Шнековый бур ударно-вращательного бурения

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 3 (51) Е 724 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЕТЕЛЬСТВ У К АВТОРС ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(71) Всесоюзный научно-исследовательскийи проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения(56) 1. Борисович В. Т. и др. Бурение скважин болтового диаметра. М., Недра,1977, с. 96,2. Авторское свидетельство СССР1002499, кл. Е 21 В 7/24, 1981 (прототип).(54) (57) ШНЕКОВЫЙ БУР УДАРНО- ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ, включающий пустотелую шнековую трубу, разме 80107801 щенный в ней кулачковый ударный механизм с наковальней и породоразрушающий инструмент, отличающийся тем, что, с целью снижения энергоемкости путем получения керна и повышения надежности его отрыва и удержания, бур снабжен колонковой трубой с керноподрезным механизмом и керноломной плашкой, при этом колонковая труба жестко соединена с наковальней и породоразрушающим инструментом, а керноподрезной механизм выполнен в виде клиньев с резцами-пуансонами, установленных с возможностью продольного перемещения, причем колонковая труба имеет с внутренней стороны спиральную направляющую, в которой размещена керноломная плашка с возможностью перемещения по ней и фиксации посредством стопорного приспособления с клиньями керноподрезного механизма.Изобретение относится к бурению скважин, в частности к проходке скважин большого диаметра с отбором керна при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых в галечно-шебенистых и монолитных грунтах многолетней мерзлоты.Известны конструкции колонковых снарядов для бурения, отделения и извлечения керна монолитных пород большого диаметра.При этом используются различные способы отделения керна: слом керна путем забивания клина специальным ударным снарядом в боковое пространство между стенкой скважины и керном; применение устройств для подрезки керна у его основания; применение пуансонов, располагаемых на специальном устройстве по периферии основания керна с гидравлическим приводом, пуансонов, располагаемых на специальном устройстве в скважине, пробуренной внутри керна с приводом от ударного снаряда, опускаемого на канате через бурильные трубы 11.Однако применение этих способов снижает надежность отделения керна и приводит к необходимости большой затраты 25 времени.Так, забивание клина в боковое пространство между керном и стенками скважины не гарантирует слома керна в определенном месте, требует опускания в скважину ударного клина с направляющим устройством, а затем цангового керноприемника. Подрезка керна у основания сопряжена с большой затратой времени, так как может продолжаться от нескольких часов до нескольких смен. 35Наиболее близким к изобретению является шнековый бур ударно-вращательного бурения, включающий пустотелую шнековую трубу, размешенный в ней кулачковый ударный механизм с наковальней и породоразрушающий инструмент. В этом буре, 40 с целью уменьшения энергоемкости, наковальня снабжена установленным концентрично опорной трубе патрубком, на наружной поверхности которого выполнены выступы, а на внутренней поверхности ударника - выступы с возможностью их вза 45 имодействия. При этом переходник соединен с верхней частью ударника посредством шлицевого соединения.Конструкция указанного шнекового бура позволяет осуществить ударно-вращательный режим бурения, наиболее эффективный при бурении мерзлых пород, и вынос разбуренной породы шнеками 2.Однако известное устройство не позволяет осуществлять функции образования, отрыва и подъема керна большого диамет ра, получение которого является главной целью при разведке россыпных месторождений в мерзлых грунтах. Целью изобретения является снижение энергоемкости путем получения керна и повышения надежности его отрыва и удержания.Указанная цель достигается тем, что шнековый бур ударно-вращательного бурения, включающий пустотелую шнековую трубу, размещенный в ней кулачковый ударный механизм с наковальней и породоразрушающий инструмент, снабжен колонковой трубой с керноподрезным механизмом и керноломной плашкой, при этом колонковая труба жестко соединена с наковальней и породоразрушаюгцим инструментом, а керноподрезной механизм выполнен в виде клиньев с резцами-пуансонами, установленных с возможностью продольного перемешения, причем колонковая труба имеет с внутренней стороны спиральную направляющую, в которой размещена керноломная плашка с возможностью перемещения по ней и фиксации посредством стопорного приспособления с клиньями керноподрезного механизма. На фиг. 1 изображен шнековый бур, общий вид; на фиг. 2 - узел 1 на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез А - А на фиг. 1; на фиг. 4 - стопорное приспособление.