Буровое шарошечное долото Советский патент 1993 года по МПК E21B10/16 

Настоящее изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в буровых шарошечных долотах, преимущественно предназначенных для ударно-шарошечного бурения.

Известно буровое .шарошечное долото; содержащее лапы и смонтированные на цапфах лап с возможностью вращения многоконусные шарошки, имеющие твердосплавное вооружение на вершинах, основных и периферийных частях шарошек.

Недостатком этого долота является невысокая эффективность его работы, поскольку конструктивные параметры его вооружения: диаметр и количество зубков на вершинах, основных и периферийных частях шарошек, а также ориентация зубков относительно оси шарошки - заданы без учета возможности бурения с наложением на дол ото ударн ых импульсов. Поэтому зна- чйтельна я часть эйёргйи удара бесполезно поглощается .самим долотом, не реализуясь в разрушении обуриваемой породы.

При превышений рационального значения шага зубков границы лунок разрушения и трещины в породе от воздействия любого

венца на породу удалены друг от друга и

углубление скважины замедляется, пока количество лунок и их размеры не достигнут определенных значений. В случаях, когда шаг зубка меньше рационального значения, то снижается удар- ,ная составляющая нагрузка, передаваемая зубками на породу, что также уменьшает скорость бурения,

Существенным недостатком дол отй является то, что зубки ориентированы перпендикулярно венцовым поверхностям шарошек, а конусность последних в различных частях шарошек различна. Поэтому направления осей зубков в момент взаимодействия с породой и осевой нагрузки не совпадают. Это приводит, к одной стороны, к уменьшению КПД передачи энергии удара через зубки и, соответствен- но, снижению разрушающего воздействия породы. С другой стороны, несовпадение направлений действия осевой нагрузки с осью зубка, её передающего, влечет за со бой появление дополнительных изгибающих напряжений на породоразрушающей поверхности зубка, особенно опасных при изложении ударных нагрузок, iVro приводит к снижению стойкости зубка и, сбответст- венно, сооружения долота в целом.

Сказанное относится в первую очередь к венцам, размещенным на основных частях шарошек, поскольку значительная часть долот, отработанных в очень крепких и крепких породах, заменялась из-за скола зубков именно этих венцов.

Наиболее близким техническим решением является буровое шарошечное долото,

содержащее лапы с наклонными цапфами и установленные на цапфах возможностью вращения шарошки с внутренними, средними и периферийными венцами и ;твердосплавные зубки, размещенные на

О венцах шарошек, В нем диаметр и количество зубков на внутренних, средних и периферийных венцах оптимизированы по расстоянию от оси долота и частоты ударной нагрузки на долото с целью исключить зави5 сание какой-нибудь шарошки на кольцевом участке забоя, разрушаемом одним из этих венцов с отставанием от разрушения остальной площади забоя. Однако вышеуказанные недостатки, связанные с

0 несовпадением направления действия осевой нагрузки (соответственно, приложения ударных импульсов), сохраняются и в этом долоте. : л./ . .......,-..... :./. : . ;,..

Цель изобретения - повышение пр.ойз5

водительности долота за счет увеличения

КПД удара и долговечности долота за счет уменьшения изгибающих напряжений на зубки. .......,;. ,...

Указанная цлеь достигается тем, что в

0 буровом шарошечном долоте, содержащем лапы с наклонными цапфами и установлен- ,ные на цапфах с возможностью вращения шарошки с внутренними, средними и периферийными венцами и твердосплавные зуб5 «и, размещенные на венцах шарошек, шарошки по средним венцам выполнены с углом конусности при верщине.,равным удвоенной разности между прямым углом и углом наклона осей цапфы к оси долота, а

0 твердосплавные зубки на средних венцах расположены параллельно оси долота.

На фиг.1 изображено буровое шарошечное долото: на фиг.2 - совмещённые проекции шарошек.

