ШАРОШКА БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 1997 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к шарошкам буровых долот.

Известны шарошки серийных буровых долот, оснащенные периферийными и центральными венцами, включающими предпериферийный, второй и первый венцы. Нумерация венцов принята от вершины шарошки. Элементы вооружения в венцах размещены с постоянным угловым шагом. Элементы вооружения венцов с меньшим угловым шагом размещены в свету элементов вооружения с большим шагом случайным образом. Шарошка установлена на опорах, включающих один замковый и два радиальных подшипника.

Недостатками этих шарошек является то, что элементы вооружения контактируют с забоем в случайных сочетаниях, при этом в отдельные моменты времени вся реакция забоя передается на шарошку через вооружение отдельных венцов. Это приводит к перегрузке вооружения соответствующего венца, а в случае передачи реакции забоя только через первые или только через периферийные венцы к перегрузке ближайшего к ним радиального подшипника. Кроме того, постоянный шаг элементов вооружения в венцах создает условия для формирования на забое устойчивой рейчатой поверхности некоторыми, преимущественно периферийными, венцами шарошки. Эти недостатки обуславливают низкие механическую скорость бурения и стойкость опор шарошек.

Известна шарошка бурового долота, содержащая первый и периферийный венцы, а также внутренние венцы, включающие предпериферийный и второй венцы, с групповым координированным размещением элементов вооружения, характеризующимся средним угловым шагом элементов вооружения в соответствующем венце и угловым смещением в направлении вращения шарошки элементов вооружения одного венца относительно элементов вооружения другого венца. Шарошка установлена на опорах, включающих один замковый и два радиальных подшипника.

Такое выполнение вооружения шарошки позволяет предупредить образование устойчивой рейки на забое скважины и существенно повысить эффективность разрушения горной породы. Недостатком этой шарошки является то, что групповое координированное размещение элементов вооружения венцов выполнено без учета характера нагружения элементов вооружения и подшипников опоры. Поэтому, как и в случае серийных шарошек, имеют место перегрузка элементов вооружения отдельных венцов и радиальных подшипников и их преждевременный отказ.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение долговечности вооружения и опоры шарошки за счет более равномерного распределения реакции забоя по венцам и подшипникам в процессе работы долота.

Технический результат достигается тем, что на шарошке бурового долота, содержащей первый и периферийные венцы, а также внутренние венцы, включающие предпериферийный и второй венцы, с групповым координированным размещением элементов вооружения, характеризующимся средним угловым шагом элементов вооружения в соответствующем венце и угловым смещением в направлении вращения шарошки элементов вооружения одного венца относительно элементов вооружения другого венца, относительно каждого элемента вооружения первого венца размещен реперный элемент вооружения периферийного венца с угловым смещением Δθ_п, равным
,
где Φ_o безразмерный коэффициент, учитывающий тип вооружения шарошечного долота; Φ_o=0,33 у долот с вооружением для твердых горных пород, и Φ_o=0,46 у долот с вооружением для средних и мягких горных пород;
θ₁ и θ_п угловые шаги первого и периферийного венцов соответственно, рад; а относительно каждого реперного элемента вооружения периферийного венца размещен реперный элемент вооружения предпериферийного венца с угловым смещением Δθ_пп равным

где θ_пп угловой шаг предпериферийного венца, рад; относительно реперных элементов которого размещены реперные элементы вооружения второго венца с угловым смещением Δθ₂ равным

где θ₂ угловой шаг второго венца, рад; при этом между реперными элементами соответствующих венцов размещены их остальные элементы вооружения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая шарошка отличается тем, что относительно каждого элемента вооружения первого венца размещен реперный элемент вооружения периферийного венца с расчетным угловым смещением, а относительно каждого реперного элемента вооружения периферийного венца размещены реперные элементы вооружения предпериферийного венца с расчетным угловым смещением, относительно которого размещены реперные элементы вооружения второго венца также с расчетным угловым смещением. Таким образом, заявляемая шарошка соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемую шарошку от прототипа, что позволило сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показана четырехвенцовая шарошка и схема действующих на нее сил при бурении; на фиг.2 схема взаимодействия элементов вооружения одного венца с забоем; на фиг.3 осцилограмма силы, действующей на элемент вооружения в процессе его взаимодействия с забоем; на фиг.4 развертка вооружения четырехвенцовой шарошки, размещенного по предлагаемому техническому решению.

Шарошка буровая долота 1 содержит первый а, периферийный d, предпериферийный c и второй b венцы (см. фиг.1). Шарошка установлена на двух радиальных 2 и 3 и одном замковом 4 подшипниках. Элементы вооружения венцов взаимодействуют с забоем 5. Элементы вооружения размещены в венцах, например, 6 и 7, со средним угловым шагом Δθ_п соответствующим конкретному типоразмеру долота (см. фиг.2). Реперные элементы вооружения обозначены знаком доверительного интервала (Н), который рассчитан с надежностью 0,95. Реперные элементы вооружения периферийного венца d (см. фиг.4) смещены в направлении вращения шарошки относительно элементов вооружения первого венца a на угол Δθ_пп Соответственно, относительно каждого реперного элемента вооружения периферийного венца смещены в направлении вращения шарошки реперные элементы вооружения предпериферийного венца на угол Δθ₂ а реперные элементы вооружения второго венца b смещены относительно реперных элементов вооружения предпериферийного венца на угол ω Окончательное размещение всех элементов вооружения в венцах выполнено относительно их реперных элементов вооружения с учетом доверительных интервалов.

