БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2009 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к вооружению породоразрушающего инструмента, а именно к твердосплавным зубкам, предназначенным для оснащения буровых долот.

Известно буровое долото [1], принятое за аналог, с твердосплавными зубками для вооружения шарошек, имеющими породоразрушающую поверхность в виде двух или более взаимно сходящихся лезвий.

Преимуществом таких твердосплавных зубков является то, что рабочая головка зубка в виде двух или более сходящихся лезвий позволяет создавать на поверхности забоя сеть пересекающихся друг с другом, близких к вертикальным, трещин под каждым лезвием и большое количество чередующихся и не связанных друг с другом мелких выступов и впадин. Если принять усилие для раздавливания определенного объема породы за 100%, то усилие при боковом сдвиге того же объема породы составляет всего 11%. Поэтому клиновидные лезвия при сдвиге клиновой поверхностью мелких выступов в сторону впадин затрачивают на их разрушение на порядок меньшие усилия.

К недостатку зубков с породоразрушающей поверхностью в виде двух или более сходящихся лезвий можно отнести недостаточную стойкость зубков, обусловленную тем, что разрушаемая порода, попадая в пространство между соседними лезвиями, оказывает расклинивающее воздействие, отрывая одно лезвие от другого. Как известно, твердые сплавы имеют высокую стойкость относительно деформаций сжатия и недостаточную стойкость на разрыв.

Известно также буровое долото [2], взятое в качестве прототипа, в котором расклинивающее воздействие породы в пространстве между лезвиями зубков значительно уменьшено.

У данного долота рабочая головка твердосплавного зубка представлена набегающей и сбегающей сторонами в виде клиновой поверхности каждая, ребра которых расположены в плоскости симметрии зубка и наклонены к его оси под неравными углами. За счет увеличения прочности указанного зубка повышается эффективность процесса бурения. Заостренная вершина такого зубка обеспечивает высокое удельное давление на породу, значительно превышающее давление, оказываемое на породу другими зубками, в частности зубками со сферической или клиновидной породоразрушающими поверхностями. Однако указанный зубок также имеет ограниченную область применения (бурение твердых пород) и технологический недостаток, заключающийся в необходимости тщательной ориентации зубков при их сборке на шарошках секций долота. Однако стойкость заостренной вершины такого зубка при испытаниях на стенде с циклическим ударным нагруженном слишком мала.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение стойкости и производительности работы вооружения бурового долота.

Технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем одну или более секций с лапой, подвижно закрепленной на ней шарошкой, оснащенной твердосплавными зубками с цилиндрическими хвостовиками и рабочей породоразрушающей головкой в виде сходящихся на скругленной вершине гребней, согласно изобретению пирамидальная рабочая головка в сечениях ниже скругления вершины имеет вид трапеции со скругленными углами, причем радиусы скруглений вершины и ребер связаны следующим соотношением с диаметром цилиндрической части зубка и количеством граней пирамиды: ,

где: r₁ - радиус скругления вершины рабочей головки зубка, мм;

r₂ - радиус скругления ребер рабочей головки зубка, мм;

d - диаметр цилиндрической части зубка, мм;

n - количество граней пирамидальной рабочей головки зубка.

Твердосплавные зубки расположены на венцах в корпусе шарошки с ориентированием большой стороны основания пирамиды по сбегающей стороне и малой стороны по набегающей стороне относительно направления вращения шарошки.

Такая форма породоразрушающего зубка при указанной его ориентации относительно направления вращения шарошки позволяет избежать расклинивающего воздействия на лезвие зубка, характерного аналогу, и при этом значительно увеличить стойкость вооружения долота за счет усиления сбегающей стороны зубка подобно прототипу. При внедрении зубков в породу забоя боковые скругленные вершины гребней оказывают распирающее воздействие на стенки образующихся под зубками лунок, интенсифицируя процесс бурения скважины.

Таким образом, повышение эффективности работы зубка происходит за счет особенностей конструктивной формы рабочей головки, обеспечивающей необходимую прочность породоразрушающей части, и где при внедрении в горную породу происходит перераспределение усилий, действующих на вооружение долота, с равномерных в сферическом сечении на переменно- направленные в гранях и скругленных ребрах пирамиды за счет изменения геометрической формы сечения с круга на многоугольник со скругленными углами.