5 . Буровое шарошечное долото содержит лапу 1 с цапфой 2, шарошки 3, 4, 5, смонтированные на цапфах с помощью подшипников качения б, 7 и подшипника скольжения 8. Шарошки имеют многоконусную форму,

0 на наружных поверхностях конусов-венцовых поверхностях, выполнены породоразрущающие венцы в виде запрессованных в

отверстия шарошек твердосплавных зубков

с выступающими над венцовыми поверхно5 стями породоразрушающими частями. Так, у 1-й шарошки внутренние венцы 9,10, средние венцы 11. 12 и периферийные венцы - ..13; 14; :-;

Ось цапфы наклона по отношению к оси долота под углом а ,

Конусные поверхности 1-й шарошки, предназначенные под венцы 11, выполнены с одинаковым углом ip при их вершине со смещением относительно друг друга, лэнусные поверхности средних венцов ос- альных шарошек также выполнены со сме- ценйем относительно друг друга с таким же /гл.ом р при их вершинах.

При совмещении проекций шарошек по оси наклона цапфы и центру замкового юдшипника опоры шарошек), как это показано на фиг.2, образуется схема совмещенного забоя скважины. Как видно из фиг.2, онусные поверхности средних венцов шарошек образуют контур ступенчатой формы, причем вследствие равенства углов конуса при вершине всех указанных поверхностей, их образующие параллельпы друг другу, редние венцы на фиг.2 обозначены цифрами .15, 16, 17, 18, 19.

Угол (р. при вершине конуса средних зенцов шарошек задается так, что ось зубка в момент взаимодействия с породой совпадает с направлением действия осевой нагрузки, т.е. на совмещенном забое ось зубка параллельна оси долота, а образующая, совпадающая с плоскостью, включающей оси цолота и зубка, перпендикулярна оси доло- г а.. - .;. ,.

Угол (р /2 между этой образующей и осью долота равен 90° - р , соответственно, угол р равен 2(90°-а ).

Долото работает следующим образом. В процессе бурения на долото передаются осевая нагрузка и крутящий момент, а также ударная нагрузка, последняя с помощью пневмо- или гидроударников. Под действием указанных нагрузок зубки шарошек пёрекатывзются по забою, вызывая разрушение породы. Разрушенная порода удаляется с поверхности забоя и из скважины подводимым через долото газообразным или жидким очистным агентом.

Благодаря ступенчатому контуру средних венцов долота на забое в основной его части образуются дополнительные плоскости обнажения, что способствует более эффективному разрушению породы и, соответственно, росту механической скорости бурения.

Образование конусными поверхностями средних венцов шарошек ступенчатой формы при совмещении их проекций и взаимосвязь их угла конусности с углом наклона оси цапф к оси долота обеспечивает совпадение направлений осевой нагрузки на долото и осей зубков средних венцов. Это увеличивает КПД передачи ударной нагрузки (энергии) на разрушение породы и уменьшает изгибающие напряжения в самих зубках.

Осевая нагрузка и ударные импульсы передаются зубками предлагаемого долота на забой, практически без потери энергии. Превышение или уменьшение значения указанного угла влечет за собой появление на забое, в месте- контакта зубка с породой боковой составляющей нагрузки, направленной под прямым углом к оси зубка, вызывающей изгибающие напряжения на его породоразрушающей поверхности, но не участвующей в разрушении породы.

Использование предложенного долота позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото при ударно- шарошечном способе бурения скважин.

Использование: в горной промышлен- носги для буровых шарошечных долот, пре назначенных, преимущественно, для ударно-шарошечного бурения. Сущность: шарошки 3. 4, 5 по средним венцам 11, 12 выполнены с углом конусности при вершине, равным удвоенной разности между прямым углом и углом наклона осей цапф 2 к оси долота. Твердосплавные зубки на венцах 11, 12 расположены параллельно рей долота. При работе зубками средних венцов 11 и 12 создаются дополнительные плоскости обнажения Это способствует более эффективному разрушению породы. Реакция от забоя направлена вдоль зубков, что уменьшает изгибающие напрях ения в зубках и повышает КПД удара. 2 ил.

Ф о р м ула изобретения Буровое шарошечное долото, содержащее ламы с наклонными цапфами и установ- ленные на цапфах с возможностью вращения шарошки с внутренними, средними и периферийными венцами и твердосплавные зубки, размещенные на венцах шарошек, о т л и чающееся тем; что, с целью повышения производительности долота за счет увеличения КПД удара и долговечности долота за счет уменьшения изгибающих напряжений на зубках, шарошки по средним венцам выполнены с углом конусности при вершине, равным удвоенной разности между прямым углом и углом наклона осей цапф к оси долота, а твердосплавные зубки на средних венцах расположены параллельно оси долота.