ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1994 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к породоразрушающемуся инструменту для бурения скважин, а именно к шарошечным буровым долотам.

Известно буровое долото, включающее шарошки, оси которых для обеспечения скольжения вооружения по забою с целью увеличения механической скорости имеют смещение относительно оси долота, т. е. не пересекаются с этой осью [1] .

Из-за того, что периферийное вооружение этого долота за счет смещения осей совершает повышенную в отношении долот без смещения осей работу по фрезерованию стенки, это вооружение подвержено усиленному износу, особенно при прохождении абразивных горных пород.

Указанные недостатки устранены в долотах со ступенчатым периферийным вооружением без смещения осей шарошек, где проскальзывание вооружения, выполняющего функцию по продвижению забоя, обеспечивается за счет нахождения этого вооружения на разных геометрических уровнях, что достигается ступенчатым выполнением периферийного вооружения [2] . В этом случае проскальзывает или основное опережающее вооружение, когда мгновенная ось вращения проходит через его рабочую поверхность, или периферийное последующее в аналогичном положении мгновенной оси вращения.

Известное шарошечное долото, принятое за прототип, включает шарошки со ступенчатым периферийным вооружением со следующим соотношением размеров ступеньки и долота: a/D= 0,111 при а/b = 0,019 с длиной рабочей поверхности l/D = 0,088; 0,065; 0,003, где а - ширина ступеньки, образуемой рабочими поверхностями опережающего основного и последующего периферийного вооружения; b - высота ступеньки; l - длина рабочей поверхности периферийного вооружения; D - диаметр долота.

В начале работы известного долота из-за того, что ступенька частично скалывается и ширина ее не обеспечивает надежного зацепления с разрушаемой горной породой и не обеспечивает проскальзывания основного опережающего вооружения, усиленному скольжению и соответственно, износу подвержено периферийное вооружение. После достижения определенного уровня износа периферийного вооружения оно входит в надежное зацепление с забоем, обеспечивая скольжение основного вооружения [3] . Изношенное периферийное вооружение испытывает значительную реакцию стенки скважины, выводя из строя замковые подшипники опор долота, приводит к преждевременному выходу его из строя или прекращению бурения из-за повышенного крутящего момента.

Целью изобретения является увеличение времени работы долота за счет снижения износа периферийного вооружения путем исключения его проскальзывания по забою скважины.

Указанная цель достигается тем, что в известном шарошечном долоте, включающем шарошки со ступенчатым периферийным вооружением, соотношение длины рабочей поверхности последующего периферийного вооружения и диаметра долота определяется как
l/D ≥ 0,127, причем l/D может изменяться от 0,127 до 0,5, т. е. до вырождения ступеньки вообще, где l - длина рабочей поверхности периферийного вооружения D - диаметр долота; соотношение ширины ступеньки, образуемой опережающим основным и последующим периферийным вооружением и диаметра долота определяется как
a/D ≥ 0,127 + 0,9 b,
где а - ширина ступеньки;
b - высота ступеньки, D - диаметр долота.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что заявляемое долото отличается тем, что введение в конструкцию указанных соотношений размеров длины рабочей поверхности вооружения периферийных венцов, ширины ступеньки, образуемой вооружением опережающего основного и последующего периферийного, позволяет осуществлять надежное зацепление периферийного вооружения и забоя без проскальзывания, что обеспечивает дости- жение цели изобретения.

Сравнение заявленных технических решений с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна". При изучении других известных технических решений, в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 приведена схема перекрытия забоя серийным долотом; на фиг. 2 - вооружение известного долота в контакте с формируемым забоем; на фиг. 3 - вооружение предлагаемого долота в контакте с формируемым забоем; на фиг. 4 - схема перекрытия забоя предлагаемым долотом; на фиг. 5 - схема для расчета длины рабочей поверхности ступенчатого периферийного вооружения; на фиг. 6 - размеры ступеньки на периферии забоя в экспериментах по ее статическому разрушению.

Периферийное вооружение (фиг. 5), находящееся на другом уровне относительно основного, в случае зацепления без скольжения, когда мгновенная ось вращения проходит через его рабочую поверхность, обеспечивает крутящий момент, определяемый силой трения вооружения и плечом, равным радиусу венца.

M_N = F_NR_N.

Скольжение основного вооружения обеспечивается при
M_N ≥M₁ + M₂ + . . . + M_N-1.

Исходя из равенства притупления вооружения по венцам и однородности породы, что обеспечивает равенство условий трения по венцам, справедливым будет соотношение
R_Nl_N ≥R₁l₁ + R₂l₂ + . . . + R_N-1l_N-1.

