БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1998 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к бурению глубоких скважин большего диаметра и может быть использовано в компоновке долотных буров с шарошечным породоразрушающим инструментом и в буровых шарошечных долотах.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников конические шарошки с вершинными, срединными и периферийными венцами [1].

Недостатками известного устройства являются шероховатая поверхность стенок скважины, поскольку в калибровке стенок скважины и зачистке ее стенок участвует только один периферийный венец. Кроме того, значительно изнашиваются затылочные поверхности шарошек, так как эти поверхности ничем не защищены.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее цапфы с лапами, установленные на цапфах посредством подшипников сферические шарошки с породоразрушающими зубьями [2].

Недостатком известного устройства является повышенная энергоемкость разрушения забоя скважины, так как сферические шарошки образуют выпуклую форму забоя.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников шарошки и расположенные на шарошках породоразрушающие элементы в виде зубьев, одни из которых периферийные [3].

Недостатками известного устройства являются нецилиндрическая форма скважины, шероховатая поверхность стенок, повышенная энергоемкость разрушения центральной части забоя, неравномерное распределение напряжение между забоем и стенками скважины, приводящее к уменьшению их устойчивости, пониженная долговечность долота из-за разрушения поверхностей шарошек выступающими частями реечной поверхности забоя.

Целью изобретения является получение скважины с устойчивыми гладкими стенками цилиндрической формы, увеличение ее эффективного диаметра за счет перераспределения энергоемкости разрушения породы с уменьшением ее в центральной части забоя и увеличением на периферии и обеспечения равномерного распределения напряжения между забоем и стенками скважины и повышение долговечности долота за счет защиты поверхностей шарошек от выступающих частей реечной поверхности забоя.

В буровом шарошечном долоте, содержащем лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников шарошки, расположенные на шарошках породоразрушающие элементы в виде зубьев, одни из которых периферийные, для достижения цели имеются дополнительные твердосплавные зубки, расположенные между зубьев периферийных породоразрушающих элементов, рабочие поверхности которых установлены заподлицо с поверхностями шарошек, и подрезные резцы в виде твердосплавных зубков, установленные на затылочных поверхностях, рабочие части которых выступают над поверхностями шарошек. Шарошки выполнены сфероконическими, с соотношениями конических и сферических частей, определяемыми из выражения:

где
R_k - расстояние от центра долота до места сопряжения конической и сферической частей шарошек, мм;
R_д - радиус долота, мм,
а сферические поверхности сопряжены с затылочными поверхностями. Породоразрушающие элементы могут быть или фрезерованными или в виде твердосплавных зубков. Подрезные резцы могут быть размещены в один или несколько рядов, а в рабочем положении могут быть расположены на окружности скважины, формируемой периферийными зубьями, или немного выступать за эту окружность.

Техническим результатом изобретения является изменение кинематики движения шарошек в сторону уменьшения числа их оборотов за один оборот долота и увеличение тем самым фрезерующего эффекта подрезных зубков перераспределение энергоемкости разрушения породы с уменьшением ее в центральной части забоя и увеличением на периферии для образования стенок скважины с гладкой поверхностью, обеспечение равномерного распределения напряжений между забоем и стенками скважины, а также защита поверхностей шарошек от выступающих частей реечной поверхности.

На фиг. 1 показано буровое шарошечное долото; на фиг. 2 - выполнение долота с выступающими за окружность скважины, формируемой периферийными зубьями, подрезными резцами; на фиг. 3 - выполнение долота с фрезерованными породоразрушающими зубьями; на фиг. 4 - выполнение долота с расположенными в несколько рядов подрезными зубьями.

Буровое шарошечное долото содержит лапы 1 и цапфы 2. На цапфах посредством подшипников 3 установлены шарошки 4. Шарошки 4 имеют сфероконическую форму. Соотношение конических и сферических 6 частей шарошек 4 определяется из выражения

где
R_к - расстояние от центра долота до места сопряжения конической и сферической частей шарошки, мм;
R_д - радиус долота, мм.

На шарошках 4 имеются породоразрушающие элементы 7 и 8 в виде зубьев. Зубья 8 являются периферийными. Элементы 7 и 8 могут быть в виде фрезерованных зубьев или в виде твердосплавных зубьев. На затылочных поверхностях 10 имеются подрезные резцы 11 в виде твердосплавных зубков. Резцы 11 могут быть расположены в один или несколько рядов. Между зубьями 8 расположены дополнительные твердосплавные зубки 12. Подрезные резцы 11 рабочими частями выступают за поверхность шарошек 4. Резцы 11 в рабочем положении могут быть расположены или на окружности долота Д_п, формируемой резцами 8 или 9, или немного выступать за нее. Сферические 6 части шарошек 4 сопрягаются с затылочными поверхностями 10. Позицией 13 обозначена ось долота.

Работа бурового шарошечного долота.

При вращении долота породоразрушающие элементы 7, расположенные на конических частях 5 шарошек 4, разрушают центральную часть забоя, а породоразрушающие элементы 8 или 9, расположенные на сферических частях 6 шарошек 4, разрушают переходную зону от забоя к стенкам скважины и калибруют стенки скважины. Переходная зона имеет форму сферы. Поскольку центральная часть забоя разрушается коническими частями 5 шарошек 4, то забой получается плоским и здесь затрачивается минимум энергоемкости. Высвободившаяся часть энергоемкости перераспределяется в сторону периферии и используется породоразрушающими элементами 8 или 9 сферических частей 6 шарошек 4 для образования плавного перехода между забоем и стенками скважины и подрезными резцами 11 для калибровки стенок скважины, придания им цилиндрической формы и образования на них гладкой поверхности.

