БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ (ВАРИАНТЫ)
DRILL TOOL (VERSIONS)

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту преимущественно большого диаметра с твердосплавным или синтетическим алмазным вооружением.
Известен буровой инструмент, содержащий корпус с отверстиями, породоразрушающие зубки с рабочей головкой и ступенчатым хвостовиком, закрепленные в отверстиях корпуса посредством втулок, установленных между боковыми стенками отверстий и породоразрушающих зубков (авт.св. СССР №1033691, кл. Е21В 10/16, 1982 г.).
Недостатком данного инструмента является малая эффективность его работы при разбуривании пород со слабо выраженной хрупкостью. Это связано с использованием зубков со сферической рабочей головкой, которые успешно работают по крепким и хрупким породам. Использование же зубков с рабочей головкой асимметричной формы или с клиновидной режущей кромкой в предложенном буровом инструменте не может дать положительного эффекта из-за отсутствия узла фиксации зубка от проворота. Последнее связано с тем, что на зубки с асимметричной или клиновидной рабочей головкой постоянно действуют усилия, стремящиеся развернуть рабочую головку зубков таким образом, чтобы их режущая кромка занимала положение, перпендикулярное направлению вращения породоразрушающего инструмента. В то же время известно, что проворот зубков снижает надежность их крепления и, как следствие этого, ведет к выпадению зубков, что снижает проходку и механическую скорость бурения. Кроме того, оставление зубков на забое скважины требует проведения дополнительных материальных и трудовых затрат на очистку забоя, причем эти затраты резко увеличиваются с ростом глубины скважины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является буровой инструмент, содержащий полый корпус с отверстиями, породоразрушающие зубки с рабочей головкой и хвостовиком, закрепленные в отверстиях корпуса посредством втулок, установленных между боковыми стенками отверстий и породоразрушающих зубков (патент РФ №2279524, Е21В 10/16, 2006 г.).
В указанном патенте решен вопрос о предотвращении проворота зубков путем использования специальных фиксаторов. Однако использование специальных фиксаторов и двух втулок для каждого породоразрушающего зубка ведет к удорожанию бурового инструмента в целом из-за усложнения его конструкции. Кроме того, в известном буровом инструменте не полностью решен вопрос о надежности фиксации зубков от выпадения. Другим недостатком известного бурового инструмента является то, что при использовании в качестве породоразрушающих зубков алмазно-твердосплавных пластин (АТП) эффективность их работы существенно снижается из-за не качественной очистки забоя от шлама и плохого охлаждения АТП, что оказывает значительное влияние на их работоспособность.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и снижение стоимости бурового инструмента при одновременном повышении эффективности его работы при использовании в качестве породоразрушающих зубков, оснащенных АТП.
Поставленный технический результат по первому варианту достигается тем, что в буровом инструменте, содержащем полый корпус с промывочными каналами и отверстиями, породоразрушающие зубки с рабочей головкой и хвостовиком, каждый из которых закреплен в отверстии корпуса посредством втулки, установленной между боковыми стенками отверстия и породоразрушающим зубком, согласно изобретению при использовании породоразрушающих зубков в виде АТП их рабочие головки выполнены большого диаметра по сравнению с диаметром хвостовика, втулки выполнены с конической внутренней поверхностью и продольным разрезом и установлены на хвостовике породоразрушающих зубков с возможностью взаимодействия с нижним торцом рабочей головки и возможностью ограниченного осевого перемещения, при этом наружная поверхность хвостовика имеет коническую форму, соответствующую конической поверхности отверстия втулки, а продольный разрез втулки расположен в плоскости рабочей поверхности АТП и сообщен промывочными каналами с полостью корпуса через кольцевую расточку, образованную между дном отверстия и нижним торцом втулки.
По второму варианту указанный технический результат достигается тем, что в буровом инструменте, содержащем полый корпус с промывочными каналами и отверстиями, породоразрушающие зубки с рабочей головкой и хвостовиком, каждый из которых закреплен в отверстии корпуса посредством втулки, установленной между боковыми стенками отверстия и породоразрушающим зубком, согласно изобретению при использовании породоразрушающих зубков в виде АТП их рабочие головки выполнены большого диаметра по сравнению с диаметром хвостовика, втулки выполнены с конической наружной поверхностью и продольным разрезом и установлены на хвостовике породоразрушающих зубков с возможностью взаимодействия с нижним торцом рабочей головки, при этом боковые стенки отверстий в корпусе имеют коническую форму, соответствующую наружной конической поверхности втулки, а продольный разрез втулки расположен в плоскости рабочей поверхности АТП и сообщен промывочными каналами с полостью корпуса через кольцевую расточку, образованную между дном отверстия и нижним торцом втулки.
