буровое долото шарошечного типа

Формула изобретения

Буровое долото шарошечного типа, включающее корпус, сменные секции с хвостовиками и присоединенными к ним шарошками, отличающееся тем, что сменные вставные секции в виде лап, включая их цапфовые наружные части, размещены внутри корпуса литой однодетальной конструкции, имеющей цилиндрическую поверхность нижней части, в которой внутрь в проемы между шарошками просверлены цилиндрические каналы, ориентированные вверх под острым углом к образующей и боковой поверхности корпуса, а внутренняя часть корпуса имеет торцевую выемку в форме усеченного конуса, диаметр нижнего основания и ось которого совпадают соответственно с диаметром и осью вращения долота, при этом хвостовики секций имеют форму прямоугольного параллелепипеда, вставлены в ответные прямоугольные отверстия в торце корпуса и прикреплены к корпусу горизонтальными одним для двухшарошечных долот или несколькими для трех- и четырехшарошечных долот стержнями, закрепленными на корпусе резьбовым соединением с одной стороны и крепежной гайкой с другой, причем крепежная гайка имеет выемки некруглого сечения с наружной стороны под ключ, а с внутренней - под некруглый конец стержня.

Описание изобретения к патенту

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

Известны преимущественно применяемые бескорпусные (секционные) двух- и трехшарошечные долота, состоящие из сваренных между собой в единую конструкцию лап (секций), на цапфах которых на телах качения и скольжения смонтированы шарошки, обращенные конусами внутрь долота, оснащенного присоединительным ниппелем и каналами для продувки (промывки) скважины и продувки или смазки опор. При этом для улучшения очистки скважины наряду с предпочтительными центральными продувочными каналами в верхней части лап размещают эжекционные каналы, направленные вертикально вверх (Долговечность шарошечных долот / Н.А. Жидовцев, В.Я. Кершенбаум, Э.С. Гинзбург и др. М.: Недра, 1992, стр. 190, рис. 63).

Недостатками таких долот являются неразборность конструкции и сложность технологии изготовления; однократность использования сварной конструкции; повышенный износ лап и узкая область применения долота, так как на нем монтируются шарошки какого-либо одного типа (фрезерованные, штыревые и др.), рассчитанные на бурение горной породы определенных свойств. Кроме того, чрезмерная открытость пространств между лапами и расположение эжекционных насадок в лапах высоко над шарошками близко к ниппельной части и направленность эжекторных струй вертикально вверх обуславливают хаотичность шламовых потоков и застойные явления в периферийной части забоя (у стенок скважины), где часть буровой мелочи может возвращаться к забою. Это имеет место и при гидромониторной (боковой и тангенциальной направленности струй) схеме очистки забоя. Тем самым не обеспечивается достаточная очистка забоя скважины, что снижает скорость бурения и стойкость долот. Как следствие, недостаточная эффективность работы долота, высокие затраты на изготовление долот и буровые работы.

Известно несколько модификаций подобных шарошечных долот усложненной разборной конструкции с различными способами крепления к корпусу лап (в том числе вставных), но в любом случае наружная часть лап, примыкающая к цапфам, соприкасается со стенками скважины и имеет несовершенную аэродинамическую форму.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является принятое за прототип разборное буровое долото, содержащее корпус с продувочными каналами, сменные, оснащенные шарошками секции, хвостовики которых закреплены в кольцевых канавках корпуса, эксцентричных относительно оси корпуса, с помощью вставных шпонок и винтовых стопорящихся заглушек. (Разборное буровое долото. Авторское свидетельство СССР 8615539, кл. Е 21 В 10/20, 1981).

Основные недостатки прототипа заключаются в следующем:

- основная часть секций (лап), примыкающая к цапфам, остается в традиционной форме, располагается вне корпуса, и ее наружная поверхность не защищена от износа вследствие взаимодействия со стенками скважины и шламом;

- корпус охватывает только ограниченную верхнюю часть хвостовиков секций, что снижает надежность восприятия больших крутящих моментов;

- чрезмерная открытость пространств между секциями ниже корпуса и его конструкция не позволяют применить эффективную очистку скважин с использованием рационально располагаемых эжекционных каналов;

- сложность изготовления корпуса виду эксцентричности внутренних кольцевых канавок, что требует достаточно сложной и точной металлообработки и сборки;

- основную нагрузку от крутящего момента несут шпонки и в меньшей степени внутренние поверхности корпуса, что снижает надежность долота;

- эксцентричность кольцевых внутренних канавок корпуса не исключает проникновения мелкого шлама в полости, что вместе с многодетальностью элементов крепления может существенно затруднить процесс разборки долота и замену секций;

- достаточная сложность операций сборки-разборки (необходимость точного совмещения отверстий с поворотом корпуса) делает практически невозможным быстро заменять секции без отвинчивания долота от концевой штанги.

