БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1994 года по МПК E21B10/08 

Изобретение относится к горной промышленности, предназначено для бурения скважин и может быть использовано при разведке и разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.

Известно буровое шарошечное долото, включающее шарошечные конуса, расположенные под углом к оси долота, лапы и режущие зубки на венцах шарошки [1] .

Наиболее близким из известных по своей технической сущности является шарошечное долото, содержащее корпус, прикрепленные к корпусу цапфы, располо- женные в плане радиально и под углом к оси долота, и установленные на цапфах конусные шарошки с вогнутой наружной поверхностью и вооружениях на венцах [2] .

Общим недостатком шарошечных долот является то, что разрушение забоя скважин шарошками осуществляется только за счет значительных осевых давлений и вращательного движения долота, что является причиной больших энеpгозатрат при бурении скважин, снижает стойкость шарошечного долота и ограничивает скорость бурения скважин.

Основная причина этих недостатков заключается в том, что принятая в практике геометрия поверхности конусных шарошек создана без учета использования энергии волн напряжений, излучаемых при разрушении забоя скважины зубчиками шарошек, концентрации этих волн в локальном объеме ядра уплотнения горной породы (под поверхностью шарошек), что приводит к большому рассеиванию и потерям волновой энергии в окружающую среду горных пород.

Целью изобретения является повышение производительности долота.

Достигается это за счет использования энергии упругих волн при деформации породы с отношением радиуса долота R к радиусу кривизны вогнутой поверхности шарошек R₁ в пределах 1,0-1,8, а угол α наклона цапф к горизонтальной плоскости находится в пределах 43,5-80^о, причем шарошки расположены вершинными частями к периферии долота.

На фиг. 1 показан вертикальный разрез по продольной оси шарошечного долота, помещенного в скважине; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1.

Устройство осуществляется следующим образом. На поверхность горной породы 1 опускается буровой инструмент 2, при осевом давлении и вращении долота 2 зубки 3 внедряются и разрушают горную породу 1, образуют при бурении забой вогнутой формы 4 в соответствии с вогнутой поверхностью шарошек 5 при отношении радиуса долота R к радиусу кривизны вогнутой поверхности шарошек R₁ в пределах 1,0-1,8 и наклоном цапф к горизонту в пределах 43,5-85^о, причем шарошки расположены вершинными частями 6 к периферии долота 2.

В процессе бурения за счет осевого давления и вращения шарошечного долота 2 осуществляется взаимодействие внедряемых зубков 3 с горной породой 1 по вогнутой поверхности, что сопровождается разрывом связей кристаллических решеток горных пород и выделением энергии упругих волн напряжений, отражающихся от образованной вогнутой поверхности забоя скважины, концентрируясь в объеме локального ядра уплотнения породы в фокусном расстоянии F.

Величина фокусного расстояния F изменяется в зависимости от степени вогнутости поверхности шарошек, при котором радиус кривизны R принимается в соответствии с крепостью буримых пород. Образованная вогнутая поверхность забоя 4 в процессе бурения непрерывно перемещается с глубиной скважины, создавая стабильные условия для излучения упругих волн, концентрирующихся в ядре уплотнения буримой породы.

Периодические циклы упругих колебаний горной породы от прохождения по ней волн напряжений приводят к непрерывным многоимпульсным знакопеременным нагружениям породы "напряжение - разгрузка" и необратимым процессам усталостного разупрочения горной породы, появлениям в ней дефектов в виде дислокаций и вакансий, сливающихся в микротрещины.

Предварительное разупрочение горных пород от упругих волн облегчает последующий процесс механического разрушения забоя скважины 4 зубками 3 шарошек, ускоряя бурение скважины, увеличивая стойкость долота и повышая в целом производительность бурения скважин.

Показатель волнового разупрочения горных пород (Пр) от крепости пород подчиняется зависимости: Пр = 0,005 К_тр. ( σ_сж. + σ_сдв. + σ_р) + 0,5 γ где К_тр. - коэффициент трещиноватости горных пород;
γ- объемный коэффициент;
σ_сж. - предельная нагрузка на сжимающие напряжения, кгс/см²;
σ_сдв. - предельная нагрузка на сдвигающие напряжения, кгс/см²;
σ_р - предельная нагрузка на растягивающие напряжения, кгс/см².

В соответствии с показателем разупрочения Пр все горные породы делятся на 5-ть классов, для каждой из которых соответствует определенная скорость прохождения упругих волн и степень концентрации их в объеме ядра уплотнения, которая регулируется величиной вогнутости, образованной экранирующей вогнутой поверхностью забоя в зависимости от принятого отношения радиуса долота R к радиусу кривизны поверхности шарошек R₁, а также углом наклона цапф α к горизонтальной плоскости.

Экспериментально установленные оптимальные углы α наклона цапф к горизонтальной плоскости в зависимости от скорости упругих волн в различных породах приведены в таблице.

В соответствии с п. 1.05 (33-2-74) техническое решение признается обладающим существенными отличиями, если по сравнению с решениями известными в науке и технике на дату приоритета заявки оно характеризуется новой совокупностью, позволяющий получить положительный эффект.

Исходя из данного определения, предлагаемое техническое решение характеризуется новой совокупностью признаков: отношение радиуса долота R к радиусу кривизны вогнутой поверхности шарошек R₁ в пределах 1,0-1,8; углом наклона цапф к горизонтальной плоскости в пределах 43,5-85,0^о; шарошки расположены вершинными частями к периферии долота. (56) Д. М. Бронников. Выбор параметров взрывных скважин при подземной отбойке руд. Госгортехиздат, 1961, с. 21-25.

Патент США N 2057026, кл. 175-256, 1936.

Использование: бурение скважины и разведка, разработка месторождений полезных ископаемых открытым способом. Сущность: отношение радиуса долота R к радиусу кривизны вогнутой поверхности 5 шарошек R₁ находится в пределах 1,0 - 1,8. Угол α наклона цапфы к горизонтальной плоскости находится в пределах 43,5 - 85,0. Шарошки 5 расположены вершинными частями 6 к периферии долота. 2 ил.

БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО, содержащее корпус, прикрепленные к корпусу цапфы, расположенные в плане радиально и под углом к оси долота, и установленные на цапфах конусные шарошки с вогнутой наружной поверхностью и вооружением на венцах, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности долота за счет использования энергии упругих волн от деформации породы, отношение радиуса долота R к радиусу кривизны вогнутой поверхности шарошек R₁ находится в пределах 1,0 - 1,8, а угол α наклона цапф к горизонтальной плоскости находится в пределах 43,5 - 85,0^o, причем шарошки расположены вершинными частями к периферии долота.