Буровое шарошечное долото

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам, и может быть использовано для бурения скважин в грунтах различной прочности, в том числе в мерзлых, вечномерзлых и талых грунтах с включениями гальки, гравия и валунов. Технический результат заключается в повышении долговечности вооружения, ресурса эксплуатации и производительности работы бурового шарошечного долота. Буровое шарошечное долото содержит корпус с наклонной цапфой, лопасть, которая является продолжением породоудаляющего шнека, и шарошку с венцами вооружения, изготовленную в виде усеченной сферы, на поверхности среза которой выполнен кольцевой желоб, сечение которого перекрыто нижним концом лопасти, повторяющим профиль желоба и образующим острый угол с поверхностью среза сферы. Лопасть долота выполнена в виде витка спирали, укрепленного на корпусе с угловым наклоном к горизонтали меньшим, чем угол естественного откоса сыпучих материалов. Шарошка выполнена составной и включает герметизированную ступицу с ободом, выполненным в виде сплошного диска со сферической диаметральной поверхностью и кольцевым желобом, расположенным на лицевой стороне диска, а также съемный бандаж, выполненный в виде пустотелой усеченной сферы, укрепленный коаксиально на ступице с обратной стороны обода таким образом, что сферические поверхности обода и бандажа имеют общий центр и, в совокупности, образуют полусферу шарошки. Сферические поверхности обода и бандажа оснащены венцами вооружения в виде твердосплавных зубков, а кромка обода, нижний конец и кромка спирали лопасти покрыты твердым износостойким материалом. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам, и может быть использовано для бурения скважин в грунтах различной прочности, в том числе в мерзлых, вечномерзлых и талых грунтах с включениями гальки, гравия и валунов.

Известно буровое шарошечное долото с режущими лопастями, содержащее корпус с укрепленными на нем лопастями, расположенными между шарошками и являющимися продолжением спирали породоудаляющего шнека [1].

Недостатком данного бурового шарошечного долота является то, что его режущие лопасти не могут обеспечить перемещение бурового шлама с поверхности забоя скважины на рабочую поверхность спирали породоудаляющего шнека буровой машины. Это обусловлено тем, что режущие лопасти долота укреплены на корпусе под углом более 50 градусов к горизонтали вследствие того, что между смежными шарошками не имеется достаточного пространства для более пологого крепления режущих лопастей.

Перемещение разрыхленных грунтов и пород вверх по спирали породоудаляющего шнека, обеспечивающее эффективное транспортирование выбуренной породы, возможно только при условии, когда угол наклона спирали шнека к горизонтали будет меньше угла естественного откоса для транспортируемого материала. Для разрыхленных грунтов и раздробленных горных пород, в том числе бурового шлама, угол естественного откоса не превышает величину 35-40° к горизонтали. В приведенном техническом решении угол наклона рабочих поверхностей режущих лопастей значительно превышает величину угла естественного откоса, что приводит к тому, что буровой шлам не перемещается вверх по наклонным (спиральным) поверхностям режущих лопастей и не удерживается на них, а наоборот, буровой шлам сползает вниз, на дно скважины, что исключает возможность транспортирования выбуренной породы в вертикальном направлении.

Известно буровое шарошечное долото, включающее корпус с наклонной цапфой и установленную на ней посредством подшипников сферическую шарошку с венцами вооружения, выполненного в виде твердосплавных зубков, режущая кромка которых образована пересечением двух поверхностей, при этом режущие кромки смежных зубков поочередно ориентированы по направлению вращения долота и перпендикулярно ему [2].

