ЗУБОК ШАРОШКИ ТРЕХШАРОШЕЧНОГО БУРОВОГО ДОЛОТА "САМАРА" Российский патент 1994 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к долотостроению и может найти применение в буровых долотах со штыревым вооружением, предназначенных для бурения преимущественно глубоких нефтяных и газовых скважин.

Известно буровое долото, шарошки которого снабжены зубьями, передняя грань которых выполнена плоской и параллельной оси вращения шарошки, а задняя - выпуклой цилиндрической формы [1] .

Недостатком известного долота является недостаточное использование его зубьями эффекта "черепка", так как отделяющая частицы породы поверхность зубьев имеет плоскую форму, вследствие чего объем единичной порции отделяемой породы снижается.

Известен зубок одношарошечного бурового долота, содержащий цилиндрический хвостовик и клиновидную вершину, образованную двумя гранями, передняя из которых имеет сферическую форму, а задняя - цилиндрическую, причем вершина зубка расположена на ее оси [2] .

Однако, если такая форма вершины зубка может явиться оптимальной для одношарошечного долота, где основной принцип работы долота - резание породы, то для трехшарошечных долот, где зубки попеременно внедряются в породу и выходят из нее, отделяя при этом частицы породы, известный зубок напрямую неприменим. Этот зубок имеет низкую прочность из-за малого сечения поражающей поверхности, при этом увеличение сечения головки без изменения геометрии головки или увеличения диаметра зубка невозможно.

Известен зубок шарошки трехшарошечного бурового долота, принятый за прототип и содержащий цилиндрический хвостовик и поражающую часть, выполненную в виде головки, усеченной клиновидной вершиной с двумя боковыми гранями, имеющими выпуклую и вогнутую искривленную форму и образующими скругленную режущую кромку при вершине [3] .

В известном зубке боковые грани имеют цилиндрическую форму, т. е. их образующей является прямая линия и таким образом грани имеют одинарную кривизну.

Указанное приводит к следующим основным недостаткам:
- вогнутая (передняя) грань вследствие того, что имеет одну степень кривизны при работе не полностью использует эффект "черпака";
- вследствие того, что радиус скругления режущей кромки вершины находится на оси зубка, что изменяет угол взаимодействия его вершины с породой, а также то, что грани имеют только одинарную кривизну из условий геометрии построения профиля зубка, сечение вершины имеет недостаточную величину, а следовательно, и малую прочность.

Целью изобретения является повышение эффективности отделения шлама от породы забоя путем более полного обеспечения эффекта "черепка", а также увеличение прочности зубка путем оптимизации угла взаимодействия его вершины с породой.

Решение поставленной задачи осуществляется за счет того, что в зубке шарошки трехшарошечного бурового долота, содержащего цилиндрический хвостовик и поражающую часть, выполненную в виде головки, усеченной клиновидной вершиной с двумя боковыми гранями, имеющими выпуклую и вогнутую искривленную форму и образующими скругленную режущую кромку при вершине, вогнутая и выпуклая боковые грани имеют дополнительную кривизну, образующая которой перпендикулярна образующей основной кривизны, центр скругления вершины режущей кромки зуба смещен от оси в сторону вогнутой грани, а радиус скругления режущей кромки в ее центральной части выполнен большим радиуса скругления у периферии.

Кроме того, вогнутая и выпуклая грани образованы двумя сферическими поверхностями, причем радиус сферической поверхности, образующей вогнутую грань, выполнен большим радиуса сферической поверхности, образующей выпуклую грань, в 1,5-1,8 раза и принимается равным 1,8-2,2 диаметра основания хвостовика.

На фиг. 1 изображен зубок, профильная проекция; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид В на фиг. 1; на фиг. 5 и 6 - сечения соответственно Г-Г и Д-Д на фиг. 2; на фиг. 7 - вариант - профиль зубка с конической поражающей частью; на фиг. 8 - вид Е на фиг. 7; на фиг. 9 - вид Ж на фиг. 7.

Зубок, содержащий цилиндрический хвостовик 1 и поражающую часть 2, выполненную в виде головки 3, усеченной клиновидной вершиной 4 с двумя боковыми гранями 5 и 6, имеющими соответственно вогнутую и выпуклую искривленную форму и образующими скругленную режущую кромку 7 при вершине 8.

Вогнутая и выпуклая боковые грани 5 и 6 имеют дополнительную кривизну, образующая 9 которой перпендикулярна образующей 10 основной кривизны, центр 11 скругления (4) режущей кромки 7 смещен от оси 12 зубка в сторону вогнутой грани 5 на величину δ = 0,1-0,15 диаметра основания конуса, а радиус скругления режущей кромки 7 в ее центральной части 13 (R_центр у оси зубка, сечение D-D) выполнен большим радиуса скругления (R_периф) у периферии 14 (сечение Г-Г).

Вогнутая и выпуклая боковые грани 5 и 6 могут быть образованы двумя сферическими поверхностями 15 и 16, причем радиус сферической поверхности 15 R_{сф.вогн}, образующей вогнутую грань 5, выполнен большим радиуса сферической поверхности 16 R_{сф.выпукл}, образующей выпуклую грань 6 в 1,5-1,8 раза, и принимается равным 1,8-2,2 диаметра хвостовика 1 или основания 17 конуса поражающей части 2, примыкающей к хвостовику 1 (при конической поражающей части).

