RU2109907C1 - Буровой элемент - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройству, связанному с заменой на месте режущего элемента земляного бура и, в частности, для замены на месте буровых головок или/и буров-расширителей для выбора проб грунта. Буровой элемент для соединения с нижним концом земляного бура содержит трубчатый элемент и включает в себя средство установки, расположенное периферийно по окружности внутренней стенки трубчатого элемента для установки режущего средства земляного бура в режущем положении, причем в средстве установки выполнены последовательные поверхности, имеющие конфигурацию и расположение друг относительно друга, обеспечивающие скольжение режущего средства относительно элемента в режущем положении при подъеме земляного бура и его опускании на дно буримой скважины. 13 з.п.ф-лы, 16 ил.

Description

Изобретение относится к системе для замены на месте в полевых условиях режущего элемента земляного бура и, в частности, к системе для замены на месте буровых головок или/и буров-расширителей для выбора проб.

При земляном бурении традиционно прикрепляют буровую головку с возможностью ее отсоединения к нижнему концу ряда буровых штанг земляного бура и вращают их, чтобы пробурить отверстие в земле посредством буровой головки. Бур-расширитель обычно вставляется между нижним концом ряда штанг и буровой головкой, чтобы расширить окружающую стенку пробуриваемой скважины. Ряд буровых штанг выполнен в виде винтового соединения отдельных буровых штанг. Буровые штанги обычно поставляются с фиксированными длинами 1,5, 3 или 6 м. По мере проникновения бура в землю дополнительные буровые штанги ввинчиваются в верхний конец ряда буровых штанг.

В ходе бурения возникает необходимость заменить буровую головку и бур-расширитель либо из-за затупления буровой головки, либо из-за изменений подпочв. Хотя головку бура нужно заменять чаще (как минимум, в шесть раз чаще), чем бур-расширитель.

Для того чтобы заменить буровую головку или бур-расширитель, нужно вытянуть из земли штангу, за штангой весь ряд штанг, заменить буровую головку и снова собрать ряд буровых штанг, штанга за штангой, после чего он снова опускается в землю для продолжения бурения. Полное извлечение, разборка и новый монтаж ряда буровых штанг при смене буровой головки/бура-расширителя - это медленная и дорогая процедура, себестоимость которой растет по мере углубления скважины и удлинения ряда штанг.

Ранее предпринимался ряд попыток для решения этой проблемы, по крайней мере, что касается буровых головок, посредством использования убирающихся буровых головок, которые зацепляются с нижним концом ряда штанг с возможностью освобождения и могут быть отсоединены и вытянуты через ряд буровых штанг для смены, тогда как ряд штанг остается на месте, что позволяет избежать необходимости вытягивания штанг из скважины. Однако эти устройства не оказались коммерчески успешными по разным причинам, включая следующие: они чрезвычайно усложнены по конструкции или применению, что приводит к большому количеству поломок, или/и они слишком дорогостоящие при изготовлении или для поддержания в рабочем состоянии; они подвержены загрязнениям из-за буровой жидкости и загрязнителей, истачивающих или защемляющих участки буровой головки; плохое выравнивание участков буровой головки с рядом штанг; снижение диаметра образца керна из-за фиксации буровой головки ко внутренней трубе ряда буровых штанг; снижение скорости прохода скважины; и поломка отдельных участков буровой головки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является буровой элемент для соединения с нижним концом бура, содержащий трубчатый элемент, включающий расположенное периферийно по окружности внутренней стенки трубчатого элемента средство для установки режущего средства бура в режущем положении [1].

Задачей настоящего изобретения является создание системы для замены на месте буровых головок или/и буров-расширителей земляного бура, для преодоления, как минимум одного из описанных выше недостатков предыдущих разработок.

В предпочтительном варианте выполнения буровой элемент содержит трубчатый элемент и расположенное периферийно по окружности внутренней стенки трубчатого элемента средство для установки режущего средства бура в режущем положении, причем в средстве установки выполнены последовательные поверхности, имеющие конфигурацию и расположение друг относительно друга, обеспечивающие скольжение режущего средства относительно элемента в режущем положении при подъеме бура и его опускании на дно буримой скважины.

Предпочтительно, чтобы указанное средство установки содержало выступ, проходящий периферийно вокруг внутренней окружной стенки указанного трубчатого элемента для зацепления и ограничения движения вниз режущего средства, причем выступ расположен рядом и над самой верхней из последовательных поверхностей.

Предпочтительно, чтобы средство установки дополнительно содержало ряд ведущих приливов, расположенных периферийно вокруг внутренней стенки трубчатого элемента у его нижнего конца, причем соседние ведущие приливы образуют между собой выемку для зацепления нижнего конца режущего средства, а каждый из приливов выполнен с возможностью упирания в режущее средство для оказывания на него крутящего момента при вращении бура.

Предпочтительно, чтобы последовательные поверхности содержали первую поверхность, примыкающую к указанному выступу и направленную по конусу вниз в сторону от продольной оси трубчатого элемента; вторую поверхность, примыкающую к первой поверхности и проходящую параллельно продольной оси; третью поверхность, примыкающую ко второй поверхности и направленную по конусу вниз к продольной оси; четвертую поверхность, примыкающую к третьей поверхности и направленную по конусу вниз в сторону от оси; пятую поверхность, примыкающую к четвертой поверхности и проходящую параллельно оси; шестую поверхность, примыкающую к пятой поверхности и направленную по конусу вниз к оси; седьмую поверхность, примыкающую к шестой поверхности, направленную по конусу вниз в сторону от оси и проходящую в нижней продольной оконечности трубчатого элемента; восьмую поверхность, соприкасающуюся с седьмой поверхностью, направленную по конусу вверх в сторону от оси и от продольной оконечности элемента и ведущую к внешней периферийной поверхности элемента.

Предпочтительно, чтобы буровой элемент содержал средство для размещения и направления линейного движения цилиндрической вставки, расположенной внутри трубчатого элемента, и содержащее, как минимум, одну продольную прорезь, образованную на внутренней стенке трубчатого элемента.

