ЗУБ БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 1999 года по МПК E21B10/62 

Изобретение относится к области бурения скважин и может использоваться при конструировании, изготовлении и эксплуатации буровых долот.

Известны зубья [1, 2, 3, 4, 5] буровых долот, содержащие основание и породоразрушающую вершину с рабочей кромкой. Большое количество конструкций зубьев в основном связано с формами породоразрушающей вершины и рабочей кромки. При этом вершина выполняется одиночной, выпуклой с различной степенью закругления и приострения и размещается по всей верхней поверхности основания зуба [2]. Такая форма зуба более эффективна для бурения в относительно мягких горных породах, в которых возможна их значительная осевая деформация от вдавливания в породу породоразрушающей вершины с различной формой рабочей кромки, а также в тонкослоистых породах, когда откалываются большие части породы.

В более твердых изотропных породах глубина вдавливания зуба в породу уменьшается и объем выбуриваемой породы за одно силовое воздействие на нее вооружения долота резко сокращается. Причем при существующих величинах шага зубьев долота в процессе взаимодействия зубьев долота с забоем смежные породоразрушающие вершины не оказывают взаимного влияния на напряженное состояние пород между смежными зубьями. Объем выбуренной породы при этом зависит в основном от эффективности контакта с породой одиночной вершины зуба, причем при любой форме такой вершины зуба величина осевой и сдвиговой деформации породы под зубом весьма ограничена, и часто объемом ядра напряжений в породе, тогда как порода в ядре интенсивно измельчается с затратами достаточно большого количества энергии. Кроме того, при бурении в твердых породах формируется достаточно устойчивая забойная рейка, что дополнительно снижает эффективность работы зуба путем сдвига породы.

При применяемом вооружении долот также затрачивается дополнительная энергия: на разрушение пород кольцевых выработок ("воротников") на забое, на достаточно длительную приработку фрезерованного вооружения к конкретной породе, а также на регулирование динамичности действия долота на разрушаемую породу.

Сблизить вершины отдельных зубьев по нескольким причинам не выгодно, например, из-за снижения прочности шарошки долота или его зубьев.

Таким образом с применением зубьев долота с их выпуклой и обычно приостренной одиночной породоразрушающей вершиной с малой длиной рабочей кромки чаще реализуется очень энергоемкий метод разрушения пород - путем трехстороннего сжатия пород с последующим ее измельчением.

Задачей изобретения является создание конструкции зуба бурового долота, позволяющей повысить эффективность разрушения горных пород при бурении скважин и в первую очередь увеличить механическую скорость бурения.

Технический результат достигается тем, что породоразрушающая вершина размещена полосой по периферии или по всей площади верхней части основания зуба, при этом породоразрушающая вершина и ее рабочая кромка выполнены в виде фигуры с замкнутым контуром, например, в виде четырехугольника, эллипса или с разомкнутым контуром рабочей кромки вершины, например, в виде части окружности (полукольца), спирали, а смежные противоположные части рабочей кромки вершины выполнены друг от друга на расстоянии, при котором противоположные смежные части вершины в процессе вдавливания ее в породу взаимовлияют на напряженное состояние породы между этими частями вершины. Причем в центре верхнего торца основания зуба может быть выполнена дополнительная выпуклая породоразрушающая вершина.

Предлагаемая конструкция зуба бурового долота позволяет увеличить зону его действия по разрушению породы на забое скважины путем увеличения площади интенсивного силового контакта вершины зуба с забоем, а также путем достижения предельного состояния полей касательных напряжений в породе на забое скважины одновременно под породоразрушающей вершиной и между ее частями с увеличением сдвиговых деформаций в породе [3].

С применением предлагаемой конструкции бурового долота увеличивается объем породы, разрушаемой в единицу времени, в меньшей мере разрушаемая порода измельчается до порошкообразного состояния, более рационально используется мощность привода долота, соответственно повышается механическая скорость проходки и проходка на долото.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 показано вооружение долота с расположением породоразрушающей вершины по периферии на верхней части основания зуба;
на фиг. 1, 2, 3, 4 показаны зубья с замкнутым контуром, причем: на фиг. 1, 2 - дан вид с вершиной и кромкой в виде окружности с дополнительной вершиной в центре верхней части основания зуба; на фиг. 3, 4 - в форме четырехугольника; на фиг. 5, 6 - в форме части окружности. На фиг. 2 приведен вид по А на фиг. 1, на фиг. 4 - по Б на фиг. 3, а на фиг. 6 - вид по В на фиг. 5.

На фиг. 7, 8 показан вид твердосплавного зуба сверху с расположением породоразрушающей вершины по всей площади верхней части основания зуба с разомкнутым контуром рабочей кромки вершины в виде спирали с дополнительной породоразрушающей вершиной (фиг. 8).

Зуб бурового долота содержит основание 1, породоразрушающую вершину 2 с рабочей кромкой 3 (фиг. 1...7). Породоразрушающая вершина 2 выполнена по периферии верхней части основания 1 зуба с замкнутым контуром ее рабочей кромки в виде окружности (фиг. 1, 2), четырехугольника (фиг. 3, 4), а также - с разомкнутым контуром рабочей кромки вершины в виде части окружности (фиг. 5, 6) и спирали - (фиг. 7, 8).

Смежные противоположные части рабочей кромки породоразрушающей вершины выполнены друг от друга на расстоянии l=2...20 мм (фиг. 1...6).

В центре верхнего торца основания зуба выполнена дополнительная выпуклая породоразрушающая вершина 4 (фиг. 1, 8). На фиг. 3, 4 показано тело шарошки 5 долота.

