ОДНОШАРОШЕЧНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК E21B10/08 

Настоящее изобретение относится к буровому долоту с единственной шарошкой в виде составных конусов для бурения нефтяных и газовых скважин, горных работ и других бурильных работ под землей. Буровое долото действует наилучшим образом при бурении в твердых породах.

Типовое буровое долото с единственной шарошкой обычно состоит из шарошки и частей головки, и форма шарошки является главным образом сферической или сферической со ступеньками. Множество режущих элементов установлено на сферической поверхности. Головка имеет корпус головки и цапфу, шарошка закреплена на цапфе головки посредством ее внутреннего углубления для вращения вокруг цапфы и таким образом образует буровое долото. Калибровочные подушки равномерно размещены на цилиндрической части головки, нижнее выпускное отверстие в цапфе головки и верхний канал в корпусе головки образуют гидравлическую структуру бурового долота. Такое буровое долото представляет собой так называемое буровое долото со сплошным отверстием и разрушает породу в основном посредством резания. В то время как шарошка вырезает скважину посредством вращения вокруг подшипника, поверхность шарошки также совершает скольжение относительно забоя скважины и такое скольжение изменяется в различных частях на поверхности шарошки таким образом, что каждая вставка шарошки двигается по различным траекториям по поверхности забоя скважины и создает конфигурацию забоя скважины. Буровое долото с единственной шарошкой такого типа устойчиво работает как в мягких породах, так и в породах средней твердости, но вставки быстро изнашиваются и буровое долото работает неудовлетворительно в случае использования его в твердых породах.

Известно буровое долото, содержащее корпус головки, единственную коническую шарошку, цапфу головки, расположенную в нижней части головки и соединяющую корпус головки с шарошкой, и множество режущих элементов, установленных на шарошке (см. авторское свидетельство СССР 160483 от 31.01.1964 г.).

Известно буровое долото, содержащее единственную шарошку, выполненную в виде составных конусов и имеющую внешнюю поверхность, образованную расширяющейся от задней поверхности шарошки к вершине шарошки калибровочной поверхностью, внешней конической поверхностью и основной конической поверхностью шарошки, при этом множество режущих элементов установлено на каждой поверхности шарошки (см. авторское свидетельство СССР 1452916 от 23.01.1989 г.).

Обширные исследования показывают, что существующие буровые долота с одной шарошкой не подходят для бурения в твердых породах методами врезания и скользящего дробления скалы. Буровое долото для бурения в твердой породе обычно должно иметь мощную ударную способность, чтобы разрушать скалы породы. Наилучший результат может быть достигнут только посредством бурового долота, характеризующегося своими способностями удара, дробления и царапанья в маленьких пространствах для разрушения породы.

Основной целью настоящего изобретения является создание бурового долота с единственной шарошкой в виде составных конусов, имеющих лучшую ударную способность для разрушения породы, подходящего для бурения в твердых породах.

Эта цель достигается тем, что буровое долото содержит корпус головки, единственную шарошку, цапфу головки, расположенную в нижней части головки, соединяющую корпус головки с шарошкой и имеющую ось, расположенную со смещением относительно оси бурового долота по направлению вращения шарошки, при этом шарошка выполнена в виде составных конусов и ее внешняя поверхность образована расширяющейся от задней поверхности шарошки к вершине шарошки калибровочной поверхностью, внешней конической поверхностью и основной конической поверхностью шарошки, основная коническая поверхность является обратной конической поверхностью, и угол ε, образованный образующей основной конической поверхности и осью вращения шарошки, не превышает 90°, множество режущих элементов, установленных на каждой поверхности шарошки, калибровочную подушку, размещенную на стороне корпуса головки, противоположной направлению смещения цапфы головки, выемки для удаления отходов, выполненные на корпусе головки, и выпускные отверстия, выполненные на нижнем скосе корпуса головки.

Образующая расширяющейся калибровочной поверхности может быть выполнена в виде ступеньки или кривой.

Высота расширяющейся калибровочной поверхности может составлять от 20 до 80 процентов от высоты шарошки.

Задний угол θ расширяющейся калибровочной поверхности может быть равен от 30 до 80°.

Величина смещения оси цапфы головки относительно оси бурового долота не должна превышать 10 мм.

