ТВЕРДОСПЛАВНЫЙ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ЗУБОК БУРОВОГО ШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА Российский патент 2001 года по МПК E21B10/52 

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к буровому шарошечному долоту.

Известны буровые шарошечные долота, имеющие в качестве вооружения шарошек твердосплавные зубки с породоразрушающей поверхностью, выполненной в виде конуса и двойного конуса (1) или со сферической вершиной (2), а также в виде комбинации этих поверхностей (3).

Преимуществом биконической формы породоразрушающей части зубка является более медленный темп роста поверхности контакта с породой при внедрении, кратно больший объем выкола породы за единичное внедрение при одинаковой нагрузке. Недостаток биконической формы головки зубка - недостаточно высокая стойкость концевого (наружного) конуса, приводящая к быстрому его затуплению или поломкам, что снижает показатели бурения.

Преимуществом сферической формы породоразрушающей части зубка является ее высокие прочностные свойства, недостатком - очень быстрый темп прироста поверхности контакта с породой, даже при малом внедрении, ведущий к такому же быстрому снижению удельной нагрузки под зубком и механической скорости бурения.

В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) может быть принят твердосплавный породоразрушающий зубок бурового шарошечного долота с рабочей головкой, имеющей торовидную поверхность, переходящую в конусную (3).

Целью настоящего изобретения является установление оптимального соотношения размеров породоразрушающей поверхности зубков, увеличение их стойкости и механической скорости проходки бурового шарошечного долота.

Отличительная особенность предлагаемого зубка состоит в том, что рабочая головка, выполненная в виде сопряжения конуса и выпуклой криволинейной поверхности, например, сферической с углом конусности α и наибольшим радиусом R, обеспечивает замедленное нарастание величины контактной площади зубка с породой при оптимальном угле конусности.

За счет перехода выпуклой поверхности вершины в конусную при определенных соотношениях параметров этих поверхностей обеспечиваются высокие прочностные свойства зубка при его достаточном выступании (вылете) над телом шарошки и повышение удельного давления на породу.

Установленные экспериментально геометрические параметры породоразрушающей поверхности зубка имеют следующие оптимальные соотношения:
Угол конусности головки зубка α лежит в интервале 25^°≅ α < 27^° и определяется по формуле:

где D - диаметр хвостовика зубка, мм;
H₃ - высота от основания зубка до пересечения образующих конической части его головки, мм;
H₂ - высота хвостовика зубка или полная высота зубка без высоты его головки (H₂ = H₁ - h), мм.

Отношение высоты головки зубка h к наибольшему радиусу криволинейной поверхности R находится в пределах:
0,82 ≅ h/R ≅ 1,22
На чертеже изображен породоразрушающий зубок бурового шарошечного долота, состоящий из хвостовика 1 цилиндрической формы и рабочей головки 2.

Преимуществом зубка с предлагаемыми геометрическими параметрами является возможность обеспечения при достаточной прочности зубков большего вылета (выступания) их над телом шарошки, что позволяет вооружению шарошек с предлагаемыми зубками более эффективно разрушать породу, а также улучшить возможность очистки забоя воздухом или другим агентом.

Данное изобретение может быть применено в буровых шарошечных долотах, предназначенных для бурения взрывных скважин в горнорудной промышленности, а также для бурения нефтяных и газовых скважин. Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов буровых долот, изготовленных с применением породоразрушающих зубков по данному изобретению.

Источники информации
1. Патент США N 3137355, кл. 175-374, опубликован 1964 г.

2. Авторское свидетельство СССР N 446622, кл. E 21 В 10/16, опубликовано в 1974 г.

3. Авторское свидетельство СССР N 1344888, кл. E 21 B 10/16, опубликовано в 1987 г.

Изобретение применяется в буровых шарошечных долотах при бурении скважин с промывкой забоя глинистым раствором, водой или с продувкой забоя воздухом или газом. Твердосплавный породоразрушающий зубок бурового шарошечного долота состоит из цилиндрического хвостовика и рабочей головки, которая выполнена в виде сопряжения выпуклой криволинейной поверхности и конуса. Угол конусности находится в интервале 25^° ≅ α < 27^° и определяется по формуле α = atc tgD/2(H₃-H₂), град., где D - диаметр хвостовика зубка, мм; H₃ - высота от основания зубка до пересечения образующих конической части его головки, мм; H₂ - высота хвостовика зубка, мм. При применении буровых долот с твердосплавными породоразрушающими зубками с оптимальными геометрическими параметрами головки зубка значительно улучшаются показатели их работы (стойкость, проходка и механическая скорость бурения). 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Твердосплавный породоразрушающий зубок бурового шарошечного долота, состоящий из цилиндрического хвостовика и рабочей головки, которая выполнена в виде сопряжения выпуклой криволинейной поверхности и конуса, отличающийся тем, что угол конусности находится в интервале 25^° ≅ α < 27^° и определяется по формуле

где D - диаметр хвостовика зубка, мм;
Н₃ - высота от основания зубка до пересечения образующих конической части его головки, мм;
Н₂ - высота хвостовика зубка, мм. 2. Зубок по п.1, отличающийся тем, что отношение высоты головки зубка h к наибольшему радиусу криволинейной поверхности R находится в пределах
0,82≅h/R≅1,22,
где h - высота головки зубка, мм;
R - наибольший радиус криволинейной поверхности, мм.