RU2249088C2 - Drilling chisel cutter - Google Patents

Abstract

FIELD: mining industry.

SUBSTANCE: cutter has cone-shaped body, on which main crowns and peripheral calibrating crown with rock-destroying elements are positioned, while axis of rock-destroying element, positioned on peripheral calibrating crown, is directed at an angle to chisel portion axis. Peripheral calibrating crown is placed on conical surface, vertex of which lies beyond well limits. Axis of rock-destroying element, positioned on peripheral calibrating crown, passes through point, lying on a circle, formed by intersection of well wall with face plane.

EFFECT: higher durability of chisel.

2 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровым шарошечным долотам, и может быть использовано при создании буровых долот для бескернового и колонкового бурения скважин.The invention relates to the mining industry, in particular to cone drill bits, and can be used to create drill bits for coreless and core drilling.

Известны буровые долота, у которых внешний профиль шарошек выполнен в форме конуса, а периферийный венец, породоразрушающие элементы которого формируют стенки и периферийную части забоя скважины, размещен на вспомогательной конической поверхности с конусностью, направленной к центру долота /1/. Основным недостатком этих долот является быстрая потеря диаметра и, как следствие, заужение ствола скважины при бурении в твердых и крепких горных породах. Последнее приводит к тому, что новое долото, спускаемое в скважину после отработки предыдущего, не доходит до забоя скважины и вынуждено разбуривать зауженный интервал. При этом теряется рабочий ресурс вооружения периферийного венца и в дальнейшем влечет за собой еще более интенсивное уменьшение диаметра долота.Known drill bits, in which the outer profile of the cone is made in the form of a cone, and the peripheral crown, the rock cutting elements of which form the walls and peripheral parts of the bottom of the well, is placed on the auxiliary conical surface with a taper directed to the center of the bit / 1 /. The main disadvantage of these bits is the rapid loss of diameter and, as a result, the narrowing of the wellbore when drilling in hard and hard rocks. The latter leads to the fact that a new bit, lowered into the well after working out the previous one, does not reach the bottom of the well and is forced to drill a narrower interval. In this case, the working resource of the peripheral crown armament is lost and subsequently entails an even more intensive reduction in the diameter of the bit.

Известны также буровые долота с шарошками конической формы, у которых калибрующий периферийный венец размещен на цилиндрическом поясе, ось которого совпадает с осью цапфы долота, которая, в свою очередь, совпадает с осью шарошки, а оси твердосплавных зубков, расположенных на периферийном венце, перпендикулярны оси цапфы - прототип /2/. Эти долота успешно работают в твердых и крепких горных породах средней степени абразивности. При разрушении горных пород выше средней и высокой степени абразивности они тоже быстро теряют диаметр. Поэтому область их применения, как правило, ограничивается бурением неглубоких разведочных и взрывных скважин.Drill bits with cones of conical shape are also known, in which the calibrating peripheral crown is located on a cylindrical belt, the axis of which coincides with the axis of the drill bit, which, in turn, coincides with the axis of the cone, and the axis of carbide teeth located on the peripheral crown are perpendicular to the axis trunnions - prototype / 2 /. These bits successfully work in hard and strong rocks of medium degree of abrasivity. When rocks are destroyed above an average and a high degree of abrasion, they also quickly lose their diameter. Therefore, the scope of their application, as a rule, is limited to drilling shallow exploration and blast holes.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания долота, периферийное вооружение шарошек которого эффективно работая в твердых и крепких горных породах любой степени абразивности, обладает меньшей степенью интенсивности износа твердосплавных зубков, что обеспечивает увеличение рабочего ресурса долота.The basis of the present invention is the task of creating a bit, the peripheral armament of the cone which effectively working in hard and strong rocks of any degree of abrasiveness, has a lower degree of wear rate of carbide teeth, which increases the working life of the bit.

