БУРОВОЕ ДОЛОТО ДЛЯ УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ

Полезная модель относится к области создания бурового породоразрушающего инструмента для ударно-вращательного бурения скважин.
Известна конструкция шарошечного долота для ударно-вращательного бурения, содержащая корпус, цапфу, на которой установлена шарошка с возможностью вращения, ударник, взаимодействующий с шарошкой [а.с. СССР №829846, МКИ Е21В 9/08, от 18.05.79, опубл. 15.05.81].
Недостатком данного технического решения является низкая эффективность разрушения горных пород при приложении центрального удара.
Наиболее близким техническим решением является буровое долото для ударно-вращательного бурения, состоящее из хвостовика и полусферической головки с размещенными на ее рабочей поверхности породоразрушающими элементами [RU №172743 от 24.05.2018, опубл. 31.03.2019].
Недостатком прототипа является недостаточная прочность и долговечность эксцентричного выступа на нижнем торце торовой шайбы, а также ее ненадежное закрепление в посадочном месте хвостовика долота.
Предлагаемая полезная модель направлена на повышение прочности и долговечности эксцентричного выступа торовой шайбы бурового долота для ударно-вращательного бурения за счет изменения геометрии эксцентричного выступа на нижнем торце торовой шайбы и его поверхностного упрочнения, а также на уменьшение колебаний торовой шайбы при передаче ударного импульса и вероятности ее перекоса после некоторого количества циклов передачи ударного импульса.
Указанный технический результат достигается заполнением пространства между торовой шайбой и ее посадочным местом в хвостовике долота упругим материалом, упрочнением поверхности эксцентричного выступа на нижнем торце торовой шайбы закалкой токами высокой частоты и изменением геометрии эксцентричного выступа на нижнем торце торовой шайбы, выполненного в виде шарового сегмента радиусом:
где R' - радиус шарового слоя торовой шайбы;
Н - высота торовой шайбы;
Е - эксцентриситет приложения удара;
d - высота сегмента.
Совокупность признаков заявляемой полезной модели, а именно заполнение пространства между торовой шайбой и ее посадочным местом в хвостовике долота упругим материалом, упрочнение поверхности эксцентричного выступа на нижнем торце торовой шайбы закалкой токами высокой частоты и его выполнение в виде шарового сегмента радиусом  не обнаружены в известных технических решениях, что предполагает соответствие заявляемого бурового долота для ударно-вращательного бурения критерию новизны. В результате повышается прочность и долговечность эксцентричного выступа торовой шайбы, уменьшаются ее колебания при передаче ударного импульса и вероятность перекоса.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показано заявляемое буровое долото для ударно-вращательного бурения;
на фиг. 2 показана установленная в свое посадочное место в хвостовике долота для ударно-вращательного бурения торовая шайба.
На фиг. 1 и 2 обозначено:
шайба торовая - 1; эксцентричный полусферический выступ - 2; шайба фиксирующая - 3; упругий материал - 4; хвостовик - 5; соединительные шлицы - 6; неподвижная часть головки долота - 7; шарнирный элемент - 8; цилиндрическая шайба - 9; упругий элемент - 10; болты - 11; подвижная часть головки долота - 12; породоразрушающие элементы - 13.
Предлагаемое буровое долото для ударно-вращательного бурения работает следующим образом. Торовая шайба 1 верхним торцом воспринимает центральный ударный импульс от забойного механизма, передавая хвостовику 5 внецентренный ударный импульс посредством выступа 2 на нижнем торце торовой шайбы 1, при этом возможность поворота торовой шайбы 1 снимает изгибающий момент с хвостовика 5, оснащенного шлицами 6 для соединения с забойной ударной машиной.
Изгибающий момент М=ΔР⋅Е, где ΔР - сила удара, Н; Е - эксцентриситет размещения выступа 2 на торце торовой шайбы 1. Применение подвижной торовой шайбы устраняет изгибающий момент М, но не исключает передачу к вооружению долота внецентренного ударного импульса.
Внецентренный ударный импульс, сообщенный хвостовику 5, передается головке долота, состоящей из подвижной 12 и неподвижной 7 частей, связываемых шарнирным элементом 8, вызывая поворот подвижной полусферической части головки долота 12 в плоскости нанесения внецентренного удара на некоторый угол β (фиг. 1). Для сборки подвижной 12 и неподвижной 7 частей головки бурового долота конструкция оснащена цилиндрической шайбой 9, закрепляемой на головке долота болтами 11. Для разрушения горных пород на забое скважины подвижная часть головки долота 12 содержит породоразрушающие элементы 13.
Поворот подвижной полусферической части головки долота 12 обеспечивает возникновение тангенциальных ударных усилий, приводящих к изменению формы лунок разрушения, повышению их объема и обеспечивающих отделение от забоя части массива горной породы, которая испытала разрушающее действие, разделена трещинами, но еще удерживается в лунках разрушения. Для возвращения подвижной полусферической части головки 12 в исходное положение после окончания цикла разрушения долото оснащено упругим элементом 10.
Поверхностное упрочнение эксцентричного выступа 2 на нижнем торце торовой шайбы 1 токами высокой частоты позволит повысить твердость поверхности выступа. При этом под твердой закаленной поверхностью выступа останутся вязкие незакаленные слои металла, что уменьшит хрупкость детали, повысит износостойкость и циклическую прочность. Выполнение эксцентричного выступа 2 на нижнем торце торовой шайбы 1 в виде шарового сегмента радиусом  позволит добиться нанесения удара с заданной, неизменной при износе в ходе работы величиной эксцентриситета приложения точечного удара при различных величинах высоты и радиуса шарового слоя торовой шайбы и высоты сегмента. Заполнение пространства между торовой шайбой и ее посадочным местом в хвостовике долота 5 упругим материалом 4 позволит уменьшить ее колебания при передаче ударного импульса и вероятность перекоса торовой шайбы после некоторого количества циклов передачи ударного импульса.
Применение предложенного бурового долота для ударно-вращательного бурения позволит повысить прочность и долговечность эксцентричного выступа торовой шайбы, уменьшить колебания торовой шайбы при передаче ударного импульса и вероятность перекоса.