Повышение эффективности работы инструмента для разрушения пород за счет надежности крепления зубков

Бурoвoе шарoшечнoе дoлoтo

Автoры: Смирнoв Вячеcлав Геннадьевич, Смирнoв Игoрь Вячеcлавoвич, Кремилев Виталий Игoревич, Панин Никoлай Митрoфанoвич

Изoбретение oтнocитcя к пoродоразрушающему инcтрументу, а именно к буровым трехшарошечным долотам, преимущеcтвенно малого диаметра. В результате повышаетcя надежноcть крепления зубков, это должно привеcти к повышению механичеcкой cкороcти бурения. Это долото имеет лапы c наклонными цапфами; поcредcтвом замкового подшипника на них уcтановлены шарошки c твердоcплавными зубками. Между зубками на корпуcе шарошки имеютcя выемки. Эти выемки находятся с набегающей стороны зубков на расстоянии s, которое определяется по математической формуле. Оси симметрии выемок и оси зубков на периферийных венцах находятся в одной плоскости. Эта плоскость проходит перпендикулярно к оси шарошки. При этом на венцах основного конуса линия, соединяющая ось симметрии выемки с осью сзади расположенного зубка, образует с плоскостью, проходящей перпендикулярно к оси шарошки, угол , определяемый по математическому выражению. Ось симметрии выемок смещена относительно плоскости, проходящей через оси зубков соответствующего венца в сторону оси долота. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Известно буровое шарошечное долото, включающее корпус и закрепленные на цапфах лап конусные шарошки с твердосплавными зубками с ребристыми боковыми поверхностями (см. патент США 3389761, кл. 175-374, 1968 г.).

Недостатком этого долота является значительная стоимость, связанная со сложностью технологии изготовления твердосплавных зубков с ребристыми боковыми поверхностями. Именно по этой причине долота с подобным вооружением не нашли широкого применения в практике бурения.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами, на которых посредством подшипников установлены шарошки с твердосплавными зубками, между которыми на корпусе шарошки выполнены выемки (см. патент США 3599737, кл. 175-374, 1971 г.).

Данное долото нашло более широкое применение. Однако оно также не лишено определенных недостатков, к которым следует, в первую очередь, отнести необходимость выполнения специальных пазов на наружной поверхности зубков и точного совмещения выемок с пазами для повышения надежности крепления зубков. Это усложняет технологию изготовления как зубков, так и всего долота в целом, что, в свою очередь, ведет к росту стоимости буровых работ.

Другим недостатком данного долота является неоптимальная схема расположения выемок, а также форма их выполнения, на основных конусах шарошек, что имеет особо важное значение для долот малого диаметра (59-93) мм. Это снижает надежность крепления зубков и как следствие этого - уменьшает проходку и скорость бурения.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота за счет повышения надежности крепления зубков и снижение его, а также затрат на проведение буровых работ.

Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем лапы с наклонными цапфами, на которых посредством подшипников установлены шарошки с твердосплавными зубками, между которыми на корпусе шарошки выполнены выемки, согласно изобретению, выемки расположены с набегающей стороны зубков на расстоянии s, равном (0.1-0.3)d₃, где d₃ - диаметр твердосплавных зубков соответствующего венца, мм, причем оси выемок на периферийном ряду расположены с осями зубков в одной плоскости, проходящей перпендикулярно к оси шарошки, а на венцах основного конуса оси выемок смещены относительно осей зубков в сторону оси долота на угол =k⁰, где k - коэффициент пропорциональности, равный (0.9-1.1), ⁰ - угол наклона зубков основного конуса к оси долота.

Достижению указанного технического результата способствует также и то, что глубина h и ширина b выемки определяются по формуле: h=b=(0.1-0.5)d₃, причем выемка в поперечном сечении имеет форму сегмента, хорда которого обращена к зубку.

Изобретение поясняется чертежом, на котором на фиг.1 представлен общий вид долота, а на фиг.2 - схема развертки зубков периферийного ряда; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.4 - схема развертки зубков на венцах основного конуса и на фиг.5 - разрез В-В на фиг.4.

Буровое шарошечное долото содержит корпус 1 с наклонными цапфами 2, на которых посредством замкового шарикового подшипника качения 3 установлены конические шарошки 4 с твердосплавным вооружением. Периферийные венцы шарошек 4 армированы твердосплавными зубками 6, а венцы основного конуса шарошек - зубками 7. Перед каждым твердосплавным зубком 6 и 7 по ходу вращения выполнены выемки 5, которые располагают от них на расстоянии s, равном (0.1-0.3)d₃, где d₃ - диаметр твердосплавных зубков соответствующего венца, мм, причем оси симметрии выемок на периферийном ряду расположены с осями зубков 6 в одной плоскости, проходящей перпендикулярно к оси шарошки 4, а на венцах основного конуса оси симметрии выемок 5 смещены в плане относительно осей зубков 7 соответствующего венца в сторону оси долота на угол =k⁰, где k - коэффициент пропорциональности, равный (0.9-1.1), ⁰ - угол наклона зубков 7 основного конуса к оси долота.

Повышению надежности крепления твердосплавных зубков способствует также и то, что глубина h и ширина b выемки выполняются равными и определяются по формуле: h=b=(0.1-0.5)d₃, причем выемки 5 в поперечном сечении имеют форму сегмента (см. фиг.2 и 4), хорда 8 которого обращена к зубку.

Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы шарошек 4 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. В процессе бурения усилие со стороны забоя и стенок скважины воспринимается породоразрушающими зубками 5, 6 и 7, которые под действием сил реакции расшатываются, что может привести к их выпадению. При этом в наиболее благоприятном положении оказываются зубки, ось симметрии которых расположены перпендикулярно оси шарошки 4, т.к. в этом случае отсутствуют изгибающие нагрузки. Именно эти нагрузки являются основной причиной смятия стенок отверстий под твердосплавные зубки и как следствие этого - причиной их выпадения. Именно поэтому в заявленном долоте выемки на основных конусах шарошек смещены вдоль оси шарошки на определенную величину относительно зубков того же венца, определяемую по предложенной выше формуле с учетом угла наклона зубков к плоскости забоя.

Такое выполнение долота обеспечивает оптимальные условия для работы вооружения его шарошек, что способствует увеличению срока службы как самих зубков, так и всего долота в целом, а следовательно, и повышению проходки и скорости бурения, а следовательно, и снижению себестоимости буровых работ.