RU2509197C1

RU2509197C1 - Rock-drilling bit

Info

Publication number: RU2509197C1
Application number: RU2012153803/03A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Сериков; Виталий Анатольевич Ясашин; Родион Михайлович Богомолов; Алексей Викторович Кононов; Николай Митрофанович Панин
Original assignee: Николай Митрофанович Панин
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2014-03-10

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: rock-drilling bit comprises a body with a channel for a cleaning agent and a journal with a spherical end, on which a mill is installed by means of a lock bearing with an inner spherical surface that responds to the end of the journal and rock-breaking elements on crowns separated by sludge-removing slots. The bit is equipped with a detachable bushing with longitudinal slots on the outer surface installed on the journal and fixed relative to it from slipping, and the mill is made with radial channels, in which detachable rock-breaking elements are placed with capability of axial displacement, and their tails in the plane parallel to the axis of the journal are made with the convex end and are installed as capable of interaction with the outer surface of the detachable bushing. Detachable rock-breaking elements in the plane perpendicular to the axis of the journal may be installed at the sharp angle to the mill radius. The part of detachable rock-breaking elements may be installed on crowns of mills, and some - in sludge-removing slots. Tails of detachable rock-breaking elements in the plane parallel to the axis of the journal may be made in the form of half-cylinders.

EFFECT: higher efficiency of bit operation.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту шарошечного типа.The invention relates to the field of mining, and in particular to a rock cutting tool of the cone type.

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.).Known cone drill bit containing a housing with a trunnion, on which, using roller bearings mounted cone with rock cutting elements located on the crowns of the cones (ed. St. USSR No. 630303, class. ЕВВ 10/08, 1980).

Недостатком данного долота является малая эффективность его работы, связанная с низкой работоспособностью его опоры.The disadvantage of this bit is the low efficiency of its work associated with the low efficiency of its support.

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.).The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a cone drill bit containing a housing with a channel for the cleaning agent and a spigot with a spherical end face, on which, using a lock bearing, a cone with a spherical end face with an inner spherical surface and rock-cutting elements on the crowns separated by sludge grooves (see ed. St. USSR No. 1089229, class ЕВВ 10/22, 1984).

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.The disadvantages of this bit include the low efficiency associated with the high energy intensity of the rock destruction process without using a downhole impact mechanism. The use of a special percussion device inevitably leads to a complication of the lower layout of the drill shaft, increased accident rate and, consequently, to an increase in the cost of drilling operations. In addition, this requires the use of more powerful discharge units, as part of the hydraulic energy is spent on the drive of these special impact devices, and this, in turn, leads to a deterioration in cleaning the bottom of the sludge and, as a result, to a decrease in the mechanical speed of drilling and penetration on the bit.

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.In connection with the stated technical result of the invention is to increase the efficiency of the bit without the use of additional percussion devices such as downhole pneumatic or hydraulic hammers. This primarily relates to bits intended for drilling on rocks of medium hardness and hard, the destruction of which is associated with the need to apply significant axial loads.

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.The specified technical result is achieved by the fact that the roller bit containing the housing with a channel for the cleaning agent and a trunnion with a spherical end face, on which a roller cutter with a reciprocal end face of the trunnion with an internal spherical surface and rock-cutting elements on the crowns separated by sludge-venting grooves is provided according to the invention a removable sleeve with longitudinal grooves on the outer surface mounted on the pin and fixed relative to it from rotation, and the cone Nena with radial channels in which the axially movable placed removable cutters whose shanks in a plane parallel to the trunnion axis, formed with a convex end and fitted to engage with the outer surface of a removable sleeve.

Дополнительно достижению указанного технического результата способствует также и то, что:Additionally, the achievement of the technical result also contributes to the fact that:

- съемные породоразрушающие элементы в плоскости, перпендикулярной оси цапфы, установлены под острым углом к радиусу шарошки;- removable rock cutting elements in a plane perpendicular to the axis of the journal, mounted at an acute angle to the radius of the cone;

- часть съемных породоразрушающих элементов установлена на венцах шарошек, а часть - в шламоотводящих пазах;- part of the removable rock cutting elements is installed on the crowns, and part in the sludge-removing grooves;

