Буровое долото режуще-вращательного типа

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения взрывных скважин на карьерах и шахтах, а также для проходки технологических скважин. Повышает эффективность работы долота и расширяет область рационального применения в крепких, сложноструктурных породах с различными физико-механическими свойствами и закарстованных массивах. Долото содержит корпус с ребрами, закрепленные в ребрах посредством шлицевых соединений оси и эксцентриковые втулки, на которых установлены зубчато-дисковые шарошки. Внешние поверхности эксцентриковых втулок выполнены под углом наклона к оси α, обеспечивающим расположение на них зубчато-дисковых шарошек под углами наклона к вертикальной плоскости α_в и горизонтальной плоскости α_г забоя скважины, с возможностью их изменения в зависимости от физико-механических свойств буримых пород. Соотношение углов отвечает условию α=α_в+α_г, при этом угол между боковыми гранями зубчато-дисковых шарошек α_б=2α. Шарошки имеют продольные пазы с сечением трапециевидной формы у основания, в которые установлены с чередованием твердосплавные зубья и промежуточные секции, имеющие аналогичную трапециевидную форму сечений своих оснований, причем количество твердосплавных зубьев N определяют в зависимости от крепости буримых пород f по выражению , где D_ш - диаметр зубчато-дисковой шарошки, D_з - диаметр рабочей части твердосплавного зуба. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для бурения взрывных скважин на карьерах и шахтах, а также для проходки технологических скважин.

Известны буровые долота с вращающимися резцами для угольных разрезов, содержащие корпус, сменные вращающиеся резцы и опоры скольжения (Буткин В.Д., Телешов А.С., Брюхов Е.Ф. Буровые долота с вращающимися резцами для разрезов. М., ЦНИЭИуголь, 1976, с.8, рис.1 и с.11, рис.2). Недостатки таких долот: вращающиеся резцы закреплены в ребрах корпуса на опорах скольжения таким образом, что ось вращения перпендикулярна диаметральной плоскости долота, и при бурении сложноструктурных пород, содержащих абразивные и крепкие включения (с коэффициентом крепости f=8-10), вооружение вращающихся резцов преждевременно выходит из строя вследствие скалывания твердосплавных зубьев из-за повышенных моментов вращения и усилия резания, действующих на резцы. Кроме того, вращающиеся резцы армируют одинаковым количеством твердосплавных зубьев для пород различной крепости, что приводит также к их преждевременному износу. Отмеченные недостатки ограничивают применение указанных долот в сложноструктурных породах.

Известно буровое долото, состоящее из корпуса, в пазах которого расположены породоразрушающие диски с возможностью изменения их наклона от 0 до 20° в зависимости от физико-механических свойств разрушаемых пород (Чесноков В.Т., Буткин В.Д., Гилев А.В. и др. Способ вторичного использования буровых долот. Патент №2149974. Опубл. 27.05.2000. Б.И. №15).

К недостаткам этого долота следует отнести отсутствие возможности регулирования угла наклона породоразрушающих дисков при его эксплуатации. В процессе реставрации бурового инструмента породоразрушающие диски устанавливают в пазы корпуса с фиксированным углом наклона в горизонтальной плоскости, без учета изменения физико-механических свойств горных пород в пределах блока или уступа. В вертикальной плоскости изменение угла породоразрушающих дисков невозможно, что не позволяет уменьшить нагрузки, действующие на вооружение, особенно при силовых режимах бурения горных пород со сложной структурой. Кроме того, породоразрушающие диски имеют прямоугольное поперечное сечение, что приводит к их заклиниванию при бурении скважин в закарстованных массивах с наличием влажной и вязкой глины вследствие невозможности интенсивной очистки долота из-за малого зазора между боковыми гранями породоразрушающих дисков и ребрами корпуса.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятое за прототип буровое долото, содержащее корпус с ребрами, закрепленные в ребрах посредством шлицевых соединений оси и эксцентриковые втулки, на которых установлены зубчато-дисковые шарошки (Гилев А.В., Буткин В.Д. и др. Буровое долото режущего типа. Патент №2081989. Опубл. 20.06.1997. Б.И. №17).

