Буровое шарошечное долото

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам, применяемым при бурении нефтяных, газовых и других скважин.

Известно буровое шарошечное долото, включающее корпус и шарошки с ведущими и ведомыми венцами, зубья которых имеют асимметричную форму (см. авт. св. СССР №825835, кл. Е21В 10/16, 1978 г.).

Недостатком этого долота является низкая эффективность работы из-за неоптимальной схемы расположения зубьев.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами, установленные на них шарошки с ведущими и ведомыми венцами, выполненными с литыми, фрезерованными или твердосплавными асимметричными зубьями, и систему промывки (см. патент РФ №2046176, кл. Е21В 10/16, 1995 г.).

К недостаткам данного долота следует отнести сравнительно высокую энергоемкость процесса бурения, связанную с выполнением зубьев неоптимальной конфигурации, приводящей к увеличению необходимого крутящего момента на долоте, а также с некачественной очисткой забоя от шлама.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота путем снижения затрат мощности на разрушение породы и увеличения производительности механического удаления шлама из лунок, образуемых в поверхности забоя рабочими поверхностями каждого зуба вооружения.

Указанный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем лапы с наклонными цапфами, установленные на них шарошки с ведущими и ведомыми венцами, выполненными с литыми, фрезерованными или твердосплавными асимметричными зубьями, и систему промывки, согласно изобретению передняя по отношению к направлению проскальзывания вооружения грань зуба, работающего в режиме пробуксовки или подтормаживания, наклонена по отношению к линии, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки в сечении, перпендикулярном образующей шарошки, под углом γ=0÷18°, а угол между линией, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки, и поверхностью площадки притупления составляет α=60÷85°, причем зубья шарошек, работающих в режиме пробуксовки или подтормаживания, выполняются с криволинейными передней и задней гранями по отношению к направлению проскальзывания вооружения, при этом радиус закругления - r₁ передней по отношению к направлению проскальзывания вооружения грани асимметричного зуба определяется по формуле:

где L - высота асимметричного зуба;

k₁=(l-10) мм - кратчайшее расстояние, между вершиной дуги с радиусом r₁ и хордой, образованной пересечением этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней и нижней ее точках;

φ₁ - угол между линией, соединяющей вершину дуги радиусом r₁ с точкой пересечения этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней ее точке, и линией, соединяющей эту же вершину дуги с серединой хорды;

а радиус закругления - r₂ задней по отношению к направлению проскальзывания вооружения грани асимметричного зуба определяется по формуле:

где: k₂=(1-10) мм - кратчайшее расстояние между вершиной дуги с радиусом r₂ и хордой, образованной пересечением этой дуги с прямолинейной поверхностью задней грани в верхней и нижней ее точках;

φ₂ - угол между линией, соединяющей вершину дуги радиусом r₂ с точкой пересечения этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней ее точке, и линией, соединяющей эту же вершину дуги с серединой хорд;

β - угол заострения асимметричного зуба.

Достижению указанного технического результата способствует также и то, что:

- площадка притупления в сечении, перпендикулярном образующей шарошки, может быть выполнена со скосом по всей длине рабочей части зуба, в виде ломаной линии или в виде части сферы,

- при выполнении площадки притупления в виде ломаной поверхности ширина площадки h, перпендикулярной по отношению к линии, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки, составляет (0,25÷0,5)Н, где Н - общая ширина площадки притупления асимметричного зуба.

Изобретение поясняется чертежами, где на: фиг. 1 представлен общий вид долота в продольном разрезе; на фиг. 2 - траектория движения вершины зуба при пробуксовке вооружения; на фиг. 3 - траектория движения вершины зуба при чистом качении; на фиг. 4 - траектория движения вершины зуба при подтормаживании вооружения; на фиг. 5 - траектория движения зуба ведомого венца в процессе лункообразования на поверхности забоя при пробуксовке вооружения; на фиг. 6 - вариант исполнения асимметричного вооружения прямолинейной конфигурации зубьев; на фиг. 7 - вариант исполнения асимметричного вооружения предложенной криволинейной конфигурации зубьев, фиг. 8 -вид I на фиг. 6.

