БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1996 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к долотостроению и может найти применение в буровых долотах с твердосплавными вставными зубьями, применяемых при бурении нефтяных и газовых глубоких скважин.

Известно буровое долото, содержащее корпус с установленными на нем шарошками, имеющими вооружение в виде венцов зубьев, при этом зубья имеют клиновидную форму (в виде двугранного угла) и установлены без наклона относительно радиуса наружной окружности, а вершина зуба, т.е. его режущая кромка, установлена параллельно образующей конуса шарошки.

Недостатком известного долота является низкая эффективность вооружения, вызванная тем, что углы установки зубьев на венцах не соответствует оптимальным значениям.

Известно долото, шарошки которого имеют фрезерованное вооружение, и вершинные кромки зубьев установлены под углом к образующей конуса шарошки.

В этом долоте не регламентированы величины углов и направление поворота кромок зуба, а исследования показывают, что параметры установки зубьев на шарошках имеют определяющее влияние на эффективность работы долота.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее конусные шарошки и размещенное на них вооружение в виде венцов вставных зубьев с клиновидными вершинами, расположенными с наклоном относительно радиусов окружностей, проведенных по режущим кромкам зубьев в сторону передних граней.

Последнее долото, в связи с тем, что в нем использованы наиболее прогрессивные "черпакообразные" зубья, имеет довольно высокие технологические показатели, однако эти зубья, установленные обычным образом, т.е. режущей кромкой клиновидной вершины параллельно образующей конуса, в долотах со смещением осей шарошек в плане не могут полностью выполнять возложенные на них функции. Вызвано это тем, что при движении режущей кромки зуба, отделенный шлам отбрасывается под следующий зуб того же венца, и происходит повторное перемалывание, что отрицательно влияет на работоспособность зубьев и вызывает повышенный износ. Это усугубляется при использовании "черпакообразных" зубьев, так как масса единичного отделенного шлама увеличена, таким образом увеличивается и износ вооружения. Кроме того, при прямой установке зуба в долоте со смещенными осями шарошек в плане, шарошка несколько повернута, и зуб действует на породу в несколько укороченном (в проекции на радиус забоя) виде. Вследствие того и масса единичного отделенного шлама тоже уменьшается.

Целью изобретения является увеличение эффективности работы вооружения долота путем оптимизации углов взаимодействия вооружения и породы забоя.

Поставленная цель достигается за счет того, что в буровом шарошечном долоте, содержащем конусные шарошки и размещенное на них вооружение в виде венцов вставных зубьев с клиновидными вершинами, расположенными с наклоном относительно радиусов окружностей, проведенных по режущим кромкам зубьев в сторону передних граней, режущая кромка каждого наклонного зуба в плане установлена под углом к образующей конуса шарошки, причем на периферийных венцах этот угол равен 3-8^о, а на вершинных 7-12^о с поворотом режущей кромки в противоположную сторону относительно режущей кромки зубьев периферийных венцов.

Технический результат эффективность долот с новым вооружением достигается за счет улучшенного отделения породы от массива забоя, при этом увеличивается механическая скорость бурения и проходка.

На фиг. 1 представлено буровое шарошечное долото, общий вид; на фиг. 2 шарошка с видами зубьев; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 сечение В-В на фиг. 2.

Буровое шарошечное долото содержит конусные шарошки 1 и размещенное на них вооружение 2 в виде венцов вставных зубьев 3 с клиновидными вершинами 4, расположенными с наклоном α относительно радиусов 5 окружностей 6, проведенных по режущим кромкам 7 зубьев 3 в сторону передних граней. Режущая кромка 7 каждого наклонного зуба 3 в плане установлена под углом к образующей 8 конуса 9 шарошки, причем на периферийных венцах 10 угол поворота кромки 7 клиновидной вершины 4 к образующей 8 конуса 9 (β₁) выполнен равным 3-8^о, а на вершинных 11 (β₂) 7-12^о с поворотом режущей кромки в противоположную сторону относительно режущей кромки зубьев периферийных венцов.

Долото может иметь на шарошках 2-3 и более венцов вставных зубьев. Во всех случаях поворот кромок зуба осуществляется на вершинных 11 и периферийных 10 венцах или венцах, размещенных в области вершин или периферии шарошки, т.е. ведомых венцах. В случаях, когда шарошка имеет и ведущий венец, т.е. венец, размещенный близко к точке пересечения мгновенной оси вращения с образующей конуса шарошки, как например средний венец с зубьями 12, последние выполняются без наклона, а кромки их клиновидных вершин выполнены параллельными образующей конуса шарошки.

Работает долото следующим образом.

При опускании долота на забой скважины и начале вращения кинематика работы зубьев различных венцов различна. Зубья ведущих венцов, т.е. венцов, расположенных в области точки пересечения мгновенной оси вращения с образующей конуса, по дуговой траектории внедряются в породу и по симметричной траектории выходят из породы. При этом смещения и отвода шлама в сторону практически не происходит. Зубья же вершинных венцов совершают петлеобразное движение, причем внутренняя часть "черпака", т.е. его передняя грань, отделяет шлам и выносит его над породой. Поворот зуба на угол β позволяет отводить шлам от этого венца в сторону и исключить его попадание под следующий зуб и повторное перемалывание. Аналогичная картина наблюдается и при работе периферийного венца. Кроме того, при работе долота облегчается внедрение зубьев в породу, так как происходит не прямое внедрение, а наклонный срез частиц породы.

Важным моментом является уменьшение нагрузок на вооружение и, как следствие, практически не наблюдается слом вершин зубьев. Так же появляется возможность применения более высоких зубьев, что также повышает эффективность работы долота.

Таким образом, из-за облегчения отделения шлама, исключения повторного перемалывания, уменьшения нагрузок на зубья, уменьшенного износа вооружения улучшаются технологические показатели бурения проходка, механическая скорость бурения и стойкость долота.

Использование: долотостроение, в частности буровые долота с твердосплавными вставными зубками, применяемые при бурении нефтяных и газовых глубоких скважин. Сущность: в буровом шарошечном долоте режущая кромка 7 каждого наклонного зуба в плане расположена под углом к образующей 8 конуса 9 шарошки. На периферийных венцах 10 этот угол равен β₁ 3 - 8^o, а на вершинных венцах 11 β₂ 7 - 12^o с поворотом режущей кромки 7 в противоположную сторону относительно режущей кромки 7 зубьев 8 периферийных венцов 10. 5 ил.

БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО, содержащее конусные шарошки и размещенное на них вооружение в виде венцов вставных зубьев с клиновидными вершинами, расположенными с наклоном относительно радиусов окружностей, проведенных по режущим кромкам в сторону передних граней, отличающееся тем, что режущая кромка каждого наклонного зуба в плане расположена под углом к образующей корпуса шарошки, причем на периферийных венцах этот угол равен 3 8^o, а на вершинных 7 12^o с поворотом режущей кромки в противоположную сторону относительно режущей кромки периферийных венцов.