ШАРОШКА БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 2005 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровым шарошечным долотам, и может быть использовано при создании буровых долот для бескернового и колонкового бурения скважин.

Известны буровые долота, у которых внешний профиль шарошек выполнен в форме конуса, а периферийный венец, породоразрушающие элементы которого формируют стенки и периферийную части забоя скважины, размещен на вспомогательной конической поверхности с конусностью, направленной к центру долота /1/. Основным недостатком этих долот является быстрая потеря диаметра и, как следствие, заужение ствола скважины при бурении в твердых и крепких горных породах. Последнее приводит к тому, что новое долото, спускаемое в скважину после отработки предыдущего, не доходит до забоя скважины и вынуждено разбуривать зауженный интервал. При этом теряется рабочий ресурс вооружения периферийного венца и в дальнейшем влечет за собой еще более интенсивное уменьшение диаметра долота.

Известны также буровые долота с шарошками конической формы, у которых калибрующий периферийный венец размещен на цилиндрическом поясе, ось которого совпадает с осью цапфы долота, которая, в свою очередь, совпадает с осью шарошки, а оси твердосплавных зубков, расположенных на периферийном венце, перпендикулярны оси цапфы - прототип /2/. Эти долота успешно работают в твердых и крепких горных породах средней степени абразивности. При разрушении горных пород выше средней и высокой степени абразивности они тоже быстро теряют диаметр. Поэтому область их применения, как правило, ограничивается бурением неглубоких разведочных и взрывных скважин.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания долота, периферийное вооружение шарошек которого эффективно работая в твердых и крепких горных породах любой степени абразивности, обладает меньшей степенью интенсивности износа твердосплавных зубков, что обеспечивает увеличение рабочего ресурса долота.

Поставленная задача решается тем, что шарошка бурового долота, содержащая корпус конической формы, на котором размещены основные венцы с породоразрушающими элементами (в дальнейшем - зубками), при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, формирующий стенку и периферийную часть забоя скважины, направлена не под прямым углом к оси цапфы долота, а периферийный калибрующий венец размещен на конической поверхности, вершина которой лежит за пределами скважины, при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя.

Отличием такой шарошки бурового долота является расположение периферийного калибрующего венца на конической поверхности, вершина которой лежит за пределами скважины, а ось породоразрушающего элемента периферийного венца проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя. Такое выполнение шарошки бурового долота позволит увеличить износостойкость вооружения периферийного венца и повысить эксплуатационную стойкость долота в целом на 10-15%.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором на фиг.1 изображен общий вид шарошки, на фиг.2 - схематично изображен твердосплавный зубок периферийного калибрующего венца шарошки.

В долотах типа К и ОК, шарошки которых армированы зубками с полусферической рабочей поверхностью формы Г-26, предназначенных для бурения крепких и очень крепких горных пород, угол наклона оси цапфы к оси долота, как показала многолетняя практика их отработки, составляет 51-52°, а плоскость забоя скважины практически совпадает с горизонтальной плоскостью, составляя угол 1-1,5°. В связи с этим принятое нами допущение на фиг.2, что плоскость забоя скважины совпадает с горизонтальной плоскостью, вполне правомерно. Отсюда очевидно, что в шарошке, периферийный венец которой размещен на цилиндрическом поясе, ось твердосплавного зубка перпендикулярна оси цапфы и направлена под углом 51-52° к горизонтали.

Рассмотрим случай, когда ось зубка /ОО₁/ перпендикулярна оси цапфы (фиг.2). Ось зубка пересекает плоскость забоя скважины в точке O₁. При этом в контакте с горной породой находится часть рабочей сферы зубка /АС/ от точки А на забое скважины до точки С, лежащей на ее стенке. Известно, что внедрение зубка в горную породу большой крепости за единичное взаимодействие составляет сотые доли мм, Поэтому правомерно допустить, что каждый единичный контакт рабочей поверхности зубка с горной породой происходит по дуге АС, ширина которой также составляет сотые доли мм, то есть практически по кривой линии АС. Углубка скважины на единицу длины произойдет лишь после многократного взаимодействия дуги АС с горной породой.

Из построения на фиг.2 видно, что нижняя часть рабочей сферы зубка, равная дуге АВ₁, в конечном итоге должна разрушить кольцевую часть забоя скважины с поперечным сечением O₁AB₁, а верхняя часть сферы зубка, равная дуге B₁C, должна разрушить кольцевую часть забоя с поперечным сечением O₁B₁CO₂.

