается крышкой 4, буровой снаряд опускается на грунт и производится бурение до необходимой глубины.
При этом удержание крышки 4 долота в закрытом положении до опускания долота на грунт, исключая ее самопроизвольное открывание и ее надежное удержание в закрытом положении при бурении скважин обеспечивается фиксатором, выполненном в виде пружинного круглого кольца 9, размещенного в выполненной в корпусе 1 долота канавке и контактирующего в закрытом положении крышки 4 с выполненной на ее поверхности кольцевой проточкой 10.
В процессе бурения долото разрушает горную породу с постепенным углублением скважины.
При бурении надежная герметичность внутренней полости бурового режущего долота и соответственно внутренней полости шнеков от попадания в них обводненных пород обеспечивается уплотнением крышки 4 с корпусом 1, выполненным в виде размещенного в кольцевой канавке эластичного кольца 8 и размещенным выше выполненной в корпусе долота канавки с размещенным в ней пружинным круглым кольцом 9.
При бурении разрушенная порода подается с помощью периферийных резцов 7 долота на витки шнека с дальнейшей транспортировкой на поверхность. При этом периферийные резцы 7 центрируют долото в забое и снижают динамические усилия, тем самым улучшают условия эксплуатации долота. Возможно использование наклонных периферийных резцов 7. Такие периферийные резцы 7 улучшают вынос бурового шлама из забоя, что также улучшает условия эксплуатации долота. Возможно также использование съемных периферийный резцов 7 в виде сменных элементов. В этом случае обеспечивается возможность их замены при износе, а также возможность использования периферийных резцов 7 с разными углами наклона и имеющих различную форму в зависимости от условий бурения.
В процессе бурения скважины до необходимой глубины центральная часть забоя разрушается при помощи торцевых резцов 6, расположенных на наружной поверхности опорного элемента 13, сопряженного с выполненным на торцевой поверхности корпуса 1 диаметрально расположенным пазом 3. При этом соединение торцевых резцов 6 с опорным элементом 13 выполнено посредством сварки. При таком размещении торцевых резцов 6 при бурении скважины рабочие нагрузки - осевое усилие подачи и крутящий момент передаются на торцевые резцы 6 не через крышку 4, а через опорный элемент 13, надежно зафиксированный в выполненном на торцевой поверхности корпуса 1 долота диаметрально расположенном пазу 3, и рассчитанный на больший запас прочности, а что практически исключает накапливание остаточных деформаций, отсутствие которых не приводит к возможной деформации и защемлению, что, в свою очередь, с одной стороны, обеспечивает ее надежное удержание в закрытом положении при бурении скважины, а, с другой стороны, ее безотказное открывание, гарантирующее успешное размещение в скважине заряда взрывчатого вещества.
При достижении заданной глубины происходит остановка бурения и подъем шнековой колонны на величину одного шнека. После этого с помощью специальных шестов небольшим усилием открывают крышку 4 и опускают заряд взрывчатого вещества в скважину. При этом благодаря выполнению шарнирного соединения в виде закрепленного на наружной поверхности корпуса крепежного элемента 11 с осью 12, на которой с возможностью вращения относительно корпуса установлен опорный элемент 13 с жестко соединенной с ним крышкой 4, полностью открывается центральный канал долота путем свободного поворота опорного элемента 13 совместно с жестко закрепленной на нем крышкой 4 относительно оси 12, обеспечивая тем самым успешное размещение в скважине заряда взрывчатого вещества. После извлечения шестов шнековую колонну поднимают без вращения, последовательно демонтируя шнеки.