БУРОВОЕ ДОЛОТО С ПЕРЕМЕННЫМ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИМ ВООРУЖЕНИЕМ Российский патент 2005 года по МПК E21B10/62 E21B10/12 E21B10/36 E21B10/42 

Изобретение относится к породоразрушающему буровому инструменту и может быть использовано при бурении взрывных скважин на карьерах, шахтах, а также при глубоком бурении технологических скважин.

Современный этап развития техники и технологии на карьерах характеризуется ростом масштабов применения на станках шарошечного бурения (СБШ) режущих долот с пневматической и шнекопневматической очисткой скважин. Способы построения породоразрушающего вооружения и корпусов таких долот отличаются большим разнообразием ввиду изменения свойств горных пород и диаметров взрывных скважин в широком диапазоне. В то же время, как показывает анализ литературных источников [Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В.Д. Справочник по бурению на карьерах. - 2-е изд. - М.: Недра, 1990, стр.125, рис.4.3, стр.122, рис.4.2; Страбыкин Н.Н. Техника бурения взрывных скважин в мерзлых породах. - М.: Недра, 1989, стр. 82-85, рис.3.5-3.7; Катанов Б.А. Развитие конструкций режущих буровых долот. - Механизация строительства, 2001, №7, стр.11, рис.3 и др.], конструкции существующих и предложенных режущих долот даже одного диаметра рассчитаны на какую-либо одну схему размещения (сетку резания) различных видов резцов и имеют различные конструкции корпусов из легированных сталей. Это усложняет технологию изготовления корпусов, резцов и сборки долот. Существующие заводы предпочитают изготавливать лишь шарошечные долота одноразового использования с неразборными корпусами (но с разными типами несъемных шарошек), а режущие долота для станков СБШ изготавливаются силами мелких ремонтных заводов или мастерскими ряда институтов. То же самое происходит с комбинированными инструментами: ни одно из них не освоено серийным производством по тем же причинам.

Из проведенного анализа следует, что требуется новый подход к проблеме для получения обобщенного инженерного решения, которое может быть найдено на основе создания рационального способа использования различного породоразрушающего вооружения в буровом долоте с унифицированным корпусом, сведя большое разнообразие одиночных конструкций режущих долот к интегральному унифицированному решению.

Известно буровое долото режуще-шарошечного типа, содержащее корпус, закрепленные в его лапах две конусные шарошки, между которыми установлен подвижный в осевом направлении режущий орган в виде лопастей или съемных стержневых резцов, выдвигаемых впереди шарошек при бурении мягких пород с помощью пружины и утапливаемых выше дна скважины при бурении крепких пород [Симкин Б.А., Кутузов Б.Н., Буткин В.Д. Справочник по бурению на карьерах. - М.: Недра, 1990, стр.128, рис.4.5].

Недостатки этого долота следующие. Основная шарошечная часть долота является неразборной, что определяет одноразовость использования долота, каждая конструкция которого рассчитана на какой-либо один вид породоразрушающих элементов и на один диаметр скважины. Ресурс режущей части ограничен, так как режущий орган может быть только двухлучевым. В мягких породах скорость бурения ниже, чем при монорежущем долоте вследствие сдерживающего влияния шарошек и большого перекрытия забоя корпусом; при бурении крепких пород неизбежно значительное изнашивание режущей части. Дискретное использование шарошек и режущего вооружения в данном долоте невозможно и оно является конструктивно сложным и дорогим, трудоемким в изготовлении опор, конусных шарошек и лап.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является буровое долото с переменным породоразрушающим вооружением, содержащее корпус с ребрами, на котором расположено породоразрушающее вооружение [Буткин В.Д., Телешов А.С., Брюхов Б.Ф. Буровые долота с вращающимися резцами для разрезов (Обзор). - М.: ЦНИИЭуголь, 1976, стр.8-11, рис.1 и 2]. Недостатки долот этого типа состоят в том, что известные их конструкции оснащены двумя или тремя дисковыми шарошками, т. е. имеют ограниченный ресурс стойкости в крепких породах; каждое долото рассчитано только на один диаметр и характеризуется более низкими показателями скорости и стоимости бурения по сравнению со стержневыми резцами в породах ниже средней и средней крепости и неоправданно дорогим для этих условий вооружением, к тому же излишне измельчающим горную породу с увеличенным выделением пыли.

Основной задачей изобретения является повышение эффективности буровых работ и расширение области рационального использования (технологических возможностей) долота за счет увеличения ресурса износостойкости и возможности оснащения сменного корпуса различным сменным вооружением шарошечного и резцового типов и изменения диаметра скважин в породах различной крепости.