В процессе углубления скважины долоту с определенной частотой передается вращающий момент и осевое усилие, которым нагружаются шарошки долота и его зубья. Далее осевое усилие через породоразрушающие вершины зубьев передается горной породе на забое скважин. При интенсивном силовом воздействии на породу применяемой одиночной выпуклой, закругленной, приостренной вершины зуба происходит разрушение породы в объеме, ограниченном зоной ядра напряжений в породе, с затратой достаточно большой энергии на измельчение породы в ядре, и с меньшими затратами энергии на скол и отрыв частиц породы от забоя. При этом много энергии тратится и на ее рассеивание в массиве породы, тогда как чаще скалывание частиц породы (шлама) происходит при повторных ударах зуба долота на ограниченный по площади участок забоя скважины. В процессе реализации энергии на разрушение породы через такие зубья часто не удается рационально использовать энергию низкооборотных забойных двигателей (винтовых забойных двигателей, редукторных турбобуров и др.).

Предлагаемая конструкция зуба долота позволяет более рационально использовать энергию привода долота. В процессе интенсивного силового воздействия зуба долота на породу волны критических напряжений в разрушаемой породе возникают не только под породоразрушающей вершиной зуба долота, но и между смежными противоположными участками вершины зуба. Волны напряжений в породе под вершиной и между вышеуказанными участками вершин накладываются друг на друга, что приводит к увеличению объема разрушаемой породы [3]. Как показали исследования, такое увеличение может составлять порядка 100%.

Более полно эффект взаимовлияния противоположно расположенных смежных частей породоразрушающих вершин на напряженное состояние пород под вершиной проявляется при расстояниях между рабочими кромками указанных участков вершин, равных 2. . .20 мм, в зависимости от конструкции зуба, его размеров и свойств пород, а выполнение дополнительной вершины в центральной части верхнего торца основания расширяет возможности изменения этого расстояния в пределах одной вершины зуба.

При предлагаемой конструкции зуба можно увеличить площадь контакта вооружения долота с забоем и осевую нагрузку на долото при одинаковых размерах зубьев предлагаемой конструкции и применяемых в настоящее время зубьев долота.

Увеличению объема выбуренной породы за одно взаимодействие зуба долота с породой будет способствовать и рациональное использование энергии низкооборотных забойных двигателей, при которых расширяются возможности реализации второго скачка разрушения породы, что, как известно [3], снижает энергоемкость разрушения пород в забойных условиях бурящейся скважины. Кроме того, предлагаемая конструкция зуба расширяет возможности варьирования расположением зубьев долота на венцах его шарошки.

Предполагаемая экономическая эффективность.

Максимальный прирост механической скорости проходки до 100% возможен при полном использовании эффекта взаимовлияния близко расположенных вершин зубьев на напряженное состояние породы в зоне их контакта, а также от применения зубьев с формой рабочей поверхности зуба, "подготовленной" к конкретным условиям разрушения породы еще при конструировании вооружения долота, например от сокращения времени "притирки" долота.

Однако идеально подготовить форму зубьев к специфичным и постоянно меняющимся условиям работы долота на забое скважины пока невозможно, тем более что плоскость забоя ровной не бывает. В скважине имеется еще ряд факторов, препятствующих механическому разрушению пород при различном вооружении долот. В связи со сказанным подсчитанный возможный прирост механической скорости проходки составит порядка 25%, что может привести к повышению и проходки на долото в этих же пределах.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Мавлютов М. Р., Алексеев Л.А., Вдовин К.Н. и др. Технология бурения глубоких скважин. Учебн. пособие для вузов. М.: Недра, 1982, с. 61...65.

2. Масленников И.К. Буровой инструмент. Справочник. М.: Недра, 1989, с. 23...30.

3. Мавлютов М.Р. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: Недра, 1978, с. 64...74, 98...105.

4. Авторское свидетельство СССР N 1298331, МКИ⁶ E 21 B 10/16, 28.06.85, 23.03.87. Бюл. N 11.

5. Авторское свидетельство СССР N 1303693, МКИ⁶ E 21 B 10/16, 30.11.84, 15.04.87. Бюл. N 14.

Изобретение относится к области бурения скважин и может использоваться при конструировании, изготовлении и эксплуатации буровых долот. Обеспечивает повышение эффективности воздействия зуба долота на разрушаемую породу. Породоразрушающая вершина зуба долота размещена полосой по периферии или по всей площади верхней части основания зуба, при этом вершина и ее рабочая кромка выполнены в виде фигур с замкнутым или с разомкнутым контуром. Смежные противоположные части кромки породоразрушающей вершины выполнены на определенном расстоянии друг от друга, а в центре верхней части основания зуба выполнена дополнительная выпуклая породоразрушающая вершина. Конструкция зуба долота позволяет использовать эффект взаимовлияния смежных частей рабочей кромки вершины зуба и самой вершины на объем разрушаемой породы и повысить механическую скорость проходки скважин и проходку на долото. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Зуб бурового долота, содержащий основание и породоразрушающую вершину с рабочей кромкой, отличающийся тем, что породоразрушающая вершина размещена полосой по периферии или по всей площади верхней части основания зуба, при этом породоразрушающая вершина и ее рабочая кромка выполнены в виде фигуры с замкнутым контуром, например в виде четырехугольника, эллипса, или с разомкнутым контуром рабочей кромки вершины, например в виде части окружности, спирали, а смежные противоположные части рабочей кромки вершины выполнены друг от друга на расстоянии, при котором противоположные смежные части вершины в процессе вдавливания ее в породу взаимовлияют на напряженное состояние породы между этими частями вершины. 2. Зуб долота по п.1, отличающийся тем, что в центре верхней части основания зуба выполнена дополнительная выпуклая породоразрушающая вершина.