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 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, к повышению стоимости буровых работ. Кроме того, это требует использования более мощных нагнетательных агрегатов, т.к. часть гидравлической энергии тратится на привод указанных специальных ударных устройств, а это в свою очередь приводит к ухудшению очистки забоя от шлама и, как следствие, к уменьшению механической скорости бурения и проходки на долото.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота без применения дополнительных ударных устройств типа забойных пневмо- или гидроударников. В первую очередь это относится к долотам, предназначенным для бурения по породам средней твердости и твердым, разрушение которых связано с необходимостью приложения значительных осевых нагрузок.
Указанный технический результат достигается тем, что шарошечное долото, содержащее корпус с каналом для очистного агента и цапфой со сферическим торцом, на которой посредством замкового подшипника установлена шарошка с ответной торцу цапфы внутренней сферической поверхностью и породоразрушающими элементами на венцах, разделенных шламоотводящими пазами, согласно изобретению снабжено съемной втулкой с продольными пазами на наружной поверхности, установленной на цапфе и зафиксированной относительного нее от проворота, а шарошка выполнена с радиальными каналами, в которых с возможностью осевого перемещения размещены съемные породоразрушающие элементы, хвостовики которых в плоскости, параллельной оси цапфы, выполнены с выпуклым торцом и установлены с возможностью взаимодействия с наружной поверхностью съемной втулки.
Дополнительно достижению указанного технического результата способствует также и то, что:
- съемные породоразрушающие элементы в плоскости, перпендикулярной оси цапфы, 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 полуцилиндров.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид 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 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 наружной поверхностью съемной втулки 6, выполненной с продольными пазами 16, имеющими в поперечном сечении ответную выступам 15 хвостовиков 14 форму. Втулка 6 может быть выполнена как в виде отдельной детали, так и как одно целое с выпуклым торцом цапфы (см. фиг.1) и зафиксирована на цапфе 3 от проворота, что может быть достигнуто, например, путем шлицевого соединения втулки 6 с цапфой 3. Выпуклые торцы 15 хвостовиков съемных породоразрушающих элементов 13 предпочтительно выполнять в виде полуцилиндров. Для предохранения съемных породоразрушающих элементов 13 от выпадения габаритные размеры их выпуклых торцов 15 должны быть больше соответствующих диаметров радиальных каналов 12 шарошки 7. Съемные породоразрушающие элементы 13 в плоскости, перпендикулярной к оси цапфы 3, расположены в шарошке 7 под острым углом α к ее радиусу. При этом в долотах для бурения по мягким и средним породам вершина породоразрушающих элементов 13 направлена в сторону вращения долота + α, а в долотах для бурения по твердым породам - в противоположную сторону - α (см. фиг.2). Предусмотрен вариант установки съемных породоразрушающих элементов 13 только на венцах 9 шарошек 7, или только в шламоотводящих пазах 10. Возможен также комбинированный вариант размещения съемных породоразрушающих элементов 13, т.е. как в промывочных пазах 10, так и на венцах 9. Количество съемных породоразрушающих элементов 13 выбирается в зависимости от диаметра долота и физико-механических свойств разбуриваемых пород.
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 17 основными 11 и съемными породоразрушающими элементами 13. При вращении долота шарошка 7, перекатываясь по поверхности забоя, вращается в направлении, противоположном направлению вращения корпуса 1. При этом разрушенная порода выносится через шламоотводящие пазы 10 и кольцевую полость между стенками скважины и корпусом 1 на поверхность очистным агентом, подаваемым с поверхности через бурильную колонну и канал 2 в корпусе 1 долота. При вращении шарошки 7 съемные породоразрушающие элементы 13, перекатываясь выступами 15 хвостовиков 14 по наружной поверхности съемной втулки 6, совершают возвратно-поступательное движение. Причем при попадании выступа 15 хвостовика 14 съемных породоразрушающих элементов 13 на выступы втулки породоразрушающие элементы 13 наносят удар по породе, создавая зоны предразрушения. Эффект создания зон предразрушения увеличивается благодаря установке съемных породоразрушающих элементов 13 под положительным острым углом + α 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 - α, что обеспечивает лучшую сохранность породоразрушающих элементов 13 от скалывания при нанесении удара по породе. 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 продольные пазы 16 съемной втулки 6, и их рабочие головки утапливаются в радиальных каналах 12 шарошки 7 и не контактируют с поверхностью забоя. Это позволяет лучше охлаждать рабочие головки породоразрушающих элементов 13 и тем самым повысить срок их службы. 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.