Диаметр внешней окружности калибровочной подушки может составлять 0,80-1,00 от диаметра бурового долота.

Выемки для удаления отходов могут быть выполнены на корпусе головки на стороне, противоположной калибровочной подушке, могут иметь дугообразную поверхность и угловой диапазон выемки для удаления отходов может составлять от 60 до 150°.

Калибровочная подушка может быть снабжена вставками из карбида или наплавлена износостойким сплавом.

Буровое долото может содержать, по меньшей мере, два выпускных отверстия, выполненных на нижнем скосе корпуса головки, левое отверстие расположено в центральной плоскости корпуса головки, угол β между осью левого отверстия и продольной плоскостью симметрии, в которой располагается ось бурового долота, равен от 10 до 30°, ось центрального отверстия находится в продольной плоскости симметрии и угол α между ней и осью корпуса головки равен от 15 до 30°, задние части обоих выпускных отверстий соединены с впускным отверстием в корпусе головки.

Указанная цель достигается и тем, что буровое долото содержит корпус головки, единственную шарошку, цапфу головки, расположенную в нижней части головки, соединяющую корпус головки с шарошкой и имеющую ось, совмещенную с осью бурового долота, при этом шарошка выполнена в виде составных конусов и ее внешняя поверхность образована расширяющейся от задней поверхности шарошки к вершине шарошки калибровочной поверхностью, внешней конической поверхностью и основной поверхностью шарошки, при этом угол ε, образованный образующей основной поверхности и осью вращения шарошки, меньше или равен 90°, и задний угол θ расширяющейся калибровочной поверхности равен от 30 до 80°, множество режущих элементов, установленных на каждой поверхности шарошки, калибровочную подушку, расположенную на цилиндрической части корпуса головки и снабженную калибровочными вставками, равномерно расположенные на ней, и выемки для удаления отходов, выполненные на корпусе головки.

Буровое долото может содержать, по меньшей мере, два выпускных отверстия, выполненных на нижнем скосе корпуса головки.

Основными преимуществами настоящего изобретения являются следующие.

1. Во время бурения буровое долото с единственной шарошкой, образованное посредством установки режущих элементов на поверхности составных конусов, позволяет уменьшить количество режущих элементов, которые одновременно контактируют с забоем скважины, сократить величину скольжения каждого режущего элемента по породе, обеспечивает возможность удара, дробления и царапанья в маленьких пространствах для разрушения породы и создает конфигурацию забоя скважины, близкую к параболе, таким образом, очевидно, улучшает работу бурового долота, увеличивает скорость проникновения и уменьшает стоимость всего бурения, когда буровое долото используется для пород средней твердости и более твердых пород.

2. Смещение оси цапфы головки относительно оси бурового долота добавляет шарошке величину смещения в направлении вращения шарошки во время работы, что приводит к изменению механизма бурения бурового долота, увеличивает способность бурового долота разрушать скальные породы посредством удара и улучшает функционирование бурового долота при бурении в твердых породах.

3. Размещение калибровочной подушки в зоне, противоположной направлению смещения цапфы головки, эффективно предотвращает проворачивание бурового долота, изнашивание корпуса головки и также служит в качестве защиты калибра.

4. Выпускные отверстия расположены на нижнем скосе корпуса головки, и выемки для удаления отходов, выполненные на боковой стороне корпуса головки, обеспечивают своевременное удаление отходов из буровой скважины посредством бурового раствора, достигая хороших результатов очистки и удаления отходов.

Далее изобретение более подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.

Фиг.1 изображает вид спереди бурового долота согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - перспективный вид шарошки согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - вид спереди в сечении шарошки согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - вид спереди корпуса головки согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 - вид в разрезе, изображающий левое выпускное отверстие корпуса головки и величину смещения подшипника головки согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 - вид в продольном сечении в плоскости симметрии корпуса головки, изображающий центральное выпускное отверстие согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 - вид в поперечном сечении корпуса головки, изображающий три выемки для удаления отходов согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 - вид в поперечном сечении корпуса головки, изображающий одну выемку для удаления отходов согласно одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 - вид спереди бурового долота согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 - вид спереди в сечении корпуса головки, изображающий левое выпускное отверстие согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.11 - вид в продольном сечении в плоскости симметрии головки корпуса, изображающий центральное выпускное отверстие согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Фиг.12 - вид в поперечном сечении корпуса головки, изображающий равномерно распределенные выемки для удаления отходов, калибровочную подушку и калибровочные вставки согласно другому предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.