Буровое шарошечное долото содержит лапы 1 (см. фиг. 1) с наклонными цапфами 2, на которых посредством подшипников (не показаны) установлены конические шарошки 3 с ведущими и ведомыми венцами (см. фиг. 2, 4), выполненными с литыми, фрезерованными или твердосплавными асимметричными зубьями 4, и систему промывки в виде гидромониторных узлов 5, размещенных, как правило, между шарошками 3 и направляющих поток промывочной жидкости на забой скважины. Передняя по отношению к направлению проскальзывания вооружения грань 6 зуба наклонена по отношению к линии, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки в сечении, перпендикулярном образующей шарошки, под углом γ=0÷18°, а угол между линией, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки, и поверхностью площадки притупления составляет α=(60÷85°). В предложенном долоте зубья шарошек, работающих в режиме пробуксовки или подтормаживания, выполняются с криволинейными передней 6 и задней 7 гранями по отношению к направлению проскальзывания вооружения, при этом радиус закругления - r₁ передней по отношению к направлению проскальзывания вооружения грани 6 асимметричного зуба определяется по формуле:

где L - высота асимметричного зуба;

k₁=(l-10) мм - кратчайшее расстояние между вершиной дуги с радиусом r₁ и хордой, образованной пересечением этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней и нижней ее точках.

φ₁ - угол между линией, соединяющей вершину дуги радиусом r₁ с точкой пересечения этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней ее точке, и линией, соединяющей эту же вершину дуги с серединой хорды,

а радиус закругления - r₂ задней по отношению к направлению проскальзывания вооружения грани 7 асимметричного зуба определяется по формуле:

где: k₂=(1-10) мм - кратчайшее расстояние между вершиной дуги с радиусом r₂ и хордой, образованной пересечением этой дуги с прямолинейной поверхностью задней грани в верхней и нижней ее точках;

φ₂ - угол между линией, соединяющей вершину дуги радиусом r₂ с точкой пересечения этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней ее точке, и линией, соединяющей эту же вершину дуги с серединой хорд;

β - угол заострения асимметричного зуба.

Такая конфигурация зубьев позволяет значительно снизить усилие, необходимое на преодоление сопротивления породы при внедрении в нее элементов вооружения, двигающихся в пространстве по сложной траектории, за счет оптимизации угла заострения вершинной части зуба по отношению к направлению его движения, особенно при входе в породу (см. фиг. 5, 7). В свою очередь это также способствует большему заглублению зубьев вооружения в поверхность забоя, что позволяет увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото, особенно при разбуривании средних пород. Помимо этого придание передней, по отношению к направлению проскальзывания вооружения, грани зуба более вертикальной и ковшеобразной поверхности (см. фиг. 6, 7) будет способствовать лучшей производительности механического удаления шлама из лунок, образуемых на поверхности забоя зубьями вооружения. При этом площадка притупления зубьев в сечении, перпендикулярном образующей шарошки, может быть выполнена со скосом 8 (см. фиг. 6) по всей длине рабочей части зуба, либо в виде ломаной линии 9 (см. фиг. 7) или в виде части сферы 10 с радиусом - r₃ (см. фиг. 8). При выполнении площадки притупления в виде ломаной поверхности ширина площадки h, перпендикулярной по отношению к линии, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки, составляет (0.25÷0,5)Н, где Н - общая ширина площадки притупления асимметричного зуба.

Форма вооружения рабочих частей зубьев определяется в первую очередь физико-механическими свойствами разбуриваемых пород и типоразмером буровых долот. Зубья с площадками притупления со скосом 8 по всей длине наиболее целесообразно применять при бурении по мягким породам. Зубья с площадками притупления в виде ломаной линии 9 лучше использовать при разбуривании пород средней твердости, разрушение которых, благодаря созданию дополнительных площадок обнажения, достигается с меньшими энергозатратами. Зубья с закругленной формой рабочей части 10 с радиусом - r₃ целесообразно использовать при бурении по средним и твердым породам.