Поставленная задача решается тем, что шарошка бурового долота, содержащая корпус конической формы, на котором размещены основные венцы с породоразрушающими элементами (в дальнейшем - зубками), при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, формирующий стенку и периферийную часть забоя скважины, направлена не под прямым углом к оси цапфы долота, а периферийный калибрующий венец размещен на конической поверхности, вершина которой лежит за пределами скважины, при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя.The problem is solved in that the cone of the drill bit, containing a conical body, on which the main crowns with rock cutting elements (hereinafter referred to as teeth) are placed, while the axis of the rock cutting element located on the peripheral calibrating ring, forming the wall and the peripheral part of the bottom hole, is directed not at right angles to the axis of the pin of the bit, and the peripheral calibrating rim is placed on a conical surface, the apex of which lies outside the borehole, while the axis of the rock-cutting electric ment disposed on a peripheral crown sizing passes through a point lying on a circle formed by the intersection of the borehole wall from the bottom plane.

Отличием такой шарошки бурового долота является расположение периферийного калибрующего венца на конической поверхности, вершина которой лежит за пределами скважины, а ось породоразрушающего элемента периферийного венца проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя. Такое выполнение шарошки бурового долота позволит увеличить износостойкость вооружения периферийного венца и повысить эксплуатационную стойкость долота в целом на 10-15%.The difference between such a drill bit cone is the location of the peripheral gage crown on a conical surface, the apex of which lies outside the borehole, and the axis of the rock cutting element of the peripheral crown passes through a point lying on the circle formed by the intersection of the borehole wall with the bottom plane. This embodiment of the drill bit cone will increase the wear resistance of the peripheral crown armament and increase the operational durability of the bit by 10-15% as a whole.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 изображен общий вид шарошки, на фиг.2 - схематично изображен твердосплавный зубок периферийного калибрующего венца шарошки.The invention is illustrated by the drawing, in which figure 1 shows a General view of the cone, figure 2 - schematically shows the carbide tooth of the peripheral calibrating crown cones.

В долотах типа К и ОК, шарошки которых армированы зубками с полусферической рабочей поверхностью формы Г-26, предназначенных для бурения крепких и очень крепких горных пород, угол наклона оси цапфы к оси долота, как показала многолетняя практика их отработки, составляет 51-52°, а плоскость забоя скважины практически совпадает с горизонтальной плоскостью, составляя угол 1-1,5°. В связи с этим принятое нами допущение на фиг.2, что плоскость забоя скважины совпадает с горизонтальной плоскостью, вполне правомерно. Отсюда очевидно, что в шарошке, периферийный венец которой размещен на цилиндрическом поясе, ось твердосплавного зубка перпендикулярна оси цапфы и направлена под углом 51-52° к горизонтали.In bits of type K and OK, whose cones are reinforced with teeth with a hemispherical working surface of the G-26 form, designed for drilling strong and very strong rocks, the angle of inclination of the axis of the axle to the axis of the bit, as shown by many years of practice, is 51-52 ° , and the bottom face of the well almost coincides with the horizontal plane, making an angle of 1-1.5 °. In this regard, the assumption adopted by us in figure 2, that the plane of the bottom of the well coincides with the horizontal plane, is quite legitimate. From this it is obvious that in the cone, the peripheral crown of which is located on the cylindrical belt, the axis of the carbide tooth is perpendicular to the axis of the journal and directed at an angle of 51-52 ° to the horizontal.

Рассмотрим случай, когда ось зубка /ОО₁/ перпендикулярна оси цапфы (фиг.2). Ось зубка пересекает плоскость забоя скважины в точке O₁. При этом в контакте с горной породой находится часть рабочей сферы зубка /АС/ от точки А на забое скважины до точки С, лежащей на ее стенке. Известно, что внедрение зубка в горную породу большой крепости за единичное взаимодействие составляет сотые доли мм, Поэтому правомерно допустить, что каждый единичный контакт рабочей поверхности зубка с горной породой происходит по дуге АС, ширина которой также составляет сотые доли мм, то есть практически по кривой линии АС. Углубка скважины на единицу длины произойдет лишь после многократного взаимодействия дуги АС с горной породой.Consider the case when the axis of the clove / OO ₁ / is perpendicular to the axis of the journal (figure 2). The clove axis intersects the bottom face of the well at point O ₁ . Moreover, in contact with the rock is part of the working sphere of the tooth / AS / from point A at the bottom of the well to point C lying on its wall. It is known that the introduction of a clove into the rock of a large fortress for a single interaction is hundredths of mm. Therefore, it is legitimate to assume that each single contact of the working surface of the clove with the rock occurs along an AC arc, the width of which is also hundredths of a mm, that is, almost along a curve speaker lines. Well deepening per unit length will occur only after repeated interaction of the AC arc with the rock.