1. Предпочтительный вариант А осуществления представляет собой буровое долото со смещенной осью цапфы относительно оси бурового долота и единственной шарошкой в виде составных конусов.

Буровое долото, показанное на фиг.1, 3, 4, 5, 6, содержит корпус 4 головки и единственную шарошку 6. Корпус 4 головки соединен с шарошкой 6 посредством цапфы 13 головки в нижней части головки по внутреннему диаметру 12 шарошки. Ось цапфы 13 головки смещена относительно оси бурового долота на величину d смещения в направлении вращения шарошки 6. Указанная величина d находится в диапазоне, равном 1-10 мм. Обычно диапазон d колеблется от 2 до 6 мм. Цапфа 13 головки - это цапфа с одной осью. Подшипник головки состоит из уплотняющей поверхности 15 и канавки 16 шарового затвора и т.д. Шарошка 6, установленная на цапфе 13 головки, имеет форму составных конусов (фиг.2, 3). Внешняя поверхность шарошки 6 образована расширяющейся от задней поверхности шарошки к вершине шарошки калибровочной поверхностью 10, внешней конической поверхностью 9 и основной конической поверхностью 8 таким образом, что шарошка 6 имеет составной конический профиль. Множество режущих элементов 7 установлено на каждой поверхности 8, 9, 10 шарошки 6. Основная коническая поверхность 8 является обратной конической поверхностью, то есть угол ε, образованный образующей основной конической поверхности 8 и осью вращения шарошки 6 не превышает 90°. Задний угол θ расширяющейся калибровочной поверхности 10 равен от 30 до 80°.

Расширяющаяся калибровочная поверхность 10 может быть выполнена в виде ступеньки, и высота расширяющейся калибровочной поверхности 10 составляет от 20 до 80 процентов, обычно от 40 до 80 процентов от высоты шарошки 6. Образующие расширяющейся калибровочной поверхности 10, внешней конической поверхности 9 и основной конической поверхности 8 могут представлять собой прямую линию или кривую. Отверстия 11 для режущих элементов просверлены в расширяющейся калибровочной поверхности 10, внешней конической поверхности 9 и основной конической поверхности 8 шарошки 6, и вставные режущие элементы 7 установлены в отверстия 11. Ряды режущих элементов 7, расположенных в шахматном порядке, установлены на расширяющейся калибровочной поверхности 10. Режущие элементы 7 - это конические вставки из карбида или соединения из поликристаллического алмаза. Шарошка 6 установлена на цапфе 13 посредством ее углубления 12 для подшипника.

Как видно на фиг.1 и 4, калибровочная подушка 1, препятствующая проворачиванию бурового долота, размещена на корпусе 4 головки в зоне, противоположной направлению смещения цапфы 13 головки, и диаметр внешней окружности калибровочной подушки составляет 0,80-1,00 от диаметра бурового долота. Калибровочная подушка 1 оснащена калибровочными вставками 14 или наплавлена износостойким сплавом. Калибровочные вставки 14 представляют собой вставки с плоскими вершинами или соединения из поликристаллического алмаза. Выемки 5 для удаления отходов с дугообразной поверхностью размещены на корпусе 4 головки на стороне, противоположной калибровочной подушке 1, и угловой диапазон выемки 5 для удаления отходов составляет от 60 до 150°. В зависимости от специфических конструкций одна или несколько выемок 5 могут быть выполнены в корпусе головки на стороне калибровочной подушки 1. Два выпускных отверстия 2, 3 размещены на нижнем скосе корпуса 4 головки (фиг.1, 4, 5, 6, 7, 8). Левое выпускное отверстие 3 находится на одной стороне нижнего скоса корпуса 4 головки, и угол β между осью левого выпускного отверстия 3 и продольной плоскостью симметрии, в которой расположена ось бурового долота, равен от 10 до 30°. Ось центрального отверстия 2 находится в продольной плоскости симметрии, и угол α между ней и осью корпуса 4 головки равен от 15 до 30°, задние части обоих выпускных отверстий 2, 3 соединены с впускным отверстием 17 в корпусе 4 головки.

