БУРОВОЕ ТРЕХШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 2003 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к породоразрушающему буровому инструменту, а именно к вооружению буровых трехшарошечных долот для бурения скважин.

Известно шарошечное буровое долото, оснащенное твердосплавными зубками, образующими периферийный и центральные венцы, и снабженное дополнительным рядом калибрующих зубков, установленных в свету зубков периферийного венца (авт. свид. 1810463 СССР, МКИ Е 21 В 10/16. Шарошка бурового долота / А.В. Торгашов, А.В. Сусликов, А.А. Логинов, Б.Л. Стеклянов //Изобретения. - 1993. - Бюл. 15 ).

Недостатками шарошки являются необходимость увеличения шага размещения зубков однорядного периферийного венца, а в случае двухрядного венца - необходимость установки зубков дополнительного калибрующего ряда напротив зубков внутреннего ряда периферийного венца, зубки в котором размещены в шахматном порядке. У современных долот со вставным вооружением шаг зубков в однорядном периферийном венце выполняется минимально возможным из условия крепления зубков в теле шарошки, но он получается больше шага из условия максимальной эффективности разрушения забоя. Поэтому увеличение шага зубков однорядного периферийного венца существенно снижает эффект от установки зубков дополнительного калибрующего ряда. Установка зубков дополнительного калибрующего ряда на шарошках с шахматным расположением зубков в двухрядных венцах способствует улучшению калибрующей способности шарошек, но не выполняет функций предупреждения рейкообразования у стенки скважины, т.к. калибрующие зубки работают след в след с зубками однорядного периферийного венца. При этом на стенках скважины образуются спиральные выступы, уменьшающие диаметр скважины в свету и препятствующие фрезерованию стенки скважины вооружением шарошек при искусственном искривлении ствола.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является буровое трехшарошечное долото, содержащее шарошки и твердосплавные зубки, установленные на периферийных и центральных венцах шарошек, одна из которых оснащена однорядным периферийным венцом, вторая и третья - двухрядными периферийными венцами, причем вторая шарошка выполнена с большим числом зубков во внутреннем ряду, чем во внешнем. Такое размещение вооружения двухрядных венцов предупреждает образование рейки на предпериферийной части забоя и существенно снижает энергоемкость разрушения горной породы как на предпериферийной части забоя, разрушаемой внутренними рядами двух шарошек, так и на периферийной части забоя, разрушаемой периферийным вооружением всех трех шарошек (авт. свид. 1627643 СССР, МКИ Е 21 В 10/16. Буровое трехшарошечное долото / А.Н. Попов, Б.Н. Трушкин, А.В. Торгашов и др. // Изобретения. - 1991. - Бюл. 6 (прототип)).

Недостатком прототипа является то, что его периферийное вооружение не обеспечивает предупреждения образования спиральных выступов на стенках скважины и забойной рейки непосредственно у стенки, взаимодействие с выступами которой способствует перегрузке и поломке соответствующего периферийного вооружения шарошек, а также ухудшает калибрующую способность долота.

Изобретение решает техническую задачу повышения долговечности долота и скорости бурения за счет повышения равномерности разрушения забоя, предупреждения рейкообразования у стенки и образования на стенках скважины спиральных выступов, в результате чего обеспечивается как повышение эффективности разрушения горной породы и снижение нагрузок на периферийное вооружение шарошек и соответственно поломок периферийных зубков, так и повышение калибрующей способности долота.

Указанная задача решается тем, что в известном буровом трехшарошечном долоте, содержащем шарошки и твердосплавные зубки, установленные на периферийных и центральных венцах шарошек, первая из которых оснащена однорядным периферийным венцом, а вторая и третья - двухрядным периферийным венцом, при этом периферийный венец второй шарошки имеет большее число зубков во внутреннем ряду, чем во внешнем, согласно изобретению вторая и третья шарошки оснащены калибрующим рядом зубков, а периферийный венец третьей шарошки имеет меньшее число твердосплавных зубков во внутреннем ряду, чем во внешнем, причем на второй шарошке в свету условно первого и второго твердосплавных зубков внутреннего ряда периферийного венца установлен один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету второго и третьего твердосплавных зубков - один зубок калибрующего ряда, в свету третьего и четвертого твердосплавных зубков - сначала твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, а затем зубок калибрующего ряда, в свету четвертого и пятого твердосплавных зубков - один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету пятого и шестого твердосплавных зубков - один зубок калибрующего ряда, в свету шестого и седьмого твердосплавных зубков - один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету седьмого и восьмого твердосплавных зубков - сначала зубок калибрующего ряда, а затем твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, и далее последовательность установки зубков повторяется; при этом на третьей шарошке в свету условно первого и второго твердосплавных зубков внутреннего ряда периферийного венца установлены два твердосплавных зубка внешнего ряда периферийного венца, в свету второго и третьего твердосплавных зубков - сначала зубок калибрующего ряда, а затем твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету третьего и четвертого твердосплавных зубков - сначала твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, а затем зубок калибрующего ряда, и далее последовательность установки зубков повторяется.

