Шарошечное долото Советский патент 1993 года по МПК E21B10/16 

Изобретение относится к породоразру- шающим буровым инструментам, а именно к трехшарошечным долотам для бурения скважин.

Целью изобретения является повышение скорости бурения и долговечности вооружения шарошек путем обеспечения безреёчного разрушения забоя.

На фиг.1 показано трехшарошечное долото и размещение венцов вставных зубков на шарошках, а также схема перекрытия ими забоя при бурении; на фиг.2 - развертки однорядного венца на примере периферийного венца первой шарошки и двухрядных периферийных венцов двух других шарошек; на фиг.З - схемы поражения забоя венцами (рядами) зубков при первом и втором проходах по одному и тому же участку забоя; на фиг.4 - экспериментальная зависимость коэффициента вариации нагрузки на зубки от величины относительного шага повторного поражения забоя.

На всех схемах и в описании даны угловые шаги.

Шарошечное долото (см.фиг.1) состоит из лап 1 с цапфами 2, на которых установлены первая 3, вторая 4 и третья 5 шарошки. Вооружение всех венцов первой шарошки, в том числе периферийного венца 6, однорядное. На шарошках 4 и 5 периферийные венцы двухрядные, состоящие из внешних рядов 7 и 9 и внутренних рядов 8 и 10. Величины шагов Ti, Тз и Ts (см. фиг.2) соответствуют конкретному типоразмеру долота, Шаг между группами Та зубков в однорядном венце (см. фиг.2, вид А) на 20...25% больше, чем шаг Ti внутри групп. На одной из шарошек, например на шарошке 4, вооружение двухрядного венца (см. рис.2, вид Б) может быть негруппированным. На шарошке 5 (см. фиг.2, вид В) зубки периферийного венца размещены группами. Первая группа включает зубки ai, 61, BI, п и Д1, вторая - 32, ба, В2. Г2 и Д2, третья - аз, бз и гз и т.д. Одна группа, третья, содержит

(Л

С

00

§

о

N

на два зубка меньше, чем первая и вторая. Внутри групп зубки размещены в шахматном порядке с шагом Ts, близким к шагу Тз в рядах. Шаг Т между группами по зубкам внешнего ряда 9 близок к шагу Ti и на 20...25% меньше, чем шагТб- Шаг Т6 между группами по зубкам внутреннего ряда 10 на 70...75% больше, чем шаг TS. Шаги Ti и Тв, как правило, назначаются минимально возможными из условия надежного крепления зубков в теле шарошки.

Долото работает следующим образом.

В процессе бурения шарошки перекатываются по забою скважины. Элементы вооружения периферийного венца б поражают забой с шагом ТУ и могут сформировать рейку. Но выступы этой рейки расположатся группами, подобно группам зубков в венце, с шагом между группами Т21 (см. фиг.З, схемы а и Ь). При повторном проходе (пунктирные стрелки) из-за того, что в окружность скважины укладывается не целое число оборотов шарошки, а в группах разное число зубков, имеет место смещение групп рейки по шагу на величину А Т и частичное разрушение рейки. Отдельные зубки ряда 7 второй шарошки попадают в след первой шарошки, а остальные, стремясь сформировать собственную рейку, способствуют разрушению рейки, образуемой венцом 6 (на схеме не показано). Внешний ряд 9, имеющий шаги, близкие к Ti и к Тз, собственную рейку не формирует, а подчиняется схеме поражения то венца 6, то ряда 7, что также способствует разрушению рейки на периферии забоя. Таким образом, все три шарошки имеют существенно разные схемы воздействия на периферию забоя и не могут сформировать устойчивую рейку.

Разрушение предпериферийной части забоя осуществляется последовательно зубками рядов 8 и 10 второй и третьей шарошек. Ряд 8 может формировать рейку с шагом Тз «Ts1 (см, фиг.З, схемы с и d) с четным числом выступов и с шагом Тз /2 при нечетном числе выступов. Первая ситуация наиболее неблагоприятна и рассмотрена ниже. Зубки ряда 10 в пределах группы могут воздействовать на забой вслед зубкам ряда 8, но на границе групп происходит смещение зон поражения на величину А Т, т.к. . При следующем проходе ряда 10 имеет место дальнейшее смещение зон поражения и таким образом обеспечивается последовательное разрушение рейки, формируемой рядом 8 (см. фиг.З, схемы е и f).

Поскольку поломки вставных зубков являются одной из основных причин отказа

вооружения, то выбор соотношений между шагами в группах и между группами проведен из условия обеспечения минимальной вариации нагрузки на зубки. С этой целью

были проанализированы опубликованные данные дробно-факторного эксперимента. В качестве показателя нагружения зубков принята величина коэффициента вариации К нагрузки

K S/P,

где S - среднее квадратическое отклонение нагрузки, действующей на зуб; р средняя величина нагрузки в опыте. В качестве аргумента принят относительный шаг повторного поражения забоя, равный для однорядных венцов

То ДТЛУ.

а для двухрядных венцов To AT/T5 .

На фиг.4 приведена полученная зависимость К от То. Величины То при минимальных значениях К, которые имели место при То, около 0,2 и 0,7 соответствуют наимень- шей перегрузке зубков. Далее рассмотрение проведено по венцам и рядам в соответствии со схемами на фиг.З:

1) для групп однорядных венцов при поражении по схеме а ДТ-Та -ТУ, тогда

To nY-Ti )/Ti , где То 0,20.

