БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2001 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к буровым долотам.

Известно буровое долото со сплошными венцами на шарошках (1).

Недостатками этого долота является то, что сплошные венцы расположены наклонно к образующей конической вращающейся шарошки. Поэтому точки контакта венцов с плоскостью забоя непрерывно перемещаются от периферии к центру и наоборот. При этом венцы, кроме деформации сжатия от осевого вертикального нагружения долота, испытывают большие деформации при боковом нагружении - от воздействия раздавливаемой и сдвигаемой породы вдоль поверхности забоя, подобно шнеку. Долото с таким вооружением может работать только в мягких породах. В средних и твердых породах усилия от указанного бокового нагружения многократно возрастают и эффект применения сплошных венцов резко снижается, а их абразивный износ также резко возрастает.

Известно буровое долото с дисковым вооружением шарошек (2), в котором большая часть указанных недостатков устранена. Сплошные венцы расположены перпендикулярно образующей шарошки. Каждый из дисков при работе долота на забое имеет постоянную кольцевую траекторию. Клиновидная форма сплошного венца при внедрении в породу образует в направлении приложения осевой нагрузки непрерывную кольцевую трещину, обгоняющую вершину клина, а на боковых поверхностях клина развиваются по закону параллелограмма значительные боковые усилия, намного превышающие осевые усилия, способствующие большему использованию деформации сдвига при разрушении породы. Все вместе диски делят круг забоя на постоянные кольцевые зоны, при разрушении которых величина частиц выбуренной породы кратно возрастает по сравнению с частицам выбуренной породы, образующимися при работе шарошечного долота с обычным фрезерованным вооружением; при этом механическая скорость бурения возрастает.

Недостатком этого долота является сравнительно невысокая проходка, обусловленная абразивным износом венцов, когда они работают при внедрении в породу подобно лемеху плуга.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы отдельных венцов и всего долота, увеличение механической скорости бурения и проходки за счет оптимальной формы сплошных венцов, места их расположения на шарошках и упрочнения поверхности контакта венцов с породой.

Указанная цель достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, содержащем цапфы лап и подвижно закрепленные на них шарошки со сплошными клиновидными венцами на основных конусах и прерывистыми на периферии, угол α заострения клина в поперечном сечении венца соответствует интервалу 44 - 58^o.

Соотношение шага между соседними венцами шарошек на забое и радиуса забоя скважины соответствует интервалу t/R = 0,12 - 0,18, где t - шаг между соседними венцами шарошек на забое скважины, мм; R - радиус забоя скважины, мм.

Соотношение длины кольцевых продольных участков периферийных венцов и длины поперечной разделительной канавки по окружности соответствует интервалу a/b = 0,42 - 0,63, где a - длина поперечной канавки, мм; b - длина продольных зубьев на периферийных венцах, мм.

На фиг. 1 - общий вид бурового долота.

На фиг. 2 наглядно показана схема перекрытия радиуса забоя (R) сплошными клиновидными венцами шарошек.

На фиг. 3 показан участок периферийного венца шарошки, вид A на фиг 1.

Буровое долото состоит из нескольких (в данном варианте трех) шарошек 1 (фиг. 1), имеющих в качестве вооружения сплошные клиновидные венцы 2, наплавленные износостойким твердым сплавом 3.

Отличительной особенностью сплошных венцов на шарошках предлагаемого долота является то, что в сечении они имеют оптимальную форму клина с притуплением при вершине. Угол заострения соответствует интервалу α = 44 - 58^o, а ось симметрии клина в сечении каждого венца перпендикулярна поверхности забоя, образуемой всеми венцами (фиг. 2). В этом случае на противоположных боковых поверхностях клиновидных зубьев венцов при их внедрении в породу возникают симметричные боковые усилия, одинаковые по величине, уравновешивающие их боковые нагружения, а также величину бокового абразивного износа.