Перечень фигур чертежей. На фиг.1, 2, 3 изображен предлагаемый твердосплавный зубок в трех проекциях, фиг.1 - главный вид зубка, фиг.3 - вид сверху на рабочую головку зубка, фиг.2 - вид зубка сбоку. На фиг.4 показан разрез 4-4 по цилиндрической части зубка и ребру рабочей головки фиг.3. На фиг.5 изображен зубок с секущими плоскостями; на фиг.6 - сечение 1-1, на фиг.7 - сечение 2-2, на фиг.8 - сечение 3-3. Все три сечения показаны в увеличенном виде.

На фиг.5 показан главный вид предлагаемого твердосплавного зубка. На фиг.6 (сечение 1-1 фиг.5) показана схема направления действия породоразрушающих усилий при внедрении головной рабочей сферической части зубка в разбуриваемую породу. Имеет место круговой равномерный контакт твердосплавного зубка с породой, породоразрушающие усилия имеют равномерное распределение (показано стрелками), происходит дробление разрушаемой породы с образованием сравнительно мелких частиц выбуренной породы.

На фиг.7 и фиг.8 стрелками схематически показано направление и величина действующих разрушающих усилий при изменении геометрической формы сечений рабочей головки зубка с круга (фиг.6) на многоугольник со скругленными углами. Удельное давление на горную породу, оказываемое ребрами пирамиды, значительно выше, чем ее гранями, зона объемного разрушения породы твердосплавным зубком увеличивается, тем самым повышается эффективность бурения с формированием более крупных частиц выбуренной породы.

Преимуществом предлагаемого бурового долота, оснащенного твердосплавными породоразрушающими зубками с рабочей головкой в виде пирамиды со скругленными ребрами, имеющими радиусы скруглений вершины и ребер, связанные указанным выше соотношением с диаметром зубка и количеством граней пирамиды, является повышенная прочность и агрессивность рабочей головки. Это позволяет производить разрушение крепких горных пород и создавать высокое удельное давление вооружения долота на забой скважины, обеспечивая тем самым повышенную механическую скорость бурения за счет увеличения зоны объемного разрушения и формирования крупных частиц выбуренной породы с уменьшением пылеобразования при бурении скважин на горных карьерах и выработках.

Результаты стендовых испытаний буровых долот с предлагаемым вооружением подтверждают его высокую стойкость и механическую скорость бурения.

Источники информации

1. Авторское свидетельство № В 1852 (не подлежащее публикации в открытой печати) от 04.10.1966 г., «Буровое шарошечное долото», МПК Е21В 23/20 (аналог).

2. Патент РФ №1677230 от 15.09.1991 г., Бюл. №34, «Твердосплавный зубок для буровых долот», МПК 5 Е21В 10/16 (прототип).

Изобретение относится к вооружению породоразрушающего инструмента, а именно к твердосплавным зубкам, предназначенным для оснащения буровых долот. Техническим результатом является повышение производительности работы бурового долота за счет увеличения эффективности работы твердосплавных породоразрушающих зубков. Долото включает одну или более секций с лапой, подвижно закрепленной на ней шарошкой, оснащенной твердосплавными зубками с цилиндрическими хвостовиками и рабочей породоразрушающей головкой в виде сходящихся на скругленной вершине гребней. Пирамидальная рабочая головка в сечениях ниже скругления вершины имеет вид трапеции со скругленными углами. Радиус скруглений вершины рабочей головки зубка больше или равен произведению одной шестнадцатой диаметра цилиндрической части зубка и количества граней пирамидальной рабочей головки зубка и больше или равен радиусу скругления ребер рабочей головки зубка. Зубки расположены на венцах в корпусе шарошки с ориентированием большой стороны основания пирамиды по сбегающей стороне и малой стороны по набегающей стороне относительно направления вращения шарошки. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Буровое шарошечное долото, включающее одну или более секций с лапой, подвижно закрепленной на ней шарошкой, оснащенной твердосплавными зубками с цилиндрическими хвостовиками и рабочей породоразрушающей головкой в виде сходящихся на скругленной вершине гребней, отличающееся тем, что пирамидальная рабочая головка в сечениях ниже скругления вершины имеет вид трапеции со скругленными углами, причем радиусы скруглений вершины и ребер связаны следующим соотношением с диаметром цилиндрической части зубка и количеством граней пирамиды: ,
где r₁ - радиус скругления вершины рабочей головки зубка, мм;
r₂ - радиус скругления ребер рабочей головки зубка, мм;
d - диаметр цилиндрической части зубка, мм;
n - количество граней пирамидальной рабочей головки зубка.

2. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что твердосплавные зубки расположены на венцах в корпусе шарошки с ориентированием большой стороны основания пирамиды по сбегающей стороне и малой стороны по набегающей стороне относительно направления вращения шарошки.