БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 2007 года по МПК E21B10/16 

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

Известно буровое долото, содержащее шарошки, оснащенные венцами стальных фрезерованных зубьев с координированным групповым размещением зубьев венцах (Авт. свид. №1180476 СССР, МКИ Е21В 10/16. Шарошка бурового долота / Б.Н.Трушкин, М.М.Абдуллин, А.Н.Попов и др. // Изобретения. - 1985. - Бюл. №35).

Недостатками шарошки являются низкая фрезерующая способность периферийного вооружения по отношению к стенке скважины и высокая вероятность образования рейки под периферийными венцами и под ближайшим к ним предпериферийным венцом, т.к. эти венцы имеют наибольший радиус и являются ведущими по отношению к центральным венцам. Первый недостаток затрудняет управление кривизной при бурении наклонных и горизонтальных скважин, а второй оставляет нерешенной задачу о предупреждении образования рейки на периферийной области забоя скважины, которая повышает энергоемкость разрушения горной породы и ускоряет изнашивание соответствующего вооружения шарошек.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является буровое долото, содержащее шарошки, оснащенные периферийными, предпериферийными и центральными венцами стальных фрезерованных зубьев. На каждой шарошке на дне впадин между зубьями периферийных венцов установлены подрезные калибрующие зубки (Шарошечные долота. Международный транслятор-справочник /Под науч. ред. В.Я.Кершенбаума и А.В.Торгашова. - М.: Изд-во АНО "Техно-нефтегаз", 2000. С.55-58. (Прототип)). Такая конструкция вооружения рекламируется фирмой Hughes Christensen под названием "технология GT" (Gage Trimmer).

Недостатками прототипа является то, что подрезные зубки разрушают забойную рейку только непосредственно у стенки скважины, а под остальной частью периферийных венцов и смежного с ними предпериферийного венца вероятность образования устойчивой рейки остается весьма высокой. По мере удаления от периферии долота к центру быстро уменьшается запас вооружения, поражающего забой скважины, который достигает минимума вблизи внутреннего торца периферийного венца с наибольшей длиной зубьев и смежного с ним предпериферийного венца другой шарошки. Эти части вооружения работают по вогнутой области забоя, которая оказывает наибольшее сопротивление разрушению, если не считать область забоя непосредственно у стенки скважины, поражаемую вооружением всех шарошек. Все это приводит к опережающему износу внутренней части периферийного венца с наибольшей длиной зубьев и смежного с ним предпериферийного венца.

Этот вывод был сделан при анализе причин опережающего износа названной части вооружения долот. На фиг.1 показано распределение относительного запаса вооружения В_o по радиусу R долота 215,9 М-ГВ. При определении величины В_o сначала рассчитывался запас вооружения, работающего по кольцевым областям забоя, поражаемым соответствующими венцами шарошек по формуле

где z_i - число зубьев всех шарошек, поражающих i-ю область забоя; R_i - средний радиус i-й области забоя. Затем параметр В_о по формуле

где В_n - запас вооружения долота, работающего непосредственно у стенки скважины.

Из фиг.1 следует, что долото имеет наибольший запас вооружения на периферии, которую перекрывают зубья всех трех шарошек (позиция 7). По мере уменьшения R запас вооружения снижается скачком, т.к. следующую кольцевую область забоя перекрывают зубья только двух шарошек (позиция 2), и, наконец, достигает минимального значения, где забой перекрывается только внутренней частью одного периферийного венца с наиболее длинным зубьями (позиция 3). Далее, начиная со смежного с ним предпериферийного венца (позиция 4), относительный запас вооружения возрастает. Таким образом, в наихудших условиях находится вооружение шарошек, соответствующее позициям 3 и 4.

Изобретение решает техническую задачу повышения долговечности вооружения и скорости бурения за счет выравнивания распределения запаса вооружения по радиусу долота и улучшения разрушения рейки на забое скважины под периферийными и смежным с ними предпериферийным венцами шарошек.

Указанная задача решается тем, что в буровом долоте, содержащем шарошки, оснащенные периферийными, предпериферийным и центральными венцами стальных фрезерованных зубьев и подрезными калибрующими твердосплавными зубками, установленными на дне впадин между зубьями периферийных венцов, согласно изобретения, на шарошке с наиболее длинными зубьями периферийного венца на дне впадин между зубьями периферийного венца в шахматном порядке по отношению к подрезным калибрующим зубкам установлены дополнительные твердосплавные зубки заподлицо с внутренними торцами зубьев периферийного венца, а на шарошке, содержащей предпериферийный венец, дополнительные твердосплавные зубки установлены на дне впадин между зубьями предпериферийного венца заподлицо с внутренними торцами зубьев предпериферийного венца.

Такое выполнение вооружения бурового долота компенсирует пониженный запас вооружения внутренней части периферийного и предпериферийного венцов шарошек и обеспечивает разрушение рейки не только непосредственно у стенки скважины, но и под всей длиной периферийных и предпериферийного венцов шарошек.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое долото отличается от него тем, что на шарошке с наибольшей длиной зубьев периферийного венца на дне впадин между зубьями периферийного венца в шахматном порядке по отношению к подрезным калибрующим зубкам установлены дополнительные твердосплавные зубки заподлицо с внутренними торцами зубьев этого венца. А на шарошке, содержащей предпериферийный венец, дополнительные твердосплавные зубки установлены на дне впадин между зубьями предпериферийного венца заподлицо с внутренними торцами зубьев этого венца.

