ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ЗУБОК БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 2001 года по МПК E21B10/16 E21B10/52 

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к буровому долоту.

Известны буровые шарошечные долота и буровые коронки, имеющие в качестве вооружения твердосплавные зубки с породоразрушающей поверхностью, выполненной в виде сферы (полусферы) [1], яйцевидной формы [2] или в виде локона Аньези [3].

Недостатком указанных буровых долот является сравнительно невысокая удельная нагрузка, создаваемая под вооружением долота в разбуриваемой породе.

При самом незначительном внедрении вершины зубка в породу или при ее абразивном износе темп возрастания площади контакта зубка с породой очень велик, что приводит к резкому снижению удельного давления под зубком бурового долота и к снижению механической скорости бурения.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является породоразрушающий зубок бурового долота, имеющий рабочую головку в виде двух плавно сопрягаемых тел вращения, образованных вращением вокруг оси симметрии зубка кривых выпуклой формы [4] . Однако геометрические параметры сопрягаемых поверхностей породоразрушающей головки указанного зубка не обеспечивают оптимального соотношения их объемов и радиусов сопряжения.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы породоразрушающих зубков и соответственно увеличение механической скорости проходки бурового долота за счет уменьшения сопротивления внедрению его вооружения в разбуриваемую породу.

Отличительная особенность предлагаемого зубка состоит в том, что его рабочая головка выполнена в виде двух ступенчато сопряженных поверхностей вращения с оптимальными соотношениями их геометрических параметров. Такими поверхностями могут быть сферические, яйцевидные или другие поверхности, образованные вращением вокруг оси симметрии зубка кривых выпуклой формы.

Меньшая поверхность вращения плавно сопрягается с большей поверхностью вращения.

В таком зубке обеспечивается постепенное нарастание величины контактной площади зубка с породой при внедрении в нее и за счет более высокой удельной нагрузки на забой скважины снижается сопротивление внедрению вооружения долота в разбуриваемую породу. За счет перехода меньшей сферической или иной поверхности вращения вершины зубка в большую при их плавном сопряжении обеспечивается эффективное вступление в работу в первую очередь меньшей поверхности вращения головки зубка и при ее значительных углублениях вступление в работу большей поверхности вращения. Предлагаемая форма зубка позволяет обеспечить за счет большей поверхности вращения достаточную прочность на изгиб и необходимую величину вылета (выступания) зубка над телом шарошки, что позволяет увеличить объем выбуренной породы за единичное внедрение, улучшить условия очистки забоя и способствует повышению механической скорости бурения.

Наибольший эффект обеспечивают твердосплавные зубки с оптимальными соотношениями геометрических параметров сопрягаемых тел вращения головки зубка, установленными экспериментально. В результате проведенных исследований выявлено, что наибольшую глубину и объем лунок разрушений при вдавливании с постоянной нагрузкой в различные твердокрепкие и крепкие породы имеют иденторы с породоразрушающей поверхностью в виде двух ступенчато сопрягаемых поверхностей вращения со следующими оптимальными соотношениями:
V_мп/V_бп = 0,04 - 0.25;
R₁ / R₂ = 0,25 - 0,45;
r/R₁ = 0,30 - 0,80,
где V_мп - объем внутри меньшей поверхности вращения, расположенной со стороны вершины зубка, мм³;
V_бп - объем внутри большей поверхности вращения, расположенной со стороны хвостовика, мм³;
R₁ - наибольший радиус меньшей поверхности вращения, мм;
R₂ - наибольший радиус большей поверхности вращения, мм;
r - радиус сопряжения большей и меньшей частей головки зубка, мм.

Плавное сопряжение меньшей и большей частей породоразрушающей поверхности зубка должно обеспечивать снижение концентрации напряжений в этой зоне.

По сравнению со сферической, яйцевидной или с породоразрушающей головкой зубков в виде локона Аньези зубки с предлагаемыми геометрическими параметрами обеспечивают возможность их применения с большим вылетом (выступанием) над телом шарошки или корпусом коронки, что позволяет вооружению долота с предлагаемыми зубками более эффективно разрушать породу, увеличивая механическую скорость бурения.

На чертеже изображен породоразрушающий зубок бурового долота, состоящий из хвостовика 1 цилиндрической формы с конусным основанием и рабочей головки 2.

Данное изобретение может быть применено в буровых шарошечных долотах и коронках, предназначенных для бурения взрывных скважин в горнорудной промышленности, а также для бурения нефтяных и газовых скважин. Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов буровых долот, изготовленных с применением породоразрушающих зубков по данному изобретению.

Использованная литература
1. Патент США N 2774571, кл. 175-341, опубликован в 1956.

2. Патент США N 2687875, кл. 175-374, опубликована 1954.

3. Патент Российской Федерации N 2039192, кл. E 21 В 10/16, опубликован в 1995.

4. Патент США N 5379854, E 21 В 10/56, опубликован 10.01.1995.0

Изобретение может применяться в буровых шарошечных долотах и буровых коронках при бурении скважин с промывкой забоя глинистым раствором, водой или с продувкой забоя воздухом или газом. Породоразрушающий зубок бурового долота состоит из цилиндрического хвостовика и рабочей головки, которая выполнена в виде двух плавно сопрягаемых тел вращения, образованных вращением вокруг оси симметрии зубка кривых выпуклой формы. Соотношение объемов внутри меньшей и большей поверхностей вращения головки зубка соответствует интервалу V_мп/V_бп = 0,04 - 0,25, где V_мп - объем внутри меньшей поверхности вращения, расположенной со стороны вершины зубка, мм³; V_бп - объем внутри большей поверхности вращения, расположенной со стороны хвостовика зубка, мм³. При внедрении такого зубка в разбуриваемую породу обеспечивается более медленный темп нарастания величины контактной площади зубка с породой, увеличивается объем единичного выкола ее под зубком, снижается сопротивление внедрению вооружения долота в породу, что способствует повышению механической скорости бурения. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Породоразрушающий зубок бурового долота, состоящий из цилиндрического хвостовика и рабочей головки, которая выполнена в виде двух плавно сопрягаемых тел вращения, образованных вращением вокруг оси симметрии зубка кривых выпуклой формы, отличающийся тем, что соотношение объемов внутри меньшей и большей поверхностей вращения головки зубка соответствует интервалу
V_мп/V_бп = 0,04 - 0,25,
где V_мп - объем внутри меньшей поверхности вращения, расположенной со стороны вершины зубка, мм³;
V_бп - объем внутри большей поверхности вращения, расположенной со стороны хвостовика зубка, мм³. 2. Зубок по п.1, отличающийся тем, что соотношение наибольших радиусов поверхностей вращения соответствует интервалу
R₁/R₂ = 0,25 - 0,45,
где R₁ - наибольший радиус меньшей поверхности вращения, мм;
R₂ - наибольший радиус большей поверхности вращения, мм. 3. Зубок по п.1 или 2, отличающийся тем, что отношение радиуса сопряжения большей и меньшей частей головки зубка к наибольшему радиусу меньшей поверхности вращения зубка соответствует интервалу
r/R₁ = 0,30 - 0,80,
где r - радиус сопряжения большей и меньшей частей головки зубка, мм;
R₁ - наибольший радиус меньшей поверхности вращения, мм.