БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
ROLLING DRILLING BIT

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту шарошечного типа.
Известно буровое шарошечное долото, содержащее корпус с цапфами, на которых смонтированы посредством подшипников шарошки с породоразрушающими элементами, расположенными на венцах шарошек, при этом длина беговых дорожек шарошек больше длины зоны их контакта с телами качения (авт.св. СССР №739210, кл. Е21В 10/22, 1980 г.).
Недостатком данного долота является малая эффективность его работы при бурении по породам выше средней твердости из-за образования на забое «породной рейки». Это значительно снижает эффективность разрушения породы.
Кроме того, известно буровое шарошечное долото, содержащее корпус с цапфой, на которой посредством подшипников установлена шарошка с беговыми дорожками, длина которых больше длины зоны контакта с подшипниками, и узел принудительного перемещения шарошки вдоль оси цапфы, выполненный в виде взаимодействующих между собой зубчатых венцов, расположенных на обращенных один к другому торцах цапфы и шарошки (см. патент РФ №2393224, кл. Е21В 10/22, 2010 г.).
К недостаткам данного долота можно отнести низкую эффективность, связанную с недостаточной надежностью работы узла принудительного перемещения шарошки вдоль оси цапфы. Это связано со схемой размещения указанного узла у основания цапфы в непосредственной близости от подшипников качения, что снижает прочностные характеристики шарошки, которая именно в этой зоне подвергается наибольшим нагрузкам. Это в свою очередь связано с тем, что периферийная часть шарошки одновременно участвует как в калибровке стенок скважины, так и в разрушении забоя скважины, и именно это приводит к быстрому выходу из строя опоры, расположенной у основания цапфы.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, содержащее корпус с наклонной цапфой, выполненной с кольцевой проточкой в средней части, и установленную на цапфе посредством замковых пальцев и подшипников скольжения шарошку с беговыми дорожками, длина которых больше длины зоны контакта с подшипниками скольжения цапфы (см. авт.св. СССР №1458543, кл. Е21В 10/08, 1989 г.).
В этом долоте благодаря использованию в качестве замкового элемента специальных пальцев, жестко соединенных с шарошкой, концевые элементы которых размещены в кольцевой проточке цапфы, значительно повышена надежность опоры шарошечного долота. Однако данное долото также не лишено недостатков. Основным из них является высокая энергоемкость разрушения породы из-за возможности образования забойной «породной рейки», резко снижающей как проходку, так и скорость бурения.
В связи с изложенным технической результатом изобретения является повышение эффективности работы долота, особенно при бурении по породам средней твердости и твердым, разрушение которых связано с необходимостью приложения значительных осевых нагрузок и образованием «породной рейки».
Указанный технический результат достигается тем, что в шарошечном долоте, содержащем корпус с наклонной цапфой, выполненной с кольцевой проточкой в средней части, и установленную на цапфе посредством замковых пальцев и подшипников скольжения шарошку с беговыми дорожками, длина которых больше длины зоны контакта с подшипниками скольжения цапфы, согласно изобретению торцевая поверхность кольцевой проточки цапфы со стороны ее основания выполнена с радиальными пазами для взаимодействия с концевыми участками замковых пальцев, при этом длина дуги между замковыми пальцами соответствует длине дуги между радиальными пазами на торцевой поверхности кольцевой проточки цапфы, а глубина радиальных пазов не превышает радиуса концевых участков замковых пальцев.
Дополнительно достижению указанного технического результата способствует также и то, что замковые пальцы выполнены ступенчатой формы, при этом ступени большего диаметра оснащены износостойкими вставками.
На фиг.1 изображен общий вид шарошечного долота в продольном разрезе, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 - развертка по линии Б-Б на фиг.2, на фиг.4 - узел С на фиг.2 в увеличенном масштабе.
Шарошечное долото содержит корпус 1 с наклонной цапфой 2, выполненной в средней части с кольцевой проточкой 6. На цапфе 2 посредством замковых пальцев 5, торцевых 4 и радиальных 7 подшипников скольжения установлена шарошка 3 с радиальными беговыми дорожками, длина которых больше длины зоны контакта с подшипниками скольжения 7 цапфы 2. Торцевая поверхность кольцевой проточки 6 со стороны основания цапфы 2 выполнена с радиальными пазами 8, количество которых соответствует количеству замковых пальцев 5. Радиальные пазы 8 в поперечном сечении имеют дугообразную форму, боковые стенки которых взаимодействуют в процессе вращения долота с концевыми участками 9 замковых пальцев 5, причем глубина h пазов 8 не должна превышать радиуса r концевых участков 9 замковых пальцев 5. Это обеспечивает эффективное перемещение шарошки 3 вдоль оси цапфы 2, не подвергая значительной деформации как сами замковые пальцы 9, так и радиальные пазы 8. В таком выполнении радиальные пазы 8 и концевые участки 9 замковых пальцев 5 по существу создают узел для принудительного осевого перемещения шарошки 3 вдоль оси цапфы 2. При этом длина дуги α между замковыми пальцами 5 должна соответствовать длине дуги между радиальными пазами 8 на торцевой поверхности проточки 6, что гарантирует синхронность работы замковых пальцев 5 и снижает передаваемую на них нагрузки. Число замковых пальцев 5, а также глубина h радиальных пазов 8 зависит от диаметра долота и физико-механических свойств разбуриваемых пород. Все замковые пальцы 5 выполнены ступенчатой формы, при этом ступени их большего диаметра оснащены износостойкими вставками 10. Причем шаг как между замковыми пальцами 5, так и между замковыми пальцами 5 и породоразрушающими элементами 11 должен быть одинаковым. Это, с одной стороны, обеспечит заданную схему поражения забоя, а с другой стороны, и равномерность передачи нагрузки на породоразрушающие элементы 11 и износостойкие вставки 10. Это, с одной стороны, повышает надежность работы замковых пальцев 5 благодаря равномерному распределению нагрузки между ними, а с другой стороны, повышает и эффективность работы вооружения за счет равномерной загрузке рабочих элементов вооружения долота.
Принцип работы шарошечного долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы шарошек 3 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. При бурении по породам средней твердости и выше на забое часто образуются «породные рейки», резко снижающие скорость бурения и проходку на долото. В предложенном долоте благодаря созданию узла для принудительного осевого перемещения шарошки 3 вдоль оси цапфы 2 породоразрушающие элементы долота эффективно разрушают «рейку» и тем самым повышают эффективность его работы. При этом благодаря использованию для фиксации шарошки 3 на цапфе 2 замковых пальцев 5 создаются благоприятные условия для увеличения общей площади радиальных подшипников скольжения 7, расположенных у основания цапфы 2, что благоприятно сказывается и на работоспособности как опоры, так и долота в целом.
Таким образом, применение предложенного долота позволяет повысить скорость бурения и проходку на долото благодаря снижению энергоемкости процесса разрушения породы.