БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
ROCK-DRILLING BIT

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту шарошечного типа.
Известно буровое шарошечное долото, содержащее корпус с цапфой, на которой посредством подшипников качения смонтирована шарошка с породоразрушающими элементами, расположенными на венцах шарошек (Авт.св. СССР №630303, кл. Е21В 10/08, 1980 г.).
Недостатком данного долота является малая эффективность его работы, связанная с низкой работоспособностью его опоры.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, содержащее корпус с каналом для очистного агента и цапфой со сферическим торцом, на которой посредством замкового подшипника и роликового подшипника качения установлена шарошка с ответной торцу цапфы внутренней сферической поверхностью и породоразрушающими элементами на венцах, разделенных шламоотводящими пазами (см. Авт.св. СССР №1089229, кл. Е21В 10/22, 1984 г.).
К недостаткам данного долота можно отнести низкую эффективность, связанную с высокой энергоемкостью процесса разрушения породы без использования забойного ударного механизма. Использование же специального ударного устройства неминуемо приводит к усложнению нижней компоновки бурового вала, повышению аварийности и, как следствие этого, к повышению стоимости буровых работ. Кроме того, это требует использования более мощных нагнетательных агрегатов, т.к. часть гидравлической энергии тратится на привод специальных ударных устройств. А это в свою очередь приводит к ухудшению очистки забоя от шлама.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота без применения дополнительных ударных устройств типа забойных пневмо- или гидроударников, особенно при бурении по породам средней твердости и твердым, разрушение которых связано с необходимостью приложения значительных осевых нагрузок.
Указанный технический результат достигается тем, что в шарошечном долоте, содержащим корпус с каналом для очистного агента и цапфой со сферическим торцом, на которой посредством замкового подшипника и роликового подшипника качения установлена шарошка с ответной торцу цапфы внутренней сферической поверхностью и породоразрушающими элементами на венцах, разделенных шламоотводящими пазами, согласно изобретению шарошка выполнена с радиальными каналами, в которых размещены съемные породоразрушающие элементы, хвостовики которых в плоскости, параллельной оси цапфы, выполнены с выпуклым торцом и установлены с возможностью взаимодействия с боковыми поверхностями роликовых подшипников, наружная поверхность части которых, контактирующая с выпуклыми торцами хвостовиков съемных породоразрушающих элементов, выполнена с ответной вогнутой формой.
Дополнительно достижению указанного технического результата способствует также и то, что:
- съемные породоразрушающие элементы установлены под острым углом к радиусу шарошки;
- часть съемных породоразрушающих элементов установлена на венцах шарошек, а часть - в шламоотводящих пазах;
- хвостовики съемных породоразрушающих элементов в плоскости, параллельной оси цапфы, выполнены в виде бочкообразных цилиндров или сфер.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид фрагмента шарошечного долота в продольном разрезе, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Шарошечное долото содержит корпус 1 с каналом 2 для очистного агента и цапфу 3 со сферическим торцом 5. На цапфе 3 посредством замкового подшипника 4 и роликового подшипника качения 6 установлена шарошка 7 с ответной торцу цапфы 3 внутренней сферической поверхностью 8, и породоразрушающими 11 элементами на венцах 9, разделенных шламоотводящими пазами 10. Шарошка 7 выполнена с радиальными каналами 12, в которых размещены съемные породоразрушающие элементы 13. Хвостовики 14 породоразрушающих элементов 13 в плоскости, параллельной оси цапфы 3, выполнены с выпуклым торцом 15 и установлены с возможностью взаимодействия с наружными поверхностями роликовых подшипников 6, часть которых выполнена с ответной вогнутой формой 16. Выпуклые торцы 15 хвостовиков съемных породоразрушающих элементов 13 предпочтительно выполнять бочкообразной формы или в виде сфер с радиусом, соответствующим радиусу вогнутой поверхности роликов 6. При этом диаметр сферических торцов или бочкообразных цилиндров 15 съемных породоразрушающих элементов 13 должен быть больше диаметра хвостовиков 14. Радиальные каналы 12 в шарошке 7 расположены под острым углом α к радиусу шарошки 7, при этом вершина породоразрушающих элементов 13 направлена в сторону вращения долота, предназначенного для бурения по мягким и средним породам и против вращения в долотах, предназначенного для бурения по твердым породам. Предусмотрен вариант установки съемных породоразрушающих элементов 13 только на венцах 10 шарошек 7 или только в шламоотводящих пазах 10. Возможен также вариант размещения съемных породоразрушающих элементов 13 как в промывочных пазах 10, так и на венцах 13.