Из построения на фиг.2 видно, что нижняя часть рабочей сферы зубка, равная дуге АВ₁, в конечном итоге должна разрушить кольцевую часть забоя скважины с поперечным сечением O₁AB₁, а верхняя часть сферы зубка, равная дуге B₁C, должна разрушить кольцевую часть забоя с поперечным сечением O₁B₁CO₂.From the construction of figure 2 shows that the lower part of the working sphere of the tooth, equal to the arc AB ₁ , ultimately must destroy the annular part of the bottom of the well with a cross section of O ₁ AB ₁ , and the upper part of the sphere of the tooth, equal to the arc B ₁ C, should to destroy the annular part of the face with a cross section of O ₁ B ₁ CO ₂ .

Аналитические расчеты показывают, что площадь сечения O₁B₁CO₂ (на фиг.2 заштрихованного) в 2,2 раза превышает площадь сечения O₁AB₁ (на фиг.2 не заштрихованного). Следовательно, объем горной породы, необходимый разрушить внешней частью зубков периферийного венца шарошки, в 2,2 раза превышает объем горной породы, который необходимо разрушить внутренней частью зубков, чтобы углубить скважину на единицу длины. Это значит, что интенсивность износа внешней части зубков в 2 с лишним раза выше интенсивности износа внутренней части. В результате долото быстро теряет диаметр и снимается с отработки при вполне работоспособном вооружении остальных венцов шарошек.Analytical calculations show that the cross-sectional area O ₁ B ₁ CO ₂ (shaded in FIG. 2) is 2.2 times larger than the cross-sectional area O ₁ AB ₁ (not shaded in FIG. 2). Therefore, the volume of rock necessary to destroy the outer part of the teeth of the peripheral crown of the cone is 2.2 times the volume of rock that must be destroyed by the inner part of the teeth to deepen the well by a unit of length. This means that the wear rate of the outer part of the teeth is more than 2 times higher than the wear rate of the inner part. As a result, the bit quickly loses its diameter and is removed from mining with a fully functional armament of the rest of the cones.

В случае, когда ось периферийного зубка (OO₂) направлена не под прямым углом к оси цапфы и проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя, на нижнюю (дуга A₁B) и верхнюю (дуга ВС) части рабочей сферы зубка приходятся равные по площади поперечного сечения кольцевые участки забоя скважины О₂АВ и O₂ВС, а следовательно, необходимо разрушить равные объемы горной породы, чтобы углубить скважину на единицу длины. При этом интенсивность износа указанных частей зубка будет равномерной, а потеря диаметра долотом менее интенсивной.In the case when the axis of the peripheral tooth (OO ₂ ) is not directed at right angles to the axis of the journal and passes through a point lying on the circle formed by the intersection of the borehole wall with the bottom plane, to the lower (arc A ₁ B) and upper (arc BC) part of the tooth’s working sphere there are equal annular bottom-hole sections of the O ₂ AB and O ₂ BC well in terms of cross-sectional area, and therefore, equal volumes of rock must be destroyed to deepen the well by a unit of length. In this case, the wear rate of the indicated parts of the tooth will be uniform, and the loss of diameter by the bit is less intense.

Необходимо также отметить, что работоспособность калибрующего вооружения в значительной степени влияет на износостойкость тел качения в опорах шарошечного долота и, в конечном итоге, на его общий ресурс. В случае интенсивного износа периферийного вооружения значительно увеличивается реакция стенки скважины на шарошку, иногда превосходящая в несколько раз реакцию от осевого давления. В этом случае происходит сдавливание шарошек к центру долота, приводящее к разрушению опорных и замковых подшипников и заклиниванию шарошек на опорах. Долото выходит из строя.It should also be noted that the performance of calibrating weapons significantly affects the wear resistance of rolling elements in the bearings of the cone bit and, ultimately, its total resource. In the case of intensive wear of peripheral weapons, the response of the borehole wall to the cone increases significantly, sometimes several times superior to the reaction from axial pressure. In this case, compression of the cones to the center of the bit occurs, leading to the destruction of the support and locking bearings and jamming of the cones on the supports. The bit is out of order.