Предпочтительно, чтобы буровой элемент содержал запирающий зажим, расположенный в верхнем конце прорези для запирания с возможностью высвобождения вставки в первом положении.

Примеры осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны только в качестве примеров со ссылкой на сопроводительные фигуры.

На фиг. 1 дан вид сбоку в вертикальном разрезе первого примера выполнения системы, размещенной внутри земляного бура; на фиг. 2 - вид сбоку в вертикальном разрезе инструмента, используемого в системе, представленной на фиг. 1; на фиг. 3 - продольный вид в разрезе инструмента, представленного на фиг. 2; на фиг. 4 показана селекторная муфта инструмента в разных положениях: a - вид сбоку в вертикальном разрезе селекторной муфты инструмента, представленного на фиг. 2 и 3; b - вид с торца муфты; c - вид противоположного торца муфты; d - разрез B-B; e - разрез C-C; f - частичный вид разреза A-A; g - разрез D-D; на фиг. 5 показана вставка в разных положениях: a - вид сбоку в вертикальном разрезе вставки, используемой в системе, представленной на фиг. 1; b - вид одного торца вставки; c - вид противоположного торца вставки; на фиг. 6 представлен элемент: a - продольный вид в разрезе элемента, используемого в системе, представленной на фиг. 1; b - вид одного торца элемента; c - вид противоположного торца элемента; d - вид нижней части элемента; на фиг. 7 дан сегмент головки: a - вид сбоку сегмента головки, используемой в системе, представленной на фиг. 1; b - вид сверху сегмента головки; c - вид с торца сегмента головки; на фиг. 8 показан запирающий зажим: a - вид сверху запирающего зажима, используемого в системе, представленной на фиг. 1; b - вид сбоку запирающего зажима; на фиг. 9 - увеличенный частичный вид в разрезе нижнего торца системы; на фиг. 10 - вид в разрезе торца бура в режиме бурения, причем сегменты головки заперты вставкой в режущем положении; на фиг. 11 - вид ряда буровых штанг, представленного на фиг. 10, здесь ряд буровых штанг вытягивается вверх со дна скважины; на фиг. 12 - вид в разрезе инструмента, используемого во втором примере осуществления настоящего изобретения; на фиг. 13 - вид сверху сегмента бура-расширителя, используемого во втором примере осуществления изобретения; на фиг. 14 - частичный вид в разрезе второго примера осуществления изобретения, где сегменты бура-расширителя удерживаются в режущем положении; на фиг. 15 - вид сбоку транспортной муфты для системы, представленной на фиг. 1; и на фиг. 16 - вид сбоку транспортной муфты с собственным весом, представленной на фиг. 1.

На фиг. 1 показан первый пример осуществления системы 10 для замены на месте режущего элемента в виде буровой головки земляного бура 12. Бур 12 образован рядом взаимно соединенных буровых штанг 14. Стандартный бур-расширитель 16 для разбуривания окружающей стенки скважины привинчен к свободному концу самой нижней штанги 14.

Система 10 содержит ряд отдельных, но взаимодействующих элементов, к числу которых относятся: трубчатый элемент, 18, имеющий форму элемента для выработки штреков, который может подсоединяться к нижнему концу бура 12, инструмент для установки и возвращения (извлечения) 20, размеры которого позволяют ему перемещаться в буре 12 для переноса сегментов буровой головки 22 (фиг.7,a, b и 9) к элементу 18 для выработки штреков и от него, и в принципе цилиндрическая вставка 24, которая удерживается с возможностью скольжения внутри элемента 18 между положением установки, в котором вставка удерживает сегменты головки 22 в элементе 18 для выработки штреков, и положением возвращения, в котором вставка 24 втягивается, позволяя сегментам 22 спадать на инструмент 20 для извлечения из бура 12.

На фиг. 6,a - d можно видеть, что внутренняя окружная стенка 26 у нижнего конца 28 элемента 18 имеет средство для установки сегментов головки 22. Средство установки содержит выступ 32, проходящий периферийно вокруг внутренней поверхности 26, за которой следуют в направлении вниз последовательные конусные и плоские поверхности и выемки 58, образованные в одной из самых нижних из этих поверхностей. Конкретно за выступом 32 следует следующая последовательность поверхностей в направлении вниз: поверхность 34, отходящая по конусу от продольной оси 36 элемента 18; поверхность 38, проходящая параллельно оси 36; поверхность 40, направленная по конусу к оси 36; поверхность 42, отходящая по конусу от оси 36; поверхность 44, проходящая параллельно оси 36; поверхность 46, направленная по конусу к оси 36; и поверхность 48, отходящая по конусу от оси 36 и проходящая к продольной оконечности 50 элемента 18. С поверхностью 48 соприкасается поверхность 52, отходящая по конусу от оси 36 и от оконечности 50, которая ведет ко внешней кольцевой поверхности 54 элемента 18.

На поверхности 46 имеется ряд приливов 56. Соседние шипы 56 образуют выемки 58, в которых во время бурения удерживается нижний конец сегментов головки 22. Как очевидно из фиг.6,b, ширина приливов 56 уменьшается в радиальном направлении к оси 36. Пара противоположных пазов 60, проходящих параллельно оси 36, выполнена машинной обработкой в стенке 26 конца элемента 18. Запирающий зажим 62 (фиг.8,a,b) вставлен в верхний конец 64 каждого паза 60. Нижний конец каждого запирающего зажима имеет поверхность 65, направленную по конусу ко внутренней стенке 26 и к пружинному зажиму 66, прикрепленному около верхнего конца зажима на поверхности, противоположной внутренней стенке 26.

Как видно из фиг.7a и b, сегменты головки 22 имеют такую конфигурацию, что могут сопрягаться со средством установки элемента 18. Сегменты головки содержат хвостовик 68 и коронку 70, образованные на нижнем конце хвостовика 68 для сцепления и резки грунта. Коронка 70 обычно содержит алмазно-металлическую матрицу. При работе, когда сцепляющаяся с грунтом грань 72 коронки изнашивается, для облегчения резки оголяются новые алмазы.

