Буровая коронка
DRILLING BIT

Техническое решение относится к горному делу и строительству, а именно к буровым инструментам, предназначенным для бурения скважин ударно-вращательным способом, и может быть использовано при бурении скважин в крепких горных породах.
Известен горный бур для ударного бурения по патенту US 4,296,825, кл. Е21С 13/01, опубл. 27.10.1981, содержащий центральную вставку и ряд наружных вставок. Горный бур выполнен с центральным и боковыми промывочными каналами. Центральная вставка установлена за пределами действия наружных вставок. В целях увеличения скорости бурения и срока службы горного бура соотношение расстояния Y между центральной вставкой и одной из наружных вставок, диаметром D бура и опережающей высотой Х центральной вставки по отношению к наружным вставкам должно быть в определенных пределах.
Признаки аналога, совпадающие с признаками предлагаемого технического решения, следующие: горный бур содержит корпус с центральной опережающей частью, в котором выполнен центральный канал 13, сообщенный с боковыми промывочными каналами (поз. не обозначены) для очистки забоя и охлаждения породоразрушающих вставок (см. чертеж на фиг. 3, выполненный по разрезу III-III на фиг. 2).
Недостатком аналога является то, что боковые промывочные каналы, связанные с центральным каналом 13 (фиг. 3), сообщены с забоем скважины через шламовые пазы (поз. не обозначены), которые открыты в затрубное пространство скважины. Поэтому на забой скважины проходит только часть промывочного агента, поступающего из центрального канала 13 через боковые промывочные каналы. Такое исполнение ухудшает очистку забоя и охлаждение породоразрушающих вставок, что увеличивает абразивный износ, снижая эксплуатационную надежность горного бура.
Другим недостатком аналога является то, что ось центральной вставки 14 совмещена с осью горного бура. Поэтому при бурении скважин центральная вставка 14 вращается вокруг своей оси на одном месте забоя, при этом зона разрушения от её воздействия на забой равна площади круга с диаметром, равным диаметру центральной вставки 14. При таком исполнении горного бура промывочный агент не проходит в центр забоя скважины под центральную вставку 14 для очистки от разрушенной породы и для её охлаждения, что вызывает её повышенный абразивный износ и, как следствие, снижает эксплуатационную надежность. Исследования показали, что в зоне контакта породоразрушающей вставки с породой и, главным образом, в её поверхностном слое при недостаточном охлаждении промывочным агентом происходит очень сильный нагрев до температуры 1200°С, что существенно снижает твердость материала этой вставки и увеличивает её абразивный износ (см. в сб. «Горный породоразрушающий инструмент», Киев, «Технiка», 1969, с.112-113). Такое исполнение горного бура снижает его эксплуатационную надежность, и как следствие, уменьшает эффективность работы.
Наиболее близкой по технической сущности и совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является буровая коронка по патенту РФ № 2666386, кл. Е21В 10/38, опубл. 07.09.2018 г., БИ № 25, содержащая корпус с центральным и боковыми каналами для прохода промывочного агента к периферийным породоразрушающим вставкам, установленным в корпусе, и цилиндрические врубовые зубки, закрепленные в опережающей части корпуса, в которой два цилиндрических врубовых зубка установлены симметрично относительно оси корпуса на одной диаметральной прямой, а на второй диаметральной прямой, расположенной перпендикулярно указанной диаметральной прямой, вблизи оси корпуса установлен дополнительный цилиндрический керновый зубок, выступающая часть которого над опережающей частью корпуса по высоте меньше, чем выступающая часть над опережающей частью корпуса по высоте у каждого из указанных цилиндрических врубовых зубков, при этом устье, по крайней мере, одного бокового канала выполнено с выходом на опережающую часть корпуса в кольцевой зоне перемещения указанных двух цилиндрических врубовых зубков.
