ЗУБОК ШАРОШКИ БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 1996 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к технике для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин и может быть использовано в буровых шарошечных долотах, предназначенных для работы в породах преимущественно средней твердости и мягких с высокой вязкостью.

Известен зубок бурового шарошечного долота, рабочая поражающая головка которого имеет клиновидную форму с двумя плоскими гранями и скругленной вершиной [1]
Исследования показали, что такая форма поражающей головки зуба малоэффективна, особенно в современных долотах, выполненных со смещением оси цапфы шарошки относительно оси долота.

Известен зубок шарошки бурового долота, принятый за прототип и содержащий хвостовик и поражающую головку клиновидной формы с рабочими гранями: задней выпуклой и передней вогнутой в виде цилиндрической поверхности, ось которой перпендикулярна плоскости симметрии зубка [2]
В этом зубке выпуклая и вогнутая грани образованы двумя цилиндрическими поверхностями, а центр скругления кромки смещен относительно оси зубка в сторону вогнутой грани. Несмотря на очевидные преимущества такой формы головки зубок имеет существенный недостаток, заключающийся в низкой его прочности, вызванной его маленьким поперечным сечением, простое же увеличение поперечного сечения неизбежно снизит функциональные возможности зубка. Кроме того, отсутствие направляющих для отвода отделенного от массива шлама повышает износ вооружения и тела шарошки.

Задачей изобретения является повышение прочности поражающей головки путем создания на вогнутой грани ребер жесткости и улучшения условий разрушения породы и отделения шлама.

Поставленная задача решается тем, что в зубке шарошки бурового долота, содержащем хвостовик и поражающую головку клиновидной формы с рабочими гранями: задней выпуклой и передней погнутой в виде цилиндрической поверхности, ось которой перпендикулярна плоскости симметрии зубка, задняя грань выполнена в виде сферической поверхности, а на передней грани выполнены канавки. Канавки могут быть полукруглого сечения. Канавки могут быть расположены по отношению к оси зубка в продольном направлении, поперечном направлении и под острым углом к оси зубка. Кромки двух соседних канавок могут быть выполнены в виде ребра клиновидного сечения или трапециевидной формы. Канавки могут быть выполнены в продольном направлении в виде части кольца.

На фиг. 1 показан зубок шарошки бурового долота, общий вид; на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 вид сверху на фиг. 2; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 зубок с тремя канавками полукруглого сечения; на фиг. 6 сечение В-В на фиг. 5; на фиг. 7 зубок с канавками, расположенными под острым углом к оси зубка; на фиг. 8 зубок, у которого кромки двух соседних канавок выполнены в виде ребра с трапециевидным поперечным сечением; на фиг. 9 сечение Г-Г на фиг. 8.

Зубок шарошки бурового долота содержит хвостовик 1 и поражающую головку 2 клиновидной формы. Головка 2 имеет заднюю 3 сферическую выпуклую грань и переднюю 4 вогнутую грань в виде цилиндрической поверхности. Ось 5 цилиндрической поверхности расположена перпендикулярно плоскости симметрии зубка. На передней 4 грани расположены канавки 6. Канавки 6 могут быть полукруглого сечения, а в продольном направлении могут быть выполнены в виде части кольца. Канавки 6 могут быть расположены по отношению к оси зубка в поперечном направлении, или в продольном направлении или под острым углом к оси зубка. В зависимости от твердости и пластичности разбуриваемых пород кромки двух соседних канавок 6 могут быть выполнены в виде ребра 7, в поперечном сечении имеющего клиновидную форму или трапециевидную форму.

Наиболее оптимальным размером радиуса канавки 6 r_к, соотнесенным к диаметру зубка d, является r_к (0,7-1,5)d для долот, предназначенных для работы в породах средней твердости и r_к (0,3-0,9)d для работы в мягких вязких породах и в том случае, когда канавки 6 отделены друг от друга ребрами с трапециевидным поперечным сечением. При этом ширину канавок 6 b_к рекомендуется выбирать из соотношения b_к (0,20-0,45) d. Угол наклона α канавок 6 к оси зубка, для наиболее эффективного отвода шлама от места разрушения, должен находиться в пределах 3-15^о. При более высокой пластичности породы следует принимать максимальное значение угла, при снижении пластичности и повышении хрупкости минимальные значения.

Зубок бурового шарошечного долота работает следующим образом. Согласно теории и стендовым исследованиям кинематики движения зубьев при перекатывании шарошек по забою и внедрении вооружения в породу, клиновидные поражающие головки работают не обеими гранями, а только передней. Задняя грань является нерабочей и работоспособность зубка не зависит от формы этой грани. Форма задней грани влияет исключительно на прочность зубка. Выполнение задней 3 грани зубка в виде сферической поверхности увеличивает поперечное сечение поражающей головки 2 и, тем самым, увеличивает ее прочность. При движении зубка по забою скважины, за счет наличия канавок 6, взаимодействие верхней кромки зубка происходит не по линии, а по сложной кривой. Это создает дополнительное дробление шлама, облегчается внедрение зубка в породу, а продольное направление канавок способствует удалению отдельных частиц породы (особенно в пластичных породах).

Наклон канавок к оси зубка под углом α способствует более эффективному удалению шлама из зоны разрушения и снижению возможности повторного перемалывания шлама, что в конечном итоге способствует увеличению производительности бурения. Выполнение канавок в виде части кольца и полукруглыми в поперечном сечении придает передней поверхности и форму "черпака" с ребрами жесткости. Это способствует разрушению породы при единичном взаимодействии зубка с забоем на самом высоком уровне и большой прочности поражающей головки 2.

Зубки повышенной прочности позволяют использовать "черпакообразное" вооружение в породах повышенной, по сравнению с мягкими, твердости. При этом разрушение породы, ее отделение и отвод будут происходить более эффективно.

Использование: техника для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин, в частности буровые шарошечные долота, предназначенные для работы в породах преимущественно средней твердости и мягких с высокой вязкостью. Сущность: в зубке шарошки бурового долота задняя грань имеет сферическую форму. На передней грани имеются канавки. Канавки могут быть выполнены полукруглого сечения. Канавки по отношению к оси зубка могут быть расположены в продольном направлении, под острым углом к оси зубка. Кромки двух соседних канавок могут быть выполнены в виде ребра клиновидного поперечного сечения или трапециевидного поперечного сечения. 5 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. ЗУБОК ШАРОШКИ БУРОВОГО ДОЛОТА, содержащий хвостовик и поражающую головку клиновидной формы с рабочими гранями задней выпуклой и передней вогнутой в виде цилиндрической поверхности, ось которой перпендикулярна плоскости симметрии зуба, отличающийся тем, что задняя грань выполнена в виде сферической поверхности, а на передней грани выполнены канавки. 2. Зубок по п. 1, отличающийся тем, что канавки выполнены полукруглого сечения. 3. Зубок по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что канавки по отношению к оси зубка расположены в продольном направлении. 4. Зубок по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что канавки расположены под острым углом к оси зубка. 5. Зубок по пп. 1 4, отличающийся тем, что кромки двух соседних канавок выполнены в виде ребра клиновидного поперечного сечения. 6. Зубок по пп. 1 4, отличающийся тем, что кромки двух соседних канавок выполнены в виде ребра трапециевидного поперечного сечения.