БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 1994 года по МПК E21B10/18 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано в качестве породоразрушающего инструмента при бурении скважин и устройства для очистки полостей труб.

Известны буровые долота, включающий корпус с наклонной цапфой, на которой с помощью подшипников смонтирован режущий орган, состоящий из нескольких шарошек, расположенных ступенчато одна над другой [1] .

Недостатком известных долот является низкая эффективность бурения вследствие многократного перебуривания шлама, наработанного нижележащими шарошками, не вынесенного с забоя из-за незначительности подъемных усилий, создаваемых гидродинамическими свойствами бурового раствора.

Указанный недостаток устранен в конструкции долота, состоящего из корпуса с центральным каналом, наклонной цапфы, на которой с помощью подшипников смонтирован режущий орган ступенчатой формы, состоящий из двух цилиндрических шарошек большого и меньшего диаметров, размещенных одна за другой по длине цапфы [2] .

Недостатком известного устройства, выбранного нами в качестве прототипа по большинству совпадающих признаков, является низкая производительность бурения вследствие недостаточной очистки забоя. При контакте режущего органа со стенкой скважины по всему периметру часть породы, находящаяся под режущим органом уплотняется и подвергается вторичному перебуриванию.

Целью изобретения является повышение производительности бурения.

Достигается это тем, что в известном буровом долоте, состоящем из корпуса с центральным каналом, наклонной цапфы, на которой с помощью подшипников смонтирован режущий орган ступенчатой формы, состоящий из двух цилиндрических шарошек большего и меньшего диаметров, размещенных одна за другой по длине цапфы, корпус снабжен соединенной с ним упругоэластичной манжетой, перекрывающей нерабочий торец шарошки большего диаметра, с радиальными выступами, взаимодействующими с радиальными впадинами на нем, в которых выполнены сквозные каналы, сообщающие призабойную зону с надшарошечным пространством, а в цапфе выполнен конический центральный канал, сужающийся к ее концу, и к широкой его части подведен по касательной канал, сообщающий его с центральным каналом корпуса. Снабжение корпуса соединенной с ним упругоэластичной манжетой, перекрывающей нерабочий торец шарошки большего диаметра с радиальными выступами, взаимодействующими с радиальными впадинами на нем, в которых выполнены сквозные каналы, сообщающие призабойную зону с надшарошечным пространством, обеспечивает периодическое раскрытие и закрытие сквозных каналов, что позволяет создавать на центральных обнаженных плоскостях забоя знакопеременные гидравлические нагрузки, способствующие разрушению горных пород, слагающих забой. При этом улучшаются условия выноса шлама из-под зубьев шарошек, который подхватывается струями бурового раствора, протекающими вдоль стенок скважины при закрытых сквозных каналах в шарошке. Гидравлические удары, возникающие при закрытии каналов, препятствуют задержке частиц шлама в каналах и усиливают разрушающие нагрузки на зубцах долота.

Выполнение в цапфе конического центрального канала, сужающегося к ее концу, и подведение по касательной к широкой его части канала, сообщающего его с центральным каналом корпуса, обеспечивает закручивание потока бурового раствора, что способствует увеличению дальности действия струи и тем самым улучшению условий разрушения горных пород, слагающих периферийную часть забоя.

Таким образом, указанная совокупность признаков объекта изобретения способствует достижению поставленной цели.

На фиг. 1 изображено буровое долото в скважине, продольный разрез; на фиг. 2, 3 - фрагменты сечения манжеты, взаимодействующей с торцом шарошки; на фиг. 4 - поперечное сечение по А-А на фиг. 1.

Буровое долото содержит корпус 1 с центральным каналом 2 и наклонной к оси корпуса 1 цапфой 3, на которой с помощью подшипников 4 и 5 смонтированы последовательно цилиндрические шарошки большего 6 и меньшего 7 диаметров. Диаметры шарошек 6 и 7 соотносятся как 3: 1 для создания устойчивого режима работы долота на забое скважины. Рабочие поверхности и торцы шарошек 6 и 7, обращенные к забою, армированы твердосплавными зубцами 8. Тыльная нерабочая поверхность шарошки 6 выполнена с радиально ориентированными выступами 9 и перекрыта плоской манжетой 10 из упругоэластичного материала, прилегающей к нерабочему торцу и имеющей выступы 11, ответные впадинам между выступами 9 на нерабочем торце шарошки, в которых выполнены сквозные отверстия 12, сообщающие призабойную зону с надшарошечным пространством. Выступы 11 манжеты 10, размещенные во впадинах между выступами 9 на нерабочем торце шарошки 6, перекрывают отверстия 12. Манжета 10 соединена с корпусом 1 при помощи хомутика 13. В цапфе 3 выполнен центральный конический канал 14, сужающийся к торцу цапфы 3 и сообщенный каналом 15 с центральным каналом 2 корпуса 1. Канал 15 размещен по касательной к основанию корпуса канала 14 (см. фиг. 4). Канал 14 оканчивается гидромониторным насадком 16.

