БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
ROLLING DRILLING BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам, преимущественно малого диаметра.
Известно буровое шарошечное долото, включающее лапы с цапфами, на которых с возможностью ограниченного перемещения вдоль цапф установлены шарошки (см. авт. св. СССР №739210, кл. Е21В 10/22, 1980 г.).
Недостатком этого долота является возможность перемещения шарошек вдоль цапфы только по мере износа упорного подшипника, выполненного из материала с меньшей износостойкостью, чем материал шарошки и лап. Это ведет к тому, что в начальный период работы долота процесс разрушения породы осуществляется со значительной энергоемкостью. Другим недостатком известного долота является то, что центральная часть забоя практически не перекрывается породоразрушающими элементами. Это особенно сильно сказывается при бурении по твердым и крепким породам и ведет к образованию так называемой «сахарной головки», резко снижающей как проходку, так и скорость бурения.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее лапы с цапфами, на которых посредством замкового устройства на подшипниках скольжения установлены шарошки с породоразрушающими элементами (см. Травкин В.С. Породоразрушающий инструмент для вращательного бурения скважин. М.: Недра, 1982 г., стр.102, рис.23б).
К недостаткам данного долота относится отсутствие возможности перемещения шарошек вдоль цапфы и низкая эффективность разрушения породы, особенно в центральной части забоя. Это ведет к уменьшению как проходки, так и скорости бурения при одновременном росте энергоемкости процесса разрушения породы.
В связи с изложенным технической задачей изобретения является повышение эффективности работы долота за счет более эффективного разрушения центральной части забоя.
Поставленная техническая задача решается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем лапы с цапфами, на которых посредством замкового устройства на подшипниках скольжения установлены основные шарошки с породоразрушающими элементами, согласно изобретению долото снабжено дополнительной шарошкой, установленной на замковом устройстве, выполненном в виде оси, концевые участки которой закреплены в выемках, выполненных на оппозитно расположенных торцах цапф лап, при этом между дополнительной шарошкой и торцами цапф размещены пружины, а дополнительная и основные шарошки установлены с возможностью перемещения соответственно вдоль оси и цапф.
Достижению указанного технического результата способствует также и то, что породоразрушающие элементы дополнительной шарошки выполнены из материала с большей твердостью по сравнению с породоразрушающими элементами основных шарошек.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен общий вид долота в продольном разрезе.
Буровое шарошечное долото включает лапы 1 с цапфами 8, на которых посредством замкового устройства на подшипниках скольжения 9 установлены основные шарошки 2 и 3 с породоразрушающими элементами 10. Основные шарошки 2 и 3 зафиксированы замковым устройством, выполненным в виде оси 5, концевые участки которой закреплены в выемках 7, выполненных на оппозитно расположенных торцах цапф 8 лап 1. На оси 5 расположена дополнительная шарошка 4, при этом между торцами дополнительной шарошки 4 и торцами цапф 8 размещены тарельчатые пружины 6, а дополнительная шарошка 4 и основные шарошки 2 и 3 установлены с возможностью перемещения вдоль оси 5 и цапф 8. Тарельчатые пружины 6 установлены с обеих сторон дополнительной шарошки 4, оснащенной, как и основные шарошки 2 и 3, породоразрушающими элементами 10, обладающими большей твердостью по сравнению породоразрушающими элементами 10 основных шарошек 2 и 3.
Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы 10 основных и дополнительной шарошек 2, 3 и 4 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. При этом благодаря размещению между вершинами основных шарошек 2 и 3 дополнительной шарошки 4 происходит эффективное разрушение центральной части забоя, т.к. окружная скорость породоразрушающих элементов 10 на этой шарошке значительно больше, чем у обычных двух- и трехшарошечных долот. Эффективному разрушению центральной части забоя способствует также и то, что дополнительная шарошка 4 установлена с возможностью перемещения вдоль оси 5, чему способствуют тарельчатые пружины 6, установленные с обеих сторон шарошки 4. При таком перемещении эффективно разрушается образующаяся на забое «рейка». Этот эффект усиливается благодаря выполнению породоразрушающих элементов 10 на дополнительной шарошке 4 с большей твердостью по сравнению с породоразрушающими элементами 10 основных шарошек 2 и 3. Например, в случае выполнения породоразрушающих элементов 10 основных шарошек 2 и 3 из материала ВК-8 дополнительная шарошка 4 должна оснащаться породоразрушающими элементами 10 из материала ВК-6. Это объясняется тем, что породоразрушающие элементы 10 основных шарошек 2 и 3 разрушают породу дроблением и скалыванием, предъявляющим к материалу рабочих элементов 10 высокие требования по изгибающим нагрузкам. В то же время породоразрушающие элементы 10 дополнительной шарошки 4 работают при осевом перемещении шарошки 4 под действием реакции сил со стороны стенок скважины и пружин 6 в основном в режиме резания и при незначительных ударных нагрузках вследствие меньшего диаметра шарошки 4 по сравнению с шарошками 2 и 3. При таком режиме разрушения породы основное требование к породоразрушающим элементам 10 - это их износостойкость, а износостойкость ВК-6 значительно выше, чем у ВК-8, в то время как прочность на изгиб у элементов 10 из ВК-8 выше, чем у ВК-6.
Осевые колебания дополнительной шарошки 4 связаны с тем, что ось долота не совпадает с осью скважины. Из-за этого то одна, то другая основная шарошка 2 или 3 постоянно прижимаются к стенке скважины, вследствие чего дополнительная шарошка 4 с противоположной стороны относительно прижатой шарошки 2 или 3 оказывается свободной и перемещается под действием пружины 6 вдоль оси 5 в сторону неприжатой шарошки. В процессе бурения это положение постоянно меняется, и дополнительная шарошка 4 перемещается от одной основной шарошки 2 к другой 3 и наоборот.
Таким образом, применение предложенного долота позволяет повысить проходку и скорость бурения благодаря снижению энергоемкости процесса разрушения центральной части забоя и тем самым снизить себестоимость буровых работ.