головка для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах

Формула изобретения

Головка для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах, содержащая двухлопастный корпус, резцы, на корпусах которых установлены твердосплавные режущие пластины, рабочая поверхность которых выполнена остроконечной, хвостовик, забурник с направляющим элементом, отличающаяся тем, что на двухлопастном корпусе расположены два ряда резцов по одному ряду на каждой лопасти, при этом лопасти расположены между собой под углом 180°, а шаг между резцами первого ряда равен шагу между резцами второго ряда со сдвигом на 1/2 шага, причем диаметр каждого резца второго ряда больше диаметра резца первого ряда в 2 раза, резцы установлены с наклоном - режущей кромкой вперед по направлению вращения, а рабочие поверхности твердосплавных режущих пластин выполнены с наклоном к корпусам под углом 20° - концентраторами напряжений вперед по направлению вращения при бурении.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к буровому породоразрушающему инструменту.

Известно устройство для образования скважины в грунте методом раскатки (А.С. 497401 СССР, МПК Е21В 11/02, опубл. 30.12.75, бюл. №48). Устройство состоит из шпинделя с эксцентричным, свободно сидящим коническим наконечником, на шпинделе закреплены клинья и контр-клинья. В месте посадок втулок шпиндель имеет квадратную (или круглую) форму поперечного сечения. На втулках сидят с возможностью свободного вращения вальцы конической или цилиндрической формы.

Недостатком такого устройства является низкая производительность и большая удельная энергоемкость.

Известно лопастное реверсивное долото (А.С. 1040112, МПК 3 Е21В 11/00, опубл. 07.09.83, бюл. №33), включающее корпус с пазами, в которых размещены лопасти, пазы выполнены в форме цилиндрических отверстий, причем каждая лопасть закреплена в пазу с возможностью поворота на заданный угол посредством двух сегментов, расположенных по сторонам входящей в паз части лопасти и скрепленных между собой винтами.

Наиболее близким техническим решением из известных является лопастное долото, состоящее из корпуса, сменных лопастей, пилотного наконечника и вращающихся резцов /RU 2243347 С1, МПК 7 Е21В 10/42, опубл. 2004.12.27/. Ось вращающегося резца лежит на плоскости, параллельной плоскости лопасти, и направлена под углом к оси лопасти, проходя через точку, лежащую на окружности, ограниченной диаметром скважины со стороны ее забоя.

Недостатками указанных лопастных долот являются низкая производительность, большая удельная энергоемкость, быстрая затупляемость и износ резца особенно при бурении твердых и мерзлых грунтов.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является перевод процесса бурения скважины в мерзлых грунтах на метод создания высоких контактных напряжений с последующим образованием трещин, сопровождающихся крупным сколом, смятием, крошением и образованием дисперсной массы обтекающей вокруг стальных корпусов резцов.

Технический результат - повышение производительности, снижение энергоемкости и увеличение срока службы резцов в твердых и мерзлых грунтах.

Указанный технический результат достигается тем, что головка для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах, содержащая двухлопастной корпус, резцы, на корпусах которых установлены твердосплавные режущие пластины, рабочая поверхность которых выполнена остроконечной, хвостовик, забурник с направляющим элементом, особенностью является то, что на двухлопастном корпусе расположены два ряда резцов по одному ряду на каждой лопасти, при этом лопасти расположены между собой под углом 180°, а шаг между резцами первого ряда равен шагу между резцами второго ряда со сдвигом на 1/2 шага, причем диаметр каждого резца второго ряда больше диаметра резца первого ряда в 2 раза, резцы установлены с наклоном - режущей кромкой вперед по направлению вращения, а рабочие поверхности твердосплавных режущих пластин выполнены с наклоном к корпусам под углом 20° - концентраторами напряжений вперед по направлению вращения при бурении.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена головка для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 представлен вид резца первого ряда; на фиг.4 представлен наклон резца и направление резания (стрелка V); на фиг.5 - вид по стрелке А на фиг.4; на фиг.6 представлены профили скола 1-1 резцами первого ряда и 2-2 - резцам второго ряда; на фиг.7 представлена схема относительной расстановки резцов 1-го и 2-го ряда.