Для достижения поставленной цели в буровом долоте с переменным породоразрушающим вооружением, содержащем корпус с ребрами, на котором расположено породоразрушающее вооружение, корпус выполнен сменным, четырех- или трехпазового исполнения, причем при бурении крепких пород на нем на осях установлены четыре зубчато-дисковые шарошки в пазах, размещенных между ребрами крестообразно и симметрично во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях, а при бурении пород средней и ниже средней крепости в пространство пазов между ребрами установлены четырехлучевые или трехлучевые переходники прямоугольного П-образного профиля, в которые вставлены сменные резцедержатели, оснащенные съемными резцами с различными формами твердосплавных головок и хвостовиков, углами наклона к оси скважины, высотными отметками и схемами расположения в сменном резцедержателе, в зависимости от диаметра долота и горно-геологических условий предстоящего бурения, при этом крепление к сменному корпусу переходника и сменных резцедержателей со съемными резцами выполнено с помощью тех же осей, что и для крепления зубчато-дисковых шарошек, причем все элементы переменного вооружения выполнены разборно-съемными; при бурении по углю и мягким породам сменные резцедержатели, оснащенные съемными резцами, размещены и закреплены непосредственно в пазах сменного корпуса, а для бурения резанием скважин увеличенного диаметра сменный корпус оснащен переходником с консолью, причем периферийные резцы армированы парой твердосплавных штырей; при этом буровое долото снабжено сменным хвостовиком, оснащенным полым ниппелем либо с конической резьбой для присоединения долота к буровой штанге при бурении скважин с пневматической очисткой, либо с отверстием и пальцем для присоединения к буровой штанге при бурении скважин со шнековой очисткой.

Причинно-следственная связь существенных признаков, характеризующих данное изобретение, с достигаемыми техническими результатами заключается в следующем. Оснащение бурового долота сменным корпусом четырехпазового исполнения и снабжение четырьмя (против двух - трех) зубчато-дисковыми шарошками не только повышает ресурс стойкости долота и возможность бурения более крепких пород, но и позволяет более рационально разместить пазы между ребрами крестообразно и симметрично, что в свою очередь упрощает конструкцию и изготовление сменного корпуса и создает возможность разместить четырехлучевое резцовое вооружение, наиболее предпочтительное для устойчивой работы долота на забое со значительным ресурсом стойкости съемных резцов. Введение цельной крестообразной конструкции переходника, прилегающего ко всем поверхностям пазов и закрепленного в сменном корпусе в четырех точках, создает достаточную жесткость конструкции для размещения в нем сменных резцедержателей и позволяет при необходимости увеличить диаметр, что в прототипе невозможно. Оснащение бурового долота сменным корпусом трехпазового исполнения создает возможность разместить трехлучевое резцовое вооружение, наиболее предпочтительное при бурении пород ниже средней крепости и необводненных. В то же время имеется возможность при бурении угля и мягких пород, когда крутящие моменты не велики, размещать и закреплять сменные резцедержатели непосредственно в пазах сменного корпуса Введение в конструкцию наряду с переходником сменных резцедержателей позволяет заранее оснащать их нужным комплектом съемных резцов с различными формами твердосплавных головок и хвостовиков, углами наклона к оси скважины, высотными отметками и схемами расположения в сменном резцедержателе в зависимости от горно-геологических условий предстоящего бурения. Применение осей как для установки зубчато-дисковых шарошек, так и для крепления резцового вооружения упрощает и удешевляет технологию изготовления и сборочные операции. Использование одинаковых твердосплавных штырей для периферийных съемных резцов и зубчато-дисковых шарошек также упрощает и удешевляет конструкцию и технологию изготовления. Снабжение сменным хвостовиком, оснащенным полым ниппелем с конической резьбой, позволяет присоединять буровое долото к буровой штанге при бурении скважин с пневматической очисткой (например, на станке СБШ-250-МНА), а снабжение сменным хвостовиком, оснащенным полым ниппелем с отверстием и пальцем, позволяет присоединить буровое долото к буровой штанге при бурении скважин со шнековой очисткой (например, на станках 2СБР-125-30, СВБ-2М, БТС-150). Поскольку все элементы бурового долота съемные, а долото полностью разборное, то оно является ремонтопригодным во всех деталях, что повышает срок его службы.