Недостатком данного одношарошечного долота является невысокая долговечность вследствие значительного и неравномерного износа зубков вооружения шарошки. Причина этою явления заключается в том, что режущие кромки (лезвия) смежных зубков на каждом венце вооружения поочередно ориентированы по направлению вращения шарошки и перпендикулярно ему. Известно, что в процессе работы одношарошечного долота со сферической шарошкой зубки вооружения прорезывают на поверхности забоя скважины канавки (желобки) в виде непрерывной цепочки эпициклоид. На нисходящей ветви эпициклоиды каждый зубок движется в направлении от стенки скважины к ее центру, прорезывая канавку в монолитной, ненарушенной породе. Те зубки венцов вооружения, лезвия которых ориентированы перпендикулярно направлению вращения шарошки, имеют незначительные отклонения режущей кромки зубков от траектории нисходящей ветви эпициклоидальной канавки, прорезываемой данным зубком. Поперечное сечение такой канавки имеет клиновидную форму и минимальную площадь. Энергозатраты, связанные с выполнением такой канавки, минимальны. Зубки венцов вооружения, лезвия которых ориентированы по направлению вращения шарошки, прорезывают канавки боковой гранью. То есть, на нисходящем участке эпициклоидальной траектории лезвия таких зубков будут ориентированы перпендикулярно направлению движения. Ширина и поперечное сечение таких канавок значительно больше, чем смежных. Энергоемкость процесса прорезывания канавок боковой гранью зубков также увеличивается. На восходящей ветви траектории движения каждый зубок прорезывает канавку на такой поверхности забоя, которая изрезана канавками смежных зубков вооружения. Известно, что энергоемкость процесса разрушения монолитной скальной поверхности примерно в 4 раза больше энергоемкости разрушения породы сколом на открытую поверхность. Кроме того, абразивный износ лезвий зубков с клиновидными головками пропорционален энергозатратам на прорезывание канавок узким или широким лезвием. Следует отметить, что в конструкции данного шарошечного долота не предусмотрена возможность замены изношенного твердосплавного вооружения шарошки или ремонта долота путем замены изношенной шарошки, что ограничивает технологические возможности данного долота и снижает эффективность его работы.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является буровое шарошечное долото, содержащее корпус с наклонной цапфой, лопасть, которая является продолжением породоудаляющего шнека, и шарошку с венцами вооружения, изготовленную в виде усеченной сферы, на поверхности среза которой выполнен кольцевой желоб, сечение которого перекрыто нижним концом лопасти, повторяющим профиль желоба и образующим острый угол с поверхностью среза сферы [3].

Недостатком данного долота является низкая долговечность вооружения, что обусловлено интенсивным абразивным изнашиванием зубков вооружения, которое происходит вследствие непрерывного динамического контакта зубков с поверхностью забоя скважины. При 100% изношенности вооружения изношенность других частей долота не превышает 30-35%. Таким образом, срок службы долота ограничен стойкостью вооружения. При этом восстановление изношенного вооружения шарошки или изменение физических параметров долота для бурения различных типов горных пород осуществляют путем замены шарошки исключительно в заводских условиях, что ограничивает технологические возможности данного долота и снижает производительность работы бурового шарошечного долота в целом.

В основу изобретения поставлена задача создания такого бурового шарошечного долота, в котором путем усовершенствования конструкции достигается повышение долговечности вооружения, ресурса эксплуатации и производительности работы бурового шарошечного долота, а также расширение его технологических возможностей за счет изменения физических параметров его вооружения в процессе эксплуатации при снижении стоимости процесса бурения.

Поставленная задача решается тем, что в известном буровом шарошечном долоте, содержащем корпус с наклонной цапфой, лопасть, которая является продолжением породоудаляющего шнека, и шарошку с венцами вооружения, изготовленную в виде усеченной сферы, на поверхности среза которой выполнен кольцевой желоб, сечение которого перекрыто нижним концом лопасти, повторяющим профиль желоба и образующим острый угол с поверхностью среза сферы, согласно изобретению, лопасть долота выполнена в виде витка спирали, укрепленного на корпусе с угловым наклоном к горизонтали меньшим, чем угол естественного откоса сыпучих материалов, а шарошка выполнена составной и включает герметизированную ступицу с ободом, выполненным в виде сплошного диска со сферической диаметральной поверхностью и кольцевым желобом, расположенным на лицевой стороне диска, а также съемный бандаж, выполненный в виде пустотелой усеченной сферы, укрепленный коаксиально на ступице с обратной стороны обода таким образом, что сферические поверхности обода и бандажа имеют общий центр и, в совокупности, образуют полусферу шарошки, при этом сферические поверхности обода и бандажа оснащены венцами вооружения в виде твердосплавных зубков, а кромка обода, нижний конец и кромка спирали лопасти покрыты твердым, износостойким материалом.

Кроме того, диаметр обода ступицы выполнен меньшим, чем диаметр сферы шарошки, а бандаж укреплен на ступице с обратной стороны обода таким образом, что лицевая сторона обода и венец бандажа образуют кольцевой желоб, примыкающий к нижнему концу лопасти, при этом кромка венца бандажа с обеих сторон покрыта твердым, износостойким материалом.