Основной недостаток прототипа заключается в том, что изменение угла наклона зубчато-дисковых шарошек и количества установленных на них твердосплавных зубьев в зависимости от изменения физико-механических свойств буримых пород невозможно, что снижает стойкость долота и ограничивает область его применения в крепких, сложноструктурных породах и закарстованных массивах.

Основными задачами изобретения являются: повышение эффективности работы долота и расширение области рационального применения в крепких, сложноструктурных породах с различными физико-механическими свойствами и закарстованных массивах за счет оптимизации его конструктивных и кинематических параметров, режимов процесса бурения, повышения интенсивности очистки скважины от бурового шлама и увеличения стойкости вооружения.

Поставленные задачи достигаются тем, что в буровом долоте режуще-вращательного типа, содержащем корпус с ребрами, закрепленные в ребрах посредствам шлицевых соединений оси и эксцентриковые втулки, на которых установлены зубчато-дисковые шарошки, внешние поверхности эксцентриковых втулок выполнены под углом наклона α к оси, обеспечивающим расположение на них зубчато-дисковых шарошек под углами наклона α_в к вертикальной плоскости и α_г к горизонтальной плоскости забоя скважины, с возможностью их изменения в зависимости от физико-механических свойств буримых пород, причем соотношение углов отвечает условию α=α_в+α_г, при этом угол между боковыми гранями зубчато-дисковых шарошек α_б=2α, а зубчато-дисковые шарошки имеют продольные пазы с сечением трапециевидной формы у основания, в которые установлены с чередованием твердосплавные зубья и промежуточные секции, имеющие аналогичную трапециевидную форму сечений своих оснований, причем количество твердосплавных зубьев N определяют в зависимости от крепости буримых пород f по выражению где D_ш - диаметр зубчато-дисковой шарошки, D_з - диаметр рабочей части твердосплавного зуба; кроме того, при бурении горных пород с пневматической очисткой скважин от бурового шлама его конструктивные параметры отвечают условию

, где S_d - площадь поперечного сечения долота, перекрывающего площадь сечения скважины S_c; D_k - диаметр корпуса; D_c - диаметр скважины; k=1,2-1,3 - коэффициент, учитывающий наличие в корпусе продувочных окон; h и β - соответственно ширина и число зубчато-дисковых шарошек, установленных на долоте, причем для удаления налипающей породы при бурении скважин в закарстованных массивах в корпусе выполнены продувочные каналы, обеспечивающие подачу высокоскоростных струй сжатого воздуха непосредственно в рабочую зону зубчато-дисковых шарошек.

Причинно-следственная связь существенных признаков, характеризующих данное изобретение, с достигаемыми техническими и технологическими результатами заключается в следующем.

Устойчивый режим работы зубчато-дисковых шарошек, т.е. работа без заклинивания, обеспечивается при соблюдении следующего условия: М_ш>М_m, где М_ш - момент, вращающий зубчато-дисковую шарошку вокруг своей оси; М_m - суммарный момент трения, противодействующий моменту М_ш. Установка зубчато-дисковых шарошек на эксцентриковых втулках с углом наклона в вертикальной плоскости оптимизирует конструктивные и кинематические параметры долота и, как отличительный признак предлагаемого устройства, снижает усилие резания, а следовательно, и момент М_m. Поскольку М_m увеличивается с повышением крепости буримых пород, то это увеличение компенсируется его снижением за счет установки зубчато-дисковых шарошек с углом наклона в вертикальной плоскости забоя скважины. При этом оптимизируются режимы процесса бурения: сохраняется устойчивый режим работы зубчато-дисковых шарошек, появляется возможность увеличить осевое усилие на долото и разрушать породу в силовом режиме, что повышает глубину внедрения зубчато-дисковых шарошек в породу и увеличивает скорость бурения скважины.