Сторона 74 (показана самой верхней на фиг.7,b) сегментов головки 22 обращена ко внутренней поверхности 26 элемента 18. Сторона 74 хвостовика 68 содержит следующие последовательные поверхности, начиная от коронки 70 (ось 36 показана прерывисто, для удобства ссылок на фиг.7,a); поверхность 76, направленную по конусу к оси 36; поверхность 77, проходящую параллельно оси 36: поверхность 78, отходящую по конусу от оси 36; поверхность 80, направленную по конусу к оси 36; ровную поверхность 82, проходящую параллельно оси 36; поверхность 84, отходящую по конусу от оси 36; поверхность 86, направленную по конусу к оси 36; поверхность 88, проходящую параллельно оси 36. За поверхностью 88 следует крутая ступенька 90, которая ведет к поверхности 92, направленной по конусу к оси 36 и проходящей к оконечности 94 хвостовика 68.

Противоположная сторона 96 хвостовика 68 содержит следующие последовательные поверхности в направлении от оконечности 94 к коронке 70: поверхность 98, направленную по конусу к оси 36; ровную поверхность 100, проходящую параллельно оси 36; поверхность 102, направленную по конусу к оси 36; и ровную поверхность 104, проходящую параллельно оси 36.

Как наиболее ясно показано на фиг.7,c, коронка 70 имеет форму сектора кольца и образована внутренней и внешней арочными лицевыми поверхностями 106 и 108 соответственно, причем длина лицевой поверхности 108 больше длины лицевой поверхности 106. Лицевая поверхность коронки 70, противоположная режущей грани 72, имеет следующие последовательные поверхности в направлении от внешней лицевой поверхности 108 к внешней лицевой поверхности 106: поверхность 110, проходящую параллельно режущей грани 72; поверхность 112, наклонную по направлению к режущей грани 72 и оканчивающуюся рядом с поверхностью 76 хвостовика; и поверхность 114, отходящую по конусу по направлению от режущей грани 72 и оканчивающуюся у арочной лицевой поверхности 106. Поверхности 112 и 76 образуют V-образную выемку, которая может зацеплять рабочие части 48 и 52 элемента 18 (как видно из фиг.10).

На фиг. 2-4,f инструмент 20 содержит основную часть корпуса 118, на которой удерживается с возможностью скольжения и вращения селекторная муфта. Верхний конец 122 корпуса 118 имеет винтовую резьбу для прикрепления стандартного линейного проводного переходника 124. Пара противоположных продольных желобов (не показаны) выполнена машинной обработкой в корпусе 110 у конца 122 для удержания с возможностью скольжения кольца 126. На внутренней круговой поверхности кольца имеется пара выступов (не показаны), которые входят в желоба, позволяя кольцу 126 скользить продольно корпусу 118. Пружина 128, удерживаемая между линейным проводным переходником 124 и кольцом 126, смешает кольцо 126 и муфту 120 в сторону от конца 122. Выступ 130 образован на конце кольца 126 рядом с муфтой 120 для зацепления с одной из двух выемок селектора режима 132, 134, вырезанных в смежном конце муфты 120.

Корпус 118 имеет внутреннюю полость 136, в которой размещается пара защелок для установки 138. Штифт 140 проходит через один конец обеих защелок 138 и связывает корпус 118 с муфтой 120. Штифт 140 находится в продольном пазу (не показан), образованном в корпусе 118, и в проходящем поперечно пазу 142, образованном в муфте 120. Каждый конец штифта 140 покоится на фланце 143, образованном по периферии пазов 142. Это обеспечивает соединение между корпусом 118 и муфтой 120, когда муфта может продольно скользить и вращаться относительно корпуса 118.

Второй штифт 144 проходит параллельно штифту 140 и находится в продольном пазу 148, образованном в корпусе 118. Пружина 150 соединяет противоположные концы защелок 138 со штифтом 144. Пружина 150 смещает защелки 138 так, чтобы расположить их сбоку от корпуса 118 и через отверстия или пазы 139 (фиг. 4,a,g), прорезанные в муфте 120. Каждая защелка 138 имеет несущую грань 152 для примыкания к вставке 24. В инструменте 20 также имеется пара защелок для возвращения 154, аналогичных защелкам для установки, на стороне противоположного конца 122 защелок-собачек 138. Однако защелки для возвращения 154 расположены в плоскости, расположенной перпендикулярно плоскости, защелок для установки. Кроме того, защелки для возвращения ориентированы в противоположном направлении относительно защелок установки 138. То есть концы 156 защелок для возвращения обратно смещены пружиной (не показана) и проходят сбоку от корпуса 118 и через отверстия или пазы 155 (фиг.4,a,e), прорезанные в муфте 120, причем противоположные концы 158 удерживаются штифтом 160, проходящим через корпус 118. Несущие грани 162 образованы на концах 156 защелок для возвращения 154 для зацепления вставки 24.

Как наиболее видно из фиг. 4,d и e, пазы (прорези) 139 для защелок для установки шире, чем пазы 155 для защелок для возвращения обратно.

Прямоугольная полость 164 образована в корпусе 118 рядом с защелками для возвращения 154. Отверстие 168, которое сообщается с цилиндрической выемкой 170, проходит продольно относительно одного конца 166 полости 164. Выемка 170 проходит через усеченно-конический конец 172 корпуса 118. Полость 164, отверстие 168 и выемка 170 совместно образуют направляющую 174 для гнезда 176, на котором находятся сегменты головки 22.

Гнездо 176 содержит центральный стержень 178, от которого соосно проходит у одного конца шток 180 с винтовой резьбой и оканчивается у противоположного конца в стопоре 182. Шток 180 проходит через выемку 170 и отверстие 168 в полость 164. Конец стержня 178, прилегающий к штоку 180, входит в выемку 170 с возможностью скольжения. Пружина 184 удерживается на штоке 180 между натяжной регулировочной гайкой 186, навинченной на шток 180, и концом 166 полости 164. Противоположные концы 188 и 190 гайки 186 конусообразны или скошены, чтобы их толщина уменьшалась радиально в сторону от центра гайки 186.