Съемный бандаж укреплен на ступице при помощи замковых устройств, каждое из которых содержит U-образную скобу с параллельными свободными концами, которые запрессованы в парные радиальные отверстия, выполненные в стенке бандажа и в теле ступицы соосно, при этом радиальные крепежные отверстия в стенке бандажа выполнены сквозными, их входы попарно соединены желобками, а ответные им отверстия в теле ступицы выполнены глухими, при этом ширина и глубина желобков больше диаметра стержня U-образной скобы.

Целесообразно, когда венцы вооружения шарошки выполнены в виде твердосплавных зубков, имеющих головки, выполненные в виде лезвий клиновидного сечения, которые укреплены на соответствующих венцах таким образом, что продольная ось лезвия каждого зубка образует острый угол с соответствующей меридиональной плоскостью, проходящей через ось шарошки и продольную ось зубка, при этом величина угла наклона лезвия зубка к оси вращения шарошки меньше угла наклона цапфы к оси вращения долота.

Кроме того, венцы вооружения шарошки выполнены в виде левосторонних косозубых клиновидных зубьев, выполненных из твердого, износостойкого материала, вершины которых образуют сферу, равную диаметру долота, а продольная ось каждого зуба образует острый угол с меридиональной плоскостью, пересекающей данный зуб, при этом величина острого угла меньше угла наклона цапфы к оси вращения долота.

Выполнение лопасти долота в виде витка спирали, укрепленного на корпусе с угловым наклоном к горизонтали меньшим, чем угол естественного откоса сыпучих материалов,, позволяет обеспечить эффективную очистку скважины, так как в процессе вращения долота буровой шлам равномерно перемещается из желоба на нижний конец лопасти и далее непрерывным потоком вверх по спирали породоудаляющего шнека к устью скважины, не накапливаясь в межвитковом пространстве спирали.

Выполнение шарошки в виде составной конструкции, имеющей съемный бандаж, позволяет существенно увеличить ресурс работы долота за счет возможности многократной быстрой замены всего блока изношенного вооружения шарошки или замены одного типа вооружения шарошки другим. При этом бандаж с венцами вооружения, выполненного, например, в виде левосторонних косозубых клиновидных зубьев из твердого, износостойкого материала, в процессе эксплуатации может быть заменен другим бандажом, где венцы вооружения шарошки выполнены, например, в виде твердосплавных зубков с головками в виде лезвий клиновидного сечения, что повышает производительность работы долота, так как замена происходит непосредственно на буровой площадке, без разборки бурового става станка или ступицы долота. При этом в целом долговечность шарошки со сменным вооружением значительно повышается. Кроме того, расширяются технологические возможности долота, что позволяет эффективно разрабатывать неоднородные грунты и горные породы без замены одного типа бурового долота другим.

Кроме того, буровое шарошечное долото со сменным вооружением позволяет в 3-5 раз увеличить ресурс его работы до полного износа всех составных частей, что существенно снижает стоимость буровых работ.

Суть изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:

- на фиг.1 - фронтальная проекция бурового шарошечного долота с частичным разрезом по оси шарошки, у которой диаметр обода ступицы равен диаметру сферы шарошки;

- на фиг.2 - фронтальная проекция бурового шарошечного долота с частичным разрезом по оси шарошки, у которой диаметр обода ступицы меньше диаметра сферы шарошки;

- на фиг.3 - разрез по А-А фиг.1 - замковое устройство бандажа;

- на фиг.4 - вид по стрелке Б фиг.1 - схема расстановки твердосплавных зубков вооружения на венцах обода и бандажа;

- на фиг.5 - вид по стрелке В фиг.2 - схема расстановки левосторонних косозубых клиновидных зубьев на венцах вооружения шарошки;

на фиг.6 - схема ориентации лезвий твердосплавных зубков вооружения на отдельных отрезках эпициклоидальной траектории их движения;

- на фиг.7 - схема ориентации лезвий косозубых клиновидных зубьев вооружения на отдельных отрезках эпициклоидальной траектории их движения;

- фиг.8 - фотографическое изображение опытного образца бурового шарошечного долота с клиновидными твердосплавными зубками вооружения (фрагмент натурных испытаний).

Буровое шарошечное долото (вариант исполнения №1, приведенный на фиг.1) - содержит корпус 1 с наклонной цапфой 2 и спиральной лопастью 3, являющейся продолжением пород оудаляющего шнека 4 буровой машины. На цапфе с помощью подшипников установлена составная шарошка, части которой жестко связаны между собою.