Оптимизация конструктивных и кинематических параметров, заключающаяся в установке зубчато-дисковых шарошек с углом наклона в горизонтальной плоскости забоя скважины, как отличительный признак заявляемого устройства позволяет изменять угол резания твердосплавных зубьев при бурении пород различной крепости и, тем самым, оптимизировать режимы процесса бурения, а также снизить момент вращения зубчато-дисковых шарошек вокруг оси долота; при этом снижается энергоемкость процесса разрушения породы. Углы наклона зависят от крепости буримых пород, причем с увеличением крепости вертикальный угол наклона α_в увеличивается, а горизонтальный угол α_г уменьшается, при этом сумма их остается равной углу наклона внешних поверхностей эксцентриковых втулок к осям α=α_в+α_г, что обусловлено конструктивными и кинематическими параметрами заявляемого долота.

С изменением углов наклона α_в и α_г, в зависимости от крепости буримых пород, на зубчато-дисковые шарошки устанавливают твердосплавные зубья с соответствующими углами заострения рабочих частей. Для некрепких пород применяют твердосплавные зубья с более острыми углами заострения, чем при бурении крепких пород. С повышением крепости буримых пород углы заострения увеличивают. Таким образом, отличительный признак заявляемого долота, заключающийся в установке твердосплавных зубьев с углами заострения их рабочих частей, соответствующими крепости буримых пород и углам наклона зубчато-дисковых шарошек к забою скважины, повышает срок службы вооружения бурового инструмента.

Для эффективной очистки и предотвращения заклинивания при бурении скважин в закарстованных массивах в качестве отличительного признака зубчато-дисковые шарошки имеют конусную форму сечения, причем угол между их боковыми гранями α_б=2α. Это соотношение объясняется тем, что при α_б>2α зубчато-дисковые шарошки заклиниваются в пазах корпуса, а при α_б<2α происходит интенсивный износ боковых граней и защитных шайб вследствие высоких контактных нагрузок при бурении.

Продольные пазы, имеющиеся на зубчато-дисковых шарошках, как отличительный признак заявляемого устройства позволяют, во-первых, осуществлять механическое крепление твердосплавных зубьев, что устраняет проблему их извлечения после отработки долота своего срока службы, во-вторых, применять твердосплавные зубья с различной геометрией и разными размерами рабочих поверхностей при бурении горных пород с широким диапазоном изменения физико-механических свойств, в-третьих, размещать разное количество твердосплавных зубьев в зависимости от крепости буримых пород.

Оптимизация конструктивных параметров долота (диаметра корпуса, ширины и числа зубчато-дисковых шарошек) как отличительный признак заявляемого долота обеспечивает эффективное удаление бурового шлама из скважины. Это достигается при условии отношения площадей поперечного сечения долота и сечения скважины, равного S_д/S_с=0,5-0,65. При отношении S_д/S_c<0,5 скорость потока сжатого воздуха становится меньше критической, и процесс очистки скважины от бурового шлама оказывается неэффективным. При S_д>0,65 возрастает стесненность движения потока бурового шлама в призабойной зоне, что может привести к значительному ухудшению очистки забоя, особенно при бурении скважин во влажных и закарстованных массивах, содержащих глинистые включения.

Для повышения эффективности очистки скважин в указанных породах предусмотрены продувочные каналы, обеспечивающие подачу высокоскоростных струй сжатого воздуха непосредственно в рабочую зону зубчато-дисковых шарошек. Эта отличительная особенность позволяет интенсифицировать процесс очистки скважины и, тем самым, повысить стойкость долота.

