Буровое шарошечное долото Советский патент 1992 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к технике и технологии бурения нефтяных, газовых и других скважин и может быть использовано при проектировании, изготовлении и эксплуатации буровых шарошечных долот.

Известна шарошка бурового долота с фрезерованным вооружением, имеющая смещение своей оси относительно оси долота в направлении его вращения, сконструированная для бурения мягких и средней твердости пород (глины, песчаники, аргиллиты, алевролиты и т.д.). Особенностью этой шарошки является режуще-сдвигающее действие зубьев в процессе их скольжения по поверхности забоя. Недостаток этой шарошки заключается в том, что в процессе разрушения горных пород происходит неравномерный износ зубьев разных венцов шарошки по высоте, что приводит к опережающему полному износу зубьев одного какого-то венца шарошки и снижает, таким образом, показатели работы долота за рейс в целом.

Известна также шарошка бурового долота с фрезерованными зубьями, имеющими различные размеры по венцам шарошки.

В данной конструкции долота на периферийном венце шарошки и вершинном венце шарошки размер площадки притупления зубьев по их высоте меньше, чем у зубьев средних венцов. Этим компенсируется большая величина скорости скольжения по забою вершинных и периферийных зубьев.

Недостатком является то, что изменение геометрических размеров зубьев вершинных и периферийных венцов данной шарошки осущуществляется без обеспечения равномерности износа зубьев всех вен- цоа по высоте в процессе скольжения их по поверхности забоя при разрушении породы резанием и скалыванием. Это существенно снижает показатели надежности фрезерованного вооружения (часовую стойкость) и назначения (механическую скорость за рейс) шарошечного долота в целом в процессе бурения скважин.

Цель изобретения - повышение эффективности бурения горных пород за счет реализации рзв.номерного износа зубьев различных венцов шарошки по высоте.

Указанная цель достигается тем, что зубья всех венцов шарошки выполнены с равным соотношением равноудаленных от вершин площадей поперечных сечений, величина которого К определяется из следующей зависимости:

.(я.)

0

5

0

где К - величина соотношения, равная для зубьев всех венцов шарошки;

щ - число зубьев на l-м венце шарошки, шт;

е - смещение оси шарошки относительно оси долота, мм;

RI и п - кратчайшее расстояние от центра тяжести площадки притупления зубьев 1-го венца шарошки соответственно до оси долота и оси шарошки, мм;

SI - площадь равноудаленных от вершин поперечных сечений зубьев 1-го венца шарошки, мм .

На фиг.1 показана шарошка с учетом ее пространственного расположения в конструкции бурового долота; на фиг.2 - схема взаимодействия зубьев шарошки с поверх- ностью забоя скважины и конструктивные параметры шарошки; на фиг.З - геометрические параметры зубьев шарошки.

В предлагаемой конструкции шарошки бурового долота 1, содержащей венцы фрезерованных зубьев 2, обеспечивается равномерный износ зубьев 2 различных венцов по высоте h за счет равного соотношения К раноудаленных от их вершин площадей поперечных сечений для всех венцов шарошки;

5

0

Данное соотношение в новой конструк ции шарошки получено следующим образом.

0В процессе вращения долота под нагрузкой зубья шарошки совершают сложное движение по поверхности забоя скважины. Тангенциальная составляющая скорости движения зависит от конструктивных 5 параметров долота, геометрической формы шарошек, передаточного отношения, при этом разная для зубьев разных венцов шарошки (фиг.2) и равна

УТ ШЭ (Ri-ln), где шэ-частота вращения долота;

i - передаточное отношение частоты вращения шарошки и долота.

При этом точками с нулевой тангенци- cj альной скоростью являются лишь те точки шарошки, где образующие ее пересекаются с мгновенной осью вращения (точка N, фиг.2). Все точки образующей шарошки, находящиеся слева от точки N, имеют отрица- тельное (против вращения долота)

движение относительно забоя скважины, т.е. пробуксовывают, а точки образующей шарошки, находящиеся справа от точки N, имеют положительное (по ходу вращения долота) движение, т.е. притормаживаются.

Радиальная составляющая скорости движения зависит только от величины сме- щения.оси шарошки (е), постоянна для зубьев всех венцов шарошки и равна (фиг.2) Vp 0)д е.

Суммарная скорость движения равна

VcyM /Vp2 + VT2 ft VeMRt-ri)2. Путь движения зубьев различных венцов шарошки равен

fl VcyM t|.