Таким образом, совокупность новых существенных решений унифицирует несущий вооружение корпус долота, позволяет использовать его попеременно как с шарошечным, так и резцовым вооружением и обеспечивать оптимальные показатели скорости и стоимости бурения на уступах с породами различной крепости. С позиции технологии изготовления все детали долота, включая корпус, могут изготавливаться поточным методом, автоматизированными линиями, что удешевляет стоимость долота. Необходимо отметить, что созданное исполнение долота и его компоновка сводят большое разнообразие существующих одиночных конструкций режущих и режуще-вращательных долот к интегральной конструкции, что значительно улучшит экономику буровых работ.

В итоге достигается решение поставленной задачи повышения эффективности буровых работ по интегральному критерию - стоимости бурения 1 м скважины, которая снижается по многим отмеченным факторам (как на стадии изготовления, так и на стадии эксплуатации), а также задачи расширения области рационального использования долота по свойствам горных пород и диаметру скважин.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:

на фиг.1 - буровое долото с переменным породоразрушающим вооружением, оснащенное четырьмя зубчато-дисковыми шарошками;

на фиг.2 - разрез А - А фиг.1;

на фиг.3 - буровое долото с переменным породоразрушающим вооружением, оснащенное съемными резцами со сплошной режущей кромкой;

на фиг.4 - вид Б фиг.3;

на фиг.5 - буровое долото с переменным породоразрушающим вооружением, оснащенное съемными резцами с прерывистой режущей кромкой;

на фиг.6 - вид В фиг 5;

на фиг.7 - буровое долото с переменным породоразрушающим вооружением, оснащенное съемным режущим органом с трехступенчатой режущей кромкой, закрепленным непосредственно в пазах корпуса;

на фиг.8 - вид Г фиг.7;

на фиг.9 - буровое долото с переменным породоразрушающим вооружением, оснащенное переходником с консолью и съемными резцами при бурении скважин увеличенного диаметра;

на фиг.10 - вид Д фиг.9;

на фиг.11 - схема четырехлучевого переходника для четырехпазового исполнения сменного корпуса;

на фиг.12 - схема трехлучевого переходника для трехпазового исполнения сменного корпуса;

на фиг.13 - вариант крепления съемных резцов в сменном резцедержателе;

на фиг.14 - вид Е фиг.13.

Заявленное буровое долото содержит (фиг.1 и 2) сменный корпус 1 с продувочными каналами 2, ребрами 3 и пазами 4 между ними. Пазы 4 размещены на сменном корпусе 1 крестообразно и симметрично во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях и в них при бурении крепких пород (f=8-10) установлены четыре зубчато-дисковые шарошки 5, свободно вращающиеся на осях 6, закрепленных в отверстиях 7 ребер 3 сменного корпуса 1. Зубчато-дисковые шарошки 5 армированы твердосплавными штырями 8. На сменном корпусе 1 с помощью резьбовой втулки 9 закреплен сменный хвостовик 10 с полым ниппелем 11. При бурении пород средней (f=6-8) и ниже средней крепости (f=4-6) в пространство пазов 4 между ребрами 3 вместо зубчато-дисковых шарошек 5 установлены (фиг.3 и 4) четырехлучевые (для четырехпазового исполнения корпуса) переходники 12 прямоугольного П-образного профиля, в которые вставлены сменные резцедержатели 13, оснащаемые съемными резцами 14 с различными формами твердосплавных головок и хвостовиков, углами наклона к оси скважины, высотными отметками (превышениями относительно друг друга) и схемами расположения в сменном резцедержателе 13 в зависимости от диаметра долота и условий предстоящего бурения. Например, при бурении сухих пород ниже средней крепости (f=4-6) на корпусе долота в сменных резцедержателях 13 установлены сменные стержневые резцы 14 (фиг.3 и 4), параллельные оси скважины и образующие сплошную режущую кромку в каждом луче переходника 12, при этом головки 15 съемных резцов 14 армированы твердосплавными пластинами 16 с плоской формой. При бурении пород средней крепости (f=6-8), когда целесообразно уменьшать энергоемкость разрушения породы и площадь контакта зубьев с забоем, в сменных резцедержателях 13 установлены (фиг.5 и 6) съемные резцы 14 (например, серийные типа РК-8Б от проходческих комбайнов) с коническими или цилиндрическими державками 17, головки 18 которых армированы твердосплавными пластинами 19 скругленной формы, и съемные резцы 14 расположены с промежутками (для снижения линии контакта вооружения с забоем), наклоном к оси скважины и последовательным превышением на 8-10 мм друг от друга в расчете на сплошную схему обработки ступенчатого забоя (для уменьшения энергоемкости бурения и износа резцов). При бурении по углю и мягким породам (f=2-4), когда крутящий момент на долоте не велик и съемные резцы 14 легко проникают в породу, сменные резцедержатели 13 установлены непосредственно в пазах 4 корпуса 1 (фиг.7 и 8) и оснащены съемными режущими органами 20 с трехступенчатой режущей кромкой, армированной твердосплавными пластинами 16 с плоской формой и образующей забой ступенчатой формы.