Таким образом, совокупность новых существенных решений расширяет технические и технологические возможности долота и процесса бурения в крепких, сложноструктурных породах и закарстованных массивах за счет оптимизации его конструктивных и кинематических параметров, определяющих рациональные режимы процесса бурения, углов установки зубчато-дисковых шарошек в корпусе относительно забоя скважины, совершенствования их оснащения твердосплавными зубьями, число которых определяется в зависимости от крепости буримых пород, а также за счет повышения интенсивности очистки скважины от бурового шлама и повышения стойкости вооружения. Этими новыми решениями, в конечном итоге, достигаются поставленные задачи.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено:

на фиг.1 - расположение зубчато-дисковых шарошек в корпусе под углом наклона в горизонтальной плоскости забоя скважины;

на фиг.2 - расположение зубчато-дисковой шарошки в корпусе под углом наклона в вертикальной плоскости забоя скважины (разрез А-А фиг.1);

на фиг.3 - расположение элементов вооружения на зубчато-дисковой шарошке;

на фиг.4 - разрез Б-Б фиг.3;

на фиг.5 - расположение эксцентриковой втулки на оси при установке зубчато-дисковой шарошки под углом наклона в вертикальной плоскости забоя скважины (разрез В-В фиг.2);

на фиг.6 - расположение эксцентриковой втулки на оси при установке зубчато-дисковой шарошки под углом наклона в горизонтальной плоскости забоя скважины (разрез В-В фиг.2).

Буровое долото режуще-вращательного типа содержит (фиг.1 и 2) корпус 1 с ребрами 2, в которых расположены зубчато-дисковые шарошки 3, оснащенные твердосплавными зубьями 4 и установленные на эксцентриковых втулках 5, посаженных на оси 6. Между боковыми гранями зубчато-дисковых шарошек 3 и ребер 2 на осях 6 расположены защитные шайбы 7. В корпусе 1 выполнены центральное продувочное отверстие 8 и продувочные каналы 9. Зубчато-дисковые шарошки 3 имеют продольные пазы 10 (фиг.3 и 4) с сечением трапециевидной формы у основания 11, в которых установлены твердосплавные зубья 4 и промежуточные секции 12. Продольный паз 10 оснащен загрузочным окном 13, перекрываемым клином 14. Эксцентриковые втулки 5 установлены на осях 6 посредством шлицевых соединений 15 (фиг.5) и имеют выполненные с углом наклона к этим осям внешние поверхности 16 (фиг.6).

Способ использования предлагаемого долота заключается в следующем. Углы наклона зубчато-дисковых шарошек 3 в вертикальной плоскости α_в (фиг.2) и горизонтальной плоскости α_г (фиг.1) забоя скважины выбирают в зависимости от коэффициента крепости буримых пород f, который определяет глубину внедрения долота h в породу за один оборот, а следовательно, и скорость проходки, зависящую от режимов бурения - осевого усилия, частоты вращения и условий очистки скважины от бурового шлама. С учетом принятых режимов бурения рациональные значения углов наклона зубчато-дисковых шарошек к забою скважины выбирают по таблице 1.

Таблица 1 Рациональные значения углов наклона зубчато-дисковых шарошек
f	10-8	8-6	6-4	4-2
h, мм/об	5-10	10-15	15-20	20-25
αг, град	0-2	6-8	8-10	10-12
αв, град	10-12	4-6	2-4	0-2
α, град	10-14	10-14	10-14	10-14
Номер положения эксцентриковой втулки	1	2	3	4