Общими признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются: корпус со шламовыми пазами и с центральным каналом, сообщенным с боковыми каналами для прохода промывочного агента на забой скважины, породоразрушающие вставки, установленные в корпусе, и два цилиндрических врубовых зубка, закрепленные в центральной опережающей ступени корпуса симметрично относительно оси корпуса на первой диаметральной прямой, а на второй диаметральной прямой, расположенной перпендикулярно указанной первой диаметральной прямой, вблизи оси корпуса установлен цилиндрический керновый зубок, выступающая высота которого над центральной опережающей ступенью корпуса меньше, чем выступающая высота указанных двух цилиндрических врубовых зубков, при этом устье, по крайней мере, одного указанного бокового канала для прохода промывочного агента на забой скважины выполнено с выходом на центральную опережающую ступень корпуса в кольцевой зоне перемещения указанных двух цилиндрических врубовых зубков,
Главным недостатком прототипа является то, что при бурении скважины в кольцевую зону перемещения цилиндрического кернового зубка дополнительно не поступает промывочный агент из центрального канала корпуса. Такое исполнение ухудшает очистку забоя, увеличивает нагрев твердого сплава цилиндрического кернового зубка и породоразрушающих вставок, что вызывает их повышенный абразивный износ, снижая эксплуатационную надежность и, как следствие, уменьшает эффективность устройства.
Недостатком прототипа также является то, что породоразрушающие вставки, установленные за центральной опережающей ступенью корпуса, расположены равномерно. При бурении за счет действия ударных нагрузок на забое скважины образуются лунки с равным шагом между ними. При вращении буровой коронки и скольжении указанных вставок по забою каждая указанная вставка в своей кольцевой ступени одновременно подходит к образованной лунке и под действием осевого усилия на буровую коронку и ударных нагрузок происходит погружение указанных вставок в лунки. После повышения крутящего момента вращателем бурового станка указанные вставки выходят из лунок несмотря на действие на них осевого усилия, что существенно увеличивает их абразивный износ, затягивает резьбовые соединения буровых штанг, снижает эксплуатационную надежность буровой коронки и бурового станка.
Существенным недостатком прототипа является также то, что периферийные породоразрушающие вставки расположены парами диаметрально противоположно и симметрично относительно оси корпуса, при этом диаметр буровой коронки по указанным вставкам близок к диаметру образуемой скважины. Такое исполнение уменьшает радиальные колебания корпуса буровой коронки, но снижение радиальных колебаний за счет трения о стенки скважины повышает абразивный износ периферийных породоразрушающих вставок. Это происходит потому, что при вращении буровой коронки угловая скорость перемещения всех породоразрушающих вставок одинакова, а механическая скорость перемещения периферийных породоразрушающих вставок самая большая и при трении о стенки скважины на большой механической скорости существенно увеличивается абразивный износ. Кроме того, при вращении буровой коронки в скважине, частицы шлама попадают между стенкой скважины и диаметрально расположенными указанными вставками, что повышает силы трения, создает импульсы крутящего момента, увеличивая абразивный износ буровой коронки по диаметру, снижая эффективность её работы.
Проблема - создание буровой коронки с повышенной эффективностью работы за счет увеличения эксплуатационной надежности путем уменьшения абразивного износа.
Абразивный износ является основной причиной изнашивания буровой коронки. Одними из факторов, в значительной мере влияющих на абразивный износ, являются режимы бурения. Общеизвестно, например, повышение абразивного износа породоразрушающих вставок с увеличением осевой нагрузки и скорости вращения породоразрушающего инструмента. Природа этого явления связана с изменением свойств твердого сплава при повышенных температурах.
Проблема решается тем, что в буровой коронке, содержащей корпус со шламовыми пазами и с центральным каналом, сообщенным с боковыми каналами для прохода промывочного агента на забой скважины, породоразрушающие вставки, установленные в корпусе, и два цилиндрических врубовых зубка, закрепленные в центральной опережающей ступени корпуса симметрично относительно оси корпуса на первой диаметральной прямой, а на второй диаметральной прямой, расположенной перпендикулярно указанной первой диаметральной прямой, вблизи оси корпуса установлен цилиндрический керновый зубок, выступающая высота которого над центральной опережающей ступенью корпуса меньше, чем выступающая высота указанных двух цилиндрических врубовых зубков, при этом устье, по крайней мере, одного указанного бокового канала для прохода промывочного агента на забой скважины выполнено с выходом на центральную опережающую ступень корпуса в кольцевой зоне перемещения указанных двух цилиндрических врубовых зубков, согласно техническому решению в корпусе образован дополнительный промывочный канал от упомянутого центрального канала с выходом на центральную опережающую ступень корпуса в кольцевой зоне перемещения цилиндрического кернового зубка.
Такое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом увеличить количество промывочного агента, поступающего в кольцевую зону перемещения цилиндрического кернового зубка, что снижает абразивный износ буровой коронки, повышая её эксплуатационную надежность и, как следствие, повышает эффективность работы буровой коронки.