Шарошка долота работает следующим образом. В процессе бурения шарошка нагружается силой G_c (см. фиг.1) и перекатывается по забою с угловой скоростью w (см. фиг.2). Элементы вооружения нагружаются реакциями забоя P₁, P₂, P₃ и P₄, при этом P₁+P₂+P₃+P₄=G_c. Каждый элемент вооружения, например 6 (см. фиг. 2), характеризуется углом взаимодействия "фи"(элемент 6 показан пунктирной линией), отсчитываемым от его вертикального положения (элемент 6 показан сплошной линией). Угол v = Φ_н соответствует началу взаимодействия. В процессе поворота шарошка сила Р с момента Φ = Φ_н вначале возрастает и достигает наибольшего значения при Φ = Φ_э а затем снижается (см. фиг.3), что обусловлено входом в контакт с забоем элемента вооружения 7 (см. фиг.2).

Нетрудно увидеть, что наибольшая перегрузка венца а и подшипника 3 будет иметь место, если P₂=P₃=P₄=0, а P₁=G_c. Несколько лучше условия будут в случае, если P₃=P₄=0, а P₁+P₂=G_c. Наибольшая перегрузка венца d и подшипника 2 будет в случае, когда P₁=P₂=P₃=0, а P₄=G_c. Из схемы следует, что для повышения равномерности нагружения подшипников целесообразно, чтобы нагрузка на забой передавалась в сочетаниях
1) P₁+P₄=G_c;
2) P₂+P₃=G_c;
3) P₂+P₄=G_c.

Передача нагрузки тремя венцами, а тем более сразу четырьмя венцами нежелательна, т. е. при этом снижается давление на забой и эффективность разрушения горной породы.

Расчетное угловое смещение реперные элементов вооружения обеспечивает нагружение элементов вооружения первого венца, например, 8 сначала совместно с реперными элементами вооружения предпериферийного венца, например, 9, а затем с реперными элементами периферийного венца, например 10. Реперные элементы вооружения второго венца, например 11, нагружаются совместно с элементами предпериферийного венца, например 12. Такая последовательность нагружения элементов вооружения исключает передачу всей нагрузки G_c только венцам a и b или венцом d, что обеспечивает их более равномерное нагружение и исключает перегрузку радиальных подшипников 2 или 3 (см. фиг.1). Все это в конечном счете повышает стойкость вооружения и опор шарошек и улучшает показатели бурения скважин.

При обосновании углового смещения реперных элементов вооружения были использованы результаты дробно-факторного эксперимента по изучению взаимодействия элемента вооружения шарошки с горной породой [3] В качестве основной характеристики взаимодействия принята относительная величина угла взаимодействия Φ_o при котором сила Р достигает наибольшего значения

Анализ результатов дробно-факторного эксперимента показал, что "фи"₀ статистически устойчива и существенно зависит от двух факторов:
1) от удельного скольжения V_┴ элемента вооружения в направлении, перпендикулярном образующей шарошки

где R и r средние радиусы забоя и венца шарошки, мм;
k смещение оси шарошки в плане, мм;
i передаточное отношение от корпуса долота к шарошке;
2) от относительного шага поражения забоя, который в случае вооружения в виде притупленного клина равен

где t₃ шаг поражения забоя венцом, мм;
b начальное притупление элемента вооружения.

Для обеспечения последующих расчетов были получены следующие уравнения регрессии:

Общий коэффициент корреляции равен 0,86 и статистически значим с надежностью 0,95.

Среднее квадратичное отклонение Φ_o в опытах составляло s₀=0,17, а доверительный интервал в одном эксперименте (в одном эксперименте снималось 20-25 осциллограмм взаимодействия элемента вооружения шарошки с забоем) ε ≈ 0,07 также статистически значим с надежностью 0,95.

Для количественной оценки Φ_o были выполнены расчеты для долот с вооружением типов М, С и Т размером 215,9 мм. Результаты расчета приведены в таблице.

Расчетные значения Φ_o по венцам шарошек приведены в таблице.

Величины Φ_o по венцам долот с вооружением типа М и С различаются статистически незначимо, а поэтому все долота объединены в две группы:
1) долота с вооружением для средних и мягких горных пород;
2) долота с вооружением для твердых горных пород.

