БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 2004 года по МПК E21B10/20 E21B10/22 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения взрывных скважин на карьерах и шахтах, а также для проходки технологических скважин.

Известны преимущественно применяемые бескорпусные двух- и трехшарошечные долота, содержащие сваренные между собой лапы (секции), шарошки с конусной рабочей поверхностью, вращающиеся на наклонных к горизонту цапфах (под углом 45-57°), разрушающие горные породы преимущественно раздавливанием и ударами штырей иди зубьев вследствие перекатывания шарошек по забою (Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В.Д. Справочник по бурению на карьерах. - 2-е изд., - М.: Недра, 1990, стр.99, рис.4.1).

К числу недостатков таких долот относятся: окружные скорости зубьев уменьшаются к центру долота до нулевых значений, что обуславливает необходимость высоких осевых нагрузок; калибрующие (крайние к стенкам скважины) венцы шарошек могут выступать относительно козырьков лап на ограниченную величину, что обуславливает малый кольцевой зазор между корпусом и стенками скважины и, как следствие, неудовлетворительную очистку забоя от шлама и форсированный износ козырьков лап до обнажения тел качения опор; периферийно расположенные продувочные каналы в осложненных условиях бурения мокрых глинистых прослоев забиваются породой, что приводит к отказу работы долота.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятое за прототип буровое долото, содержащее корпус с ниппелем и периферийными продувочными каналами, опоры с вертикальными цапфами, на которых смонтированы шарошки (Дверий В.П. Бурение скважин лопастными долотами. М.: Недра, 1977, с.177, рис.73).

Недостатки прототипа заключаются в следующем.

1. Оси цапф имеют малое смещение относительно оси вращения долота и кольцевой зазор между корпусом и стенками скважины остается ограниченным, что ухудшает очистку скважины.

2. Цилиндрическая форма шарошек обуславливает большую неизменную по высоте шарошки площадь контакта со стенками скважины и, следовательно, высокую моментоемкость и повышенный износ одновременно всей боковой поверхности; усложняются условия забуривания скважины в породах повышенной крепости.

3. Наличие только периферийных продувочных каналов исключает нормальную работу долота при проходке обводненных глинистых прослоев.

4. Долото выполнено неразборным, цапфы являются неотъемлемой частью корпуса и при выходе из строя любой из шарошек (заклинивание опор и др.) долото становится непригодным.

5. Подшипники качения опор долота размещены на стыке корпуса и шарошки, имеют открытое исполнение, не защищенное от зашламовывания.

6. Вооружение шарошек имеет режущее исполнение рабочей поверхности и, следовательно, предназначено для бурения некрепких горных пород.

Вследствие отмеченных недостатков долото-прототип имеет низкий ресурс стойкости, малую экономичность и ограниченную область применения.

Основными задачами изобретения является повышение эффективности работы долота и расширение области его применения (по крепости прод).

Поставленные задачи решаются тем, что буровое долото, содержащее корпус с периферийными продувочными каналами, опоры с вертикальными цапфами, на которых смонтированы шарошки, снабжено сменными эксцентричными секциями, цилиндрические или конические хвостовики которых установлены в ответных отверстиях корпуса и закреплены в нем, причем оси хвостовиков секций смещены относительно осей цапф в сторону внешней части корпуса шарошки, одна часть которой выполнена цилиндрической формы, а другая - шаровой формы с рассечкой, при этом шарошки имеют фрезерованные зубья или твердосплавные штыри с переменным вылетом при проходке крепких пород, установленные с шагом с возможностью ударного воздействия на породу при перекатывании, или они армированы резцами при проходке слабых и средней крепости пород, при этом опора выполнена с запрессованным в торец цапфы твердосплавным штырем со сферической головкой, контактирующей с ответной выемкой твердосплавной круглой пластины, причем корпус выполнен с центральным продувочным каналом, а каждая секция имеет канал - резервуар для подачи смазки в опору шарошки под давлением, периодически создаваемым болтом для крепления хвостовика.

Сущность изобретения заключается в применении сменных секций с эксцентричным расположением вертикальных конических или цилиндрических хвостовиков, вставленных в отвесные отверстия корпуса со смещением осей цапф в сторону внешней части корпуса, при этом каждая опора шарошек выполнена с запрессованными в торец цапфы твердосплавным штырем со сферической головкой, контактирующей с ответной выемкой твердосплавной круглой пластины, причем корпус выполнен с центральным продувочным каналом, а каждая секция имеет канал-резервуар для подачи смазки в опору шарошек под давлением, периодически создаваемым болтом, крепящим хвостовик; кроме того, изменены форма и вооружение шарошки, одна часть которой выполнена цилиндрической формы, а другая часть - шаровой формы с рассечкой, при этом шарошки имеют фрезерованные зубья или твердосплавные штыри с переменным вылетом при проходке крепких пород, установленные с шагом с возможностью ударного воздействия на породу при перекатывании, или они армированы резцами при проходке слабых и средней крепости пород.