Дополнительно достижению указанного технического результата способствует также и то, что входная часть отверстий в корпусе и рабочие головки резцов выполнены с ответными плоскими гранями.
На фиг.1 изображен общий вид бурового инструмента, на фиг.2 - фрагмент бурового инструмента в соответствии с вариантом 1; на фиг.3 - то же по второму варианту выполнения бурового инструмента.
Буровой инструмент содержит полый корпус 1 с глухими отверстиями 2, в которых установлены породоразрушающие зубки 4 с рабочей головкой 3 в виде АТП и хвостовиком 5. Каждый из зубков 3 закреплен в отверстии 2 корпуса 1 посредством втулки 6, установленной между боковыми стенками отверстия 2 и хвостовиком 5 породоразрушающего зубка 4. Рабочая головка 3 породоразрушающего зубка 4 выполнена с большим диаметром по сравнению с диаметром хвостовика 5 и в процессе работы постоянно контактирует с верхним торцом втулки 6. Последняя выполнена по всей длине с продольным разрезом 7, который расположен в плоскости рабочей грани АТП и сообщен промывочными каналами 8 с полостью 12 корпуса 1 через кольцевую расточку 9, образованную между дном отверстия 2 и нижним торцом втулки 6. По одному из вариантов наружная поверхность хвостовика 5 имеет коническую форму, соответствующую конической поверхности отверстия 2 втулки 6 (см. фиг.3). В этом случае наружная поверхность втулки 6 и контактирующая с ней боковая поверхность отверстия 2 корпуса 1 имеют цилиндрическую форму. По другому варианту хвостовик 5 породоразрушающего зубка 3 имеет цилиндрическую форму, как и контактирующая с ней внутренняя поверхность втулки 6. В этом случае наружная поверхность втулки 6 и боковая поверхность отверстия 2 корпуса 1 имеют ответную коническую форму (см. фиг.2). Входная часть глухих отверстий 2 в корпусе 1 и рабочие головки 3 породоразрушающих зубков 4 имеют ответные плоские грани 10 и 11 и выполняются преимущественно на противоположной стороне относительно рабочей грани АТП. Эти грани образуют опорную поверхность, воспринимающую крутящий момент, действующий на АТП и стремящийся развернуть рабочую грань АТП таким образом, чтобы она располагалась тангенциально к направлению вращения бурового инструмента, т.е. в таком положении, когда рабочая грань АТП оказывает минимальное сопротивление вращению бурового инструмента. Для повышения надежности передачи осевой нагрузки от рабочей головки 4 зубка 3 на втулку 6 контактирующая поверхность их выполняется в виде конуса 12. Кроме того, это позволяет исключить скол рабочей головки 4 породоразрушающего зубка 3, который выполняется, как правило, из твердого сплава, имеющего незначительную прочность на изгиб. В обоих вариантах выполнения бурового инструмента нижний торец втулки 6 устанавливается с зазором относительно дна отверстия 2 и втулка имеет возможность осевого перемещения под действием осевой нагрузки, действующей на породоразрушающий зубок.
Принцип работы бурового инструмента заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие зубки 4 внедряются в породу и разрушают ее. Разрушенная порода выносится с забоя промывочной жидкостью или сжатым воздухом, обеспечивая работу породоразрушающих зубков 4 по чистому забою, что значительно повышает эффективность их работы. При этом очистной агент (промывочная жидкость) подается на забой скважины через промывочные каналы 8, кольцевую полость 9 и продольный разрез 7 втулки 6. Кольцевая полость 9 обеспечивает подачу очистного агента в продольный разрез 7 при любой схеме расположения режущих кромок АТП. В то же время режущие кромки АТП должны быть всегда строго ориентированы относительно продольного паза 7 втулки 6 для обеспечения постоянной подачи очистного агента в зону контакта режущей кромки АТП с породой. В процессе работы осевая нагрузка, действующая на породоразрушающий зубок 3, передается через его рабочую головку 4 на разрезную втулку 6, которая находится в постоянном контакте с породоразрушающим зубком 3. При этом благодаря выполнению втулки 6 с продольным разрезом 7 по всей ее длине она имеет возможность радиального и осевого перемещения. Это позволяет выбрать образующийся под действием осевых нагрузок зазор между боковыми стенками отверстий 2 и втулок 6, а также между породоразрушающим зубком 3 и втулкой 6 благодаря конической форме выполнения их контактирующих поверхностей. Тем самым достигается плотный обхват хвостовика 5 разрезной втулкой 6 и надежная фиксация породоразрушающего зубка 4 от выпадения.
Таким образом, применение предложенного бурового инструмента позволит повысить его стойкость и эффективность разрушения породы за счет более надежной фиксации зубков инструмента от выпадения и упростить его конструкцию и тем самым снизить себестоимость буровых работ.