Принцип работы долота заключается в следующем. Под воздействием осевой нагрузки и крутящего момента зубья внедряются в породу и разрушают ее. При этом зубья ведущих венцов, работающие без скольжения (см. фиг. 3), разрушают породу раздавливанием, а вершинные и периферийные венцы совершают сложное движение - перекатывание со скольжением, причем направление скольжения этих венцов противоположно (см. фиг. 2, 4). При работе венцов шарошки в режиме пробуксовки или подтормаживания задняя грань 7 зуба указанных размеров практически не контактирует со стенкой образуемой им лунки и в сочетании с уменьшенным углом заострения обеспечивает резкое снижение необходимого крутящего момента и осевой нагрузки на долото, а следовательно, и значительное уменьшение энергоемкости процесса разрушения породы.

Предложенная конфигурация рабочей части зубьев может быть использована не только в зубчатых долотах, но и в долотах с твердосплавным вооружением.

Таким образом, применение предложенного долота, благодаря более рациональной геометрии вооружения венцов, работающих в режиме пробуксовки или подтормаживания позволит повысить проходку и механическую скорость бурения и тем самым снизить себестоимость буровых работ.

1. Буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами, установленные на них шарошки с ведущими и ведомыми венцами, выполненными с литыми, фрезерованными или твердосплавными асимметричными зубьями, и систему промывки, отличающееся тем, что передняя по отношению к направлению проскальзывания вооружения грань зуба, работающего в режиме пробуксовки или подтормаживания, наклонена по отношению к линии, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки в сечении, перпендикулярном образующей шарошки, под углом γ=0÷18°, а угол между линией, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки, и поверхностью площадки притупления составляет α=60÷85°, причем зубья шарошек, работающих в режиме пробуксовки или подтормаживания, выполнены с криволинейными передней и задней гранями по отношению к направлению проскальзывания вооружения, при этом радиус закругления - r₁ передней по отношению к направлению проскальзывания вооружения грани асимметричного зуба определяется по формуле:
$$r_1=\frac{L}{2\sin 2{\varphi }_1\cos \gamma }$$ ; $$tg{\varphi }_1=\frac{L}{2k_1\cos \gamma }$$ ;
где L - высота асимметричного зуба; k₁=1-10 мм - кратчайшее расстояние между вершиной дуги с радиусом r₁ и хордой, образованной пересечением этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней и нижней ее точках; φ₁ - угол между линией, соединяющей вершину дуги радиусом r₁ с точкой пересечения этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней ее точке, и линией, соединяющей эту же вершину дуги с серединой хорды; а радиус закругления - r₂ задней по отношению к направлению проскальзывания вооружения грани асимметричного зуба определяется по формуле:
$$r_2=\frac{L}{2\sin 2{\varphi }_2\cos \left(\beta -\gamma \right)}$$ ; $$tg{\varphi }_2=\frac{L}{2k_2\cos \left(\beta -\gamma \right)}$$ ;
где k₂=1-10 мм - кратчайшее расстояние между вершиной дуги с радиусом r₂ и хордой, образованной пересечением этой дуги с прямолинейной поверхностью задней грани в верхней и нижней ее точках; φ₂ - угол между линией, соединяющей вершину дуги радиусом r₂ с точкой пересечения этой дуги с прямолинейной поверхностью передней грани в верхней ее точке, и линией, соединяющей эту же вершину дуги с серединой хорды; β - угол заострения асимметричного зуба.

2. Буровое шарошечное долото по п.1, отличающееся тем, что площадка притупления в сечении, перпендикулярном образующей шарошки, выполнена со скосом по всей длине рабочей части зуба, в виде ломаной линии или в виде части сферы.

3. Буровое шарошечное долото по п.2, отличающееся тем, что при выполнении площадки притупления в виде ломаной поверхности ширина площадки h, перпендикулярной по отношению к линии, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки, составляет (0,25÷0,5)H, где H - общая ширина площадки асимметричного зуба.