Головка для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах устанавливается на нижнем конце шнека бурильной машины МБШ-425 (машина буровая шнековая) посредством хвостовика 1 и включает двухлопастной корпус 2, состоящий из двух рядов резцов на каждой лопасти по одному ряду. Резцы имеют цилиндрическую форму в каждом ряду, но различные для каждого ряда размеры (по длине и диаметру). При этом резцы 3 первого ряда проходят между проходами резцов 4 второго ряда, поэтому шаг установки резцов первого ряда принимается равным шагу установки резцов второго ряда со сдвигом на 1/2 шага. Каждый резец 3 и 4 состоит из стального корпуса (фиг.3) с установленной на конце твердосплавной режущей пластиной 5 из твердого материала, заточенным под углом =60°. На двухлопастном корпусе 2 резцы устанавливаются с наклоном - режущей кромкой вперед по направлению вращения - стрелка V (см. фиг.2, 3 и 4). Диаметр каждого резца 4 второго ряда больше диаметра резца 3 первого ряда в 2 раза. В нижней центральной части двухлопастного корпуса 2 установлен забурник 6 с направляющим элементом 7. Лопасти расположены между собой под углом 180°, рабочие поверхности твердосплавных режущих пластин у резцов, выполняющие функцию концентраторов напряжений в процессе контакта с мерзлым грунтом, выполнены остроконечными. Твердосплавная режущая пластина 5 установлена на резце таким образом, что ее рабочая поверхность наклонена под углом 20° - концентраторами напряжений вперед по направлению вращения при бурении.

Головка для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах работает следующим образом.

В исходном положении двухлопастной корпус 2, закрепленный через хвостовик 1 на нижнем конце шнека бурильной машины, подводится забурником 6 с направляющим элементом 7 и резцами 3 и 4 с твердосплавными режущими пластинами 5, установленными в два ряда, к месту бурения скважины, опускается на поверхность грунта. Включается вращение по стрелке V (фиг.2) и осевая подача усилия на головку для бурения скважины. Процесс бурения начинается при заглублении в грунт резцов 4 второго ряда (фиг.7) и продолжается резцами 3 первого ряда методом образования трещин с последующим крупным сколом, смятием, крошением и образованием дисперсной массы, обтекающей вокруг стальных корпусов резцов 3 и 4.

При этом скалывание резцами 4 второго ряда происходит в целик, а скалывание резцами 3 первого ряда происходит по вершинам гребней, оставшихся после прохода резцов второго ряда, по причине того, что шаг между резцами 3 первого ряда принимается равным шагу резцов 4 второго ряда со сдвигом на 1/2 шага (см. фиг.6 и 7). В процессе вращательного движения скалывание каждой последующей проходки происходит по вершинам гребней, остающихся после сколов предыдущей проходки.

Таким образом, процесс бурения осуществляется методом образования трещин с последующим возникновением скола с началом в точках касания резцов как концентраторов напряжений и благодаря силам, направленным веерообразно из точек силового контакта концентраторов напряжений с мерзлым грунтом. В результате чего производится веерообразный скол грунта от плоскости горизонтально направленного скольжения до вертикального направления к ней. Все это снижает усилия, необходимые для бурения неглубоких скважин, повышает скорость бурения и производительность процесса бурения, снижает энергоемкость процесса бурения неглубоких скважин и повышает срок службы рабочих частей наконечника для бурения неглубоких скважин.

Применение головки для бурения неглубоких скважин в мерзлых грунтах позволяет: снизить усилия, необходимые для бурения неглубоких скважин, и повышает скорость бурения и производительность процесса бурения; снизить энергоемкость процесса бурения неглубоких скважин; повысить срок службы головки для бурения неглубоких скважин.