Клиновые зубки калибрующего ряда на второй и третьей шарошках выполнены клиновыми и установлены под острым углом к образующей обратного конуса шарошки для воздействия на примыкающие к стенке скважины выступы забойной рейки, при этом боковая рабочая поверхность клина является продолжением поверхности обратного конуса шарошки.

Такое выполнение вооружения трехшарошечного долота позволяет решить задачу как предупреждения рейкообразования под периферийными венцами шарошек и непосредственно у стенки скважины, так и существенно улучшить калибрующую способность долота, что особенно актуально при бурении наклонных и горизонтальных скважин.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое буровое трехшарошечное долото отличается тем, что на второй и третьей шарошках в свету зубков внутренних рядов двухрядных периферийных венцов установлены зубки калибрующего ряда, положение которых согласовано с установкой зубков внешних рядов названных периферийных венцов, а боковая рабочая поверхность клиновых зубков калибрующего ряда является продолжением поверхности обратного конуса шарошки.

Предлагаемое буровое трехшарошечное долото содержит шарошки 1, фрагменты которых показаны на фиг. 1, оснащенные центральными венцами твердосплавных зубков 2 и 3, периферийным однорядным венцом твердосплавных зубков 4 на первой шарошке и двухрядными периферийными венцами твердосплавных зубков 5 и 6 на второй и третьей шарошках, причем зубки 5 образуют внутренний ряд, а зубки 6 внешний ряд. Обратные конуса шарошек 1 оснащены цилиндрическими твердосплавными вставками 7, а в свету твердосплавных зубков двухрядных периферийных венцов под углом γ к образующей обратного конуса установлены клиновые зубки 8 калибрующего ряда.

На фиг. 1а, б,в показаны продольные разрезы периферийной части шарошек бурового трехшарошечного долота и схема поражения забоя вооружением этих частей шарошек; на фиг. 2 показан вид А, на фиг. 3 - вид Б и на фиг. 4 - вид В, соответствующие фиг. 1 ( схемы размещения зубков на периферийных венцах и калибрующих рядах шарошек); на фиг. 5 - схема поражения забоя зубками 4 однорядного периферийного венца первой шарошки и зубками 8 калибрующих рядов второй и третьей шарошек при первом проходе шарошек, а на фиг. 6 - при втором проходе шарошек.

Зубки 4 периферийного венца (фиг. 2, вид А) первой шарошки 1 установлены с шагом t, соответствующим конкретному типоразмеру долота. Шаги зубков 5 и 6 двухрядных периферийных венцов (фиг. 3, вид Б фиг. 4, вид В) выбираются из условия соответствия сумм зубков этих венцов также конкретному типоразмеру долота. Зубки 8 калибрующих рядов на второй и третьей шарошках (фиг. 1) установлены под углом γ к образующей обратного конуса шарошки, равным половине угла при вершине клина рабочей части зубка так, чтобы боковая поверхность клина зубка была продолжением поверхности обратного конуса шарошки.

Зубки 5, 6 и 8 на периферии второй шарошки (фиг.3, вид Б) установлены в следующей последовательности. Один из твердосплавных зубков 5 условно принят первым. В свету первого и второго твердосплавных зубков 5 внутреннего ряда периферийного венца установлен твердосплавный зубок 6 внешнего ряда, в свету второго и третьего твердосплавных зубков - зубок 8 калибрующего ряда, в свету третьего и четвертого твердосплавных зубков внутреннего ряда - сначала твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, а затем зубок калибрующего ряда, в свету четвертого и пятого твердосплавных зубков внутреннего ряда - зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету пятого и шестого твердосплавных зубков внутреннего ряда - зубок калибрующего ряда, в свету шестого и седьмого твердосплавных зубков внутреннего ряда - твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету седьмого и восьмого твердосплавных зубков внутреннего ряда - сначала зубок калибрующего ряда, а затем твердосплавный зубок внешнего ряда и т.д.

Зубки 5, 6 и 8 на периферии третьей шарошки (фиг. 4, вид В) установлены в другой последовательности. В свету условно первого и второго твердосплавных зубков 5 внутреннего ряда периферийного венца установлены два твердосплавных зубка 6 внешнего ряда этого венца, в свету второго и третьего твердосплавных зубков внутреннего ряда - сначала зубок 8 калибрующего ряда, а затем твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету третьего и четвертого твердосплавных зубков внутреннего ряда - сначала твердосплавный зубок внешнего ряда, а затем зубок калибрующего ряда и т.д.

