ДОЛОТО ДЛЯ ВЫСОКООБОРОТНОГО БУРЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК E21B10/20 

Изобретение относится к области буровой техники и может быть использовано в буровых долотах, преимущественно при средне-или высокооборотном бурении.

Известно буровое долото, содержащее сварной корпус, с тремя секциями в виде лап с подшипниками качения и скольжения на цапфах, на которых подвижно закреплены три шарошки, с наружной поверхностью, оснащенной фрезерованными или твердосплавными породоразрушающими зубьями (1).

Промывка забоя от шлама осуществляется через боковые отверстия в корпусе долота, оснащенные короткими или удлиненными насадками-соплами, направляющими промывочную жидкость в пространство между шарошками на поверхность забоя. Недостатком этого долота является то, что три струи промывочной жидкости, исходящие из трех насадок-сопел до поверхности забоя, имеют направленный характер, а эвакуация промывочной жидкости вместе со шламом в затрубное пространство значительно затруднена габаритами лап и носит хаотический, неупорядоченный характер, особенно при большой частоте оборотов долота, когда три струи, исходящие из насадок, образуют так называемую "юбку", накрывающую и задерживающую жидкость и шламовую подушку в призабойной зоне, создавая обратные потоки, снижая механическую скорость бурения и проходку на долото.

Попытка решения указанной проблемы предпринята в конструкторском решении (прототипа) (2). В соответствии с этим изобретением лапы долота выполнены изогнутыми с наклоном в сторону вращения долота. Левый край наклонной спинки при вращении долота создает подъемную силу жидкости со шламом, способствуя более эффективной очистке забоя.

К недостаткам этого долота необходимо отнести то, что при наклоне оси симметрии спинки лапы с осью цапфы относительно оси долота возникают сразу несколько отрицательных факторов. Во-первых, резко изменяется схема нагружения лапы в опасном сечении. Чем больше отклонение спинки от оси долота, тем больше добавочно возникающий консольный изгиб лапы, поскольку момент этого изгиба прямо пропорционален величине отклонения - плеча при той же величине осевой нагрузки на каждую шарошку. Кроме существующих напряжений сжатия и изгиба в опасном сечении, характерных для лап, оси цапф которых находятся в плоскости, проходящей через ось долота или рядом с этой плоскостью, в опасном сечении каждой лапы долота - прототипа добавляется дополнительный момент изгиба с плечом, равным величине отклонения оси цапфы от плоскости симметрии. Это значит, что со стороны, противоположной отклонению, изгибающий момент будет дополнительно создавать деформации изгиба, способствующие образованию трещин в наименьшем опасном сечении лапы над шарошкой, по которому и без этого относительно часто возникают случаи поломок с оставлением шарошек на забое. Во-вторых, искривление лапы обязательно усложнит и создаст дополнительные трудности в проектировании и изготовлении штамповой и станочной оснастки, осложнит операции обработки лап, изготовление и применение сборочного и мерительного инструмента.

Техническим результатом данного изобретения является повышение механической скорости бурения, проходки и стойкости буровых шарошечных долот, преимущественно для высокооборотного бурения.

Это достигается созданием на боковой поверхности лап со встречной стороны в направлении вращения долота наклонных лопастей, подобных лопастям вентилятора.

Указанные лопасти расположены непосредственно на спинке лап, не имеющих наклона в сторону вращения долота, а значит, без отрицательных факторов, присущих прототипу, форма наклонных лопастей позволяет открыть значительное дополнительное пространство для восходящих потоков промывочной жидкости.

При высокооборотном бурении лопасти захватывают промывочную жидкость со шламом и создают дополнительные потоки в затрубном пространстве, ускорив и упорядочив их. Это обеспечивает создание эжекционного эффекта и ускоренную эвакуацию с забоя частиц шламовой подушки, повышает механическую скорость бурения, проходку долота и его стойкость. Наряду с этим форма лопастей на спинках должна максимально учитывать прочностные свойства лап в зоне опасных сечений так называемой "грудки" между цапфой и сварным корпусом, а также козырька лапы, предохраняющего опору.

Поверхность лопастей может быть изогнутой по длине и ширине. Наиболее технологичной с точки зрения подготовки штампа для прессования предпочтительна форма в виде наклонной плоскости.

Поэтому преимущественный вариант выполнения лопастей предусматривает начало лопасти от точки пересечения линии проекции левого крыла спинки лапы на плоскость чертежа с осью цапфы. Наклон поверхности лопасти относительно плоскости симметрии, проходящей через ось цапфы и ось долота (или параллельно последней), находится в пределах α=28-32° в зависимости от типоразмера долота.

