Патент на изобретение №2376439
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ТЕРМОФРИКЦИОННАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА
(57) Реферат:
Изобретение относится к горному делу, а именно, к бурению скважин с отбором или без отбора керна. Технический результат – повышение эффективности работы термомеханической коронки с фрикционными элементами за счет концентрации тепла в зоне забоя и уменьшения потерь тепла при очистке забоя скважины промывочной жидкостью. Термофрикционная буровая коронка, включающая корпус с полостью в теплозащитной части, фрикционные элементы, разупрочняющие нагревом приповерхностный слой породы, и резцы, срезающие этот разупрочненный слой. Во внутренней полости теплозащитной части корпуса коронки установлен теплоизолятор с возможностью передачи совместно со стенками полости механических нагрузок на рабочие элементы, благодаря чему стенки полости разгружены и выполнены с минимальным сечением, что уменьшает теплопотери через это сечение. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин как с отбором, так и без отбора керна в породах до XI категории по буримости. Известна одинарная буровая коронка для бурения пород до XI категории буримости, состоящая из корпуса и припаянных к торцу корпуса фрикционных и породоразрушающих элементов [1]. Достоинство этой коронки заключается в простоте изготовления и эксплуатации и в минимальной ширине торца коронки при требуемом диаметре выбуреваемого керна. Но основное достоинство этой коронки состоит в том, что фрикционные элементы теплом трения разупрочняют поверхностный слой породы, а резцы срезают этот разупрочненный слой. Существенным недостатком этой коронки является значительная потеря тепловой энергии через корпус коронки, которая уносится большим количеством охлаждающей проточной воды. Известен термомеханический инструмент, который включает корпус с теплоизолированной частью и рабочие элементы, закрепленные на торце корпуса инструмента [2]. Особенностью этого инструмента является то, что его корпус состоит из двух частей: основной из материала с коэффициентом теплоусвояемости более 0,3 кал/с 1/2 см-2 градус-1 и теплоизолирующей – не более 0,1 кал/с 1/2 см-2 градус-1. Достоинством этой коронки является уменьшение теплопотерь через корпус коронки, т.е. повышение кпд породоразрушающего инструмента, возможность концентрации тепловой энергии в зоне разупрочнения пород забоя. Однако заметим, что теплоизолятор в этой коронке одновременно передает на рабочие элементы осевое усилие и момент кручения. А в нештатных случаях, когда заклинит инструмент в скважине, момент кручения может возрасти во много раз, что может привести к поломке корпуса коронки. С другой стороны, хорошие теплоизоляторы обычно содержат много газовых включений и пор и не обладают прочностью сталей. В связи с этим хорошие теплоизоляторы как часть корпуса коронки не могут быть применены, как говорится, по определению. Поэтому, если выбирать в качестве теплоизолятора материалы с прочностью корпуса коронки и имеющие хорошие свойства соединения со сталью, то эффект уменьшения теплопотерь сведется к минимуму. Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является термомеханическая коронка, состоящая из корпуса с теплозащитной частью и рабочих элементов, трением разупрочняющих горную породу [3]. Особенностью этой коронки является изготовление в теплозащитной части корпуса коронки загерметизированной вакуумированной полости или с газом. Достоинством этой коронки является простота конструкции и уменьшение утечки тепла от зоны генерации тепловой энергии, которое достигается эффективной теплоизоляцией части сечения корпуса коронки. Однако часть сечения корпуса, представленная в данном случае сечением стенок полости, служит хорошим теплоотводом. Причем часть этого сечения, представленная сечением стенок полости, передает большой момент кручения и осевое усилие рабочим элементам коронки. Поэтому это сечение принимается не менее сечений корпуса одинарной коронки, чтобы сохранять работоспособность при крутильных ударных нагрузках, возникающих при срыве керна и заклинивании коронки в скважине. К существенным недостаткам этой коронки можно отнести то, что эффект от теплозащитного экрана снижается с уменьшением ширины корпуса коронки, так как при этом доля теплоизолированной части сечения коронки уменьшается вплоть до того, что нельзя будет выполнить в корпусе коронки полость без потери механической прочности. Так, при ширине корпуса у одинарной серийной коронки 6 мм выполнение полости внутри него невозможно из-за уменьшения рабочего сечения корпуса, что неизбежно приведет к механическим деформациям и разрушению инструмента. Если полость заполнена газом, то эффект теплозащиты будет снижаться из-за усиления конвективного теплообмена при повышении температуры. При вакуумировании со временем случайные царапины и местные перенапряжения корпуса при дроблении и перетирке мелких обломков керна могут нарушить герметизацию, что приведет к проникновению паровоздушной смеси. Выполнение стенок полости более прочными увеличением ширины стенок приводит к увеличению теплопотерь через сечение стенок полости. Все