Очень важным отличием предлагаемого долота является величина шага сплошных венцов на забое. Уменьшение шага венцов снижает ширину кольцевых зон, образуемых на забое, уменьшает величину усилий для их бокового сдвига, снижает абразивный износ сплошных венцов, но он также резко снижает удельное давление под вершинами венцов и, вместо роста, снижает механическую скорость бурения. Увеличение шага венцов, наоборот, увеличивает ширину кольцевых зон на забое, требует увеличения усилий для бокового сдвига, но способствует увеличению удельного давления под венцами и механической скорости бурения при повышенном абразивном износе венцов.

В результате экспериментов выявлено, что наилучшие показатели бурения различных пород имеют буровые долота со сплошными венцами, у которых соблюдается соотношение
t/R = 0,12 - 0,18,
где t - шаг (расстояние) между соседними венцами на забое, мм,
R - радиус забоя, мм.

Также важным условием работы предлагаемого долота является исключение проскальзывания шарошек при перекатывании их по забою. В случае такого проскальзывания венцы начинают взаимодействовать с забоем одними постоянными участками, что приводит к их ускоренному износу и выходу долота из строя. Поэтому на всех поперечных периферийных венцах предусматриваются продольные прорези, форма, положение и количество которых обеспечивает надежный контакт с забоем и перекатывание шарошек без проскальзывания.

В результате экспериментов выявлено, что наилучшие показатели по зацеплению с забоем, без проскальзывания шарошек по забою и без ухудшения динамики разрушения породы самыми нагруженными периферийными венцами, получены при следующем соотношении длины венцов и длины поперечных канавок (фиг. 3):
a/b = 0,42 - 0,63,
где a - длина поперечной канавки, мм;
b - длина продольных зубьев на периферийных венцах, мм.

Предлагаемое буровое шарошечное долото со сплошными клиновидными венцами на шарошках при бурении в средних и твердых хрупких породах обеспечивает по сравнению с долотами, имеющими на венцах продольные фрезерованные зубья, кратное увеличение размеров частиц шлама, резкое увеличение механической скорости бурения и проходки.

Данное изобретение может быть применено в буровых шарошечных долотах, предназначенных для строительства нефтяных, газовых или горнорудных скважин.

Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными стендовыми и промысловыми испытаниями образцов и опытных партий долот, изготовленных с применением основных принципов и признаков настоящего изобретения.

Источники информации
1. Патент США N 4408671, кл. 175/377; 175/376, опубликован в 1983 году.

2. Авторское свидетельство N 278595, МПК - E 21 B 9/10, опубликовано в 1970 году.

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к буровым шарошечным долотам. Долото содержит цапфы лап и подвижно закрепленные на них шарошки со сплошными клиновидными венцами на основных конусах и прерывистыми на периферии. Угол α заострения клина в поперечном сечении венца соответствует интервалу 44 - 58^o. Буровое шарошечное долото со сплошными клиновидными венцами на шарошках при бурении в средних и твердых хрупких породах обеспечивает по сравнению с долотами, имеющими на венцах продольные фрезерованные зубья, кратное увеличение размеров частиц выбуренной породы (шлама), резкое увеличение механической скорости бурения и проходки. Повышается эффективность в работе долота. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Буровое шарошечное долото, содержащее цапфы лап и подвижно закрепленные на них шарошки со сплошными клиновидными венцами на основных конусах и прерывистыми на периферии, отличающееся тем, что угол α заострения клина в поперечном сечении венца соответствует интервалу 44 - 58^o. 2. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что соотношение шага t между соседними венцами шарошек на забое и радиуса R забоя скважины соответствует интервалу t/R = 0,12 - 0,18. 3. Буровое шарошечное долото по п.1 или 2, отличающееся тем, что соотношение длины b кольцевых продольных участков периферийных венцов и длины a поперечной разделительной канавки по окружности соответствует интервалу a/b = 0,42 - 0,63.