2. Предпочтительный вариант В осуществления изобретения представляет собой буровое долото с единственной шарошкой в виде составных конусов, но без смещенной оси цапфы головки, ось цапфы головки совмещена с осью бурового долота в этом варианте осуществления изобретения (фиг.9 и 10).

Показанное на фиг.9-12 буровое долото содержит корпус 4 головки, шарошку 6, режущие элементы 7, калибровочную подушку 18, калибровочные вставки 14 и выемки 5 для удаления отходов и т.д. Корпус 4 головки соединен с шарошкой 6 через цапфу 13 головки в нижней части головки по внутреннему диаметру 12 шарошки. Ось цапфы 13 головки совмещена с осью бурового долота. Цапфа 13 головки - это цапфа с одной осью. Подшипник головки состоит из уплотняющей поверхности 15 и канавки 16 шарового затвора и т.д. Шарошка 6 установлена на цапфе 13 головки и имеет форму составных конусов (фиг.2 и 3). Внешняя поверхность шарошки 6 образована расширяющейся от задней поверхности шарошки к вершине шарошки калибровочной поверхностью 10, внешней конической поверхностью 9 и основной конической поверхностью 8 таким образом, что шарошка 6 имеет составной конический профиль. Множество режущих элементов 7 установлено на каждой поверхности 8, 9, 10 шарошки. Основная коническая поверхность 8 является обратной конической поверхностью, то есть угол ε, образованный образующей основной конической поверхности 8 и осью вращения шарошки 6 меньше или равен 90° (т.е. ε≤90°). Задний угол θ расширяющейся калибровочной поверхности 10 равен от 30 до 80°. Расширяющаяся калибровочная поверхность 10 может быть выполнена в виде ступеньки, и высота указанной расширяющейся калибровочной поверхности 10 составляет от 20 до 80 процентов, обычно от 40 до 80 процентов, высоты шарошки 6. Образующие указанной расширяющейся калибровочной поверхности 10, внешней конической поверхности 9 и основной конической поверхности 8 могут представлять собой прямую линию или кривую. Отверстия 11 для вставных режущих элементов 7 просверлены в расширяющейся калибровочной поверхности 10, внешней конической поверхности 9 и основной конической поверхности 8 конуса 6, и режущие элементы 7 установлены в отверстия 11. Ряды режущих элементов 7, расположенных в шахматном порядке, установлены на расширяющейся калибровочной поверхности 10. Режущие элементы 7 - это конические вставки из карбида или соединения из поликристаллического алмаза. Шарошка 6 установлена на цапфе 13 посредством его углубления 12 для подшипника.

По меньшей мере, два выпускных отверстия 2, 3 выполнены на нижнем скосе корпуса 4 головки. Левое выпускное отверстие 3 находится на одной стороне нижнего скоса корпуса 4 головки, при этом может быть выполнено несколько левых выпускных отверстий 3. Угол β между осью левого выпускного отверстия 3 и продольной плоскостью симметрии, в которой расположена ось бурового долота, равен от 10 до 30°. Ось центрального отверстия 2 находится в продольной плоскости симметрии, и угол α между ней и осью корпуса 4 головки равен от 15 до 30°. Задние части обоих выпускных отверстий 2, 3 соединены с впускным отверстием 17 в корпусе 4 головки. На цилиндрической части корпуса головки выполнены выемки 5 для удаления отходов, равномерно размещенные на ней, и расположена калибровочная подушка 18, имеющая калибровочные вставки 14, равномерно размещенные на подушке.