Пара стопорных штифтов (не показаны) находится в соответствующих выемках 192, образованных в корпусе 118. Штифты удерживаются внутри их соответствующих выемок 192 муфтой 120 и имеют конец, который можно селективно вставить в выемку 164 или вынуть из нее посредством относительного перемещения муфты 120. На фиг. 4,f видно, что внутренняя окружающая стенка 194 муфты 120 имеет кольцевой желоб 196. Когда муфта размещена так, что желоб 196 лежит над выемками 192, концы штифтов в них могут попадать из полости 164, позволяя разжиматься пружине 184. Однако концы штифтов удерживаются и проходят в полость 164 благодаря примыканию штифтов к стенке 194, когда муфта 120 расположена так, что желоб 196 не лежит выше выемок 192. При этом условии штифты упираются в гайку 186, поддерживая пружину 184 в сжатом состоянии.

При загрузке инструмента 20 для установки сегментов головки 22 сегменты размещаются радиально вокруг стержня 178, причем коронки упираются в стопор 182. Поверхность 98 каждого сегмента головки 22 покоится на усеченно-коническом конце 172 с большим диаметром для корпуса 118. Упругая полоса 198 окружает сегменты головки 22 вокруг соответствующих поверхностей 82, чтобы удерживать сегменты головки в гнезде 176.

Ряд гребней 200 находится на внешней поверхности муфты 120, проходя параллельно длине муфты 120. Гребни 200 отстоят друг от друга на равные промежутки, причем соседние гребни образуют неглубокие каналы 202, через которые может протекать жидкость, когда инструмент 20 опускается через бур 12.

В системе 10 имеется вставка (фиг.5,a-c) для расширения сегментов головки 22 при смещении упругой полосы 198 и для размещения сегментов головки 22 в режущем или бурящем положении относительно внутренней поверхности элемента 18.

Вставка 24 имеет форму цилиндрической трубы, имеющей пару противоположных пиков 206, проходящих от расположенного наверху конца 204. Стороны каждого пика резко скашиваются в направлении вниз и приводят к плоским площадкам 208, разделяющим пики 206. Пара проходящих продольно реек 210 выдается из внешней круглой поверхности 212 вставки 24 и представляет собой направляющее средство. Рейки 210 сидят в пазах 60 в элементе 18. Пара противоположных кулачковых поверхностей, выполненных в виде продольно проходящих пазов 214 (показан только один), врезана во вставку 24 для зацепления защелок для возвращения 154. Расположенный выше конец каждого паза 214 скошен, чтобы иметь наклон к внутренней поверхности вставки 24 в направлении вверх, и представляет собой средство для расцепления с кулачковой поверхностью при вытягивании инструмента. Конец вставки 24, противоположный пикам 206, имеет ряд проходящих продольно шпоночных канавок 218. Соседние шпоночные канавки 218 отделены друг от друга приливами 220. Водные пути 222 выполнены машинной обработкой вдоль длины внутренней поверхности вставки 24. Водные пути обеспечивают каналы для протекания воды, используемой для охлаждения головки, смазки и промывки.

Инструмент 20' (фиг. 12) для замены сегментов бура- расширителя (фиг. 13 и 14) структурно и функционально аналогичен инструменту 20, используемому для замены сегментов буровой головки 22. Соответственно номера ссылок, используемые в отношении описания инструмента 20, также применяются для обозначения аналогичных признаков в инструменте 20'. Линейный проводной адаптер 124' навинчен на верхний конец 122 инструмента 20'. Пружина 128' находится между линейным проводным адаптером 124' и кольцом 126'. Как в случае инструмента 20, кольцо 126' способно скользить в продольном направлении относительно инструмента 20', поскольку снабжено выступом 130' для сцепления с выемками (не показаны), вырезанными в верхнем конце муфты 120'. Защелки для установки и для возвращения 138' и 154' тождественны этим деталям в инструменте 20. Самые существенные различия между инструментом 20' и инструментом 20 заключаются в том, что гнездо 176' содержит ряд вырезов 227, образованных радиально вокруг нижнего конца корпуса 118'. Верхний конец каждого выреза имеет уклон 228, который ведет к внешней поверхности корпуса 118'. Кроме того, муфта 120' имеет ряд отверстий 230, которые покрывают вырезы 227. У нижнего конца каждого отверстия 230 имеется радиально направленный внутрь фланец 232.

Еще одно различие между инструментами состоит в длине пазов, в которых удерживаются штифты защелок для установки и возвращения. Конкретно пазы в инструменте 20' (например, паз 148') намного длиннее, чем соответствующие пазы в инструменте 20.

Стандартный овершот (ловильный инструмент) 234 соединен с нижним концом инструмента 224 для соединения с линейным проводным адаптером 124 инструмента 20. Это соединение позволяет инструментам 20 и 20' вращаться относительно друг друга.

Сегменты бура-расширителя 226 удерживаются в вырезах 227 при установке в бур 12 или при извлечении из него. Сегменты бура- расширителя 226 имеют форму прямоугольных призм, имеющих наклонные стороны. Каждый сегмент 226 установлен на прямоугольной пластине 236. Вертикальные фланцы 238 и 240 проходят через верхний и нижний концы пластины 236 соответственно. Как фланец 240, так и находящийся выше конец пластины 236 скошены, чтобы сходиться по направлению вверх друг к другу.

Сегменты 226 удерживаются в вырезах 227 посредством резиновых полос 242 и 244, которые окружают пластины 236 рядом с концами соответствующих сегментов 226.