В прототипе по существу сохраняется принцип наружного (вне корпуса) расположения основной прицапфовой части секций со всеми связанными с этим недостатками.

Следствием этих недостатков являются высокие затраты на изготовление буровых долот и буровые работы.

Основными задачами изобретения являются повышение эффективности работы долота и снижение затрат на его изготовление и на буровые работы за счет увеличения надежности и простоты крепления секций; исключения износа наружных поверхностей секций; повышения эффективности очистки скважин; упрощения конструкции и технологии изготовления корпуса, секций и креплений.

Поставленные задачи решаются тем, что в буровом долоте шарошечного типа, включающем корпус, сменные секции с хвостовиками и присоединенными к ним шарошками, продувочные каналы и смазочные устройства опор, сменные вставные секции (лапы), включая их прицапфовые наружные части, размещены внутри корпуса литой однодетальной конструкции, имеющей удлиненную цилиндрическую поверхность нижней несущей части, в которой внутрь в проемы между шарошками просверлены цилиндрические каналы, ориентированные вверх под острым углом к образующей и боковой поверхности корпуса, а внутренняя часть корпуса имеет торцевую выемку в форме усеченного конуса, диаметр нижнего основания и ось которого совпадают соответственно с диаметром и осью вращения долота. При этом хвостики секций имеют форму прямоугольного параллелепипеда, вставлены в ответные отверстия прямоугольного сечения в торце корпуса и крепятся к корпусу горизонтальными одним для двухшарошечных долот или несколькими для трех- и четырехшарошечных долот стержнями, закрепляемыми на корпусе резьбовым соединением с одной стороны и крепежной гайкой с другой стороны. Причем крепежная гайка имеет выемки некруглого сечения с наружной стороны под торцевой ключ, а с внутренней - под некруглый конец стержня.

Таким образом, предлагаемая конструкция долота принципиально отличается от прототипа (и других рассмотренных разборных шарошечных долот) отсутствием лап (секций) традиционной внешней формы и внешнего расположения прицапфовой части. Последняя находится целиком внутри корпуса и прикрыта элементами корпуса от износа. Нижняя часть корпуса ограничивает межсекционное пространство (выше шарошек) и позволяет по новому расположить эжекционные каналы для эффективной очистки забоя.

Сущность изобретения поясняется чертежами на примере двухшарошечного долота. На фиг. 1 показан основной вид долота в разрезе по диаметральной плоскости. На фиг. 2 показано сечение долота горизонтальной плоскостью в месте прохождения крепежного стержня. На фиг. 3 дана схема расположения на корпусе эжекторных каналов и движения воздушных потоков.

Долото состоит из корпуса 1, выполненного в виде сплошной несварной конструкции, нижняя рабочая внешняя часть которого имеет удлиненную цилиндрическую поверхность с технологическими вырезками для продувки, а внутренняя часть имеет торцевую выемку в форме усеченного конуса (трапеция БВГД), диаметр БД нижнего основания и ось которого совпадают соответственно с диаметром и осью вращения долота. В верхней части долота имеется ниппель 2, и продувочные каналы 3. Шарошки 4 смонтированы на подшипниках наклонных цапф сменных (лап) 5, хвостовики 6 которых имеют форму прямоугольного параллелепипеда и входят в ответные прямоугольные отверстия в торце внутри корпуса и закрепляются в корпусе горизонтальным стержнем 7, который проходит через цилиндрические отверстия, сделанные в верхней части хвостовиков. Один конец стержня вставляется в отверстие 8 корпуса с резьбовым соединением или без него. Другой конец стержня имеет некруглое сечение (четырехугольное, шлицевое и др.), входит в ответное отверстие крепежной гайки 9, которая наружной резьбой закрепляется в отверстии 10 путем ввертывания торцевым ключом благодаря выемке 11 некруглого (например, четырехугольного) сечения, сделанной с наружной стороны крепежной гайки. Цапфы шарошек и их внутренние поверхности выполняются по типовым схемам, включающим подшипники скольжения и замковый подшипник качения 12. В хвостовике лап делаются каналы 13, сообщающиеся с каналами в цапфах (не показаны) для смазки подшипников с помощью известных устройств, например, лубрикаторов (не показаны). Подшипники цапф герметизируются прокладочными шайбами 14. Крепежный стержень 7 в двухшарошечном долоте (фиг. 1 и 2) ориентирован по диаметру долота, в остальных случаях (трех- и четырехшарошечные долота) - по хордам окружности корпуса долота. Технологические вырезы 15 и выемки облегчают корпус и продувку долота. С цилиндрической поверхности в нижней части корпуса внутрь долота в проемы между шарошками просверлены цилиндрические каналы 16, ориентированные вверх под острым углом (фиг. 3) как к образующей, так и к боковой поверхности корпуса.