это значительно снижает эффект теплозащиты и надежность работы коронки. Таким образом, может быть поставлена задача более эффективного снижения потерь тепловой энергии путем уменьшения сечения стенок полости в теплозащитной части корпуса породоразрушающего инструмента. Поставленная задача решается тем, что в термомеханическом фрикционном инструменте, содержащем рабочие элементы и корпус с полостью в теплозащитной части, прилегающей к рабочим элементам, согласно изобретению во внутренней полости теплозащитной части корпуса коронки установлен теплоизолятор с возможностью передачи совместно со стенками полости механических нагрузок на рабочие элементы. Технологически это осуществляется в зависимости от свойств теплоизолятора путем его спекания к стенкам полости или клеевым методом. Для передачи совместно со стенками полости механических нагрузок на рабочие элементы теплоизолятор может также устанавливаться в полости корпуса коронки с натягом. При таком решении поставленной задачи за счет передачи части механических нагрузок на теплоизолятор сечение стенок полости значительно уменьшается, поэтому уменьшаются и теплопотери через это сечение и в то же время обеспечиваются совместно с теплоизолятором необходимая прочность и надежность коронки в работе. На чертеже изображен общий вид породоразрушающего инструмента в виде буровой коронки для бурения геологоразведочных скважин. Коронка состоит из корпуса 1, фрикционных элементов 2, резцов 3, теплоизоляторов 4 и кольцевых, ответных полости, выступов 5. Внутренние и внешние промывочные каналы 6 и 7 служат для протока воды, охлаждающей резцы и очищающей забой от продуктов разрушения. Для транспортировки бурового шлама по затрубному пространству вода дополнительно подается через отверстия 8. Коронка работает следующим образом. При вращении буровой коронки под действием осевого усилия и момента вращения резцы 3 внедряются в породу и фрикционные элементы 2 входят в контакт с породой и начинают разогревать поверхностный слой пород забоя скважины. От фрикционного нагревания поверхностный слой разупрочняется, срезается резцом 3, подхватывается и уносится вместе с теплом забоя промывочной водой через канал 7. Так как теплопроводность породы составляет порядка 2-6 Вт/м·с, материала стенок полости в корпусе коронки 40 Вт/м·с, а теплоизолятор 4 имеет теплопроводность 0,13 3-0.23 Вт/м·с, то основной теплопоток будет проходить через стенки полости. При этом значительное количество теплоты со стенок полости будет уноситься промывочной жидкостью. Так как в данной коронке часть механической нагрузки воспринимается теплоизолятором 4, то сечение стенок меньше, чем у прототипа, при тех же равных условиях, т.е. теплопотери будут значительно меньше. Работоспособность буровой коронки обеспечивается тем, что в качестве материала теплоизоляторов могут быть применены кремнеземистые, базальтовые и углеродные волокна с применением неорганических связующих. Волокнистые материалы сочетают в себе низкий коэффициент теплопроводности (0,13-0,23 Вт/м·с), высокотемпературные, огнеупорные и изоляционные свойства. Благодаря этим качествам их применяют вместо традиционных материалов для эксплуатации практически любого термооборудования. При теплоизолировании труб в заводских условиях теплоизоляторы имеют достаточную прочность и не повреждаются при погрузочно-разгрузочных работах и при эксплуатации. Предлагаемая буровая коронка имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом: – устранены требования к герметичности теплозащитной части корпуса коронки; – повышена надежность работы теплозащиты и всего инструмента; – значительно снижены потери тепла благодаря уменьшению сечения стенок полости, являющихся теплопроводящим элементом коронки. – при склеивании или спекании теплоизоляторов к стенкам полости гигроскопичные теплоизоляторы становятся герметичными, что препятствует их влагонасыщению, т.е. увеличению их теплопроводности, при нарушении их герметичности. Источники, принятые во внимание 1. Пат. 2. А.с. СССР 3. А.с. СССР
Формула изобретения
1. Термофрикционная буровая коронка, включающая корпус с полостью в теплозащитной части, фрикционные элементы, разупрочняющие нагревом приповерхностный слой породы, и резцы, срезающие этот разупрочненный слой, отличающаяся тем, что во внутренней полости теплозащитной части корпуса коронки установлен теплоизолятор с возможностью передачи совместно со стенками полости механических нагрузок на рабочие элементы. 2. Буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что теплоизолятор соединен со стенками и торцами полости спеканием. 3. Буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что теплоизолятор соединен со стенками и торцами полости клеевым методом. 4. Буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что теплоизолятор установлен в полость теплозащитной части корпуса коронки с натягом.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
2247217 С2 Российской Федерации, МПК7 Е21В 10/46, 7/14. Термомеханический породоразрушающий инструмент [Текст] / Бродов Г.С., Ермаков С.А., Федоров Л.Н.; заявитель и патентообладатель Институт горного дела Севера им. Н.В. Черского СО РАН. – 