Целесообразно образующую цилиндрической поверхности дополнительного промывочного канала совместить с осью корпуса. Такое исполнение приближает дополнительный промывочный канал к оси корпуса и позволяет более прямоточно подавать из центрального канала корпуса промывочный агент под разрушаемый керн, что снижает абразивный износ буровой коронки, повышая её эксплуатационную надежность, и как следствие, эффективность работы буровой коронки.
Целесообразно все породоразрушающие вставки расположить в корпусе за его центральной опережающей ступенью неравномерно, при этом каждые два соседних центральных угла, на сторонах которых установлены периферийные вставки из указанных породоразрушающих вставок, имеют отличие по величине в градусах, кратное пяти. Предложенная закономерность для размещения в корпусе самого большого числа периферийных вставок из указанных породоразрушающих вставок ограничивает минимальное отличие по величине в градусах каждых двух соседних центральных углов, равным пяти градусам, а большее отличие по величине, кратное пяти. Такая закономерность позволяет создавать на забое скважины лунки с разным шагом между ними. При скольжении буровой коронки по забою скважины и прохождении каждой из указанных вставок над лункой, большинство из них окажется на менее разрушенной поверхности забоя скважины, что удерживает совмещенную с лункой указанную вставку от погружения в лунку. Такое исполнение обеспечивает равномерное разрушение забоя, снижает величину крутящего момента за счет исключения одновременного погружения указанных вставок в ранее образованные лунки, что уменьшает абразивный износ указанных породоразрушающих вставок, повышая эксплуатационную надежность, и как следствие, эффективность работы буровой коронки. При этом такая закономерность отличия величины центральных углов, на сторонах которых расположены периферийные породоразрушающие вставки, упрощает разметку центральных углов при изготовлении буровой коронки, что снижает её себестоимость.
Целесообразно каждую периферийную породоразрушающую вставку расположить диаметрально противоположно части указанного шламового паза, выполненного на периферии корпуса, наибольшая радиальная глубина Н которого не превышает радиальный зазор между стенкой образуемой скважины и корпусом погружной ударной машины. Такое исполнение уменьшает силы трения о стенки скважины, снижая абразивный износ периферийных породоразрушающих вставок, а выполнение радиальной глубины шламового паза меньше, чем зазор между стенкой образуемой скважины и корпусом погружной ударной машины улучшает вынос шлама с забоя скважины, исключает выход с забоя крупных фрагментов разрушенной породы и повторное их дробление периферией буровой коронки, что снижает абразивный износ периферии буровой коронки, повышая её эксплуатационную надежность, и как следствие, эффективность её работы.
Сущность технического решения поясняется примером конструктивного исполнения буровой коронки и чертежами фиг. 1-3, где на фиг. 1 показана буровая коронка, вид на её переднюю часть, и где каждые два соседних центральных угла, на сторонах которых установлены периферийные породоразрушающие вставки (далее - периферийные вставки), имеют между собой отличие в градусах, кратное пяти, на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 при бурении забоя скважины с образованием кольцевого врубового углубления и центрирующего керна, на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.
Буровая коронка содержит корпус 1 (фиг. 1-3) со шламовыми пазами 2 и центральным каналом 3, сообщенным с боковыми каналами 4 для прохода промывочного агента на забой скважины, породоразрушающие вставки 5, установленные в корпусе 1, и два цилиндрических врубовых зубка 6, закрепленные в центральной опережающей ступени 7 корпуса 1 симметрично оси 8 корпуса 1 на первой диаметральной прямой 9, а на второй диаметральной прямой 10, расположенной перпендикулярно указанной первой диаметральной прямой 9, вблизи оси 8 корпуса 1, установлен цилиндрический керновый зубок 11, выступающая высота которого над центральной опережающей ступенью 7 корпуса 1 меньше, чем выступающая высота указанных двух цилиндрических врубовых зубков 6. При этом устье 12 по крайней мере одного указанного бокового канала 4 для прохода промывочного агента на забой скважины выполнено с выходом на центральную опережающую ступень 7 корпуса 1 в кольцевой зоне 13 перемещения двух цилиндрических врубовых зубков 6. В отличие от прототипа, в корпусе 1 образован дополнительный промывочный канал 14 от упомянутого центрального канала 3 с выходом на центральную опережающую ступень 7 корпуса 1 в кольцевой зоне 15 перемещения цилиндрического кернового зубка 11. Такое исполнение увеличивает количество промывочного агента, поступающего в кольцевую зону 15, что снижает абразивный износ буровой коронки, повышая её эксплуатационную надежность, и как следствие, эффективность работы.