Трубчатый элемент в виде вспомогательного элемента 18' навинчен на бур для удержания сегментов бура-расширителя 226 в режущем положении. Вспомогательный элемент 18' имеет средство установки, содержащее 32' выдающийся внутрь от внутренней окружной стенки элемент 18', и вырезы (показан только один), имеющие скошенные края 248 для установки сегментов головки 226. Выемка 250 вырезана во внутренней поверхности элемента 18 рядом с находящимся внизу концом каждого выреза 246 для размещения в ней фланцев 238.

Вспомогательная вставка 24' удерживается со вспомогательным элементом 18 для селективного удерживания сегментов 226 в режущем положении и высвобождения этих сегментов при их замене. Вставка 24' в принципе та же самая, что и вставка 24 за исключением того, что она не включает шпоночных канавок 218 и приливов 220 вставки 24. Инструмент 20' используется для того, чтобы заставлять вставку 24' скользить между положением установки, в котором вставка 24' размещает и удерживает сегменты 226 в режущем положении, и положением возвращения, в котором вставка 24' вытягивается, высвобождая сегменты так, что они могут опуститься назад на инструмент 226 посредством действия упругих полос 242 и 244.

Как видно на фиг. 1, земляной бур 12 в этом примере выполнения изобретения используется для выборки керна, и может быть такой, например, какой производит фирма LONGYEAR. Буры для выборки керна обычно включают в себя установочное кольцо 252, удерживаемое на нижнем конце бура 12. Установочное кольцо 252 используется, чтобы остановить обычный цилиндр выборки керна 254 (фиг. 10 и 11). Верхняя часть цилиндра выборки керна 254 покоится на установочном кольце 252 для предотвращения выпадения цилиндра из бура 12. Цилиндр выборки керна 254 используется, чтобы собирать и удерживать выборку керна почвы при бурении. Когда цилиндр выборки керна наполнен, бурение прекращается, бур поднимается со дна скважины для разбивания выборки керна. Затем цилиндр поднимается через бур 12 с помощью проводной линии 256.

Если система 10 используется только для замены на месте обычной буровой головки, выборки керна (не показана) то последняя заменяется элементом 18, который захватывает по резьбе бур-расширитель 16. В том случае, когда система 10 представляет собой комбинированную систему для замены на месте буровой головки и бура-расширителя, то стандартный бур-расширитель 16 удаляется и на его место устанавливается элемент 18', при этом образуются две подсистемы: одна для замены сегментов головки (поз. 18, 20, 24), другая для замены сегментов бура-расширителя (поз. 18', 20', 24'). Вставки 24 или/и 24' всегда удерживаются внутри соответствующих элементов 18 и 18'. Инструменты 20 и 20' опускаются и извлекаются из бура 12 для установки и извлечения сегментов головки 22 и 226 соответственно. Когда инструменты 20 и 20' сняты, стандартный цилиндр выборки керна 254 можно опустить в бур 12, который проходит через вставки 24 и 24' для захвата образца керна.

Теперь способ работы системы 10 будет описан в связи с заменой сегментов буровой головки.

Элемент 18 навинчен на бур-расширитель 16 стандартного бура выборки керна. Инструмент 20 устанавливается в режим установки путем поворота муфты 120 относительно кольца 126, так что выступ 130 зацепляет выемку 132 режима установки. Гнездо 176 расширяется от корпуса 118, сжимая пружину 184, которая удерживается в состоянии сжатия стопорными штифтами (не показаны), чьи концы проходят внутрь полости 164. В этой конфигурации защелки для установки 138 проходят сбоку от пазов 139 в муфте 120. Однако защелки возвращения 154 не выравнены с пазами 155 и поэтому удерживаются в сжатом состоянии в пределах муфты 120. Сегменты головки 22 погружаются в гнездо 176 и удерживаются на месте упругой полосой 198, которая контактирует с поверхностью 82 каждого сегмента головки 22. Коронка 70 каждого сегмента головки упирается в стопор 182. Вставка 24 размещена внутри элемента 18 и удерживается над средством установки с помощью зажима 62. Вставка 24 ориентирована таким образом, что пики 206 направлены вверх. Рейки 210 вставки 24 помещаются в пазах 60, позволяя вставке 24 скользить вдоль внутренней стороны элемента 10.

Инструмент 20 соединен со стандартным овершотом проводной линии через линейный проводной адаптер 124 и вставлен в транспортную муфту 260 (показана на фиг. 15), которая сжимает защелки установки 138. Транспортную муфту 260 вместе с инструментом 20 затем опускают через центр бура 12. Дедвейт (собственный вес) транспортной муфты (фиг.16) может прикрепляться к верхнему концу муфты 260 для увеличения скорости опускания инструмента 20. Опускание транспортной муфты 260 прекращается при ее упирании в установочное кольцо 252. Однако инструмент 20, внешний диаметр которого меньше внутреннего диаметра кольца 252, продолжает опускаться. Когда инструмент 20 проходит через установочное кольцо 252, защелки для установки 138 смещаются пружиной 150 и проходят от пазов 139, образованных в муфте. Несущие грани 152 защелок 138 контактируют с пиками 206, заставляя инструмент 20 вращаться до тех пор, пока не будет достигнуто положение, при котором несущие грани 152 находятся на плоских площадках 208, разделяющих пики 206. Вращение инструмента 20 обеспечивает правильное выравнивание сегментов головки 22 относительно выемок 56 элемента 18 и шпоночных канавок 218 вставки 24.

Защелки 138 отводятся назад на небольшое расстояние после соприкосновения с пиками 206, вызывая соответствующее перемещение муфты 120. Это действие приводит к тому, что желоб 196 размещается над выемками 192, так что штифты (не показаны), находящиеся в них, вытягиваются из полости 164, позволяя разжиматься пружине 184. Это в свою очередь заставляет гнездо 176 втягиваться в корпус 118. Поверхность 98 каждого сегмента головки скользит вдоль усеченно- конического конца 172, проходя сбоку от корпуса 118 и соприкасаясь со внутренней стенкой 22 (фиг.9). По мере того, как инструмент 120 продолжает опускаться, ступенька 90 хвостовиков 68 зацепляет выступ 32 на элементе 18.