В случае необходимости бурения скважины увеличенного диаметра, например, 269,9 мм (стандарт) при базовом диаметре 244,5 мм, на сменном корпусе 1 установлен (фиг.9) переходник 12 с консолью 21, а периферийные (калибрующие) резцы 22 (фиг.10) армированы парой твердосплавных штырей 23, таких же, что и штыри 8 зубчато-дисковых шарошек 5 (фиг.2).

Такое усиление армировки связано с ростом скоростей резания из-за увеличения диаметра бурения. Во всех исполнениях переменного вооружения долота крепление к сменному корпусу 1 переходника 12, сменных резцедержателей 13 со съемными резцами 14 выполнено с помощью тех же осей 6, что и для крепления зубчато-дисковых шарошек 5 (фиг.1). Четырехлучевой переходник 12 (фиг.11) для четырехпазового исполнения сменного корпуса и трехлучевой переходник 24 (фиг.12) для трехпазового исполнения сменного корпуса имеют одинаковый П-образный профиль. Съемные резцы 14 закреплены в сменных резцедержателях 13 (фиг.4) известными способами, например, замковыми планками, упорными валиками. Съемные резцы 14 с конусными державками (хвостовиками) 17 (фиг.5) удерживаются в гнездах сменных резцедержателей 13 (фиг.6) за счет сил трения. Один из вариантов крепления предусматривает удержание пары резцов 25 и 26 (фиг.13) непосредственно осью 6, а сопряженных с ними крайних резцов 27 и 28 - за счет выточек 29 и 30 в хвостовиках съемных резцов 14 (фиг.13 и 14). Для бурения скважин со шнековой очисткой долото снабжено сменным хвостовиком 10, который присоединяется к штанге с помощью пальца 31 (фиг.5).

Способ использования предложенного бурового долота с переменным породоразрушающим вооружением состоит в следующем. При проходке скважин в крепких породах (f=8-10) на сменном корпусе 1 долота монтируют зубчато-дисковые шарошки 5 (фиг.1 и 2) на осях 6, закрепляемых в отверстиях 7 ребер 3. При проходке скважин в породах ниже средней крепости и повышенной влажности (f=4-6) вместо зубчато-дисковых шарошек 5 в пространство пазов 4 сменного корпуса 1 устанавливают переходник 12 (фиг.3 и 4), в который закрепляют сменные резцедержатели 13, оснащенные съемными резцами 14, параллельными оси скважины и армированными твердосплавными пластинками 16 незакругленной (плоской) формы. При проходке скважин в сухих породах ниже средней крепости (f=4-6) на долото устанавливают сменный корпус трехпазового исполнения, который снабжают трехлучевым переходником 24 и сменными резцедержателями 13 со съемными резцами 14.

При проходке скважин в породах средней крепости (f=6-8) в сменных резцедержателях 13 сменного корпуса 1 устанавливают (фиг.5 и 6) съемные резцы 14 типа РК-8Б с коническими державками 17, головка 18 которых армирована твердосплавными пластинками 19 скругленной формы, причем съемные резцы 14 располагаются с промежутками, наклоном к оси скважины и ступенчато (с последовательным превышением на 8-10 мм друг от друга) в расчете на сплошную схему обработки ступенчатого забоя скважины. При проходке скважин по углю и мягким породам (f=2-4) сменные резцедержатели 13 устанавливают непосредственно в пазах 4 сменного корпуса 1 (фиг.7) и оснащают съемными режущими органами 20 (фиг.8) с трехступенчатой режущей кромкой, армированной пластинами твердого сплава и образующей забой скважины ступенчатой формы.

При необходимости бурения скважин увеличенного диаметра, например, 269,9 мм при базовом диаметре 244,5 мм на сменном корпусе 1 устанавливают (фиг.9) переходник 12 с консолью 21 (фиг.10). При этом на периферии лучей переходника 12 устанавливают калибрующие резцы 22, армированные парой твердосплавных штырей 23, таких же, что и штыри 8 зубчато-дисковых шарошек 5.

Для бурения скважин с пневматической очисткой (например, на станке СБШ-250-МНА) на буровое долото устанавливают сменный хвостовик 10, который присоединяют к буровой штанге с помощью полого ниппеля 11 с конической резьбой (фиг.1). Для бурения скважин со шнековой очисткой (например, на станках 2СБР-125-30, СВБ-2М, БТС-150) на буровое долото устанавливают сменный хвостовик 10, который присоединяют к буровой штанге с помощью полого ниппеля 11 и пальца 31 (фиг.5).