Между отличительными признаками изобретения и достигаемыми техническими результатами существуют следующие причинно-следственные связи. Снабжение долота эксцентричными секциями обеспечивает разборность долота, возможность многократного использования корпуса с шарошками различного вооружения и диаметра, а также возможность увеличения затрубного пространства для лучшей очистки скважины и уменьшения пыления; принятые формы и виды вооружений шарошек в сочетании с центральным продувочным каналом обеспечивают эффективное бурение скважин в различных горно-геологичесхих условиях, в том числе осложненных; предложенная система смазки опоры под давлением отличается простотой и надежностью; принятая конструкция опорного подшипника в виде запрессованного в торце цапфы твердосплавного штыря со сферической головкой, контактирующей с ответной выемкой твердосплавной круглой пластины, увеличивает срок службы опоры, так как головка штыря имеет небольшие окружные скорости и площадь контакта. Этим достигается также снижение крутящего момента на долоте. Съемность секции позволяет использовать неразрезной накидной фланец и шайбу для удержания уплотнения маслонаполненной опоры, обеспечивая ее герметичность. Совокупность новых признаков принципиально изменяет прототип, конструкцию шарошек, опор, системы продувки и смазки; в целом достигается ряд технологических и технических преимуществ, обеспечивающих повышение эффективности работы долота и расширение области его использования по свойствам горных пород.

Сущность изобретения поясняется чертежами на примере двухшарошечного долота. На фиг.1 показан основной вид долота в разрезе по диаметральной плоскости. На фиг.2 дана схема долота в плане со стороны шарошек. На фиг.3 показан вид шарошки с резцами, а на фиг.4 - со штырями. На фиг.5 показан вариант сменной эксцентричной секции с цилиндрическим хвостовиком; на фиг.6 - опора шарошки.

Долото состоит (фиг.1) из корпуса 1, выполненного в виде сплошной несварной конструкции внешней цилиндрической формы, содержащего ниппель, два периферийных 2 и центральный продувочный канал 3, отверстия 4 под крепежные болты 5, отверстия 6 под хвостовики 8. Долото снабжено сменными эксцентричными секциями 7, имеющими цилиндрические или конические хвостовики 8, вертикальные цапфы 9. Вставной хвостовик 8 закрепляется с торца болтом 6, имеет канал - резервуар 10 для смазки опоры. Канал может периодически наполняться маслом и подаваться в опору под давлением наконечника 11 крепежного болта 5, ввертываемого в резьбовое отверстие торца хвостовика. Опоры шарошек выполнены с подшипниками скольжения с фланцевым герметизирующим замковым соединением, состоящим из неразрезного фланца 12, прикрываемого шайбой 13. Шарошки 14 имеют в одной части цилиндрическую 15, а в другой части 16 - шаровую форму с нижней рассечкой 17. В отличие от прототипа вооружение шарошек при проходке крепких пород выполнено с фрезерованными зубьями или твердосплавными штырями с плавно заостренными головками, располагаемыми с шагом, обеспечивающим ударные воздействия на породу при перекатывании. При бурении слабых и средней крепости пород шарошки армируются пластинками - резцами.

Для отдельных условий (вязкие породы средней крепости) с целью интерсификации шарошки могут иметь форму усеченного эллиптического параболоида с переменной высотой вылета штырей, увеличивающегося относительно забоя скважин в нижней трети высоты шарошки.

Опора каждой шарошки (фиг.1 и 6) имеет уплотнение 18, прижимаемое неразрезным накидным фланцем 12 для герметизации маслоналолненного подшипника скольжения опоры. Фланец крепится к торцу шарошки известными способами, например винтами или вальцовкой. Соединение шарошки с цапфой дополнительно выполнено замковым шариковым подшипником 19.

В торец цапфы по центру запрессован твердосплавный штырь 20 со сферической головкой, которая контактирует с ответной выемкой в запрессованной внутри шарошки твердосплавной круглой пластины. 21. Подобное исполнение подпятника подшипника опоры является новым. Оно эффективно тем, что окружная скорость на головке штыря 20 и площадь контакта с пластиной 21 являются минимальными, что обеспечивает высокую износостойкость подшипника скольжения.

Оси хвостовиков смещены относительно вертикальных осей цапф в сторону внешней части корпуса на величину ε (фиг.1 и 6), чтобы калибрующая часть шарошки имела вылет "В" (фиг.1) за пределы корпуса. Величина "В" должна отвечать условию d>d_K (где d - диаметр долота, d_K - диаметр корпуса).

При этом величина (d-d_K)/2 определяется по условию эффективной очистки скважины в зависимости от свойств буримых пород, достигаемой крупности буровой мелочи и параметров компрессорной станции и системы пневмотранспорта станка.

Предлагаемое буровое долото работает и эксплуатируется следующим образом. Из комплекта сменных секций, оснащенных шарошками с различным вооружением (штыревым, фрезерованным или резцовым), выбираются наиболее соответствующие условиям бурения, вставляются хвостовиками в отверстия 4 в корпусе и закрепляются болтами 5.