Продолжающееся движение вниз инструмента 120 также тянет вниз вставку 24 посредством защелок для установки 138, опирающихся на плоские площадки 208. Когда ступенька 90 каждой головки зацепляет выступ 32, дальнейшее движение вниз сегментов головки 22 прекращается. Вставка 24 собирает заднюю поверхность 96 сегментов головки и растягивает сегменты головки 22 в радиальном направлении против направления смещения упругой полосы 198, размещающей сегменты головки по отдельным выемкам 58. Вставка 24 продолжает перемещаться вниз до тех пор, пока не достигнет положения установки, в котором ее шпоночные канавки 218 скользят над сегментами головки 22, удерживая эти сегменты между элементом 18. Упругая полоса 198 находится в полости, образованной между поверхностью 44 элемента 18 и поверхностью 82 сегментов головки 22.

Инструмент 20 можно извлечь посредством линейного провода 256 к установочному кольцу 252, после чего защелки для установки 138 сжимаются будучи оттянуты назад через кольцо 252. Затем инструмент 20 повторно входит в транспортную муфту 260 и оба они полностью извлекаются из бура 12.

Сегменты головки 22, запертые вокруг элемента 18, образуют буровую головку для разрезания грунта. Затем в бур 12 можно опустить стандартный цилиндр выборки керна 254 посредством линейного провода 256 для удержания образца керна грунта, подвергаемого бурению. Вставка 24 имеет такие размеры, чтобы позволить цилиндру выборки керна 254 (фиг.10 и 11) проходить через нее.

Когда сегменты головки 22 удерживаются между элементом 18 и вставкой 24 с образованием буровой головки, бур 12 опускается на дно буровой скважины и вращается, чтобы снова начать процесс бурения. Из фиг.10 видно, что когда коронки головки 70 касаются дна скважины, сегменты головки 22 вынуждены скользить назад, причем поверхности 34,48 и 52 элемента 18 упираются в поверхности 86, 112 и 114 сегментов головки соответственно. В этом режиме (режим бурения) ступеньки 90 размещены над выступом 32. Скользящее движение сегментов облегчается поверхностями 77 и 88 сегментов головки и поверхностью 38 элемента 18, причем все они проходят параллельно оси 36.

Расположение поверхностей на сегментах головки 22 и элементе 18 переносит вес головки и внутренние/внешние вращательные усилия, создаваемые при бурении, на элемент 18. Кроме того, это действие запирает вставку 24 на ее месте посредством зажимающего действия, поскольку самый верхний внутренний край каждого сегмента головки должен слегка переместиться вовнутрь против противодействия внешней окружной стенки 212 вставки 24.

Перенос усилий во время бурения между сегментами головки 22 и элементом 18 также показан на фиг.10 и описан ниже. Стрелка А показывает направление переноса части веса ряда штанг от коронки головки 70 к элементу 18 в ходе бурения. Это усилие направлено в продольном направлении элемента 18 и приложено к поверхностям 48 и 52. Остаток веса ряда штанг передается через поверхность 86 каждого сегмента головки поверхности 34 каждой шпоночной канавки, как показано стрелкой F на фиг.10. Это усилие также заставляет сегменты головки 22 перемещаться по радиусу внутрь, чтобы обеспечить зажимающее действие на вставку 24, которое требуется в ходе бурения.

Внешние радиальные усилия, воздействующие на лицевую поверхность 108 коронок 70, переносятся на элемент 18 поверхностью 52, как показывает стрелка B. Эти усилия также воздействуют на поверхности 52 и 48 элемента 18. Внутренние радиальные усилия на коронку головки 70 и приливы 56 переносятся на элемент 18 через поверхность 48, как показывает стрелка C.

Во время раскалывания керна (фиг.11), когда бур 12 поднят со дна буровой скважины, сегменты головки скользят относительно элемента 18 до тех пор, пока ступеньки 90 не упрутся в выступ 32, причем поверхности 40 и 46 элемента 18 опираются на поверхности 84 и 78 сегментов головки соответственно. Цилиндр выборки керна 254 также оказывает усилие на поверхность 102 сегментов головки 22. Это усилие передается в диагональном направлении, наклоненном к дну буровой скважины, от сегментов головки 22 к элементу 18 между соответствующими парами поверхностей 77 и 46; и 84 и 40, как показано стрелками D, E и G.

Промежуток или зазор между поверхностями 78 и 46 на сегментах головки 22 и элементе 18 соответственно (показан на фиг. 10) позволяет сегментам головки 22 изгибаться по радиусу наружу, когда цилиндр выборки керна 254 оказывает усилие на сегменты головки 22 в ходе раскалывания керна. Это расширяет сегменты головки радиально в сторону от оси 36 во время раскалывания керна и позволяет отколоть образец керна от горной породы, в которой производится бурение, обычным образом посредством механизма подъема цилиндра выборки керна (не показан).

Как объяснялось выше, во время бурения вставка 24 запирает сегменты головки 22 на одном месте посредством зажимающего действия, когда самый верхний внутренний край каждого сегмента головки должен слегка перемещаться вовнутрь против противодействия внешней окружающей стенки 212 вставки 24.

Вращательное усилие передается с вращением от элемента 18 к сегментам головки 22 через ведущие приливы 56.

Смазка головки и охлаждение производится обычным образом, когда жидкость накачивается в бур 12 и подается по каналам через внутренние водные пути 222 вставки 24, что позволяет жидкости достичь коронки головки 70. Однако охлаждение у коронки головки 70 значительно отличается от того, которое достигается у стандартных буровых головок. В настоящей системе 10 чрезвычайно широкие водные пути обеспечиваются автоматически посредством зазоров, образованных между соседними сегментами головки 22.