Плавный переход между забоем и стенками скважины способствует равномерному распределению напряжений между ними, что в свою очередь повышает устойчивость стенок. Повышает устойчивость стенок и гладкая поверхность их.

Сфероконическая форма шарошек 4 изменяет кинематику движения шарошек 4 в сторону уменьшения числа их оборотов. Поскольку подрезные резцы работают фрезерованием, т. е. без ударов, и плавно входят в зацепление с породой, то это способствует повышению устойчивости стенок скважины. Работа резцов 11 во фрезерующем режиме при уменьшенных оборотах шарошек 4 способствует образованию гладкой поверхности стенок и приданию им цилиндрической формы. В этих условиях работы шарошек 4 практически исключается желобообразование, т.е. продольные канавки в виде винтовых нарезок с удлиненным шагом, которые образуются на стенках скважины от врезания в породу шарошек известных конструкций. Желобы уменьшают эффективный диаметр скважины, в результате чего колонна обсадных труб не может быть опущена в скважину. Сфероконическая форма шарошек 4 исключает этот недостаток шарошек известных конструкций.

Соотношение между коническими 5 и сферическими 6 частями шарошек 4 в виде

где
R_к - расстояние от центра долота до места сопряжения конической и сферической частей шарошки, мм;
R_д - радиус долота, мм,
охватывает все типоразмеры шарошечных долот, предназначенных для бурения скважин большого диаметра.

В зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород могут быть применены шарошки 4, или с фрезерованными зубьями 7 и 8 или с твердосплавными зубьями 9. Зубья 7 и 8 применяются в случае разбуривания мягких и средней твердости пород, зубья 9 применяются в случае разбуривания твердых пород.

Поскольку периферийные зубья 8 или 9 выполняют больший объем работ по сравнению с другими породоразрушающими зубьями, то они подвергаются и большему износу. Быстрее изнашиваются промежутки между зубьями 8 от выступающих частей реечной поверхности забоя, которую образуют эти зубья 8 при воздействии на породу. Поэтому в промежутках установлены дополнительные твердосплавные зубки 12.

В зависимости от физико-механических свойств породы на затылочных поверхностях шарошек 4 могут быть расположены подрезные резцы 11 в один ряд или несколько рядов. Чем больше твердость породы, тем больше рядов резцов 11 должно быть на поверхности 10.

В зависимости от физико-механических свойств пород устанавливается определенный вылет рабочих частей резцов 11 над поверхностями шарошек 4. В случае разбуривания мягких и средней твердости пород рабочие части резцов 11 должны немного выступать за окружность скважины Д_п, формируемой периферийными зубьями 8 или 9. В случае разбуривания твердых пород рабочие части резцов 11 должны быть расположены на этой окружности. Полученная таким образом гладкая поверхность стенок скважины повышает их устойчивость. Сопряжение сферической части 6 с затылочной поверхностью 10 шарошки 4 уменьшает концентрацию напряжений в переходной зоне, что также способствует повышению устойчивости стенок скважины.

Источники информации:
1. SU, N 70269, кл. E 21 B 10/22, опубл.1947 г.

2. SU, N 3363706, кл. 175-340, опубл.1968 г.

3. SU, N 150270, кл. E 21 B 10/16, опубл.1989 г.

Относится к бурению глубоких скважин большого диаметра, в частности, в компоновках долотных буров с шарошечным породоразрушающим инструментом и в буровых шарошечных долотах. Буровое шарошечное долото содержит лапы 1 и цапфы 2. На цапфах 2 посредством подшипников 3 установлены шарошки 4. Шарошки 4 имеют сфероконическую форму. Соотношение конической 5 и сферической 6 частей шарошки 4 определяется из выражения: R_к/R_д = 0,55 ^oC 0,75, где R_к - расстояние от центра долота до места сопряжения конической и сферической частей шарошки, мм; R_д - радиус долота, мм. На шарошке 4 имеются породоразрушающие элементы в виде фрезерованных зубьев или в виде твердосплавных зубков 9. На затылочном конусе 10 имеются подрезные резцы 11. Резцы 11 могут быть расположены в один или несколько рядов. Между фрезерованными зубьями расположенными дополнительные твердосплавные зубки. Резцы 11 рабочими частями выступают за поверхность шарошек 4. В рабочем положении резцы 11 могут быть расположены на окружности скважины, формируемой периферийными зубьями, или немного выступать за эту окружность. Сферические части 6 шарошек 4 сопрягаются с затылочными поверхностями 10. Целью изобретения является получение скважины с устойчивыми гладкими стенками цилиндрической формы, увеличение ее эффективного диаметра и повышение долговечности долота. 4 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Буровое шарошечное долото, содержащее лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников шарошки, и расположенные на шарошках породоразрушающие элементы в виде зубьев, одни из которых периферийные, отличающееся тем, что оно снабжено подрезными резцами в виде твердосплавных зубков, установленными на затылочных поверхностях, рабочие части которых выступают над поверхностями шарошек, выполненных сфероконическими с соотношением конических и сферических частей, определяемом из выражения
R_к/R_д = 0,55 - 0,75,
где R_к - расстояние от центра долота до места сопряжения конической и сферической частей шарошки, мм;
R_д - радиус долота, мм,
причем сферические поверхности сопряжены с затылочными поверхностями шарошек. 2. Долото по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными породоразрушающими элементами, расположенными между основными породоразрушающими элементами, выполненными фрезерованными. 3. Долото по п.1, отличающееся тем, что породоразрушающие элементы выполнены в виде твердосплавных зубков. 4. Долото по пп.1 - 3, отличающееся тем, что подрезные резцы расположены в один или несколько рядов. 5. Долото по пп.1 - 4, отличающееся тем, что подрезные резцы в рабочем положении немного выступают за диаметр окружности скважины, формируемой периферийными резцами.