Пренебрегая отклонением профиля забоя от плоскости из-за малости угла отклонения, с учетом геометрического подобия, в первом приближении справедливым будет соотношение
Х_Nl_N ≥ X₁l₁ + X₂l₂ + . . . + X_N-1l_N-1, т. е. X_Nlx_пl_п
Таким образом, длина рабочей поверхности периферийного вооружения определяется

Для всех шарошек решение упрощается, поскольку длина рабочих поверхностей венцов основного вооружения определяется местом перехода на периферийную ступеньку (фиг. 3) с учетом коэффициента перекрытия и будет справедливо неравенство
Х_оl_oK ≅X_пl_п, где Х_о - координата основного вооружения;
Х_п - координата периферийного вооружения;
l_o - длина рабочих поверхностей основного вооружения до ступеньки;
l_п - длина рабочей поверхности периферийного вооружения;
К - коэффициент перекрытия.

Исходя из координат рабочих поверхностей на фиг. 1, К = 0,8.

Для решения составляются уравнения;
X_п= - ;
l_о= -l_п ;
X_о= ;
-l -lK= - l_п
Раскрывая и упрощая, получаем квадратное уравнение
(К + 1) l_п² - (К + 1) Dl_п + К = 0 со следующим решением: l= = 1 где l_п1 = 0,873 D; l_п2 = 0,127 D, однако l_п изменяется от 0 до 0,5 D, тогда конкретное решение определяет l_п = 0,127 D. Таким образом длина рабочей поверхности ступенчатого периферийного вооружения в отношении к диаметру должна быть l/D ≥0,127, причем l/D может изменяться от 0,127, до 0,5, т. е. до вырождения ступеньки вообще.

Указанная длина l обеспечивает достижение цели изобретения при условии сохранности ступеньки на забое скважины, которая формируется ступенчатым вооружением долота. Однако исходя из данных (4) ступенька на забое склонна к частичному разрушению. Следовательно, размеры ступеньки вооружения долота должны обеспечить сцепление периферийного вооружения с горной породой на длине l ≥0,127 D с учетом скола края ступеньки на забое скважины. Размер скола можно определить из анализа результатов исследования (4) по статическому разрушению ступеньки у стенки скважины единичным зубом на моделях забоя натурного размера на аналогах горных пород различной твердости. По результатам исследований построены зависимости, представленные на фиг. 6. Линия А сверху, линия В справа и линия С слева ограничивают размеры полностью разрушаемой ступеньки. Соотношение с/b = 0,33 + 0,90 является ограничением разрушения ступеньки с минимальными энергетическими затратами, где с - ширина ступеньки на блоке породы, b - высота ступеньки.

Таким образом, ширина ступеньки в пределах этих границ не может учитываться в обеспечении качественного зацепления (без проскальзывания) периферийных венцов. Поэтому после выбора длины рабочей поверхности периферийного вооружения при определении ширины ступеньки эти соотношения учитываются прибавлением С = = 0,90 b.

Таким образом, соотношение ширины ступеньки, образуемой опережающим основным и последующим периферийным вооружением, и диаметр долота определяется как
a/D ≥ 0,127 + 0,90 b, где b - высота ступеньки, образуемой опережающим основным и последующим периферийным вооружением долота. Высота ступеньки b равна высоте ступеньки на блоках породы исследований (4).

Предлагаемые долота имеют увеличение проходки на долото до 50% за счет увеличения времени работы долота при превышении средней технической скорости бурения. (56) 1. Палий П. А. , Корнеев К. Е. Буровые долота. - М. : Недра, 1971, 446 с.

2. Перегудов А. А. и др. Результаты промышленных испытаний и опыт применения долот АВ при высокооборотном бурении. Горнорудные предприятия. - М. : Тр. -ды. ВНИИБТ, вып. 35, 1976, с. 115-118.

3. Синев С. В. О серийных шарошечных долотах к станкам 2 СБШ-200. НТС Горный журнал. Недра, 1982, вып. 2, с. 35-36.

4. Исследование и разработка эффективных процессов разрушения горных пород при бурении скважин. - М. : Ленинский пр. 6, ВНИИБТ, отчет по теме N 11 за 1976.

Использование: шарошечные буровые долота для бурения скважин. Сущность: в шарошечном долоте соотношение длины рабочей поверхности последующего периферийного вооружения и диаметра долота определяется как l/D≥ 0,127, причем l/D может изменяться от 0,127 до 0,5, где l - длина рабочей поверхности периферийного вооружения, D - диаметр долота. Соотношение ширины ступеньки, образуемой опережающим основным и последующим периферийным вооружением, и диаметра долота определяется как a/D≥ 0,127+0,9[b], где a - ширина ступеньки, b - высота ступеньки. 1 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО, содержащее шарошки со ступенчатым периферийным вооружением, отличающееся тем, что, с целью увеличения времени работы долота за счет снижения износа периферийного вооружения путем исключения его проскальзывания по забою скважины, соотношение длины рабочей поверхности последующего периферийного сооружения и диаметра долота определяется как l/D ≥ 0,127, причем l/D может меняться от 0,127 до 0,5, где l - длина рабочей поверхности периферийного вооружения, D - диаметр долота. 2. Долото по п. 1, отличающееся тем, что соотношение ширины ступеньки, образуемой опережающим основным и последующим периферийным вооружением, и диаметра долота определяется как a/D ≥ 0,127 - 0,9 b, где a - ширина ступеньки; b - высота ступеньки.