Коронки для буріння компенсаційних свердловин у міцних породах

Реферат: Коронка для буріння компенсаційних свердловин в міцних породах у другій стадії за попередньо пробуреними випереджаючими шпурами містить глухий циліндричний посадочний отвір для з'єднання з буровою штангою, забезпечений круглим мотузяним різьбленням, і розширюючу частину з опуклою бічною поверхнею, форма якої подібна формі пелюсток квітки лотоса радіусом R, у якої пази для виносу бурового шламу на розширюючій частині мають увігнуту радіальну форму радіусом r, торцева робоча поверхня якої має промивні канали і оснащена породоруйнувальними елементами штирової форми. У запропонованій коронці передбачено короткий адаптер довжиною 0,4-0,5 діаметра D розширюючої частини, виконаний як одне ціле з нею, оснащений конусною шийкою, яка в місцях переходу на розширюючу частину має галтелі радіусом не менше 0,5 діаметра породоруйнувального штиря, і армований у передній частині твердосплавною пластиною довжиною 90-95 % діаметра випереджаючого шпуру, при цьому торцева робоча поверхня розширюючої частини коронки з твердосплавними штирями виконана конічною, на якій породоруйнувальні штирі розташовані між адаптером і зовнішньою бічною поверхнею розширюючої частини, а між периферійним рядом штирів і адаптером розташовані зовнішні кінці промивних каналів, які з'єднані з центральним глухим каналом, розташованим на поздовжній осі коронки. Причому осі промивних каналів проходять під кутом 40-50° до осі центрального глухого каналу, причому коронка забезпечена nопm=4-6 увігнутими пазами для виносу бурового шламу радіусами r мм, при цьому довжина L мм радіальної розширюючої частини прийнята з емпіричної залежності mах=k1D-0,13  L, МПа, де емпіричний коефіцієнт діаметра D розширюючої частини - k1D, а оптимальний радіус R прийнятий з емпіричної залежності mах=k2D-0,019  R, де емпіричний коефіцієнт діаметра D розширюючої частини - k2D. UA 105983 U (54) КОРОНКИ ДЛЯ БУРІННЯ КОМПЕНСАЦІЙНИХ СВЕРДЛОВИН У МІЦНИХ ПОРОДАХ UA 105983 U UA 105983 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до бурової техніки, а саме до особливих способів і пристроїв для буріння компенсаційних свердловин потужними перфораторами механізованих комплексів. Відома комбінована коронка - аналог з випереджаючим лезовим адаптером Ø 45 мм, довжиною 102 мм і розширюючою частиною, яка має конічний отвір. Цим отвором розширююча частина насаджена на стержень адаптера, який має глухий циліндричний посадочний отвір для з'єднання з буровою штангою, забезпечений круглим мотузяним різьбленням. Коронка призначена для буріння компенсаційних свердловин потужними гідравлічними перфораторами механізованих комплексів. (Див. джерело 1 - аналог. Каталог продукции фирмы Сандвик, Швеция. - Rock drilling tools/To phammer products/www.sandvik.com/Sandvik Mining and Construction Tools AB SE-811 81 Sandviken. - 2015. - P. 30-http://www.pkfgoi.ru/Sandvik.pdf). Її недоліками є: а) через лезову форму випереджаючого адаптера буріння свердловини в одну стадію можливе тільки по породах міцністю f менше 10 од. за шкалою проф. М.М. Протодьяконова, тому для буріння міцних порід її застосовують тільки у другій стадії за допомогою випереджаючого шпуру Ø 45 мм; б) внаслідок недосконалої форми розширювача, який утворює різку сходинку більшого діаметра порівняно з діаметром стержня адаптера, створюються умови відображення імпульсу напруги ударної хвилі від розширюючої частини. Це погіршує проходження ударного імпульсу на породоруйнувальні штирі розширювача, що істотно знижує швидкість буріння; в) отвори для подачі рідини в зону руйнування породи знаходяться поблизу передньої частини довгого стержня адаптера. Вони значно віддалені від твердосплавних породоруйнувальних штирів розширювача, тому буровий шлам погано віддаляється від розширювача, що призводить до його заклинювання, особливо при витяганні з пробуреної свердловини, тому що свердловина погано очищена від бурового шламу; г) при бурінні в деяких випадках довгий адаптер ламається навпіл внаслідок згинальних напруг, що виникають у місці конусної посадки розширювача на стержень адаптера через великий важіль між лезовою частиною адаптера і конусною посадкою розширювача на адаптер; д) значна вага і габарити, а також висока вартість аналога. Найбільш близьким технічним рішенням, вибраним як прототип, є коронка для