Одна из составных частей шарошки содержит герметизированную ступицу 5 с ободом 6, выполненным в виде сплошного диска со сферической диаметральной поверхностью, наружный диаметр которого равен диаметру сферы шарошки без вооружения. На лицевой стороне 7 обода 6 расположен кольцевой желоб 8. Сферическая поверхность 9 лицевой стороны 7 обода 6 оснащена венцами вооружения, а кромка 10 обода 6 защищена с обеих сторон твердым, износостойким материалом.

Другая составная часть шарошки представляет собой съемный бандаж 11, выполненный в виде пустотелой усеченной сферы, укрепленной коаксиально с помощью замковых устройств (фиг.3) на ступице 5 с обратной стороны обода 6 таким образом, что сферические поверхности обода и бандажа имеют общий центр и, в совокупности, образуют полусферу шарошки. Сферические поверхности обода и бандажа оснащены венцами вооружения в виде твердосплавных зубков. При этом кромка 10 обода, нижний конец 12 лопасти 3 и кромка спирали лопасти защищены твердым износостойким материалом.

Вариант исполнения №1 предпочтителен для бурового инструмента диаметром менее 300 мм.

Буровое шарошечное долото (вариант исполнения №2, приведенный на фиг.2) - содержит корпус 1 с наклонной цапфой 2 и спиральной лопастью 3, являющейся продолжением породоудаляющего шнека 4 буровой машины. На цапфе с помощью подшипников установлена составная шарошка, части которой жестко связаны между собою.

Одна из составных частей шарошки содержит герметизированную ступицу 13 и обод 14, выполненный в виде сплошного диска, на лицевой стороне 15 которого выполнен кольцевой желоб 16, при этом диаметр обода меньше диаметра сферы шарошки.

Другая составная часть шарошки представляет собой съемный бандаж 17, изготовленный в виде усеченной пустотелой сферы, укрепленной на ступице 13 с обратной стороны обода 14 с помощью замковых устройств (фиг.3) таким образом, что венец 18 бандажа образует периферийный борт кольцевого желоба 16. При этом нижний конец 12 лопасти 3, кромка спирали лопасти и наружная кромка 19 венца 18 защищены твердым, износостойким материалом, например, релитом.

Вариант исполнения №2 предпочтителен для бурового инструмента диаметром 300 мм и более.

Спиральная лопасть 3 укреплена на корпусе 1 (фиг.1 или фиг.2) с угловым наклоном к горизонтали. Угол а наклона рабочей (транспортирующей) поверхности к горизонтали меньше, чем угол α₀ естественного откоса для грунтов и сыпучих материалов, например, бурового шлама. Нижний конец 12 лопасти 3 и профиль кольцевого желоба 8 ответны друг другу и образуют минимальный рабочий зазор, обеспечивающий подвижность сопряжения.

При этом сечение кольцевого желоба перекрыто нижним концом лопасти, повторяющим профиль желоба и образующим острый угол с поверхностью среза сферы шарошки.

Съемный бандаж укреплен на ступице при помощи замковых устройств.

Каждое замковое устройство (фиг.3) содержит парные радиальные отверстия, выполненные по окружности бандажа параллельно верхнему срезу сферы, и U-образную скобу 20 с параллельными свободными концами. Входы сквозных радиальных отверстий 21, выполненные в стенке бандажа, попарно соединены желобками (канавками) 22, глубина и ширина которых больше, чем диаметр поперечного сечения стержневой заготовки скобы 20. Радиальные глухие отверстия 23, выполненные в теле ступицы, соосны отверстиям 21. Суммарная глубина отверстий 21 и 23 больше длины свободных концов скобы 20. Скоба установлена в радиальные отверстия с использованием внешней силы, принудительно. В процессе внедрения в отверстия 21 свободные концы скобы автоматически сближаются. В конечном (рабочем) положении наружная часть скобы 20 полностью погружена в полость желобка 22. Скоба прочно удерживается в отверстиях 21,23 за счет пластической (или упругой, в зависимости от материала скобы) деформации ее концов, образуя при этом надежный замок, фиксирующий бандаж на ступице.