В обычных буровых головках относительно узкие каналы или желоба прорезаются в коронке, чтобы позволить проходить смазывающей и охлаждающей жидкости. Зазоры между сегментами головки 22 в настоящем примере осуществления дают увеличение от 300 до 600% ширины водных путей по сравнению со стандартными буровыми головками. Наоборот, имеется значительное сокращение площади поверхности коронки головки 70. Это противоречит стандартной практике конструкций матрицы головки. Полагаем, что настоящее расположение сегментов буровой головки обеспечивает более эффективную резку, поскольку охлаждение, промывка от загрязнителей и смазка достигаются более эффективно и при меньших значениях давления насоса. Конструкция коронки обеспечивает также повышенную скорость проникновения в силу концентрации веса бура на меньшей площади резки. Чрезвычайно широкие водяные пути между соседними сегментами головки также устраняют проблему закупоривания водного пути в головке и потери циркуляции из-за забивки коронки головки почвой или загрязнения при бурении.

Чтобы извлечь и заменить сегменты головки 22, бур 12 вначале поднимается на небольшое расстояние над дном скважины, чтобы отломать образец керна от горной породы 264. Затем цилиндр выборки керна 254 снимается с бура с использованием линейного провода 256 обычным образом.

Инструмент 20 ставится в режим возвращения посредством обратного поворота муфты 120, чтобы выемка извлечения 134 зацепила выступ 130. Это приводит к тому, что пазы 155 выравниваются с защелками для возвращения 154, которые полностью расширяются и выходят за пределы поверхности муфты 120. Затем инструмент 20 вставляется в транспортную муфту 260 и опускается по буру 12. Достигнув установочного кольца 252, муфта 260 перестает опускаться, но инструмент 20 опускается дальше через установочное кольцо 252, оголяя защелки для возвращения и установки 138, 154, которые контактируют с внутренней окружной стенкой бура 12.

Затем инструмент 20 входит во вставку 24 и это движение приводит к тому, что защелки для возвращения обратно сжимаются при контактировании со внутренней окружной стенкой вставки 24. Защелки для установки 138 соприкасаются с пиками 206, поворачивая инструмент и правильно выравнивая его относительно элемента 18. Когда защелки для установки 138 выпрямляются на плоских площадках 208, защелки для возвращения 154 проходят в пазы 214, имеющиеся во вставке 24. Гнездо 176 находится в растянутом положении, причем пружина 184 сжата, а гайка 186 блокирована от линейного движения стопорными штифтами (не показаны), находящимися в выемках 192. Гнездо 176 расположено в центре сегментов головки 22, а стопор 182 выходит за пределы коронок головки 70. Теперь, когда инструмент 20 поднимается на небольшое расстояние с помощью линейного провода 256, защелки для возвращения 154 тянут назад вставку 24, которая скользит вдоль пазов 60 в элементе 18. Одновременно сегменты головки 22 высвобождаются и попадают в гнездо 176 при сокращении упругих полос 198. После дальнейшего вытягивания наверх инструмента 20 защелки-собачки 154 автоматически отцепляются от вставки 24, будучи сжаты конусными поверхностями 65 на зажиме 62.

По мере того как инструмент продолжает свое движение вверх, он позволяет вставке 24 и защелкам для возвращения и для установки войти в контакт со внутренней окружной стенкой бура 12. При достижении установочного кольца 252 защелки для установки сжимаются от смещения пружины 150, чтобы пройти через кольцо 252. Для того чтобы сжать защелки для возвращения 154, на лицевых поверхностях 162 вместе с нижней торцевой поверхностью установочного кольца 252 выполнены скосы или конусы, так что примыкание защелок для возвращения к установочному кольцу и приложение направленного вверх усилия приведут к тому, что защелки для возвращения сжимаются, чтобы пройти через установочное кольцо 252.

Затем инструмент 20 повторно входит в транспортную муфту 260 и вместе с ней вытягивается на поверхность. Затем сегменты головки 22 могут быть убраны из гнезда 176 и к нему можно прикрепить новые буровые головки для установки на элементе 18.

Замена на месте сегментов бура-расширителя 226 путем взаимодействия инструмента 20' бура-расширителя, вспомогательного элемента 18' и вспомогательной вставки 24' в принципе идентична описанной выше процедуре со ссылками на сегменты головки 22. Единственная значимая разница между двумя процедурами состоит в работе гнезда 176'. Как видно из фиг.12, сегменты бура-расширителя 226 помещены внутрь выемок 227 гнезда 176. Когда защелки для установки 138 воздействуют на пики вставки 24', муфта 120' перемещается назад, по направлению вверх. Соответственно фланцы 232 на муфте 120' упираются во фланцы 238 на пластине 236. Это заставляет сегменты бура- расширителя 226 скользить вдоль уклонов 228, так что фланец 240 проходит сбоку от внешней поверхности муфты 120'. Затем фланец 240 может контактировать с выступом 32', останавливая дальнейшее движение вниз сегментов бура-расширителя 226. Извлечение сегментов бура- расширителя достигается так же, как и в случае сегментов головки.

Когда необходимо установить сегменты заменяемого бура-расширителя в бур 12, стандартный бур-расширитель 16 заменяется элементом 18'. Обычно сегменты бура-расширителя 226 сменяются одновременно с сегментами буровой головки 22 путем соединения овершота линейного провода 234 инструмента 20' с линейным проводным адаптером 124 инструмента 20. Это позволяет осуществлять относительное вращение инструментов 20 и 20'. Хотя замена сегмента бура-расширителя и сегмента головки производится одновременно, сегменты бура-расширителя не будут заменяться так часто, как сегменты головки. Если сегменты бура-расширителя не заменяются, инструмент 20' остается в режиме установки, и в гнездо 176' сегменты 226 бура- расширителя не загружаются.