- хвостовики съемных породоразрушающих элементов в плоскости, параллельной оси цапфы, выполнены в виде полуцилиндров.- shanks of removable rock cutting elements in a plane parallel to the axis of the journal, made in the form of half-cylinders.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид шарошечного долота в продольном разрезе, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a General view of the cone bit in longitudinal section, in Fig.2 - section aa in Fig.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.The roller bit contains a housing 1 with a channel 2 for the cleaning agent and a trunnion 3 with a spherical end 5. On the trunnion 3, a roller cutter 7 is installed with a roller cone 7 with a counter end of the trunnion 3 with an internal spherical surface 8 and rock-cutting 11 elements on the crowns 9, separated by sludge-removing grooves 10 The roller cutter 7 is made with radial channels 12 in which removable rock cutting elements 13 are placed. The shanks 14 of rock cutting elements 13 in a plane parallel to the axis of the journal 3 are made with a convex end 15 and are installed with the possibility of interaction with the outer surface of the removable sleeve 6, made with longitudinal grooves 16 having a cross-section corresponding to the protrusions 15 of the shanks 14 shape. The sleeve 6 can be made as a separate part, or as a unit with the convex end of the pin (see figure 1) and fixed on the pin 3 from the rotation, which can be achieved, for example, by splined connection of the sleeve 6 with the pin 3 The convex ends 15 of the shanks of the removable rock cutting elements 13 are preferably made in the form of half cylinders. To protect the removable rock cutting elements 13 from falling out, the overall dimensions of their convex ends 15 should be larger than the corresponding diameters of the radial channels 12 of the cone 7. The removable rock crushing elements 13 in the plane perpendicular to the axis of the axle 3 are located in the cone 7 at an acute angle α to its radius. Moreover, in the bits for drilling on soft and medium rocks, the top of the rock-breaking elements 13 is directed towards the rotation of the bit + α, and in the bits for drilling on hard rocks - in the opposite direction - α (see figure 2). An option is provided for installing removable rock-cutting elements 13 only on crowns 9 of cones 7, or only in sludge-removing grooves 10. A combined arrangement of removable rock-cutting elements 13 is also possible, i.e. both in the flushing grooves 10 and in the crowns 9. The number of removable rock cutting elements 13 is selected depending on the diameter of the bit and the physicomechanical properties of the drilled rocks.

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.The principle of operation of the cone bit is as follows. Under the action of axial load and torque, the rock cutting elements 11 of the cone 7 carry out the destruction of the bottom and calibration of the walls of the well 17 by the main 11 and removable rock cutting elements 13. When the bit is rotated, the cone 7, rolling along the surface of the bottom, rotates in the opposite direction to the casing 1. When this destroyed rock is carried out through the sludge-removing grooves 10 and the annular cavity between the walls of the well and the housing 1 to the surface with a cleaning agent supplied from the surface through the drilling th column and channel 2 in the body 1 of the bit. With the rotation of the cone 7 removable rock cutting elements 13, rolling over the protrusions 15 of the shanks 14 on the outer surface of the removable sleeve 6, make a reciprocating motion. Moreover, when the protrusion 15 of the shank 14 of the removable rock cutting elements 13 gets on the ledges of the bush, the rock cutting elements 13 strike the rock, creating pre-fracture zones. The effect of creating pre-fracture zones is increased due to the installation of removable rock cutting elements 13 at a positive acute angle + α to the radius of the cutter 7 and the orientation of their working heads in the direction of rotation of the bit when drilling in soft and medium rocks. In this case, removable rock-cutting elements 13 form an additional exposure plane, which facilitates the work of the main rock-breaking elements 11. When drilling on hard rocks, removable rock-breaking elements 13 are installed relative to the radius of the cone 7 with a negative angle of inclination α, which ensures better preservation of the rock-breaking elements 13 from chipping when striking a rock. The slaughter zones weakened by removable rock-cutting elements 13 are then effectively destroyed by rock-breaking elements 11. After striking, the removable rock-breaking elements 13 when rolling the cutter 7 with their shanks 14 fall into the longitudinal grooves 16 of the removable sleeve 6, and their working heads are sunk in the radial channels 12 of the cutter 7 and not in contact with the surface of the face. This allows you to better cool the working heads of rock cutting elements 13 and thereby increase their service life. Placing part of the removable rock-cutting elements 13 in the sludge-removing grooves makes it possible to effectively crush large particles of sludge and to freely remove them from the bottom of the well, excluding its repeated grinding.

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.Thus, the use of the proposed bit allows to increase the efficiency of rock destruction without the use of additional devices, as is the case in the prototype, and thereby reduce the cost of drilling operations in General.

Claims

1. Drill roller bit containing a housing with a channel for a cleaning agent and a trunnion with a spherical end face, on which a roller cutter with a reciprocal end face of the trunnion with an internal spherical surface and rock cutting elements on the crowns separated by sludge-removing grooves is installed, characterized in that it is equipped with a removable a sleeve with longitudinal grooves on the outer surface mounted on the trunnion and fixed relative to it from turning, and the cone is made with radial channels in which with the possibility of axial movement placed removable rock cutting elements, the shanks of which in a plane parallel to the axis of the journal, made with a convex end and installed with the possibility of interaction with the outer surface of the removable sleeve.

2. Drill bit according to claim 1, characterized in that the removable rock cutting elements in a plane perpendicular to the axis of the journal are installed at an acute angle to the radius of the cutter.

3. The cone drill bit according to claim 1, characterized in that part of the removable rock cutting elements is installed on the crowns, and part in sludge-removing grooves.

4. Drill bit according to claim 1, characterized in that the shanks of removable rock cutting elements in a plane parallel to the axis of the journal are made in the form of half cylinders.