Поверхность лопастей может быть наклонной плоской или криволинейной вогнутой.

Последний вариант более предпочтителен, поскольку смесь промывочной жидкости со шламом при вращении долота захватывается и направляется вбок и вверх в большей степени, а возможность ее схода по поверхности в сторону, противоположную направлению вращения, значительно снижается. Поэтому максимальный угол наклонной плоскости лопасти к поверхности спинки с учетом эффективности ее работы в бурении и с учетом получения ее формы непосредственно в штампе (со штамповочными уклонами) равен 26°, а минимальный - равен нулю, поскольку отрицательный угол уже мало способствует повышению возможности захвата промывочной жидкости лопастью. Поэтому оптимальный угол лежит в пределах β=0-26°.

Ha фиг.1 и 1а показана лапа долота в двух проекциях по настоящему изобретению. Между поверхностью лапы со стороны козырька и цилиндрической поверхностью корпуса образована поверхность лопасти с оптимальным углом наклона плоскости α=28-32°, которая выделена темным цветом. Нижний край поверхности начинается от точки пересечения проекции левого крыла спинки лапы на плоскость чертежа с осью цапфы.

На фиг.2 и 3 показаны сечения А-А и В-В для варианта лопасти с прямолинейной плоскостью с углом наклона β=12-26°.

На фиг.4 показаны направление вращения долота и характер направления дополнительных струй промывочной жидкости, касательных границе плоской поверхности лопасти, возникающих при вращении долота. На фиг.5 и 6 показаны те же сечения А-А и В-В для варианта лопасти с углом наклона β=0-6°. На фиг.7 показаны направление вращения долота и направление дополнительных струй промывочной жидкости, касательных границе вогнутой поверхности лопасти. Чем ближе значение угла β к нулю, тем больше направление дополнительных струй приближается к вертикальному направлению восходящей жидкости в затрубном пространстве.

Предлагаемое долото с улучшенной схемой промывки работает следующим образом.

В процессе бурения скважины каждая из трех секций, имеющих со встречной стороны наклонные лопасти, при большом числе оборотов долота обеспечивает открытие дополнительного пространства и создание в нем упорядоченных дополнительных восходящих потоков промывочной жидкости, что, в свою очередь, обеспечивает эжекционное воздействие на призабойную зону и способствует ускоренной очистке забоя, повышению механической скорости бурения и проходки на долото.

Преимуществом бурового долота по предлагаемому изобретению является простота устройства, высокая надежность в работе, что позволяет достигнуть требуемый технический результат.

Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов буровых долот по настоящему изобретению, показавшими значительное увеличение механической скорости бурения и проходки на долото.

Литература

1. Международный патент WO 96/21080, кл. Е 21 В 10/16.

2. Авторское свидетельство №1467157, кл. Е 21 В 10/16.

Изобретение относится к области буровой техники и может быть использовано в буровых долотах преимущественно при высокооборотном бурении. Долото содержит корпус с лапами и подвижно закрепленными на их цапфах шарошками с породоразрушающими зубьями. На боковой поверхности лап со стороны направления вращения выполнены наклонные лопасти, открывающие дополнительные пространства для восходящих потоков промывочной жидкости и обеспечивающие в них при вращении долота создание дополнительных упорядоченных восходящих потоков, способствующих ускорению эвакуации шлама с призабойной зоны. Поверхность наклонных лопастей выполняется прямолинейной с углом наклона α относительно плоскости, проходящей через ось цапфы и ось долота или параллельно последней, лежащим в пределах 2832°, а также наклонной с углом наклона β к грани пересечения лопасти и поверхности спинки лапы, находящимся в пределах 026°. Долото имеет простую и надежную в работе конструкцию. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Долото для высокооборотного бурения, содержащее корпус с лапами и подвижно закрепленными на их цапфах шарошками с породоразрушающими зубьями, отличающееся тем, что на боковой поверхности лап со стороны направления вращения выполнены наклонные лопасти, открывающие дополнительные пространства для восходящих потоков промывочной жидкости и обеспечивающие в них при вращении долота создание дополнительных упорядоченных восходящих потоков, способствующих ускорению эвакуации шлама с призабойной зоны.2. Долото по п.1, отличающееся тем, что поверхность наклонных лопастей выполнена прямолинейной с углом наклона α относительно плоскости, проходящей через ось цапфы и ось долота или параллельно последней, лежащим в пределах 28÷32°.3. Долото по п.1 или 2, отличающееся тем, что поверхность наклонных лопастей выполнена наклонной с углом наклона β к грани пересечения лопасти и поверхности спинки лапы, лежащим в пределах 0÷26°.