Венцы вооружения шарошки (вариант №1, фиг.1, фиг.4) выполнены в виде твердосплавных зубков, имеющих головки, изготовленные в виде лезвий клиновидного сечения. Зубки укреплены на соответствующих венцах сферической поверхности шарошки таким образом, что продольная ось лезвия каждого зубка образует острый угол β с соответствующей меридиональной плоскостью, проходящей через ось шарошки и продольную ось зубка. Величина угла β наклона лезвия зубка к оси вращения шарошки меньше угла ϕ наклона цапфы 2 к оси вращения долота. При такой компоновке зубков 24 лезвие каждого зубка имеет минимальное отклонение от эпициклоидальной траектории движения на нисходящей ветви каждой эпициклоиды и соответствующем отрезке канавки, прорезанной этим зубком на поверхности забоя (фиг.6). На нисходящем участке траектории движения каждый зубок перемещается по кривой линии от периферии к центру скважины. Глубина погружения зубка в породу увеличивается от минимума к максимуму. При этом прорезывание канавки в породе осуществляется передней гранью зубка, обеспечивая минимальную ширину канавки.

Известно, что именно на нисходящем участке траектории движения зубка любой формы процесс прорезывания канавки в коренной породе максимально энергоемкий.

Использование предложенного венца вооружения, выполненного в виде твердосплавных зубков с головками в виде лезвий клиновидного сечения, укрепленных на соответствующих венцах сферической поверхности шарошки таким образом, что продольная ось лезвия каждого зубка образует острый угол β с соответствующей меридиональной плоскостью, проходящей через ось шарошки и продольную ось зубка, позволяет при прорезывании узких канавок на самом трудоемком участке траектории резания породы, уменьшить энергозатраты в 3-5 раз по сравнению с резанием зубком, имеющим лезвие конической формы, и в 2-3 раза уменьшить энергозатраты по сравнению с клиновидным зубком, продольная ось лезвия которого совпадает с линией меридиана сферы шарошки (или с меридиональной плоскостью, проходящей через продольную ось данного зубка).

Венцы вооружения шарошки (вариант 2, фиг.2, фиг.5) выполнены в виде левосторонних косозубых клиновидных зубьев 25, изготовленных из твердого, износостойкого материала, например стали, путем фрезерования, штамповки или литья, и могут иметь твердое, износостойкое покрытие, в том числе с примесью алмазов.

Вершины косозубых клиновидных зубьев 25 образуют сферу, равную диаметру долота. Продольное сечение зубьев у их основания может иметь вид удлиненного эллипса, четырехугольника, веретена или бочки. Продольная ось каждого зуба 25 образует острый угол β с меридиональной плоскостью, пересекающей этот зуб. Величина острого угла β меньше угла ϕ наклона цапфы 2 к оси вращения долота.

При таком выполнении зубьев 25 продольная ось каждого зуба направлена по касательной к нисходящей ветви (или ее отрезку) эпициклоидальной траектории движения данного зуба (фиг.7). В этом случае процесс прорезывания канавки в монолитной поверхности забоя скважины осуществляется с минимальными энергозатратами.

В нижней точке эпициклоидальной траектории и на всем протяжении ее восходящей ветви (фиг.6, 7) лезвие твердосплавного зубка 24 (или продольная ось зуба 25) существенно отклоняется от линии касательной в любой точке восходящей ветви. При этом зубок 24 (или зуб 25) поворачивается боковой поверхностью к траектории движения, прорезывая в породе широкую канавку. Траектория восходящей ветви каждого зубка 24 (или зуба 25) неоднократно пересекает канавки, прорезанные соседними зубками на нисходящей ветви их движения. В этом случае зубок 24 (или зуб 25) разрушает породу методом скола на открытую поверхность, то есть в полость пересекаемых зубком (или зубом) канавок.

Буровое шарошечное долото работает следующим образом.