Из построения на фиг.2 также видно, что даже в первоначальный момент работы нового долота реакция стенки скважины R₃ от осевого усилия на зубок превышает по величине реакцию от забоя скважины R₄. В дальнейшем при износе внешней части сферы зубка реакция от стенки скважины может значительно превысить реакцию от забоя, то есть эта часть зубка более интенсивно подвержена износу из-за большей работы по разрушению горной породы. Шарошку начнет сдавливать к центру скважины с вытекающими отрицательными последствиями.From the construction of figure 2 also shows that even at the initial moment of operation of the new bit, the reaction of the wall of the well R ₃ from the axial force on the tooth exceeds the magnitude of the reaction from the bottom of the well R ₄ . In the future, when the outer part of the clove sphere is worn out, the reaction from the well wall can significantly exceed the reaction from the bottom, that is, this part of the clove is more susceptible to wear due to more work to destroy the rock. The cone will begin to squeeze to the center of the well with the ensuing negative consequences.

В предлагаемом решении реакция на шарошку от стенки скважины R₁ равна реакции от забоя R₃, то есть шарошка будет находиться в равновесном положении относительно стенки и забоя скважины, а интенсивность потери диаметра долотом будет ниже, чем в известных конструкциях.In the proposed solution, the response to the cone from the wall of the well R ₁ is equal to the reaction from the bottom of R ₃ , that is, the cone will be in equilibrium with respect to the wall and bottom of the well, and the rate of loss of diameter by the bit will be lower than in known designs.

Таким образом, заявляемое техническое решение шарошки имеет следующие преимущества перед известными:Thus, the claimed technical solution of the cone has the following advantages over the known:

- меньшая интенсивность износа внешней части рабочей сферы зубков периферийного венца шарошки и, как следствие, меньшая интенсивность потери диаметра и увеличение рабочего ресурса долота;- lower intensity of wear of the outer part of the working sphere of the teeth of the peripheral crown of the cone and, as a result, lower intensity of loss of diameter and an increase in the working life of the bit;

- равнонагруженность рабочей части сферы зубков периферийного венца шарошки удерживает ее в равновесном состоянии относительно стенки и забоя скважины и препятствует ее смещению к центру долота, сводя к минимуму вероятность заклинивания шарошки.- the equal load of the working part of the sphere of teeth of the peripheral crown of the cone keeps it in equilibrium with respect to the wall and the bottom of the well and prevents its displacement to the center of the bit, minimizing the likelihood of jamming of the cone.

Источники информации:Sources of information:

1. Травкин B.C. Породоразрушающий инструмент для вращательного бескернового бурения скважин. М. Недра, 1982. Стр. 82-83, рис.8, 9,10 и 11.1. Travkin B.C. Rock cutting tool for rotary coreless drilling. M. Nedra, 1982. 82-83, fig. 8, 9,10 and 11.

2. Корнеев К.Е. Палий П.А. Буровые долота. Справочник. М. Недра., 1965. Стр. 62, рис.66, стр. 63 рис.67.2. Korneev K.E. Paliy P.A. Drill bits. Directory. M. Nedra., 1965. Pages. 62, Fig. 66, p. 63 Fig. 67.

Claims (1)

Шарошка бурового долота, содержащая корпус конической формы, на котором размещены основные венцы и периферийный калибрующий венец с породоразрушающими элементами, при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, направлена под углом к оси цапфы долота, отличающаяся тем, что периферийный калибрующий венец размещен на конической поверхности, вершина которой лежит за пределами скважины, при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя.A cone of a drill bit containing a conical body on which the main crowns and a peripheral calibrating ring with rock cutting elements are placed, while the axis of the rock cutting element located on the peripheral calibrating ring is angled to the axis of the bit axle, characterized in that the peripheral calibrating ring is placed on a conical surface, the apex of which lies outside the borehole, while the axis of the rock cutting element located on the peripheral gauge rim passes through point each lying on a circle formed by the intersection of the borehole wall from the bottom plane.

Images