Шнековый бур для ударно-вращательного бурения скважин большого диаметра в мерзлых и монолитных породах (фиг. 1) включает наружную полую шнековую трубу 1, жестко связанную с колонной бурильных труб 2, приводимых во вращение известным способом с поверхности. Верхняя часть этой трубы образует бункер 3, служащий для сбора выбуренной породы, Внут ри шнековой трубы смонтирован ударный механизм 4, обеспечивающий нанесение ударов вдоль оси скважины и боковых ударов. Конструкция механизма обеспечивает передачу осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент через центральную трубу 5 и подшипниковый узел 6, нанесение периодических ударов по нему и прерывистое его врашение.В нижней части шнекового бура внутришнековой трубы 1 размещен колонковыйнабор, включающий колонковую трубу 7, жестко скрепленную с наковальней 8 шнекового бура, коронку 9, жестко скрепленную с нижней частью колонковой трубы, керноподрезной механизм 10 для подрезки, скалывания и захвата керна, смонтированное на внутренней поверхности коронки 9 устройство 11 для слома керна, закрепленное горизонтально на внутренней стенке колонковой трубы 7 выше керноподрезного механизма 1 О.Керноподрезной механизм 10 (фиг. 1и 2) для подрезки, скалывания и захвата керна состоит из нескольких клиньев 12(фиг. 2), число которых равно или кратно количеству рядов резцов в коронке, таккак эти клинья вставляются в вырезы в коронке, расположенные в промежутках между упомянутыми рядами, На нижней части клиньев имеются резцы-пуансоны 13, армированные твердым сплавом, служащим для подрезки и скола керна, На верхней части клиньев имеются вырезы которыми клинья свободно надеваются на кольцо 14, имеющее внутренние плоские пружины 15, охватывающие керн 16.Устройство 11 (фиг. 1, 3 и 4) для слома керна состоит из направляющей 17 спираль ной формы, закрепленной горизонтально на внутренней боковой стенке колонковой трубы 7, керноломной плашки 18 и стопор- ного устройства 19 (фиг. 1), Стопорное устройство может быть выполнено в виде подпружиненного шарика, штыря, плашки и т. д. Оно может быть связано с клиньями или приводится от внешних источников энергии.Стопорное устройство, удерживающее плашку-кернолом во время бурения и подрезки керна в исходном положении, не создающем помех вращению колонковой трубы, может представлять собой шток 20 (фиг. 4), перемещающийся по направляющим 21, закрепленным на внутренней стенке колонковой трубы 7.Верхний конец штока 20, находясь в верхнем своем положении, запирает керноломная плашка 18 в исходном положении. Нижний конец штока закреплен на одном из клиньев 12. Пружиной 22 шток 20 удерживается в верхнем положении.Стопорное устройство работает следующим образом,При подрезке керна осуществляется натяжение инструмента и его одновременное вращение. Резцы-пуансоны врезаются в тело керна, благодаря чему колонковая труба вместе с устройством для слома керна перемещается относительно клина 12 вверх. При этом верхний конец штока 20, скрепленного с клином 1 2, по мере погружения резцов-пуансонов отходит от плашки-кернолома и в момент, когда резцы- пуансоны полностью войдут в тело керна, происходит освобождение плашки-кернолома.Керноломная плашка 18 вставлена в направляющую 17 в свободном состоянии с возможностью перемещения в ней по спирали. Плашка 18 может быть подпружинена таким образом, что в свободном состоянии она прижимается к керну, и в исходном положении удерживается стопорным устройством, благодаря чему во время бурения она не соприкасается с керном 16.При бурении скважины в исходном положении шнековый бур опускается в скважину, коронка 9 находится на забое (фиг. 1), керноломная плашка 18 заперта и находится в исходном положении (фиг, 3).1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 55 При вращении шнекового бура с поверхности на колонковую трубу 7 и коронку 9 воздействуют осевая нагрузка, периодические удары вдоль оси скважины и в плоскости забоя, в результате чего коронка 9 внедряется в горную породу, прерывисто проворачивается, скалывая породу на некотором участке забоя. Выбуренная порода оттесняется к стенкам скважины, где подхватывается быстро вращающейся шнековой трубой и выносится в бункер 3 шнекового бура. При этом возможно облегчить очистку забоя скважины от выбуренной породы, подавая по трубам небольшое количество сжатого воздуха. Динамический режим воздеиствия на породоразрушающий инструмент и очистки скважины от выбуренной породы осуществляется следующим образом.