буріння компенсаційної свердловини в одну і дві стадії (див. джерело 2: патент України на корисну модель № 95502, кл. Е21 В 7/00). У цій коронці з розширюючою частиною з опуклою бічною поверхнею діаметром D у разі буріння компенсаційної свердловини в одну стадію для підвищення ефективності буріння застосовують випереджуючу коронку меншого діаметра d порівняно з діаметром D, яку насаджують на зовнішній конус попереду розширюючої частини. Ця коронка відіграє роль центратора для розширюючої частини. Однак при бурінні міцних порід f=15-18 од. швидкість буріння в одну стадію істотно знижується, тому коронку-прототип доцільно застосовувати для буріння у другій стадії також як і коронку-аналог. Однак для цього необхідно усунути недоліки і деякі невизначеності конструктивних параметрів прототипу. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у запропонованій коронці передбачено короткий адаптер довжиною 0,4-0,5 діаметра D розширюючої частини, виконаний як одне ціле з нею, обладнаний конусною шийкою, яка в місцях переходу на розширюючу частина має галтелі радіусом не менше 0,5 діаметра породоруйнувального штиря і армований в передній частині твердосплавною пластиною довжиною 90-95 % діаметра випереджаючого шпуру, при цьому торцева робоча поверхня розширюючої частини коронки з твердосплавними штирями виконана конічною, на якій породоруйнувальні штирі розташовані між адаптером і зовнішньою бічною поверхнею розширюючої частини, а між периферійним рядом штирів і адаптером розташовані зовнішні кінці промивних каналів, які з'єднані з центральним глухим каналом, розташованим на поздовжній осі коронки, причому осі промивних каналів проходять під кутом 40-50° до осі центрального глухого каналу, причому коронка забезпечена nопт=4-6 увігнутими пазами для виносу бурового шламу радіусами r мм (ноу-хау заявника), при цьому довжина L мм радіальної розширюючої частини прийнята з емпіричної залежності σmax=k1D-0,13 L, МПа, де емпіричний коефіцієнт діаметра D розширюючої частини - k1D (ноу-хау заявника), а оптимальний радіус R прийнятий з емпіричної залежності σmax=k2D-0,019  R, де емпіричний коефіцієнт діаметр D розширюючої частини - k2D (ноу-хау заявника). У коронках діаметром розширюючої частини діаметром більше 65 мм в торці з боку бурової штанги зроблено глухий циліндричний посадочний отвір для з'єднання з буровою штангою, забезпечений круглим мотузяним різьбленням. Задачею корисної моделі є створення більш ефективних коронок для буріння компенсаційних свердловин у другій стадії по міцних породах як ручними перфораторами, так і потужними перфораторами механізованих комплексів. 1 UA 105983 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показано аналог коронкурозширювач шведської фірми "Сандвик", де: 1 - лезове долото - адаптер, 2 - штировий двоступінчастий розширювач, насаджений на зовнішній конус лезового долота – адаптер 1. На фіг. 2 показано коронку-прототип за патентом України на корисну модель № 95502, кл. Е21 В 7/00)), де: 1 - корпус розширюючої частини, у якої форма бічної поверхні подібна формі пелюсток квітки лотоса; 2 - випереджаюча коронка, насаджена на конус, виконаний як одне ціле з розширюючою частиною. На фіг. 3 показано вигляд збоку на запропоновану коронку. На фіг. 4 показано переріз по А-А, фіг. 3, запропонованої коронки. На фіг. 5 показано вигляд по В на робочу торцеву поверхню коронки. На фіг. 6 показано переріз по Б-Б фіг. 5. На фіг. 3-6: 1 - корпус розширюючої частини коронки; 2 - випереджуюче долото-центратор; 3 - захисна твердосплавна пластина; 4 породоруйнувальні штирі конічної робочої поверхні внутрішнього ярусу розширюючої частини коронки; 5 - породоруйнувальні штирі конічної робочої поверхні зовнішнього ярусу розширюючої частини коронки. На фіг. 7 показано графіки зміни напруг σ, МПа, на штирях розширюючої частини коронки залежно від радіуса закруглення R (графік 1) бічної поверхні й її довжини L (графік 2), де позначено: ΔR(ΔL) - діапазони (ноу-хау заявника) оптимальних радіусів R і довжин L, що забезпечують максимальну напругу на породоруйнувальних штирях розширюючої частини. На фіг. 8 показано тривимірний графік до визначення оптимальної кількості пазів n для виносу шламу та радіусів r закруглення цих пазів, на якому позначено: σ - напруга на породоруйнувальних штирях, МПа; noпm=4-6 - оптимальна кількість пазів, при