Отсюда

т2 - Ti (1 + То) Tt (1 + 0,20). Принимаем,что

45

Т2 ТУ Т2 ТГ

(D

где Т2 и Ti - шаги зубков между группами и в группе венца, С учетом (1)

T2 Ti(1+0,20).(2)

При поражении по схеме b Т-Т1 -(Т2 .-ТГ),

To (Ti -Tz -Ti ))/Tr, где То 0,70.

F.

Отсюда

T2 Ti (2-To) Tr(2-0,70) Ti 0 +0,30).

С учетом (1)

Т2 Ti(1 + 0.30).

(3)

Из совместного анализа формул (2) и (3) и графика на фиг.4 следует, что условие (3) обеспечивает работу вооружения в областях обоих минимумов К независимо от схемы поражения забоя при втором проходе, а условие (2) - только в случае обеспечения работы в области первого минимума. Но если для схемы b принять То 0,25, то это ограничение будет устранено. Тогда шаг между группами в однорядных венцах

T2 (0.25...0,30); (4)

2) группы внешнего ряда 9 могут поражать забой по схемам с и d. При поражении по схеме с

ДТ Т4,То Т4 /Т5 ,

где То 0,70.

Отсюда

Т4 То -Т5 0,70 -Т5 Т5 (1 - 0,30).

Приняв, что.

Т41 Т5 Т4 Т5

(5)

где Т/ и ТБ - шаги между группами зубков и в группах ряда 9, получим

Т4 Т5(1-0,30).

(6)

При поражении забоя по схеме d

AT - Т5 - Т4 , То - OV - Т/Г)/Т5 , где То 0,20. Тогда с учетом (5) и необходимых преобразований

То Тб(1 - 0,20).

(7)

Из условия обеспечения работы зубков ряда в областях обоих минимумов К независимо of схемы поражения забоя меньшее значение То следует увеличить до 0,25. Тогда шаг между группами внешнего ряда

Т4 - ТвП - (0.25...0.30).

(8)

3) группы внутреннего ряда 10 поражать заб.ой по схемам е и f, При жении по схеме е

ДТ - Те - Т5 , То OV - ТбУТб , где То 0,70. Отсюда

Те - Т5 (1 + То) - Т5 (1 + 0.70). Приняв, что

Те Т5 Ге Т5

где Те и TS - шаги между группами и в группах ряда 10.

С учетом (9) получим Те Т5(1 + 0,70).(10) При поражении забоя по схеме f

AT 2T5 - Те . То - (2Т5 - ТбУТб , где То 0,20.

Отсюда с учетом (9) и необходимых преобразований получим

Те - Тд(1 + 0,80).

Из условия обеспечения работы вооружения ряда в областях обоих миниму- мое К независимо от схемы поражения забоя большее значение То уменьшим до 0,75. Тогда шаг между группами внутреннего ряда

20

Те +(0,70...0,75).

(11)

Таким образом, формулы (4), (8) и (11) позволяют рассчитать рациональные шаги между группами как однорядных, так и двухрядных венцов для предлагаемого технического решения. Предложенное размещение зубков на шарошках обеспечивает практически безреечное разрушение всего забоя, что особенно важно для его периферийной

части, Кроме того, групповое размещение зубков в двухрядном венце одной из шарошек не только улучшает схему поражения периферийной части забоя, но и существенно увеличивает запас периферийного вооружения. Все .это, в конечном счете, повышает скорость бурения и долговечность вооруже- ния долота.

Формула изобретения Шарошечное долото, состоящее из лап

с цапфами и установленных на них двух шарошек с двухрядными периферийными венцами и однорядными центральными венцами и одной шарошки только с однорядными венцами вставных зубков, размещенных группами хотя бы в одном двухрядном и во всех однорядных венцах, с шагом в группах, определяемым типоразмером долота, отличающееся тем, что, с целью повышения скорости бурения и долговечности вооружения шарошек путем обеспечения безреечного разрушения забоя, в группах двухрядного венца одной из шарошек размещено нечетное количество зубков в шахматном порядке с шагами между группами по зубкам внешнего ряда на 25-30% меньше, а по зубкам внутреннего ряда на 70-75% больше, чем шаги в группах, а шаг между группами в однорядных венцах всех шарошек на 25-30% больше , чем шаг в группах, при этом каждый венец с группе-.

вым размещением зубков содержит хотя бы одну группу, в которой на один - два зубка

больше или меньше, чем в остальных группах.

Использование: при бурении скважин. Сущность изобретения: в группах двухрядного венца одной из шарошек размещено нечетное количество зубков в шахматном порядке в шагом между группами по зубкам внешнего ряда на 25...30% меньше, а по зубкам внутреннего ряда на 70...75% больше, чем шаги в группах, в шаг между группами в однорядных венцах всех шарошек на 25...30% больше, чем шаг в группах, при этом каждый венец с групповым размещением зубков содержит хотя бы одну группу, в которой на один-два зубка больше или меньше, чем в остальных группах. 4 ил.

I7X7

v9(:7,

L/±uT

у

г.2

П л Г

о as & об цв w

to -----

/Г , /V ЛГ