Из вышеприведенного описания очевидно, что настоящее изобретение имеет многочисленные преимущества и достоинства по сравнению с существующим уровнем техники. Самое важное, что оно позволяет производить легкую и очень быструю замену буровой головки и бура- расширителя без необходимости извлекать ряд буровых штанг из скважины, что уменьшает время простоя, увеличивает производительность и снижает себестоимость процесса бурения. Легкость и простота смены буровой головки также дает возможность менять буровые головки в зависимости от изменений подпочвенных слоев для того, чтобы оптимизировать твердость и характеристики головки в зависимости от встречаемых подпочвенных слоев. В этом отношении известно, что буровые головки полностью изнашиваются при бурении через подпочвенные слои глубиной менее 1 м, если эта буровая головка не сконструирована специально для встречаемых подпочвенных слоев. Кроме того, уникальная форма и конфигурация буровых головок в сочетании со шпоночными канавками элемента 18 и конфигурацией вставки позволяет выполнять следующие основные функции:
конусные поверхности на сегментах головки и элементе передают усилия нагрузки, которые испытывает коронка головки во время подъема ряда буровых штанг для отбивания и извлечения образца керна, равномерно через весь элемент 18, что исключает возможность зажима сегментов головки 22;
поверхности на стороне 74 сегментов головки 22 в сочетании с ведущими приливами 56 и вставкой 24 передают вес ряда штанг и крутящий момент, возникающие во время бурения, равномерно по всему узлу элемента 18;
поверхности элемента 18 и сегментов головки позволяют сегментам головки скользить между элементом 18 и вставкой 24, когда процесс бурения меняется, переходя от режима бурения к режиму отламывания керна, что обеспечивает легкое запирание и отпирание сегментов головки в ходе установки и возвращения;
поверхности элемента 18 и основание коронки головки 70 также помогают противодействовать внутренним/внешним радиальным усилиям, возникающим в коронке головки во время вращения бура;
скользящая и неплотная подгонка сегментов головки в элементе облегчает установку и вытягивание. Это также исключает проблемы, связанные с загрязнением деталей буровой жидкостью или буровой мукой;
использование сопрягающихся конусных поверхностей вместо винтовой нарезки дает максимальную прочность конструкции по всей длине каждого сегмента головки 22, что дает очень жесткую и простую конструкцию сегментов головки;
возвратно-поступательное движение, обеспечиваемое конструкцией бурового элемента 18 и возникающее, когда бур поднимается со дна буровой скважины или когда бур зацепляет дно буровой скважины, автоматически и непрерывно очищает от грязи сегменты головки. Оно также автоматически исправит любое заедание сегментов головки, вызываемое их загрязнением, которое может возникнуть при бурении некоторых пород;
взаимодействие между поверхностями сегмента головки и шпоночными канавками также автоматически запирает вставку 24 в режиме бурения в тот момент, когда коронка головки 70 касается дна буровой скважины, и высвобождает вставку в тот момент, когда ряд буровых штанг поднимается со дна буровой скважины.

Claims (14)

1. Буровой элемент для соединения с нижним концом бура, содержащий трубчатый элемент, включающий расположенное периферийно по окружности внутренней стенки трубчатого элемента средство для установки режущего средства бура в режущем положении, отличающийся тем, что в средстве для установки режущего средства выполнены последовательные поверхности, имеющие конфигурацию и расположение друг относительно друга, обеспечивающие скольжение режущего средства относительно трубчатого элемента в режущем положении при подъеме бура и его опускании на дно буримой скважины.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что средство для установки содержит выступ, проходящий периферийно вокруг внутренней окружной стенки трубчатого элемента для зацепления и ограничения движения вниз режущего средства, причем выступ расположен рядом и над самой верхней из последовательных поверхностей.

3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что средство для установки дополнительно содержит ряд ведущих приливов, расположенных периферийно вокруг внутренней стенки трубчатого элемента у его нижнего конца, причем соседние ведущие приливы образуют между собой выемку для зацепления нижнего конца, причем соседние ведущие приливы образуют между собой выемку для зацепления нижнего конца режущего средства, а каждый из приливов выполнен с возможностью упирания в режущее средство для передачи на него крутящего момента при вращении бура.

4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что последовательные поверхности содержат первую поверхность, примыкающую к выступу и направленную по конусу вниз в сторону от продольной оси трубчатого элемента.

5. Элемент по пп.1 и 4, отличающийся тем, что последовательные поверхности содержат вторую поверхность, примыкающую к первой поверхности и проходящую параллельно продольной оси.

6. Элемент по пп.1, 4 и 5, отличающийся тем, что последовательные поверхности содержат третью поверхность, примыкающую к второй поверхности и направленную по конусу вниз к продольной оси.

7. Элемент по пп.1 и 4 - 6, отличающийся тем, что последовательные поверхности содержат четвертую поверхность, примыкающую к третьей поверхности и направленную по конусу вниз в сторону от оси.

8. Элемент по пп.1 и 4 - 7, отличающийся тем, что последовательные поверхности содержат пятую поверхность, примыкающую к четвертой поверхности и проходящую параллельно оси.

9. Элемент по пп.1 и 4 - 8, отличающийся тем, что последовательные поверхности содержат шестую поверхность, примыкающую к пятой поверхности и направленную по конусу вниз к оси.

10. Элемент по пп.1 и 4 - 9, отличающийся тем, что последовательные поверхности содержат седьмую поверхность, примыкающую к шестой поверхности, направленную по конусу вниз в сторону от оси и проходящую в нижней продольной оконечности трубчатого элемента.

11. Элемент по пп.1 и 4 - 10, отличающийся тем, что трубчатый элемент имеет восьмую поверхность, соприкасающуюся с седьмой поверхностью, направленную по конусу вверх в сторону от оси и от продольной оконечности элемента и ведущую к внешней периферийной поверхности элемента.

12. Элемент по п.1, отличающийся тем, что он содержит средство для размещения и направления линейного движения цилиндрической вставки, расположенной внутри трубчатого элемента.

13. Элемент по п.12, отличающийся тем, что указанное средство содержит как минимум одну продольную прорезь, образованную на внутренней стенке трубчатого элемента.

14. Элемент по п.13, отличающийся тем, что он содержит запирающий зажим, расположенный в верхнем конце прорези для запирания с возможностью высвобождения вставки в первом положении.

Images