Принцип работы предлагаемого бурового долота заключается в следующем.

Долото на трубах опускают на забой. При этом буровой раствор, находящийся в скважине, протекает через отверстия 12, отжимая выступы 11 манжеты 10 от отверстий 12, и по кольцевому пространству между стенками скважины и поверхностью шарошки 6, не создавая гидравлических сопротивлений движению долота, могущих привести к гидроразрыву продуктивных пластов на забое скважины.

При бурении таким долотом образуется ступенчатый забой с центральным коническим уступом, что позволяет наиболее эффективно осуществлять процесс проходки скважин в породах средней крепости и выше. При этом шарошки 6 и 7 вращаются вокруг уступа с разной скоростью, что способствует улучшению условий разрушения горных пород, шлам которых относится от уступа потоками бурового раствора. Стенки скважины калибруются зубцами 8 на рабочей поверхности торцов шарошек 6 и 7. Шлам из забойной зоны в наддолотное пространство выносится через отверстия 12 и кольцевое пространство между стенками скважины и шарошкой 6 и подхватывается тыльной поверхностью этой шарошки, приподнимается над забоем и выносится на поверхность восходящим потоком бурового раствора. При этом истекающий из канала 14 буровой раствор, закрученный в нем благодаря касательно размещенному каналу 15, гидромониторно воздействует на забой и перемещает шлам в наддолотное пространство. Закрученность потока бурового раствора способствует увеличению усилия гидромониторного воздействия на забой струей бурового раствора, истекающей из гидромониторного насадка 16. Очистке способствует также манжета 10, соединенная с корпусом 1 и перемещающаяся относительно отверстий 12 и впадин между выступами 9 вращающейся шарошки 6 (см. фиг. 2, 3), чем создаются зоны с временно пониженным давлением, куда перемещается из зоны повышенного давления буровой раствор со шламом. Благодаря вышеуказанному улучшаются условия очистки забоя от шлама и повышается производительность бурения. Вращающаяся шарошка 6, создавая турбулентность восходящего потока бурового раствора, также способствует очистке забоя от шлама.

При подъеме долота из скважины режущим органом 6 полностью извлекается шлам, находящийся в наддолотном пространстве. Манжета 10 перекрывает отверстия 12, предотвращая выпадение шлама на забой.

На поверхности изношенная манжета 10 может быть заменена.

Технико-экономическая эффективность состоит в следующем:
повышается производительность бурения путем улучшения условий очистки забоя от шлама благодаря использованию ступенчатого породоразрушающего инструмента со сквозными каналами, периодически перекрываемыми эластичной манжетой, образующей над отверстиями полости с временно пониженным давлением, и закручиванию гидромониторной струи. (56) Авторское свидетельство СССР N 299630, кл. Е 21 В 9/08, 1971.

Авторское свидетельство СССР N 289186, кл. Е 21 В 9/08, 1970.

Использование: горная промышленность, в частности породоразрушающий инструмент для бурения скважин или устройства для очистки полостей труб. Сущность: в буровом долоте имеется упругоэластичная манжета 10 с радиальными выступами 11. Манжета соединена с корпусом 1 с возможностью перекрытия нерабочего торца шарошки 6. Последняя имеет радиальные выступы 9 и в них сквозные отверстия, сообщенные с призабойной зоной и с надшарошечным пространством. В цапфе 3 имеются конический центральный канал 14, сужающийся к ее концу, и канал 15, который сообщен по касательной с широкой частью канала 14 и каналом 2 в корпусе 1. Выступы 11 манжеты 10 расположены с возможностью взаимодействия с выступами 9 шарошки 6. 4 ил.

БУРОВОЕ ДОЛОТО, содержащее корпус с центральным каналом, прикрепленную к корпусу наклонную цапфу, на которой посредством подшипников установлен режущий орган ступенчатой формы в виде двух цилиндрических шарошек большего и меньшего диаметров, размещенных одна за другой по длине цапфы, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности бурения, оно снабжено упругоэластичной манжетой с радиальными выступами, соединенной с корпусом с возможностью перекрытия нерабочего торца большего диаметра, выполненной с радиальными впадинами и сквозными отверстиями во впадинах, сообщенными с призабойной зоной и с надшарошечным пространством, а в цапфе выполнены конический центральный канал, сужающийся к ее концу, и канал, сообщенный по касательной с широкой частью конического центрального канала и с центральным каналом корпуса, причем радиальные выступы упругоэластичной манжеты расположены с возможностью взаимодействия с радиальными выступами шарошки.