Корпус 1 долота (например, фиг.1) соединяют с нижним концом породоудаляющего шнека 4 буровой машины и подают с вращением и заданной осевой нагрузкой на забой скважины. Зубки (или зубья) вооружения шарошки вступают в механическое зацепление с поверхностью забоя. При этом кольцеобразные венцы вооружения, выполненные на сферической поверхности шарошки, перекатываются по забою скважины. Поскольку шарошка одновременно вращается и вокруг оси цапфы 3 и вокруг оси долота, то каждый зубок (или зуб) венца вооружения осуществляет сложные пространственные перемещения: от периферии скважины к ее центру и в обратном направлении. В процессе перемещения от центра скважины на периферию зубки (или зубья) венца вооружения попутно выгребают буровой шлам на периферию забоя, к стенкам скважины. Буровой шлам, вытесненный зубками (зубьями) венца вооружения к стенкам скважины, попадает в зону действия кромки 10 обода 6. За период одного оборота корпуса 1 долота каждая точка сферической поверхности и кромки обода совершает относительно забоя и стенок скважины колебательное перемещение, которое подобно колебаниям бегущей (синусоидальной) волны. В нижней точке синусоидальной траектории движения определенный сектор кромки 10, подобно скребковому ковшу, зачерпывает и перемещает буровой шлам в направлении периферии (или стенок) скважины. В верхней точке синусоидальной траектории угол наклона периферийной боковой стенки желоба 8 превышает величину угла α₀ естественного откоса для бурового шлама. В результате этого шлам самотеком осыпается на дно желоба 8, а затем перемещается вместе с желобом в зону расположения переднего конца 12 лопасти 3. Передний конец 12 лопасти долота вращается встречно направлению вращения желоба 8.

При этом лопасть долота выполнена в виде витка спирали, укрепленного на корпусе с угловым наклоном к горизонтали меньшим, чем угол α₀ естественного откоса сыпучих материалов. В результате этого шлам равномерно перемещаеться по рабочей поверхности спирали вверх, где и попадет на спираль породоудаляющего шнека 4 и далее транспортируется на поверхность земли. После того, как глубина скважины достигнет заданной величины, буровой став с вращением извлекают из скважины. Буровую машину перемещают на ось следующей скважины. После чего цикл повторяют.

В зависимости от условий эксплуатации, буровое шарошечное долото может быть переоснащено непосредственно на буровом участке путем замены съемного бандажа с одним видом вооружения, например твердосплавного, на другой, и наоборот.

Для этого буровое долото снимают с бурового става. Затем скобы 20 замкового устройства долота (например, фиг.2) извлекают из желобков 22. Бандаж 17 с вооружением, например, в виде клиновидных зубьев 25, снимают со ступицы 13 долота. Затем на ступицу устанавливают бандаж с вооружением в виде твердосплавных зубков 24 из комплекта сменного вооружения долота, входящего в состав изделия. Новый съемный бандаж фиксируют на ступице с помощью скоб 20. После проходки проблемного слоя в буримой скважине долото извлекают на поверхность. Бандаж с твердосплавным вооружением может быть заменен другим съемным бандажом с вооружением в виде клиновидных зубьев в той же последовательности операций сборки-разборки.

В процессе бурения тяжелых (вечномерзлых и мерзлых) грунтов с включениями валунов и пропластков льда шнековыми буровыми машинами, когда возникает потребность в кратковременном использовании бурового шарошечного инструмента, оснащенного твердосплавным вооружением, производят переоснащение долота непосредственно на буровом участке путем установки съемного бандажа с соответсвующим типом вооружения.

Следует отметить, что современные шнековые буровые машины непригодны для бурения мерзлых грунтов со скальными включениями в виде гальки, гравия и валунов и не приспособлены для работы с шарошечными долотами. Предлагаемое новое техническое решение бурового шарошечного долота представляет собой органическое соединение одношарошечного долота и породоудаляющего шнека буровой машины. Такой буровой инструмент позволяет выполнять эффективное бурение скважин в грунтах различной прочности, в том числе в мерзлых, вечномерзлых и талых грунтах с включениями гальки, гравия и валунов, в грунтах со скальными включениями с помощью шнековых буровых машин в различное время, в том числе в зимнее период.

Натурные испытания опытных образцов предложенного бурового шарошечного долота (фиг.8), показали высокую эффективность технологии шарошечно-шнекового бурения скважин в талых и вечномерзлых грунтах со скальными включениями в виде гальки, гравия и валунов, в бетоне и железобетоне, а также в горных породах, ниже средней твердости, в том числе трещиноватых. При этом, как показали испытания, стоимость буровых работ в районах вечной мерзлоты в 5-10 раз ниже, чем буровые работы известными буровыми шарошечными долотами.

Кроме того, по сравнению с известными буровыми шарошечными долотами, отличительной особенностью предложенного технического решения является следующее:

- Угол α наклона рабочей (транспортирующей) поверхности лопасти к горизонтали меньше, чем угол α₀ естественного откоса для грунтов и сыпучих материалов, например, бурового шлама. Поэтому в процессе вращения долота буровой шлам плавно поступает из желоба на нижний конец лопасти 3 и далее непрерывным потоком вверх по спирали породоудаляющего шнека 4, не накапливаясь в межвитковом пространстве спирали.