Перед бурением скважины необходимые углы наклона зубчато-дисковых шарошек 3 устанавливают с помощью шлицевых соединений 15 эксцентриковых втулок 5, придавая им соответствующее положение путем перемещения на шлицах осей 6. Номер положения эксцентриковой втулки 5 соответствует определенному значению коэффициента крепости буримых пород и принимается по таблице 1. Например, для бурового долота диаметром 244,5 мм (ДЗДШ-244,5) положение 1 эксцентриковой втулки 5 (фиг.5) соответствует α_в=α=(10-14)°, при а_г=(0-2)°. В таком положении зубчато-дисковые шарошки 3 имеют максимальный угол наклона в вертикальной плоскости забоя скважины (фиг.2). Положение 4 эксцентриковой втулки 5 соответствует α_г=α=(10-14)°, при α=(0-2)° (фиг.6). В таком положении зубчато-дисковые шарошки 3 имеют максимальный угол наклона в горизонтальной плоскости забоя скважины (фиг.1). Перед сборкой долота в продольные пазы 10 зубчато-дисковых шарошек 3 устанавливают с чередованием твердосплавные зубья 4 и промежуточные секции 12 через загрузочное окно 13 (фиг.3). Количество твердосплавных зубьев 4 выбирают в зависимости от диаметра их рабочей части и диаметра долота, который определяет диаметр зубчато-дисковых шарошек 3, а также от крепости буримых пород. Так, например, для долота диаметром Д_д=244,5 мм (ДЗДШ-244,5) с диаметром зубчато-дисковых шарошек Д_ш=110 мм оптимальное число N твердосплавных зубьев 4, диаметр рабочей части которых Д_з=10 мм, имеет следующие значения (таблица 2).

Таблица 2 Оптимальное число твердосплавных зубьев для долота ДЗДШ-244,5
f	10-8	8-6	6-4	4-2
N	16	13	11	10

После установки полного комплекта твердосплавных зубьев 4 и промежуточных секций 12 в продольные пазы 10 зубчато-дисковых шарошек 3 загрузочное окно 13 перекрывают клином 14 (фиг.4), который закрепляют к корпусу зубчато-дисковых шарошек 3 с помощью пайки. Разборку элементов вооружения (твердосплавных зубьев 4 и промежуточных секций 12) зубчато-дисковых шарошек 3 осуществляют в обратной последовательности. В процессе работы твердосплавные зубья 4 и промежуточные секции 12 за счет трапециевидных форм сечений своих оснований удерживаются от выпадения из продольных пазов 10, основания 11 которых выполнены с аналогичной трапециевидной формой сечения (фиг.4). Для конкретного числа твердосплавных зубьев 4 имеется отдельный комплект промежуточных секций 12 со своими размерами. При этом твердосплавные зубья 4 могут выполняться с различными размерами, в зависимости от физико-механических свойств буримых пород, в том числе и разными углами заострения δ. Например, для мягких пород (f=4-2) угол заострения δ₁=(35-40)°, а для крепких пород (f=8-10) угол заострения δ₂=(85-90)° (фиг.4).

При бурении скважин в закарстованных массивах с наличием влажных глин в центральное продувочное отверстие 8 (фиг.1) долота вставляют насадку (не показана) с меньшим сечением продувочного отверстия. При этом количество сжатого воздуха распределяется по продувочным каналам 9 (фиг.1 и 2) со значительным повышением его скорости, что обеспечивает эффективную очистку рабочей поверхности зубчато-дисковых шарошек 3, защитных шайб 7, пазов между ребрами 2 корпуса 1 и забоя скважины. Защитные шайбы 7 установлены на осях 6 посредством шлицевых соединений 15. Они не вращаются и предохраняют внутренние поверхности ребер 2 корпуса 1 от преждевременного изнашивания.

Механическое крепление твердосплавных зубьев 4 на зубчато-дисковых шарошках 3 позволяет быстро и без дополнительных затрат осуществлять их извлечение. Изношенные твердосплавные зубья 4 отправляют на переработку, а пригодные к дальнейшей эксплуатации - на повторное использование. Тем самым экономятся расходы на дорогие металлокерамические твердые сплавы.