Изобретение относится к буровом долоту со смещенной осью и единственной шарошкой в виде составных конусов для бурения нефтяных или газовых скважин, горных работ и других бурильных работ под землей. Позволяет улучшить ударную способность для бурения в твердых породах. Долото состоит из корпуса головки и шарошки. Шарошка имеет форму составных конусов. Внешняя поверхность шарошки образована расширяющейся от задней поверхности шарошки к вершине шарошки калибровочной поверхностью, внешней конической поверхностью и основной конической поверхностью шарошки, являющейся обратной конической поверхностью. Множество режущих элементов установлено на каждой поверхности шарошки. Цапфа головки в нижней части корпуса головки служит для соединения с возможностью вращения с шарошкой. Между осью цапфы головки и осью бурового долота задана величина смещения d по направлению вращения шарошки. Калибровочная подушка размещена на корпусе головки в зоне, противоположной направлению смещения цапфы головки. Калибровочная подушка снабжена вставками и наплавлена износостойким сплавом для предотвращения проворачивания бурового долота и защиты корпуса головки от изнашивания и обеспечения защиты калибра. Выемки для удаления отходов выполнены вдоль боковой стороны корпуса головки и выемки для удаления отходов размещены на нижнем скосе корпуса головки, чтобы гарантировать удаление отходов и эффективные результаты очистки. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Буровое долото, содержащее корпус головки, единственную шарошку, цапфу головки, расположенную в нижней части головки, соединяющую корпус головки с шарошкой и имеющую ось, расположенную со смещением относительно оси бурового долота по направлению вращения шарошки, при этом шарошка выполнена в виде составных конусов и ее внешняя поверхность образована расширяющейся от задней поверхности шарошки к вершине шарошки калибровочной поверхностью, внешней конической поверхностью и основной конической поверхностью шарошки, при этом основная коническая поверхность является обратной конической поверхностью, и угол ε, образованный образующей основной конической поверхности и осью вращения шарошки, не превышает 90°, множество режущих элементов, установленных на каждой поверхности шарошки, калибровочную подушку, размещенную на стороне корпуса головки, противоположной направлению смещения цапфы головки, выемки для удаления отходов, выполненные на корпусе головки, и выпускные отверстия, выполненные на нижнем скосе корпуса головки.2. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что образующая расширяющейся калибровочной поверхности выполнена в виде ступеньки или кривой.3. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что высота расширяющейся калибровочной поверхности составляет от 20 до 80% от высоты шарошки.4. Буровое долото по п.1 или 2, отличающееся тем, что задний угол θ расширяющейся калибровочной поверхности равен от 30 до 80°.5. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что величина смещения оси цапфы головки относительно оси бурового долота не превышает 10 мм.6. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что диаметр внешней окружности калибровочной подушки составляет 0,80-1,00 от диаметра бурового долота.7. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что выемки для удаления отходов выполнены на корпусе головки на стороне, противоположной калибровочной подушке, и имеют дугообразную поверхность, и угловой диапазон выемки для удаления отходов составляет от 60 до 150°.8. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что калибровочная подушка снабжена вставками из карбида или наплавлена износостойким сплавом.9. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, два выпускных отверстия выполнены на нижнем скосе корпуса головки, левое отверстие расположено в центральной плоскости корпуса головки, угол β между осью левого отверстия и продольной плоскостью симметрии, в которой располагается ось бурового долота, равен от 10 до 30°, ось центрального отверстия находится в продольной плоскости симметрии, и угол α между ней и осью корпуса головки равен от 15 до 30°, задние части обоих выпускных отверстий соединены с впускным отверстием в корпусе головки.10. Буровое долото, содержащее корпус головки, единственную шарошку, цапфу головки, расположенную в нижней части головки, соединяющую корпус головки с шарошкой и имеющую ось, совмещенную с осью бурового долота, при этом шарошка выполнена в виде составных конусов и ее внешняя поверхность образована расширяющейся от задней поверхности шарошки к вершине шарошки калибровочной поверхностью, внешней конической поверхностью и основной поверхностью шарошки, угол ε, образованный образующей основной поверхности и осью вращения шарошки, не превышает 90°, и задний угол θ расширяющейся калибровочной поверхности равен от 30 до 80°, множество режущих элементов, установленных на каждой поверхности шарошки, калибровочную подушку, расположенную на цилиндрической части корпуса головки и снабженную калибровочными вставками, равномерно расположенными на ней, и выемки для удаления отходов, выполненные на корпусе головки.11. Буровое долото по п.10, отличающееся тем, что на нижнем скосе корпуса головки выполнены, по меньшей мере, два выпускных отверстия.

Приоритеты по пунктам: