ШАРОШКА БУРОВОГО ДОЛОТА С ФРЕЗЕРОВАННЫМ ВООРУЖЕНИЕМ Российский патент 2008 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к области техники, занимающейся бурением различных скважин, а конкретнее к вооружению шарошек бурового долота.

Известно шарошечное долото с усиленным вооружением в виде фрезерованных зубцов с площадками притупления и поперечными перемычками, расположенными между зубцами, имеющими также площадки притупления, расположенные ниже площадок притупления призматических зубцов, и выполненными в виде венцов по радиусам из центров, которые находятся на оси шарошки [1].

Такое расположение поперечных перемычек при сохранении продольно размещенных относительно образующей линии конуса шарошки призматических зубцов способствует повышению прочностных свойств зубцов, предотвращая усталостное растрескивание и поломку зубца под корень, а также позволяет разрушать накатанную зубцами рейку на забое, тем самым повышая механическую скорость бурения.

К недостаткам этого решения, принятого за аналог, относится перекрытие поперечными перемычками радиальных потоков промывочной жидкости, направляемых на поверхность забоя скважины, что ухудшает очистку забоя от выбуренной породы, способствуя снижению механической скорости бурения.

Известно другое шарошечное долото с фрезерованным вооружением шарошек[2], в котором перекрытие радиальных потоков промывочной жидкости уменьшено по сравнению с рассмотренным вариантом за счет изменения формы и высоты перемычек относительно корпуса шарошки. Перемычки выполнены таким образом, что они соединяют торцы соседних зубцов непрерывно с одной стороны торцов или также непрерывно, но чередуясь то стороны вершины шарошки, то со стороны ее торца. И в первом, и во втором случаях верхняя кромка перемычек расположена несколько ниже поверхности притупления зубьев, а место соединения перемычек с зубцами выполнено с плавными переходами ко дну межзубцовой канавки и к боковым поверхностям зубцов. Острая кромка на вершине перемычек вместо площадки притупления, характерной для аналога, не предназначена для разрушения накатанной рейки на забое. Плавные переходы перемычек, кроме значительного упрочнения и защиты призматических зубцов от поперечного изгиба и от поломок вследствие воздействия на вооружение циклических знакопеременных нагрузок при перекатывании шарошек по забою, выполняют еще одно предназначение. Боковые поверхности продольных перемычек выполнены с противоположных сторон в виде скатов, на поверхностях которых не имеют возможности задерживаться частицы липкой выбуренной породы при бурении. Новые порции выбуренной породы непрерывно в принудительном порядке сдвигают по обеим поверхностям скатов предыдущие порции, защищая придонное общее пространство между призматическими зубцами от задержки и уплотнения липкой выбуренной породы, чтобы не превратить весь кольцевой венец зубцов на шарошке в «асфальтовый каток». Такая форма вооружения шарошек обеспечивает значительное повышение механической скорости бурения и величины проходки в вязких и липких породах. Вместе с тем, прототип имеет недостаток, присущий и аналогу, заключающийся в частичном перекрытии поперечными перемычками зубцов радиальных потоков промывочной жидкости в пространстве между поверхностью шарошки и поверхностью забоя.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение механической скорости и стойкости фрезерованного вооружения шарошек при бурении скважин.

Технический результат достигается тем, что в шарошке бурового долота с фрезерованным вооружением в виде продольных призматических зубцов с поперечными перемычками, у которых вершины ограничены окружностью с центром на оси шарошки, перемычки плавно примыкают к боковой поверхности и ко дну межвенцовых канавок, вершины перемычек отстоят от дна межвенцовых канавок на 30÷55% высоты призматических зубцов и расположены на середине их длины, а форма сечения перемычек в плоскости симметрии межзубцовых канавок представлена в виде острого угла с прямолинейными или криволинейными сторонами.

В отличие от аналога, перемычки в предлагаемой шарошке не имеют в верхней части площадок притупления, предназначенных для разрушения накатываемой на забое скважины рейки. Верхняя кромка перемычки остроугольной формы. Предпочтительным вариантом расположения кромки относительно длины призматического зубца является размещение перемычки в районе ее середины. Во время перекатывания шарошки по забою кромка перемычек отстоит от забоя на величину 45÷70% высоты призматического зубца, позволяя радиальным потокам промывочной жидкости протекать в области забоя более свободно. При этом сохраняются преимущества аналога и прототипа - уменьшение консольности призматических зубцов и увеличение их прочности, а также преимущество прототипа, заключающееся в предотвращении возможности налипания на шарошку выбуренной породы при разбуривании долотом вязких и мягких пропластков породы.

Другой вариант технического результата достигается иным размещением перемычек. Он позволяет улучшить условия протекания потоков промывочной жидкости вдоль поверхности забоя и заключается в размещении перемычек через зубец таким образом, чтобы у каждого призматического зубца перемычка располагалась только по одной из граней - слева или справа. При этом по второй грани перемычка отсутствует. В случае нечетного количества зубцов на венце один из зубцов имеет перемычки с обеих сторон (справа и слева). При сохранении прочностных свойств зубцов такое размещение перемычек на венцах шарошки обеспечивает еще более интенсивную очистку забоя от выбуренной породы за счет увеличения возможности протока промывочной жидкости в увеличенных пространствах между призматическими зубцами, где перемычки отсутствуют.

На вершине I-й шарошки, на верхнем венце, разрушающем центральную зону забоя, при образовании относительно небольшого объема выбуренной породы по сравнению с другими венцами зубцов на этой и других шарошках, перемычки могут устанавливаться конструктором с целью уменьшения консольности и соответствующего упрочнения фрезерованных зубцов.

Перечень чертежей. На фиг.1 показан вариант предлагаемой шарошки с фрезерованным вооружением, на фиг.2 показан вид сбоку обычного призматического зубца, на фиг.3 - также вид сбоку на зубец с предлагаемой остроугольной перемычкой, на фиг.4 изображен другой предлагаемый вариант размещения межзубцовых перемычек.

На фиг.1 показаны остроугольные перемычки 4, верхняя кромка которых переходит в боковую поверхность призматического зубца 2 близко к середине его длины на высоте, где - шарошка, 2 - призматические зубцы, 3 - вершины остроугольных перемычек 4 с плавными переходами 5 на боковую поверхность призматических зубцов 2 и с плавными переходами 6 острого угла на межвенцовую канавку.

На фиг.2 7 - боковая поверхность обычного призматического зубца, а 8 - линия дна межзубцовой канавки; высота зубца - h и его длина по вершине - l.

На фиг.3 вершина 3 остроугольной перемычки располагается в зоне, близкой к середине длины l (l=2l₁) на расстоянии от дна межзубцовой канавки h₁ [h₁=(0,3÷0,55) h]. В этом варианте стороны острого угла - криволинейные. Именно этот вариант изобретения является предпочтительным.

На другом варианте изобретения (фиг.4) показано размещение перемычек 4 с вершинами 3 слева 9 или справа 10 от поверхностей призматических фрезерованных зубцов 2. Позицией 11 показаны межзубцовые канавки без перемычек. Этот вариант изобретения предназначен для долот, разбуривающих породы с менее вязкими и липкими пропластками, чем первый рассмотренный вариант.

В этом варианте сохраняются, с одной стороны, вышеуказанные преимущества вооружения шарошки с перемычками - каждый зубец укреплен хотя бы с одной из сторон ребром жесткости в виде перемычки, что снижает консольность и увеличивает прочность корня зубца, по которому последний нередко ломается от высоких многоцикловых знакопеременных нагрузок. С другой стороны, дополнительно улучшены условия прохода радиальных (поперечных) потоков промывочной жидкости вдоль поверхности поверхности забоя, что способствует лучшей очистке зубцов шарошки и забоя скважины от выбуренной породы, повышаются механическая скорость бурения и величина проходки. Получаемый эффект превышает качественные показатели каждого из отдельных рассмотренных решений.

Таким образом, решена комплексная синтезированная задача, неизвестная ранее - одновременное укрепление перемычками фрезерованных призматических зубцов за счет снижения консольности, увеличения прочности их прикорневой зоны и улучшение гидравлической очистки забоя радиальными потоками промывочной жидкости за счет измененных геометрических параметров и формы перемычек.

В соответствии с пунктом 19.5.3 действующих правил составления, подачи и рассмотрения заявки на выдачу патента на изобретение такое решение признается соответствующим изобретательскому уровню.

Возможность осуществления изобретения подтверждается стендовыми и промысловыми испытаниями опытных образцов долот с шарошками по настоящему изобретению, подтвердившими их высокую эффективность при разбуривании вязких и липких пропластков горных пород.

Источники информации

1. Патент РФ № 2019666 «Шарошка бурового долота», МПК₅ Е21В 10/16, 15.09.94, бюл. № 17 (аналог).

2. Авт. свидетельство № 1404630 «Шарошка бурового долота», МПК₄ Е21В 10/16, 23.06.88, бюл. № 23 (прототип).

Изобретение относится к области буровой техники, в частности к фрезерованному вооружению шарошек бурового долота. Позволяет повысить механическую скорость бурения. Шарошка включает фрезерованное вооружение в виде продольных призматических зубцов с поперечными перемычками, плавно примыкающими к боковой поверхности зубцов и ко дну межвенцовых канавок. Вершины перемычек отстоят от дна межвенцовых канавок на 30÷55% высоты призматических зубцов, расположены на середине их длины, а форма сечения перемычек в плоскости симметрии межзубцовых канавок представлена в виде острого угла с прямолинейными или криволинейными сторонами. В другом варианте перемычки чередуются с межвенцовыми канавками без перемычек, образуя ребра жесткости призматических зубцов только с одной, правой или левой, стороны. При нечетном количестве призматических зубцов на венце шарошки один из зубцов имеет поперечные перемычки с обеих сторон. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Шарошка бурового долота с фрезерованным вооружением в виде продольных призматических зубцов с поперечными перемычками, у которых вершины ограничены окружностью с центром на оси шарошки, перемычки плавно примыкают к боковой поверхности зубцов и ко дну межвенцовых канавок, отличающаяся тем, что вершины перемычек отстоят от дна межвенцовых канавок на 30÷55% высоты призматических зубцов, расположены на середине их длины, а форма сечения перемычек в плоскости симметрии межзубцовых канавок представлена в виде острого угла с прямолинейными или криволинейными сторонами.2. Шарошка по п.1, отличающаяся тем, что поперечные перемычки чередуются с межвенцовыми канавками без перемычек, образуя ребра жесткости призматических зубцов только с одной, правой или левой стороны.3. Шарошка по п.1, отличающаяся тем, что при нечетном количестве призматических зубцов на венце один из зубцов имеет поперечные перемычки с обеих сторон.