Эксцентриситетное исполнение секций надежно противостоит крутящим моментам на долоте. При вращении долота шарошки вращаются вокруг своих осей за счет сил реакции калибрования стенок скважины. Шарошки вращаются также вокруг оси долота. При таком движении шарошек нулевые скорости на рабочей поверхности шарошек отсутствуют. Благодаря эксцентритетному исполнению секций обеспечивается увеличенный кольцевой зазор между внешней поверхностью корпуса и стенками скважины, что улучшает очистку скважины. Штыревое или зубчатое вооружение шарошек частично выполняется с перекрытием межзубковых пространств (самоочищающее вооружение), что в сочетании с ударным воздействием штырей на породу при принятой шаровой нижней рабочей поверхности шарошек обеспечивает разрушение породы и в самом центре скважины в крепких породах. Хвостовики, цапфы и несущая их часть секции имеют форму тел вращения, поэтому изготовление секций и выполнение соответствующих операций по монтажу в корпусе и оснащение шарошками не вызывают технических трудностей.

После отработки шарошек по вооружению или опоре секции снимаются с корпуса (отвинчиванием болта 5) для возможного восстановления. Затем устанавливаются новые оснащенные шарошками секции. Перед монтажом очередной секции в нее через отверстия 4 заливается смазочная жидкость до расчетного уровня. При замене секции долото от бурового станка не отвинчивается. Это ускоряет замену вооружения и увеличивает производительность.

Таким образом, предлагаемое долото по сравнению с прототипом обладает следующими технологическими преимуществами.

1. Использование сменных секций с эксцентричным положением вертикальных осей хвостовиков и цапф позволяет обеспечить:

а) разборность долота и многократное использование корпуса;

б) применение на одном корпусе сменных секций с шарошками различного вооружения (штыревого, фрезерованного и с режущими пластинами);

в) применение неразборного фланцевого замкового герметичного соединения цапф, шарошек и опор скольжения с оригинальным подпятником и с улучшенной системой смазки;

г) возможность изменения на одном и том же корпусе величины эксцентриситета хвостовиков и цапф и, следовательно, возможность изменения диаметра шарошек с обеспечением оптимальной площади затрубного пространства и окружной скорости шарошек, уменьшения износа козырьков корпуса.

2. При планетарном характере движения шарошек применение цилиндрошаровой формы шарошек с нижней рассечкой создает благоприятную эпюру окружных усилий, когда нижние венцы создают условия предразрушения для верхних венцов; рассечка, армированная по периметру штырями в призабойной части шарошки, создает более активное разрушение поверхности забоя скважины, включая ее центральную часть; принятая форма шарошек в сочетании с дополнительным центральным продувочным каналом обеспечивает успешную проходку скважин в осложненных условиях, характеризующихся сочетанием карстовых зон, валунов и вязких обводненных глин.

Указанные преимущества обеспечивают решение поставленной задачи - повышения эффективности работы бурового долота и расширение области его использования.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения взрывных скважин на карьерах и шахтах, а также для проходки технологических скважин. Буровое долото содержит корпус с продувочными каналами, опоры с вертикальными цапфами, на которых смонтированы шарошки. Долото снабжено сменными эксцентричными секциями, цилиндрические или конические хвостовики которых установлены в ответных отверстиях корпуса и закреплены на нем. Оси хвостовиков секций смещены относительно осей цапф в сторону внешней части корпуса. Шарошки имеют в одной части цилиндрическую, а в другой - шаровую форму с нижней рассечкой. Шарошки при проходке крепких пород имеют зубья или твердосплавные штыри с переменным вылетом и шагом, обеспечивающим ударное воздействие на породу при перекатывании, а при проходке слабых и средней крепости пород армированы резцами. Каждая опора шарошки выполнена с запрессованным в торец цапфы твердосплавным штырем со сферической головкой, контактирующей с ответной выемкой твердосплавной круглой пластины. Корпус выполнен с центральным продувочным каналом, а каждая секция имеет канал-резервуар для подачи смазки в опору шарошки под давлением, периодически создаваемым болтом для крепления хвостовика. Повышается эффективность работы долота и расширяется область его применения. 6 ил.

Буровое долото, содержащее корпус с ниппелем и периферийными продувочными каналами, опоры с вертикальными цапфами, на которых смонтированы шарошки, отличающееся тем, что оно снабжено сменными эксцентричными секциями, цилиндрические или конические хвостовики которых установлены в ответных отверстиях корпуса и закреплены на нем, причем оси хвостовиков секций смещены относительно осей цапф в сторону внешней части корпуса шарошки, одна часть которой выполнена цилиндрической формы, а другая часть - шаровой формы с рассечкой, при этом шарошки имеют фрезерованные зубья или твердосплавные штыри с переменным вылетом при проходке крепких пород, установленные с шагом с возможностью ударного воздействия на породу при перекатывании, или они армированы резцами при проходке слабых и средней крепости пород, при этом каждая опора выполнена с запрессованным в торец цапфы твердосплавным штырем со сферической головкой, контактирующей с ответной выемкой твердосплавной круглой пластины, причем корпус выполнен с центральным продувочным каналом, а каждая секция имеет канал-резервуар для подачи смазки в опору шарошки под давлением, периодически создаваемым болтом для крепления хвостовика.