- Шарошка долота может быть выполнена в виде быстросъемных бандажей с венцами вооружения в виде твердосплавных зубков или в виде левосторонних косозубых зубьев из твердого, износостойкого материала.

При этом, могут быть использованы породоразрушающие элементы с разными физико-механическими свойствами, геометрическими размерами, шагом установки и конфигурацией, что существенно расширяет технологические возможности долота, так как позволяет производить бурения различных типов горных пород одним и тем же долотом, на котором меняют венцы вооружение путем замены съемных бандажей в зависимости от условий эксплуатации. Причем технологическая операция смены вооружения может осуществляться непосредственно на буровой площадке силами персонала бурового станка, многократно в течение одной смены, без разборки бурового става или ступицы долота.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить ресурс и эффективность работы бурового шарошечного долота, существенно расширить технологические возможности буровых машин за счет изменения физических параметров бурового инструмента и его вооружения в процессе эксплуатации, в 5-10 раз снизить стоимость буровых работ в районах вечной мерзлоты.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР №145867, МПК Е21В 9/08, опубл. 1962 г.).

2. Авторское свидетельство СССР №1286726 А1, МПК⁴ Е21В 10/08, опубл. 30.01.1987.

3. Авторское свидетельство СССР №630393, МПК² Е21В 9/08, опубл 30.10.1978 г.).

1. Буровое шарошечное долото, содержащее корпус с наклонной цапфой, лопасть, которая является продолжением породоудаляющего шнека, и шарошку с венцами вооружения, изготовленную в виде усеченной сферы, на поверхности среза которой выполнен кольцевой желоб, сечение которого перекрыто нижним концом лопасти, повторяющим профиль желоба и образующим острый угол с поверхностью среза сферы, отличающееся тем, что лопасть долота выполнена в виде витка спирали, укрепленного на корпусе с угловым наклоном к горизонтали меньшим, чем угол естественного откоса сыпучих материалов, а шарошка выполнена составной и включает герметизированную ступицу с ободом, выполненным в виде сплошного диска со сферической диаметральной поверхностью и кольцевым желобом, расположенным на лицевой стороне диска, а также съемный бандаж, выполненный в виде пустотелой усеченной сферы, укрепленный коаксиально на ступице с обратной стороны обода таким образом, что сферические поверхности обода и бандажа имеют общий центр и, в совокупности, образуют полусферу шарошки, при этом сферические поверхности обода и бандажа оснащены венцами вооружения в виде твердосплавных зубков, а кромка обода, нижний конец и кромка спирали лопасти покрыты твердым износостойким материалом.

2. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что диаметр обода ступицы выполнен меньшим, чем диаметр сферы шарошки, а бандаж укреплен на ступице с обратной стороны обода таким образом, что лицевая сторона обода и венец бандажа образуют кольцевой желоб, примыкающий к нижнему концу лопасти, при этом кромка венца бандажа с обеих сторон покрыта твердым износостойким материалом.

3. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что съемный бандаж укреплен на ступице при помощи замковых устройств, каждое из которых содержит U-образную скобу с параллельными свободными концами, которые запрессованы в парные радиальные отверстия, выполненные в стенке бандажа и в теле ступицы соосно, при этом радиальные крепежные отверстия в стенке бандажа выполнены сквозными, их входы попарно соединены желобками, а ответные им отверстия в теле ступицы выполнены глухими, при этом ширина и глубина желобков больше диаметра стержня U-образной скобы.

4. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что венцы вооружения шарошки выполнены в виде твердосплавных зубков, имеющих головки, выполненные в виде лезвий клиновидного сечения, которые укреплены на соответствующих венцах таким образом, что продольная ось лезвия каждого зубка образует острый угол с соответствующей меридиональной плоскостью, проходящей через ось шарошки и продольную ось зубка, при этом величина угла наклона лезвия зубка к оси вращения шарошки меньше угла наклона цапфы к оси вращения долота.

5. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что венцы вооружения шарошки выполнены в виде левосторонних косозубых клиновидных зубьев, выполненных из твердого износостойкого материала, вершины которых образуют сферу, равную диаметру долота, а продольная ось каждого зуба образует острый угол с меридиональной плоскостью, пересекающей данный зуб, при этом величина острого угла меньше угла наклона цапфы к оси вращения долота.