где ti - время взаимодействия одного зуба 1-го венца с поверхностью забоя скважины, которое равно

2л:

ti

Уо 1 ni

При расчетах величины а и Р опускаются как постоянные для зубьев всех венцов шарошки, и равенство работы сил трения перепишется как соблюдение условия

3,f,,|e2 + (Ri-ln)-K,

где К - величина соотношения, равная для зубьев всех венцов шарошки. Передаточное отношение I определяемся по фбрмуле

2(.

Е П|

Тогда окончательное условие равномерного износа зубьев различных венцов шарошки по высоте определится соотношением

20 K-S

ШАРОШКА БУРОВОГО ДОЛОТА

Изобретение относится к бурению нефтяных, газовых и других скважин. Цель изобретения - повышение эффективности бурения горных пород за счет реализации равномерного износа зубьев различных венцов. Долото содержит шарошки 1 с венцами фрезерованных зубьев 2. Зубья всех венцов шарошки выполнены с равным соотношением равноудаленных от вершин площадей поперечных сечений. Величина соотношения К определяется из приведенной зависимости. При работе долота обеспечивается равномерный износ зубьев различных венцов шарошки по высоте, предотвращается опережающий полный износ зубьев одного какого-то венца и повышается надежность фрезерованных зубьев и эффективность бурения. 3 ил.

, 2ла)я .

ft-arr R - n)22 /е2 о. , ... Л2.

I -щ

re + (

Необходимым условием равномерного износа зубьев различных венцов шарошки

по высоте является равенство работы сил трения для зубьев всех венцов в процессе скольжения по поверхности забоя скважины:

Атр FTp-fi,

где FTp - сила трения скольжения зубьев 1-го венца шарошки по поверхности забоя

Принимая во внимание тот факт, что механизм взаимодействия зубьев шарошки с породой забоя сквёжины носит в основном усталостно-объемный или поверхностный характер, когда распределение осевой нагрузки между контактирующими с забоем зубьями различных венцов шарошки осуществляется пропорционально площади их контактной поверхности, сила трения (FTp) определится из выражения

FTp aPSi.

гдеа - коэффициент трения, имеющий равную величину для зубьев всех венцов шарошки при их взаимодействии с одной и той же породой;

-Р - удельная контактная нагрузка, имеющая постоянную величину для зубьев всех венцов шарошки, кг/мм2;

Si - площадь равноудаленных от вершин поперечных сечений зубьев i-ro венца шарошки, мм2.

25

Учитывая тот факт, что величина 2 л Ј щ

У ( - щ) г

const для данной конструкГ|

- г

У ( - щ) г

ции шарошки, зависимость для определения соотношения К упростится и примет вид

K Si ni

е2 (

Шарошка новой конструкции работает следующим образом.

При вращении долота под нагрузкой зубьев шарошки совершают сложное движение со скольжением по поверхности забоя, испытывая при этом сопротивление (трение) со стороны горной породы. Силы трения горной породы вызывают процесс абразивного изнашивания зубьев шарошки по высоте, Конструктивное выполнение фрезерованных зубьев в предлагаемой шарошке обеспечивает равенство работы сил трения для зубьев всех вемцов, что предотвращает опережающий полный износ зубьев одного какого-то венца и повышает, таким образом, надежность фрезерованных зубьев и показатели работы долота в целом к (проходку, механическую скорость бурения).

Актуальность предлагаемой шарошки обусловлено тем, что при бурении долотами с фрезерованными зубьями шарошек про0

5

0

исходит опережающий износ зубьев при работоспособной опоре шарошек.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано практически в любой конструкции шарошечного долота с фрезерованным вооружением.

Формула изобретения Буровое шарошечное долото, содержащее шарошки с венцами фрезерованных зубьев, от л ичающееся тем, что, с целью повышения эффективности бурения горных пород за счет реализации равномерного износа зубьев различных венцов по высоте, зубья всех венцов шарошки выполнены с равным соотношением равноудаленных от вершин площадей поперечных сечений, ве

Ось долота

Фиг. 2

личина которого К определяется из следующей зависимости:

K ,

где п - число зубьев на l-м венце шарошки, шт.;

е - смещение оси шарошки относительно оси долота, мм;

n - кратчайшее расстояние от центра тяжести площадки притупления зубьев i-ro венца шарошки соответственно до оси долота и оси шарошки, мм;

SI - площадь равноудаленных от вершин попеоечных сечений зубьев 1-го венца шарошки, мм2

ОСб

видб

r s- Ось шарошки

/ п

Сечение A:h jrhgbhff Сечение

п

Sl Зл Sm Sj - Sff $% - Sj Sff Sff -#

S- площадь поперечного сечения зудЪ

Редактор Э.Слиган

Техред М.Моргентал

Заказ 750ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

п

Фиг.З

Корректор И.Муска