яких напруга на породоруйнувальних штирях максимальна σmах55 МПа при радіусах закруглення пазів r мм (ноу-хау заявника). На фіг. 9 показано розрахункову інтенсивність передачі напруг на елементи запропонованої коронки при її з'єднанні зі штангою, де: 1 - розширююча частина коронки; 2 - випереджуюче долото-центратор; 7 - бурова штанга; 4 - породоруйнувальні штирі внутрішнього ярусу конічної робочої поверхні розширюючої частини коронки; 5 - породоруйнувальні штирі зовнішнього ярусу конічної робочої поверхні розширюючої частини коронки. На фіг. 10 показано розрахункову інтенсивність передачі напруг на елементи коронкианалога, де: 1 - випереджаюче долото-центратор; 2 - розширююча частина коронки, насаджена на зовнішній конус випереджаючого долота-центратора 1; 7 - бурова штанга. Запропонована коронка, фіг. 3-6 містить: корпус 1 розширюючої частини з n (чотирма) пазами радіуса r для виносу бурового шламу, фіг. 5, із зони руйнування породи твердосплавними штирями 4, 5 діаметром dш і довжиною Іш, фіг. 6, на конічній робочій фронтальній поверхні розширюючої частини. Коронка має 4-5 промивних каналів 6 діаметром 45 мм (залежно від діаметра розширюючої частини запропонованої коронки, фіг. 4, 5. Канали виходять на робочу поверхню коронки між породоруйнувальними штирями 4 і 5 конічної робочої поверхні внутрішнього і зовнішнього ярусів розширюючої частини коронки. Завдяки розміщенню породоруйнувальних штирів двома ярусами на конічній робочій поверхні в коронках діаметром більше 70-90 мм і одним ярусом в коронках діаметром 65 мм забезпечується ефективне руйнування міцної породи, підвищена швидкість буріння і мінімальний знос штирів. Короткий адаптер-центратор 2 довжиною lц0,4-0,5 діаметра D, розширюючої частини коронки, фіг. 3, виконаний як одне ціле з корпусом 1 коронки. Адаптер 2 оснащений конусною шийкою, яка в місцях переходу на розширювач має великі галтелі радіусом rг не менше 0,5 діаметра dш породоруйнувального штиря, фіг. 4. Діаметр конусної шийки dш.ц. центратора, фіг. 3, в місцях галтельного переходу на конічну робочу поверхню, оснащену породоруйнувальними штирями, приймають рівним діаметру раніше пробуреного випереджаючого шпуру в міцній породі. Для підвищення зносостійкості зовнішньої поверхні адаптер-центратор 2 у передній частині забезпечений твердосплавною пластиною 3, фіг. 3, довжиною lар.п.ц90-95 % діаметра випереджаючого шпуру, фіг. 4. Коронка оснащена промивальним каналами 6, фіг. 4, 5. Завдяки цим каналам, які розташовані під кутом 45° до осі центрального глухого каналу на осі коронки, здійснюється ефективне видалення бурового шламу від породоруйнувальних штирів розширювача. Ці канали розміщені між периферійним рядом штирів 5 і адаптером на конічній робочій поверхні запропонованої коронки. Така конструкція дозволяє ефективно руйнувати міцну породу і видаляти буровий шлам із забою свердловини, а також очищати пробурену свердловину від нього. Завдяки оптимальним діапазонам радіуса закруглення бічної поверхні коронки - ΔR, фіг. 7 (графік 1) і довжини ΔL, радіальної бічної поверхні коронки (графік 2), де довжина L мм 2 UA 105983 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 радіальної розширюючої частини прийнята з емпіричної залежності σmax=k1D-0,13 L, МПа, в якій емпіричний коефіцієнт діаметра D розширюючої частини – k1D (ноу-хау заявника), а оптимальний радіус R прийнятий з емпіричної залежності σmax=k2D-0,019  R, де емпіричний коефіцієнт діаметр D розширюючої частини - k2D (ноу-хау заявника) розрахункові напруги на її породоруйнувальних штирях максимальні - 55 МПа. Це створює умови ефективного руйнування породи при розширенні свердловини у другій стадії. Завдяки оптимальній кількості пазів nопm=4-6 і величині радіусів їхнього закруглення r (ноухау заявника), фіг. 8, напруги на породоруйнувальних штирях розширюючої частини при вибраних ΔR і ΔL досягають максимальних величин σmах до 60 МПа і здійснюється ефективний винос бурового шламу. Це в сукупності з раціональним радіусом закруглення R бічної поверхні розширюючої частини коронки і довжиною L цієї частини створює умови максимально ефективного руйнування породи та виносу бурового шламу при розширенні свердловини. Розрахункові напруги отримані за допомогою програмного комплексу SolidWorks на породоруйнувальних штирях 4, 5 запропонованої коронки - 86154840 Па, фіг. 9, в 1,3 разу