Буровая коронка 9 и колонковая труба 7 будучи связаны с наковальней 8 удерживают последнюю от вращения за счет сил трения и сопротивления породы разрушения. Вследствие этого при вращении бурового снаряда, а вместе с ним и ударника (через шлицевое соединение) винтовые выступы ударника перемещаются относительно винтовых выступов наковальни и ударник поднимается на высоту выступов, а затем, дойдя до уступа, падает и наносит удар по наковальне. В момент, когда выступ ударника срывается с выступа наковальни и начинает свободное падение с одновременным вращением, происходит зацепление радиальных кулачков трубы наковальни с радиальными кулачками, ударника и под действием крутящего момента, передаваемого буровым снарядом, а главное инерционных вращающихся масс ударника и шнека, происходит поворот наковальни, а с нею и колонковой трубы 7 с коронкой 9. Угол поворота зависит от продолжительности зацепления радиальных кулачков ударника и трубы наковальни, которое определяется временем падения ударника с уступа винтового выступа, а также скоростью вращения ударника.После проворачивания коронки 9 и нанесения по ней удара цикл повторяется и в результате на коронку передаются периодические удары, а она прерывисто вращается. Учитывая значительную массу ударника, энергия удара, а также величина крутящего момента, прикладываемого к резцам коронки 9, весьма значительны, что обеспечивает интенсивное объемное разрушение породы на забое.В процессе бурения, образуется керн 16 породы, который проходит через кольцо 14 поддерживающее клинья 12. Бл а года ря наличию на этом кольце пружин 15, обеспечивается удержание клиньев 12 в верхнем положении. Устройство для слома керна 11 находится в исходном положении и не препятствует процессу бурения.При срыве керна на первом этапе подрезки керна - при подъеме бурового снаряда - коронка 9 и колонковая труба 7 приподнимаются, а клинья 12, под действием собственной тяжести и усилия, создаваемого трением пружины 15, кольца 14о керн 16, остаются на месте, с силойприжимаясь резцами-пуансонами 13 ккерну 16 ввиду наличия в коронке 9 конических поверхностей. При вращениибурового снаряда и одновременном натягивании его вверх, клинья 12 прижимаются к керну 16 и тормозят колонковую трубу 7. Вследствие этого приводится в действие ударный механизм 4 бура и под воздействием боковых ударов ударника происходит проворачивание колонковой трубы 7 вместе с клиньями 12 и резцами-пуансонами 13 и забивание последних в телокерна 16,В результате воздействия ударного механизма 4 на резцы-пуансоны 13 осуществляется подрезка керна 16, а также его скалывание в зоне действия резцов-пуансонов 13.Если в процессе подрезки не удалосьсколоть керн, производится освобождениекерноломной плашки 18 из исходного положения способом, определенным для тойили иной конструкции стопорного устройства 19,При вращении снаряда освобожденнаяплашка 18 тормозится о керн 16 и заклинивается между керном 16 и спиральюнаправляющей 17 устройства 11, в результате чего колонковая труба 7 тормозится,что обеспечивает приведение в действие ударного механизма 4. Под действием боковых ударов этого механизма, обладающего большой инерционной массой, происходит дальнейшее заклинивание плашки 18, в результате чего создается очень большое усилие на боковую поверхность керна 16 и слом его в ослабленном подрезкой сечении.Таким образом, подрезка и слом керна осушествляются как результат взаимодействия резцов-пуансонов 13 и плашки 18 с ударным механизмом 4 шнекового бура, обеспечивающего придание этому процессу динамического характера,При подъеме инструмента керн 16 надежно удерживается клиньями 12 от выпадения из колонковой трубы 7 и может быть извлечен из последней только после снятия коронки 9.После извлечения керна, очистки бункера, перемещения керноломной плашки в исходное фиксируемое положение и прикрепления коронки снаряд может быть опущен в скважину для продолжения бурения.Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в увеличении производительности бурения, при разведке рассыпных месторождений полезных ископаемых в мерзлых галечниковых отложениях и сокрашении эксплуатационных расходов на бурение скважин упомянутого назначения в связи с тем, что очистка скважины от выбуренной породы не требует применения мощных компрессоров или иных средств очистки скважин.ударственного ком изобретений и о Ж - 35, Раушска ент, г. Ужгород, Редактор О. ЧерниченкоЗаказ 88822ВНИИПИ Роспо делам113035, МоскваФилиал ППП Пат Составитель Л. ЧерепенкинаТехред И. Верес Корректор О. Билак Тираж 564 Подписное ета СССР крытий на 6., д, 4/5 л. Проектная,