Нетрудно увидеть, что для долот первой группы изменение Φ_o от 0,41 до 0,50 укладывается в доверительный интервал Φ_o±ε = 0,46±0,07, а поэтому принимаем в качестве расчетного значения
Φ_o= 0,46.
Для долот второй группы соответственно Φ_o±ε = 0,33±0,07 а расчетное значение
Φ_o= 0,33.
Размещение элементов вооружения в венцах проиллюстрировано на фиг.4 и выполняется в следующей последовательности. Вначале рассчитываются числа элементов вооружения в венцах в соответствии с заданными средними угловыми шагами и параметры Φ_э= Φ_oθ и 2s_oθ характеризующие нормальное распределение положения элементов вооружения в момент действия на них наибольшей нагрузки. Условные кривые нормального распределения величины Φ_э в интервале удвоенных среднеквадратических отклонений также показаны на фиг. 4. В интервале Φ = θ(Φ_o±2s_o) с вероятностью 0,95 находится положение элемента вооружения, в котором на него действует наибольшая нагрузка. Затем группами размещаются элементы вооружения первого венца с учетом того, что в их свету будут размещены по одному и по два элементы вооружения второго венца. При этом для эффективной борьбы с рейкой отношение максимального шага к минимальному принято от 1 1/4 до 1 1/3 [4] Групповое размещение элементов вооружения в первом венце предопределяет групповое размещение вооружения и в остальных венцах. Далее относительно элементов вооружения первого венца размещены реперные элементы периферийного венца, в частности, элемент вооружения 10 относительно элемента вооружения 8 с угловым смещением Δθ_п из условия, что математические ожидания максимальных нагрузок на эти элементы совпадут. Из фиг.4 следует, что

Поскольку угловые шаги Δθ_п и Δθ_пп близки по величине, а их разность меньше доверительного интервала, то вторыми слагаемыми в скобках пренебрегаем. Тогда для обеих групп долот расчетная формула принимает вид (2).

Реперные элементы вооружения второго венца смещены относительно реперных элементов вооружения предпериферийного венца из того же условия, что и реперные элементы вооружения периферийного венца относительно элементов первого венца. При этом дополнительное условие заключается в том, чтобы совместно с реперными элементами вооружения второго венца нагружались элементы вооружения предпериферийного венца, не участвующие в совместном нагружении с элементами вооружения первого венца. В соответствии с этим условием формула для расчета углового смещения Δθ₂ принимает вид (3). Знак минус в формулах (2) и (3) свидетельствует о том, что величина Δθ_пп и Δθ₂ откладываются от соответствующих реперных элементов вооружения в направлении, противоположном вращению шарошки (см. фиг.4).

Использование: шарошка бурового долота относится к устройствам для бурения скважин. Сущность изобретения: шарошка бурового долота содержит первый и периферийный венцы, а также внутренние венцы, включающие предпериферийный и второй венцы, с групповым координированным размещением элементов вооружения, характеризующимся средним угловым шагом элементов вооружения в соответствующем венце и угловым смещением в направлении вращения шарошки элементов вооружения одного венца относительно элементов вооружения другого венца. Относительно каждого элемента вооружения первого венца размещен реперый элемент вооружения периферийного венца с угловым смещением Δθ_п , равным:
,
где Φ_o - безразмерный коэффициент, учитывающий тип вооружения шарошечного долота; θ₁ и θ_п - угловые шаги первого и периферийного венцов соответственно, рад; а относительно каждого реперного элемента вооружения периферийного венца размещен реперный элемент вооружения предпериферийного венца с угловым смещением Δθ_пп равным
,
где θ_пп - угловой шаг предпериферийного венца, рад; относительно реперных элементов которого размещены реперные элементы вооружения второго венца с угловым смещением Δθ₂ равным
,
где θ₂ - угловой шаг второго венца, рад; при этом между реперными элементами соответствующих венцов размещены их остальные элементы вооружения. 4 ил. 1 табл.

Шарошка бурового долота, содержащая первый и периферийный венцы, а также внутренние венцы, включающие предпериферийный и второй венцы, с групповым координированным размещением элементов вооружения, характеризующимся средним угловым шагом элементов вооружения в соответствующем венце и угловым смещением в направлении вращения шарошки элементов вооружения одного венца относительно элементов вооружения другого венца, отличающаяся тем, что относительно каждого элемента вооружения первого венца размещен реперный элемент вооружения периферийного венца с угловым смещением Δθ_п, равным

где Φ_o- безразмерный коэффициент, учитывающий тип вооружения шарошечного долота;
θ₁ и θ_п- угловые шаги первого и периферийного венцов соответственно, рад;
а относительно каждого реперного элемента вооружения периферийного венца размещен реперный элемент вооружения предпериферийного венца с угловым смещением Δθ_пп, равным

где θ_пп- угловой шаг предпериферийного венца, рад;
относительно реперных элементов которого размещены реперные элементы вооружения второго венца с угловым смещением Δθ₂, равным

где θ₂- угловой шаг второго венца, рад;
при этом между реперными элементами соответствующих венцов размещены их остальные элементы вооружения.