Аналитические расчеты показывают, что площадь сечения O₁B₁CO₂ (на фиг.2 заштрихованного) в 2,2 раза превышает площадь сечения O₁AB₁ (на фиг.2 не заштрихованного). Следовательно, объем горной породы, необходимый разрушить внешней частью зубков периферийного венца шарошки, в 2,2 раза превышает объем горной породы, который необходимо разрушить внутренней частью зубков, чтобы углубить скважину на единицу длины. Это значит, что интенсивность износа внешней части зубков в 2 с лишним раза выше интенсивности износа внутренней части. В результате долото быстро теряет диаметр и снимается с отработки при вполне работоспособном вооружении остальных венцов шарошек.

В случае, когда ось периферийного зубка (OO₂) направлена не под прямым углом к оси цапфы и проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя, на нижнюю (дуга A₁B) и верхнюю (дуга ВС) части рабочей сферы зубка приходятся равные по площади поперечного сечения кольцевые участки забоя скважины О₂АВ и O₂ВС, а следовательно, необходимо разрушить равные объемы горной породы, чтобы углубить скважину на единицу длины. При этом интенсивность износа указанных частей зубка будет равномерной, а потеря диаметра долотом менее интенсивной.

Необходимо также отметить, что работоспособность калибрующего вооружения в значительной степени влияет на износостойкость тел качения в опорах шарошечного долота и, в конечном итоге, на его общий ресурс. В случае интенсивного износа периферийного вооружения значительно увеличивается реакция стенки скважины на шарошку, иногда превосходящая в несколько раз реакцию от осевого давления. В этом случае происходит сдавливание шарошек к центру долота, приводящее к разрушению опорных и замковых подшипников и заклиниванию шарошек на опорах. Долото выходит из строя.

Из построения на фиг.2 также видно, что даже в первоначальный момент работы нового долота реакция стенки скважины R₃ от осевого усилия на зубок превышает по величине реакцию от забоя скважины R₄. В дальнейшем при износе внешней части сферы зубка реакция от стенки скважины может значительно превысить реакцию от забоя, то есть эта часть зубка более интенсивно подвержена износу из-за большей работы по разрушению горной породы. Шарошку начнет сдавливать к центру скважины с вытекающими отрицательными последствиями.

В предлагаемом решении реакция на шарошку от стенки скважины R₁ равна реакции от забоя R₃, то есть шарошка будет находиться в равновесном положении относительно стенки и забоя скважины, а интенсивность потери диаметра долотом будет ниже, чем в известных конструкциях.

Таким образом, заявляемое техническое решение шарошки имеет следующие преимущества перед известными:

- меньшая интенсивность износа внешней части рабочей сферы зубков периферийного венца шарошки и, как следствие, меньшая интенсивность потери диаметра и увеличение рабочего ресурса долота;

- равнонагруженность рабочей части сферы зубков периферийного венца шарошки удерживает ее в равновесном состоянии относительно стенки и забоя скважины и препятствует ее смещению к центру долота, сводя к минимуму вероятность заклинивания шарошки.

Источники информации:

1. Травкин B.C. Породоразрушающий инструмент для вращательного бескернового бурения скважин. М. Недра, 1982. Стр. 82-83, рис.8, 9,10 и 11.

2. Корнеев К.Е. Палий П.А. Буровые долота. Справочник. М. Недра., 1965. Стр. 62, рис.66, стр. 63 рис.67.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к буровым долотам шарошечного типа, и может быть использовано при создании буровых долот для бескернового и колонкового бурения скважин. Задачей изобретения является создание долота, периферийное вооружение шарошек которого эффективно работая в твердых и крепких горных породах любой степени абразивности, обладает меньшей интенсивностью износа твердосплавных зубков, что обеспечит рост рабочего ресурса долота. Шарошка бурового долота содержит корпус конической формы, на котором размещены основные венцы и периферийный калибрующий венец с породоразрушающими элементами, при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, направлена под углом к оси цапфы долота. Периферийный калибрующий венец размещен на конической поверхности, вершина которой лежит за пределами скважины. Ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя. 2 ил.

Шарошка бурового долота, содержащая корпус конической формы, на котором размещены основные венцы и периферийный калибрующий венец с породоразрушающими элементами, при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, направлена под углом к оси цапфы долота, отличающаяся тем, что периферийный калибрующий венец размещен на конической поверхности, вершина которой лежит за пределами скважины, при этом ось породоразрушающего элемента, расположенного на периферийном калибрующем венце, проходит через точку, лежащую на окружности, образованной пересечением стенки скважины с плоскостью забоя.