вище, ніж 66468464 Па у коронки-аналога, фіг. 10. Чим світліше тон на шкалах напруг, тим величина напруг вище. Через недосконалу форму розширювача 2 коронки-аналога, що утворює різку сходинку більшого діаметра порівняно з діаметром долота–центратора 1, внаслідок зворотного руху відбитої хвилі напруги, відбувається нераціональна концентрація цієї напруги в місці різьбового з'єднання штанга-коронка, а також у площині С аналога - 293792608 Па, фіг. 10, порівняно з 114697576 Па запропонованої коронки, фіг. 9. Це поряд з відбиттям ударної хвилі через різкий перепад діаметрів стержня адаптера і розширюючої частини коронки-аналога погіршує проходження ударної хвилі на породоруйнувальні штирі розширювача 3 і знижує швидкість буріння. Запропонована коронка діаметром 85 мм виготовлена та випробувана у виробничих умовах на шахті ім. Леніна ПАТ "Криворізький залізорудний комбінат" на буровій установці Boomer S1 D-DH з гідравлічним перфоратором Atlas Copco COP 1638. У результаті випробувань встановлено, що при розширенні випереджуючих шпурів Ø 45 мм і перетворенні їх на свердловини Ø 85 мм у міцних породах f=15-18 за шкалою проф. М.М. Протодьяконова швидкість буріння запропонованою коронкою в 2-2,2 разу вище, ніж у коронки-аналога. При цьому коефіцієнт використання шпуру та просування забою після вибуху не погіршилися порівняно з аналогом діаметром розширювача 102 мм. Запропонована коронка діаметром 65 мм з конічною посадкою на бурову штангу також виготовлена та випробувана у виробничих умовах на шахті ім. Леніна ПАТ "Криворізький залізорудний комбінат" при бурінні по міцних породах f=15-18 за шкалою проф. М.М. Протодьяконова ручними перфораторами YT-28 виробництва Китай. У результаті випробувань встановлено, що запропонована коронка при бурінні шпуру в другій стадії має швидкість буріння не менше, аніж коронка-прототип. Однак її надійність і зносостійкість породоруйнувальних штирів практично в два рази вище. Таким чином запропоновані коронки при бурінні міцних порід f=15-18 за шкалою проф. М.М. Протодьяконова мають кращі технічні характеристики, ніж коронка-аналог і коронка-прототип. Вони забезпечують підвищену швидкість буріння, а також підвищену надійність і зносостійкість при експлуатації. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Коронка для буріння компенсаційних свердловин в міцних породах у другій стадії за попередньо пробуреними випереджаючими шпурами, що містить глухий циліндричний посадочний отвір для з'єднання з буровою штангою, забезпечений круглим мотузяним різьбленням, і розширюючу частину з опуклою бічною поверхнею, форма якої подібна формі пелюсток квітки лотоса радіусом R, у якої пази для виносу бурового шламу на розширюючій частині мають увігнуту радіальну форму радіусом r, торцева робоча поверхня якої має промивні канали і оснащена породоруйнувальними елементами штирової форми, яка відрізняється тим, що у запропонованій коронці передбачено короткий адаптер довжиною 0,4-0,5 діаметра D розширюючої частини, виконаний як одне ціле з нею, оснащений конусною шийкою, яка в місцях переходу на розширюючу частину має галтелі радіусом не менше 0,5 діаметра породоруйнувального штиря, і армований у передній частині твердосплавною пластиною довжиною 90-95 % діаметра випереджаючого шпуру, при цьому торцева робоча поверхня розширюючої частини коронки з твердосплавними штирями виконана конічною, на якій породоруйнувальні штирі розташовані між адаптером і зовнішньою бічною поверхнею 3 UA 105983 U 5 розширюючої частини, а між периферійним рядом штирів і адаптером розташовані зовнішні кінці промивних каналів, які з'єднані з центральним глухим каналом, розташованим на поздовжній осі коронки, причому осі промивних каналів проходять під кутом 40-50° до осі центрального глухого каналу, причому коронка забезпечена nопm=4-6 увігнутими пазами для виносу бурового шламу радіусами r мм (ноу-хау заявника), при цьому довжина L мм радіальної розширюючої частини прийнята з емпіричної залежності mах=k1D-0,13  L, МПа, де емпіричний коефіцієнт діаметра D розширюючої частини - k1D (ноу-хау заявника), а оптимальний радіус R прийнятий з емпіричної залежності mах=k2D-0,019  R, де емпіричний коефіцієнт діаметра D розширюючої частини - k2D (ноу-хау заявника). 4 UA 105983 U 5 UA 105983 U 6 UA 105983 U 7 UA 105983 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8