В отличие от прототипа отсутствие больших открытых межсекционных пространств обуславливает повышенное избыточное давление сжатого воздуха в торцевой выемке долота, поэтому каналы 16 обеспечивают создание дополнительного потока Е, направленного под углом к оси долота в сторону вращения долота. Этот поток эжектирует внутридолотную зону, суммируется с образованным через канал З потоком К, поднимающимся от забоя, увеличивает скорость восходящего общего потока "И" в наддолотной зоне, активизирует удаление буровой мелочи в периферийной части забоя 17, препятствует возвращению буровой мелочи на забой и образованию "сальников". Принятая форма нижней части корпуса и приближенность квазиэжекторных каналов 16 к забою обеспечивают упорядоченный и безвозвратный выход буровой мелочи в затрубное пространство, а косая направленность дополнительных воздушных струй под углом к оси долота создаст при вращении долота спиральный вдоль штанги поток с большой скоростью, который улучшает процесс эвакуации буровой мелочи из скважины.

Предлагаемое буровое долото эксплуатируется следующим образом. Из комплекта сменных лап, оснащенных шарошками с различным вооружением (типов М, Т, ТЗ, К, ОК и других), выбираются наиболее соответствующие свойствам буримых пород, вставляются хвостовиками 6 в прямоугольные отверстия в торце корпуса. Затем через отверстие 10 в корпусе и цилиндрические отверстия в верхних частях хвостовиков вставляется крепежный стержень 7 до соприкосновения с резьбовым отверстием 8 корпуса; на другой некруглый конец стержня надевается крепежная гайка 9 и с помощью торцевого ключа через выемку 11 ввертывается в отверстие 10. При этом одновременно в отверстие 8 корпуса ввертывается другой конец стержня. В собранном виде долото с помощью ниппеля 2 навинчивается на концевую штангу бурового става, который вращается вращателем станка с определенной подачей на забой, и тем самым осуществляется бурение скважины. После износа шарошек производится их демонтаж с поднятого долота следующим образом. Торцевым ключом через выемку 11 отвертывается крепежная гайка 9 и вместе с ней вывертывается другой конец стержня из отверстия 8 корпуса; стержень вынимается, освобождая хвостики 6. После этого съемником или через специальные каналы (не показаны) вынимаются лапы с изношенными шарошками и направляются на утилизацию или ремонт. Затем в корпус вставляются новые лапы с новыми шарошками соответствующего буримой породе типа описанными выше операциями и бурение продолжается.

Характерно, что замена шарошек может производиться без снятия корпуса долота с концевой штанги. Этим исключаются значительные потери времени и энергии на вспомогательные операции, что приводит к повышению производительности бурения.

Преобладающая удлиненная цилиндрическая поверхность корпуса способствует уменьшению вибраций при бурении и соблюдению заданной направленности бурения, что особенно важно при проходке наклонных скважин на карьерах и вейерных скважин в очистных блоках рудных шахт.

Предложенное внутреннее размещение лап (хвостиков) шарошек не ведет к существенному уменьшению диаметра, длины образующих конусов и рабочей поверхности шарошек, обеспечивает надежную защиту сменных лап от износа. В перспективе замена замкового шарикового подшипника более совершенной съемной деталью, удерживающей шарошку на цапфе, сделает сменные секции пригодными во многих случаях для повторного использования и ремонта.

Корпус предлагаемого долота целесообразно изготавливать методом литья без использования сварки. Литая заготовка подвергается несложной чистовой обработке поверхностей, отверстий с операциями нарезки резьбы на ниппеле и в двух отверстиях в корпусе для крепления стержней, фиксирующих в корпусе хвостовики секций. Последние (цапфы с хвостиками) могут изготавливаться методом литья с последующей чистовой доводкой поверхностей, или штамповкой с последующей обработкой на металлорежущих станках.

В отличие от прототипа подытоживаются следующие основные преимущества предлагаемого долота:

- хвостовики секций размещены внутри корпуса вместе с прицапфовой частью, наружная поверхность которой закрыта элементами корпуса от износа и при этом создается большая опорная площадь связи секций с корпусом, что обеспечивает надежное их крепление для восприятия высоких крутящих моментов при заклинивании опор;

- корпус имеет более приближенную к забою цилиндрическую часть поверхности, уменьшающую открытость межсекционных (межлапных) окон (выше шарошек) и позволяющую рационально разместить и ориентировать эжекционные каналы для повышения эффективности очистки забоя от выбуренной породы;

- упрощается технология изготовления долота ввиду отсутствия эксцентрических кольцевых канавок внутри корпуса, возможности литья корпуса и секцией, более простой конструкции и меньшего количества деталей для крепления секций.

Указанные основные преимущества конструкции долота вместе с эксплуатационными преимуществами (простота и быстрота замены шарошек без снятия долота с концевой штанги, возможность применения на одном корпусе шарошек различного вооружения, снижение длительности вспомогательных операций в процессе бурения, улучшение очистки забоя скважины) обеспечивают повышение экономичности и производительности буровых работ, снижение затрат на изготовление долот.