Долото работает следующим образом. В процессе бурения шарошки 1 катятся по забою. Твердосплавные зубки 4 однорядного венца первой шарошки поражают периферийную часть забоя с шагом t' (фиг. 5). В наихудшем случае твердосплавные зубки 6 внешних рядов периферийных венцов второй и третьей шарошек поражают периферийную часть забоя след в след с зубками 4. В результате на периферии забоя формируется рейка с выступами 9 (фиг.1). При отсутствии зубков 8 калибрующих рядов эти выступы разрушались бы неэффективно истиранием и раздавливанием корпусом 1 шарошек. Размещение зубков 8 калибрующих рядов на второй и третей шарошках по предлагаемой схеме обеспечивает непосредственное воздействие их зубков на выступы рейки у стенки скважины, как показано на фиг. 5 и 6. Размещение зубков 8 калибрующего ряда то симметрично относительно зубков 6 внешнего ряда периферийного венца, то асимметрично справа и слева от зубков 6 этого ряда обеспечивает за несколько проходов шарошек разрушение выступов рейки и калибровку стенки скважины на всей дуге, соответствующей шагу t' поражения основным вооружением шарошек. Возможные пропуски, например между первым и вторым поражениями забоя твердосплавными зубками 4 при первом проходе периферийных венцов шарошек (фиг. 5), разрушаются зубками 8 калибрующих рядов при втором проходе венцов (фиг. 6).

Настоящее изобретение может быть использовано в буровых шарошечных долотах со вставным вооружением. Схемы размещения вооружения, разрушающего периферийную часть забоя скважины и калибровку стенок скважины, у современных шарошечных долот не обеспечивают высокую эффективность этих процессов особенно при искусственном искривлении скважин. Применение предлагаемой схемы размещения элементов вооружения даст существенный технико-экономический эффект за счет повышения механической скорости бурения и повышения качества формирования ствола скважины.

Изобретение относится к буровому трехшарошечному долоту для бурения скважин. Долото содержит шарошки и твердосплавные зубки, установленные на периферийных и центральных венцах шарошек, первая из которых оснащена однорядным периферийным венцом, а вторая и третья - двухрядным периферийным венцом. Периферийный венец второй шарошки имеет большее число зубков во внутреннем ряду, чем во внешнем. Вторая и третья шарошки оснащены калибрирующим рядом зубков, а периферийный венец третьей шарошки имеет меньшее число твердосплавных зубков во внутреннем ряду, чем во внешнем. На второй шарошке в свету условно первого и второго твердосплавных зубков внутреннего ряда периферийного венца установлен один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету второго и третьего твердосплавных зубков - один зубок калибрующего ряда, в свету третьего и четвертого зубков - сначала твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, а затем зубок калибрующего ряда, в свету четвертого и пятого твердосплавных зубков - один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету пятого и шестого твердосплавных зубков - один зубок калибрующего ряда, в свету шестого и седьмого твердосплавных зубков - один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету седьмого и восьмого твердосплавных зубков - сначала зубок калибрующего ряда, а затем твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, и далее последовательность установки зубков повторяется. На третьей шарошке в свету условно первого и второго твердосплавных зубков внутреннего ряда периферийного венца установлены два твердосплавных зубка внешнего ряда периферийного венца, в свету второго и третьего твердосплавных зубков - сначала зубок калибрующего ряда, а затем твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету третьего и четвертого твердосплавных зубков - сначала твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, а затем зубок калибрующего ряда, в свету четвертого и пятого твердосплавных зубков - два твердосплавных зубка внешнего ряда периферийного венца и далее последовательность установки зубков повторяется. Изобретение решает задачу повышения долговечности долота и скорости бурения за счет более эффективного разрушения образующихся рейки на периферии забоя и спиральных выступов на стенке скважины. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Буровое трехшарошечное долото, содержащее шарошки и твердосплавные зубки, установленные на периферийных и центральных венцах шарошек, первая из которых оснащена однорядным периферийным венцом, вторая и третья - двухрядным периферийным венцом, при этом периферийный венец второй шарошки имеет большее число твердосплавных зубков во внутреннем ряду, чем во внешнем, отличающееся тем, что вторая и третья шарошки оснащены калибрующим рядом зубков, а периферийный венец третьей шарошки имеет меньшее число твердосплавных зубков во внутреннем ряду, чем во внешнем, причем на второй шарошке в свету условно первого и второго твердосплавных зубков внутреннего ряда периферийного венца установлен один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету второго и третьего твердосплавных зубков - один зубок калибрующего ряда, в свету третьего и четвертого твердосплавных зубков - сначала твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, а затем зубок калибрующего ряда, в свету четвертого и пятого твердосплавных зубков - один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету пятого и шестого твердосплавных зубков - один зубок калибрующего ряда, в свету шестого и седьмого твердосплавных зубков - один твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету седьмого и восьмого твердосплавных зубков - сначала зубок калибрующего ряда, а затем твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, и далее последовательность установки зубков повторяется; при этом на третьей шарошке в свету условно первого и второго твердосплавных зубков внутреннего ряда периферийного венца установлены два твердосплавных зубка внешнего ряда периферийного венца, в свету второго и третьего твердосплавных зубков - сначала зубок калибрующего ряда, а затем твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, в свету третьего и четвертого твердосплавных зубков - сначала твердосплавный зубок внешнего ряда периферийного венца, а затем зубок калибрующего ряда, и далее последовательность установки зубков повторяется. 2. Долото по п. 1, отличающееся тем, что зубки калибрующего ряда выполнены клиновыми и установлены под острым углом к образующей обратного конуса шарошки для воздействия на примыкающие к стенке скважины выступы забойной рейки, при этом боковая рабочая поверхность клина является продолжением поверхности обратного конуса шарошки.