Таким образом, предлагаемое долото позволяет в зависимости от условий бурения устанавливать различные виды породоразрушающего вооружения (шарошечного и разнообразного резцового типа), а не только съемные режущие элементы одного вида, и при этом на одном корпусе изменять диаметр буримой скважины. Это означает существенное расширение технологических возможностей долота. Упрощается технология изготовления, сборки, ремонта и восстановления долот, снижается их себестоимость. В целом повышается эффективность буровых работ, оцениваемая интегральным критерием стоимости бурения единицы длины скважины. Необходимо отметить, что описанные реализации переменного вооружения долота демонстрируют примерные технические и технологические возможности предлагаемого долота, благодаря заложенным в его создание принципам построения, но не исчерпывают всех его возможностей. Конкретные схемы вооружения корпуса предлагаемого долота могут быть дополнены по мере совершенствования геометрических параметров породоразрушающих элементов (шарошек и резцов), форм их режущей части (головок резцов и зубьев шарошек), схем расположения резцов относительно корпуса и забоя скважины.

Изобретение относится к породоразрушающему буровому инструменту и может быть использовано при бурении взрывных скважин на карьерах, шахтах, а также при глубоком бурении технологических скважин. Задачей изобретения является повышение эффективности буровых работ и расширение области рационального использования (технологических возможностей) долота за счет увеличения ресурса износостойкости и возможности оснащения сменного корпуса различным сменным вооружением шарошечного и резцового типов и изменения диаметра скважин в породах различной крепости. В буровом долоте с переменным породоразрушающим вооружением, содержащем корпус с ребрами, на котором расположено породоразрушающее вооружение, корпус выполнен сменным, четырех- или трехпазового исполнения, причем при бурении крепких пород на нем на осях установлены четыре зубчато-дисковые шарошки в пазах, размещенных между ребрами крестообразно и симметрично во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях, а при бурении пород средней и ниже средней крепости в пространство пазов между ребрами установлены четырехлучевые или трехлучевые переходники прямоугольного П-образного профиля, в которые вставлены сменные резцедержатели, оснащенные съемными резцами с различными формами твердосплавных головок и хвостовиков, углами наклона к оси скважины, высотными отметками и схемами расположения в сменном резцедержателе, в зависимости от диаметра долота и горно-геологических условий предстоящего бурения. Крепление к сменному корпусу переходника и сменных резцедержателей со съемными резцами выполнено с помощью тех же осей, что и для крепления зубчато-дисковых шарошек, причем все элементы переменного вооружения выполнены разборно-съемными. 3 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Буровое долото с переменным породоразрушающим вооружением, содержащее корпус с ребрами, на котором расположено породоразрушающее вооружение, отличающееся тем, что корпус выполнен сменным, четырех- или трехпазового исполнения, причем при бурении крепких пород на нем на осях установлены четыре зубчато-дисковые шарошки в пазах, размещенных между ребрами крестообразно и симметрично во взаимно перпендикулярных диаметральных плоскостях, а при бурении пород средней и ниже средней крепости в пространство пазов между ребрами установлены четырехлучевые или трехлучевые переходники прямоугольного П-образного профиля, в которые вставлены сменные резцедержатели, оснащенные съемными резцами с различными формами твердосплавных головок и хвостовиков, углами наклона к оси скважины, высотными отметками и схемами расположения в сменном резцедержателе, в зависимости от диаметра долота и горно-геологических условий предстоящего бурения, при этом крепление к сменному корпусу переходника и сменных резцедержателей со съемными резцами выполнено с помощью тех же осей, что и для крепления зубчато-дисковых шарошек, причем все элементы переменного вооружения выполнены разборно-съемными.2. Долото по п.1, отличающееся тем, что при бурении по углю и мягким породам сменные резцедержатели, оснащенные съемными резцами, размещены и закреплены непосредственно в пазах сменного корпуса.3. Долото по п.1, отличающееся тем, что для бурения резанием скважин увеличенного диаметра сменный корпус оснащен переходником с консолью, причем периферийные съемные резцы армированы парой твердосплавных штырей.4. Долото по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено сменным хвостовиком, оснащенным полым ниппелем либо с конической резьбой для присоединения к буровой штанге при бурении скважин с пневматической очисткой, либо с отверстием и пальцем для присоединения к буровой штанге при бурении скважин со шнековой очисткой.