При таком геометрическом построении линия, на которой находятся центры радиуса скругления режущей кромки 7, изогнута и ее радиус (R_{центровскругления)} равен R_{сф.вогн}-R_{сф.выпукл}. В этом случае достигается условие, при котором зубок в его центральной (осевой) части имеет максимальную прочность.

В общем случае центры радиусов обеих сфер и продольная ось зубка лежит в одной плоскости, однако в некоторых случаях (например, при проектировании долот малого диаметра с большим смещением оси цапфы относительно оси долота) центр сферы, образующей вогнутую грань, может быть смещен от плоскости в сторону центра шарошки. При таком построении наиболее удаленный от вершины шарошки участок режущей кромки, а следовательно, и самый нагруженный, имеет наибольшее сечение и наибольшую прочность.

Работает зубок шарошки трехшарошечного долота следующим образом.

При перекатывании шарошки по забою, как известно, зубья каждого венца работают по разным траекториям и вершины зубьев каждого из венцов внедряются в породу под разными углами и отделяют от массива частицы породы.

Например, зубья вершинных венцов чаще всего совершают петлеобразное движение и зубья следует располагать таким образом, чтобы касательная к линии симметрии вершины зубка при контакте с породой была бы направлена перпендикулярно к поверхности породы забоя. При выходе зубка из лунки ее вогнутая боковая грань 5 за счет эффекта "черпака" отделяет от породы частицы шлама наибольшей величины. За счет того, что вогнутая грань имеет двойную кривизну, объем частицы шлама значительно увеличивается.

Зубья же периферийных венцов, несмотря на то, что их принцип работы совершенно иной, чем вершинных, могут иметь совершенно идентичную конструкцию, однако ориентация вогнутой и выпуклой граней должна быть противоположно направленной (зубья вершинных венцов, т. е. венцов, расположенных от точки пересечения мгновенной оси вращения с образующей конусов шарошек ближе к вершине, должны быть ориентированы в сторону вращения шарошки, зубья периферийных венцов - в противоположную).

Пример построения профиля зубка может быть следующим.

Из конструктивных соображений выбирается величина хвостовика и поражающей части зубка, при этом глубина запрессовки (длина хвостовика) зависит от многих конструктивных и технологических факторов и в объеме притязаний по заявке не регламентируется. Величина (высота) поражающей части зубка определяется путем обычного геометрического построения из условий полного перекрытия забоя. Таким образом определяется профиль зуба (вид Б). Этот профиль может быть либо с конической поражающей частью (как на фиг. 7, 8, 9), либо с цилиндрической (фиг. 1-4), при этом последний более предпочтителен при использовании их в долотах, предназначенных для разбуривания мягких пород (вследствие того, что лопасть черпакообразного зуба имеет в этом случае большую ширину, количество шлама за единичный контакт зуба с породой увеличивается).

Следующим этапом проектирования является геометрическое построение поражающей части зуба с учетом параметров, указанных выше: радиусы сфер вогнутой и выпуклой граней, радиусы скругления кромок и т. д. Зубки с коническим участком на поражающей поверхности и цилиндрические зубки имеют одинаковый принцип построения.

Как показали предварительно проведенные испытания, долота, оснащенные зубками, выполненными согласно материалам заявки, имеют повышенные показатели работы по проходке и механической скорости на 20-30% . (56) 1. Патент США N 3743038, кл. 175-341, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР N 1470926, кл. Е 21 В 10/16, 1972.

3. Патент США N 4108260, кл. 175-374, 1978.

Использование: область долотостроения, в частности в буровых долотах со штыревым вооружением, предназначенных для бурения преимущественно глубоких нефтяных и газовых скважин. Сущность: в зубке шарошки трехшарошечного бурового долота каждая вогнутая 5 и выпуклая 6 боковая грань выполнена в виде поверхности второго порядка. Образующая кривой второго порядка имеет вид кривой линии. Центр скругления вершины режущей кромки смещен от оси зубка в сторону вогнутой грани 5. Радиус скругления режущей кромки в ее центральной части выполнен большим, чем радиус скругления у периферии. Вогнутая 5 и выпуклая 6 грани могут быть образованы сферическими поверхностями. Радиус сферической поверхности, образующей вогнутую грань 5, выполнен большим, чем радиус сферической поверхности, образующей выпуклую грань 6, в 1,5 - 1,8 раза и равен 1,8 - 2,2 диаметра хвостовика. 1 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. Зубок шарошки трехшарошечного бурового долота, содержащий цилиндрический хвостовик и головку с усеченной клиновидной вершиной, двумя боковыми гранями, имеющими вогнутую и выпуклую форму и скругленную режущую кромку при вершине, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса отделения шлама от породы забоя путем более полного использования эффекта "черпака", а также увеличения прочности зубка, каждая вогнутая и выпуклая боковая грань выполнена в виде поверхности второго порядка, образующая которой имеет вид кривой линии, центр скругления вершины режущей кромки смещен от оси зубка в сторону вогнутой грани, а радиус скругления режущей кромки в ее центральной части выполнен большим радиуса скругления у периферии. 2. Зубок по п. 1, отличающийся тем, что вогнутая и выпуклая грани образованы сферическими поверхностями, причем радиус сферической поверхности, образующей вогнутую грань, выполнен большим радиуса сферической поверхности, образующей выпуклую грань, в 1,5 - 1,8 раза и принимается равным 1,8 - 2,2 диаметра хвостовика.