Следует отметить, что для каждого твердосплавного зуба 4 при вращении зубчато-дисковой шарошки 3 вокруг своей оси знаки и величины углов наклона α_в и α_г изменяются. Так, при перемещении в вертикальной плоскости для каждого твердосплавного зуба 4 угол наклона α_в изменяется от +α_в (твердосплавный зуб 4 находится в нижнем положении) до -α_в (твердосплавный зуб 4 находится в верхнем положении) (фиг.2). При перемещении в горизонтальной плоскости для каждого твердосплавного зуба 4 угол наклона α_г изменяется от +α_г (в периферийной части забоя скважины) до -α_г (в центральной части забоя скважины) (фиг.1). Таким образом, твердосплавный зуб 4, совершая сложную траекторию движения, разрушает породу в забое скважины с постоянно изменяющимся углом резания. Кроме того, углы наклона α_в и α_г могут быть не только положительными, когда зубчато-дисковые шарошки 3 имеют наклон в сторону направления их вращения вокруг вертикальной оси долота, но и отрицательными, когда зубчато-дисковые шарошки 3 имеют наклон в противоположную сторону по отношению к направлению их вращения вокруг вертикальной оси долота. В этом случае эксцентриковые втулки 5 на осях 6 устанавливают таким образом, что центры окружностей их боковых поверхностей располагаются в обратной последовательности, указанной на фиг.5 и 6, а именно: т. 0₂ - в верхней части (отрицательный вертикальный угол α_в, положение 1) и т. 0₂ - слева (отрицательный горизонтальный угол α_г, положение 4). Таким образом, величины углов наклона α_в и α_г зубчато-дисковых шарошек 3 к забою скважины могут быть удвоены. Указанные кинематические параметры заявляемого долота также расширяют его технические и технологические возможности.

Таким образом, конструктивные и кинематические параметры заявляемого бурового долота обеспечивают расширение технической и технологической областей его применения и позволяют осуществлять эффективное бурение скважин в крепких, сложноструктурных породах с различными физико-механическими свойствами и в закарстованных массивах.

1. Буровое долото режуще-вращательного типа, содержащее корпус с ребрами, закрепленные в ребрах посредством шлицевых соединений оси и эксцентриковые втулки, на которых установлены зубчато-дисковые шарошки, отличающееся тем, что внешние поверхности эксцентриковых втулок выполнены с углом наклона α к оси, обеспечивающим расположение на них зубчато-дисковых шарошек под углами наклона α_в к вертикальной плоскости и α_г горизонтальной плоскости забоя скважины, с возможностью их изменения в зависимости от физико-механических свойств буримых пород, причем соотношение углов отвечает условию α= α_в+α_г, при этом угол между боковыми гранями зубчато-дисковых шарошек α_в=2α.

2. Долото по п.1, отличающееся тем, что зубчато-дисковые шарошки имеют продольные пазы с сечением трапециевидной формы у основания, в которые установлены с чередованием твердосплавные зубья, и промежуточные секции, имеющие аналогичную трапециевидную форму сечений своих оснований, причем количество твердосплавных зубьев N определяют в зависимости от крепости буримых пород по выражению

где D_ш - диаметр зубчато-дисковой шарошки;

D_з - диаметр рабочей части твердосплавного зуба;

f - коэффициент крепости породы.

3. Долото по п.1, отличающееся тем, что при бурении горных пород с пневматической очисткой скважин от бурового шлама его конструктивные параметры отвечают условию

где S_d - площадь поперечного сечения долота, перекрывающего площадь сечения скважины S_c,

D_k - диаметр корпуса,

D_c - диаметр скважины,

k=1,2-1,3 - коэффициент, учитывающий наличие в корпусе продувочных окон,

h и β - соответственно ширина и число зубчато-дисковых шарошек, установленных на долоте.

4. Долото по п.1, отличающееся тем, что для удаления налипающей породы при бурении скважин в закарстованных массивах в корпусе выполнены продувочные каналы, обеспечивающие подачу высокоскоростных струй сжатого воздуха непосредственно в рабочую зону зубчато-дисковых шарошек.