Предлагаемое буровое долото содержит три шарошки 7, фрагменты которых показаны на фиг.2, оснащенные центральными венцами зубьев 2, периферийными венцами 3 с наибольшей длиной l на первой шарошке, подрезными калибрующими твердосплавными зубками 4 и дополнительными твердосплавными зубками 5. Венец зубьев 6 на третьей шарошке является предпериферийным.

На фиг.2а, б, в показаны продольные разрезы периферийной части шарошек долота и расположение подрезных калибрующих твердосплавных зубков и дополнительных твердосплавных зубков относительно венцов шарошек; на фиг.3 показан вид А, на фиг.4 - вид Б и на фиг.5 - вид В, соответствующие фиг.2 (схемы размещения элементов вооружения долота в периферийных и предпериферийном венцах).

Зубья 2 центральных венцов, зубья 3 периферийных венцов и зубья 6 предпериферийного венца выполнены с шагом, соответствующим конкретному типоразмеру долота. У первой шарошки на дне впадин между зубьями 3 (фиг.3, вид А) через впадину установлены подрезные калибрующие твердосплавные зубки 4 и в шахматном порядке по отношению к ним на дне соседних впадин установлены дополнительные твердосплавные зубки 5 заподлицо с внутренними торцами зубьев 3. У второй шарошки (фиг.4, вид Б) и у третьей шарошки (фиг.5, вид В) подрезные калибрующие твердосплавные зубки 4 установлены на дне впадин между всеми зубьями 3 периферийного венца. У третьей шарошки (фиг.5, вид 5) на дне каждой впадины между зубьями 6 предпериферийного венца установлены дополнительные твердосплавные зубки 5.

На долотах уменьшенных размеров подрезные калибрующие зубки 4 на дне впадин между зубьями периферийного венца и дополнительные зубки 5 на дне впадин предпериферийного венца могут устанавливаться в шахматном порядке по отношению друг к другу, чтобы исключить ослабление продольного сечения шарошки сверлениями гнезд под зубки.

Долото работает следующим образом. В процессе бурения шарошки 1 катятся по забою, разрушая горную породу. В наихудшем случае зубья 3 периферийных и зубья 6 предпериферийного венцов шарошек поражают забой след в след, в результате чего под названными венцами формируется рейка в виде выступов и впадин на забое (см. Спивак А.И., Попов А.Н. Разрушение горных пород при бурении скважин: Учебник для вузов. - М.: Недра, 1994. - С.227-232). При отсутствии дополнительных твердосплавных зубков эти выступы разрушались бы неэффективно истиранием боковыми гранями зубьев и раздавливанием дном впадин между зубьями. Размещение подрезных калибрующих и дополнительных твердосплавных зубков на дне впадин по предлагаемой схеме обеспечивает их непосредственное воздействие на выступы рейки во всей области работы периферийных и предпериферийного венцов, а не только непосредственно у стенки скважины, как у прототипа. Задача разрушения возможной рейки в центральной области забоя решается групповым координированным размещением зубьев центральных венцов относительно зубьев периферийных венцов.

Выполнение вооружения шарошек в соответствии с предложенным техническим решением позволит существенно повысить долговечность стального фрезерованного вооружения шарошек и скорость бурения скважин особенно при разрушении пластично-хрупких и пластичных горных пород, что обеспечит широкое применение изобретения при бурении скважин.

Изобретение относится к породоразрушающему буровому инструменту, а именно к вооружению буровых шарошечных долот для бурения скважин. Позволяет повысить долговечность вооружения и скорость бурения за счет выравнивания распределения запаса вооружения по радиусу долота. Долото включает шарошки, оснащенные центральными, предпериферийным и периферийными венцами стальных фрезерованных зубьев и подрезными калибрующими твердосплавными зубками, установленными на дне впадин между периферийными зубьями. На шарошке с наиболее длинными зубьями периферийного венца на дне впадин между периферийными зубьями в шахматном порядке относительно подрезных калибрующих зубков установлены дополнительные твердосплавные зубки заподлицо с внутренними торцами зубьев периферийного венца, а на шарошке, содержащей предпериферийный венец, дополнительные твердосплавные зубки установлены на дне впадин между зубьями предпериферийного венца заподлицо с внутренними торцами его зубьев. 5 ил.

Буровое долото, содержащее шарошки, оснащенные периферийными, предпериферийным и центральными венцами стальных фрезерованных зубьев и подрезными калибрующими твердосплавными зубками, установленными на дне впадин между зубьями периферийных венцов, отличающееся тем, что на шарошке с наиболее длинными зубьями периферийного венца на дне впадин между зубьями периферийного венца в шахматном порядке по отношению к подрезным калибрующим зубкам установлены дополнительные твердосплавные зубки заподлицо с внутренними торцами зубьев периферийного венца, а на шарошке, содержащей предпериферийный венец, дополнительные твердосплавные зубки установлены во впадинах между зубьями предпериферийного венца заподлицо с внутренними торцами зубьев этого венца.