Целесообразно образующую цилиндрической поверхности дополнительного промывочного канала 14 совместить с осью 8 корпуса 1 (фиг. 3), что приближает дополнительный промывочный канал 14 к оси 8 корпуса 1, обеспечивает прямоточное поступление промывочного агента из центрального канала 3 в кольцевую зону 15, при этом улучшается очистка забоя, снижая абразивный износ буровой коронки, повышая её эксплуатационную надежность, и как следствие, эффективность работы.
Целесообразно породоразрушающие вставки 5 и периферийные вставки 16 расположить в корпусе 1 за его центральной опережающей ступенью 7 неравномерно (фиг. 1), при этом каждые два соседних центральных угла, на сторонах которых установлены периферийные вставки 16, имеют отличие по величине в градусах, кратное пяти. Такое исполнение обеспечивает образование на забое скважины лунок с разным шагом между ними, поэтому при прохождении каждой из указанных вставок 5 и 16 над лункой большинство указанных вставок 5 и 16 при их скольжении по забою окажутся на менее разрушенных участках, что удерживает указанные вставки 5 и 16 от погружения в ранее образованные лунки под действием осевого усилия на буровую коронку. Такое исполнение снижает силы трения, уменьшая абразивный износ периферии буровой коронки.
При изготовлении буровой коронки целесообразно выполнять разметку указанных центральных углов от второй диаметральной прямой 10, которая разделяет центральный угол 50° на две равные половины по 25° (фиг. 1). От центрального угла 50° расположены другие центральные углы, при этом каждые два соседних центральных угла, на сторонах которых установлены периферийные вставки 16, имеют отличие по величине в градусах, кратное пяти, что упрощает изготовление буровой коронки, снижая её себестоимость.
Целесообразно каждую периферийную вставку 16 расположить диаметрально противоположно части указанного шламового паза 2, выполненного на периферии корпуса 1, наибольшая радиальная глубина Н которого не превышает радиальный зазор между стенкой образуемой скважины и корпусом погружной ударной машины. Такое исполнение устраняет недостаток прототипа - расположение периферийных вставок парами диаметрально противоположно, что улучшает условия вращения буровой коронки вблизи стенок скважины, снижает абразивный износ указанных вставок 16, повышая эксплуатационную надежность, и как следствие, эффективность работы буровой коронки. Кроме того, указанная глубина шламового паза Н устраняет выход в затрубное пространство скважины крупных фрагментов разрушенного забоя, которые не проходят между стенкой скважины и корпусом погружной ударной машины, что улучшает очистку забоя и уменьшает абразивный износ периферии буровой коронки.
Буровая коронка работает в совокупности с погружной ударной машиной и с буровым станком, имеющим вращатель буровых штанг и осевой податчик. Корпус 1 передает энергию удара от погружной ударной машины двум цилиндрическим врубовым зубкам 6 и цилиндрическому керновому зубку 11, установленным на взаимно перпендикулярных диаметральных прямых 9 и 10 в центральной опережающей ступени 7 корпуса 1, и породоразрушающим вставкам 5 и периферийным вставкам 16, установленным в ступенях корпуса 1 за центральной опережающей ступенью 7 корпуса 1 (фиг. 1 и 2). Происходит разрушение забоя скважины. При этом цилиндрические врубовые зубки 6 образуют соосный с корпусом 1 центральный керн 17, что создает дополнительную опору двум цилиндрическим врубовым зубкам 6 для уменьшения радиальных колебаний корпуса 1 и снижения искривления скважины. Цилиндрический керновый зубок 11 установлен вблизи оси 8 корпуса 1 с возможностью последующего разрушения центрального керна 17. Разрушенные фрагменты забоя удаляются промывочным агентом в затрубное пространство скважины через шламовые пазы 2. Промывочный агент поступает на забой скважины через центральный канал 3 и боковые каналы 4. При этом устье 12, по крайней мере, одного бокового канала 4 выполнено с выходом на центральную опережающую ступень 7 корпуса 1 в кольцевой зоне 13 перемещения двух указанных зубков 6. В отличие от прототипа, в предлагаемом техническом решении в корпусе 1 образован дополнительный промывочный канал 14 от упомянутого центрального канала 3 с выходом на центральную опережающую ступень 7 корпуса 1 в кольцевой зоне 15 перемещения цилиндрического кернового зубка 11. Такое исполнение увеличивает количество промывочного агента, поступающего в центральную часть забоя, что улучшает очистку забоя, снижает абразивный износ указанных породоразрушающих вставок 5 и периферийных вставок 16, увеличивая эксплуатационную надежность буровой коронки, и как следствие, повышая эффективность её работы. Образующая цилиндрической поверхности дополнительного промывочного канала 14 совмещена с осью 8 корпуса 1, что приближает дополнительный промывочный канал 14 к центру забоя скважины, обеспечивая прямоточное поступление промывочного агента из центрального канала 3 в кольцевую зону 15 перемещения цилиндрического кернового зубка 11, улучшая очистку забоя и уменьшая абразивный износ всех указанных вставок, что повышает эксплуатационную надежность буровой коронки, и как следствие, эффективность её работы.
В корпусе 1 снаружи за его центральной опережающей ступенью 7, в отличие от прототипа, неравномерно расположены породоразрушающие вставки 5 и периферийные вставки 16 для образования от ударных нагрузок на забое скважины лунок с разным шагом. При этом каждые два соседних центральных угла, на сторонах которых установлены периферийные вставки 16, имеют отличие по величине в градусах, кратное пяти, что упрощает разметку центральных углов при изготовлении буровой коронки. Образование на забое скважины лунок с различным шагом между ними обеспечивает проход каждой указанной вставки 5 и 16 над лункой без погружения в неё, так как большинство других указанных вставок 5 и 16 при их скольжении по забою окажутся на менее разрушенных участках. Такое исполнение снижает силы трения буровой коронки при скольжении по забою скважины, уменьшая её абразивный износ, и как следствие, повышает эффективность работы буровой коронки.
Кроме того, неравномерное расположение указанных вставок 5 и 16 за центральной опережающей ступенью 7 позволяет создать из указанных вставок 5, 16 группы 18 (фиг. 1) со сближенными породоразрушающими вставками 5 и периферийными вставками 16, что при ударных нагрузках за счет взаимного влияния полей напряжения дополнительно создает на забое скважины микротрещины, которые повышают эффективность разрушения забоя другими породоразрушающими вставками 5 и периферийными вставками 16. Такое исполнение повышает эффективность работы буровой коронки.
В предлагаемой конструкции буровой коронки, в отличие от прототипа, каждая периферийная вставка 16 расположена диаметрально противоположно части выполненного на периферии корпуса 1 указанного шламового паза 2, наибольшая радиальная глубина Н которого не превышает радиальный зазор между стенкой образуемой скважины и корпусом погружной ударной машины (фиг. 1). Такое исполнение устраняет выход с забоя скважины крупных фрагментов разрушенной породы в затрубное пространство скважины, что улучшает её очистку. Например, серийно выпускаемый пневмоударник П105 образует скважину диаметром 105 мм, а наружный диаметр его корпуса 92 мм. При этом радиальный зазор равен 6,5 мм. При вращении буровой коронки в скважине частицы шлама попадают между стенкой скважины и периферийными вставками 16, при этом, в отличие от прототипа, величина создаваемого крутящего момента снижается за счет возможности смещения корпуса 1 буровой коронки в сторону части диаметрально противоположно выполненного шламового паза 2, что снижает абразивный износ указанных вставок 16, повышая эксплуатационную надежность и, как следствие, эффективность работы буровой коронки.
При бурении скважин в подземных условиях в качестве энергоносителя используется воздушно-водяная смесь, но плотность воды в 1000 раз больше плотности воздуха, поэтому такая смесь существует только при турбулентном движении потока, а при ламинарном течении вода отделяется от воздуха. При бурении скважин погружной ударной машиной с выхлопом отработанного энергоносителя на забой скважины через центральный канал 3 буровой коронки вода из смеси, как более плотная фракция, проходит в переднюю часть центрального канала 3 и по дополнительному промывочному каналу 14 поступает прямоточно в центральную часть забоя скважины. При этом вода за счет большой теплоемкости лучше воздуха охлаждает твердый сплав двух цилиндрических врубовых зубков 6, цилиндрического кернового зубка 11, породоразрушающих вставок 5 и периферийных вставок 16, что снижает абразивный износ буровой коронки, повышая её эксплуатационную надежность, и как следствие, эффективность работы буровой коронки.