Принцип работы шарошечного долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы 11 шарошек 7 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. При этом шарошка 7, перекатываясь по поверхности забоя, вращается в направлении, противоположном направлению вращения корпуса 1, причем разрушенная порода выносится через шламоотводящие пазы 10 и кольцевую полость между стенками скважины и корпусом 1 на поверхность очистным агентом, подаваемым через канал 2 в корпусе 1 долота. При вращении шарошки 7 съемные породоразрушающие элементы 13, перекатываясь хвостовиками 14 по роликовому подшипнику 6, совершают возвратно-поступательное движение. Причем, при попадании хвостовиков 14 съемных породоразрушающих элементов 13 на роликовый подшипник породоразрушающие элементы 13 наносят удар по породе, создавая зоны предразрушения. Эффект создания зон предразрушения увеличивается благодаря установке съемных породоразрушающих элементов 13 под острым углом к радиусу шарошки 7 и ориентировке их рабочих головок в сторону направления вращения долота при бурении по мягким и средним породам. В этом случае съемные породоразрушающие элементы 13 образуют дополнительную плоскость обнажения, что облегчает работу основных породоразрушающих элементов 11. При бурении же по твердым породам съемные породоразрушающие элементы 13 устанавливаются относительно радиуса шарошки 7 с отрицательным углом наклона, что обеспечивает сохранность породоразрушающих элементов 13 от скалывания. Ослабленные съемными породоразрушающими элементами 13 зоны забоя затем эффективно разрушаются породоразрушающими элементами 11. После нанесения удара съемные породоразрушающие элементы 13 при перекатывании шарошки 7 своими хвостовиками 14 попадают в зону между роликовыми подшипниками 6 и их рабочие головки не контактируют с поверхностью забоя. Это позволяет лучше охлаждать рабочие головки породоразрушающих элементов 13 и тем самым повысить срок их службы. Кроме того, наклонное расположение съемных породоразрушающих элементов 13 обеспечивает постоянный проворот роликовых подшипников 6 вокруг своей оси и тем самым создает для них более благоприятные условия для работы, исключив односторонний их износ, приводящий к быстрому выходу опоры из строя. Одновременно с этим выполнение хвостовиков 14 породоразрушающих элементов 13 выпуклой бочкообразной формы или в виде сферы, а роликов 6 - с ответной вогнутой поверхностью 16 предотвращает осевое перемещение последних, что часто служит причиной заклинивания роликового подшипника 6 и выхода его из строя. А это неминуемо ведет к выходу из строя всей опоры долота. Таким образом, пара вогнутая наружная поверхность 16 роликового подшипника 6 и выпуклая бочкообразная или сферическая поверхность хвостовика 14 породоразрушающих элементов 13 образует дополнительное замковое соединение, предохраняющее осевое смещение роликов 6 относительно цапфы 3. Размещение части съемных породоразрушающих элементов 13 в шламоотводящих пазах позволяет эффективно дробить крупные частицы шлама и беспрепятственно удалять их с забоя скважины, исключая повторное его измельчение.
Таким образом, использование предложенного долота позволяет повысить эффективность разрушения породы без применения дополнительных устройств, как это имеет место в прототипе, и тем самым снизить стоимость буровых работ в целом.