МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ ШАРОШЕЧНЫЙ БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ
MULTISTEP ROLLING CUTTER DRILLING TOOL

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому в бурении скважин, а именно, к буровому инструменту, в котором разрушение горной породы производится вооружением шарошек: шарошечным бурголовкам для отбора керна, шарошечным расширителям, шарошечным стабилизаторам и шарошечным долотам.
Известен шарошечный буровой инструмент, в частности шарошечные долота, включающие шарошки, рабочая поверхность вооружения венцов которых (зубки), описываются образующими конусов, причем образующая этих конусов находится в плоскости чистого качения [1] (аналог).
В известном шарошечном буровом инструменте при его работе зубки шарошки разрушают горную породу малоэффективным способом - вдавливанием с несущественным скольжением в поверхность забоя. Последнее свидетельствует о малоэффективном разрушении горных пород в отсутствии эффекта резания, близкого по типу к разрушению породы на разрыв.
Указанные недостатки частично устранены в многоступенчатых шарошечных буровых инструментах и, в частности, многоступенчатых шарошечных долотах, вооружение которых образовано двумя конусами.
Известный многоступенчатый шарошечный буровой инструмент (долото) [2], принятый за прототип, включает двухконусные шарошки, рабочая поверхность вооружения (зубки) каждого венца на конусах ближних к оси долота выполнена перпендикулярной оси инструмента, чем предопределяет многоступенчатость вооружения, а вооружение периферийных конусов описано их образующими, т.е. вооружение выполнено бесступенчатым.
В известном многоступенчатом шарошечном буровом инструменте (долоте) при его работе разрушение разбуриваемых горных пород производится вдавливанием вооружения отдельных венцов периферийных конусов в поверхность забоя с минимальным скольжением (резанием) по касательной в плоскости забоя, с аналогичным разрушением ступенчатым вооружением ближних к оси долота конусов, включая частичный скол (разрушение резанием) в вертикальном направлении ступенек в процессе их формирования. Периферийными конусами производится разрушение 3/4 площади забоя. Ввиду слабоэффективного ступенчатого разрушения горных пород вооружением шарошек, ближних к оси инструмента, конусами и низкоэффективного разрушения бесступенчатого вооружения периферийных конусов шарошки, буровой инструмент производит малоэффективное продвижение забоя с повышенными энергозатратами.
Целью изобретения является увеличение механической скорости бурения за счет увеличения объема разрушения резанием в горизонтальном направлении и вводом в процесс бурения разрушения горной породы резанием в вертикальном направлении путем образования боковой открытой ступенчатой поверхности со ступеньками, полностью разрушаемыми в процессе их формирования.
Указанная цель достигается тем, что в известном многоступенчатом шарошечном буровом инструменте отдельный опережающий венец любой шарошки удален от последующего другой шарошки по оси долота на 0,04-0,06D с шириной ступеньки 0,02-0,04D, где D - диаметр инструмента, с сохранением этих соотношений на внешних конусах шарошек.
Сочетание удаленности по оси бурового инструмента опережающих венцов любой шарошки от последующих в 0,04-0,06D и ширины ступеньки 0,02-0,04D создает такие обстоятельства разрушения забоя, когда ступенчатая поверхность разрушается в процессе ее формирования, что обеспечивает благоприятные условия для работы вооружения инструмента с минимальными затратами энергии на разрушение горной породы
На фиг.1 изображен многоступенчатый шарошечный буровой инструмент (двухшарошечное долото) в соответствии прототипу [2] с идеальными размерами ступеньки при взаимодействии его вооружения (зубков) с формируемым забоем скважины: 1 - лапа шарошечного бурового инструмента; 2 - шарошка; 3 - вооружение венцов шарошек (зубки); 4 - горные породы, слагающие забой.
На фиг.2 изображена шарошка ступенчатого шарошечного бурового инструмента (реального трехшарошечного долота) при взаимодействии его вооружения (зубков) с формируемым забоем скважины: 1 - лапа бурового инструмента; 2 - шарошка; 3 - вооружение венцов шарошек (зубки); 4 - горные породы, слагающие забой.
На фиг.3 показана суммарная рабочая поверхность вооружения трех шарошек бурового инструмента (реального долота), где отдельный опережающий венец периферийного конуса любой шарошки удален от последующего по оси долота на (0,04-0,06)D с шириной ступеньки (0,02-0,04)D; 3 - вооружение венцов шарошек (зубки); 0-0 - ось вращения бурового инструмента; 0′-0′ - ось вращения шарошки; 0′′-0′′ - мгновенная ось вращения шарошки в плоскости чистого качения.
На фиг.4 изображены профили отдельных I, II и III-й шарошек: 3 - вооружение венцов шарошек (зубки); 0-0 - ось вращения долота; 0′-0′ - ось вращения шарошки; 0′′-0′′ - мгновенная ось вращения шарошки в плоскости чистого качения.
На фиг.5 представлено натурное трехшарошечное долото 3Э215,9Т-ПВ, изготовленное в соответствии с заявленным изобретением.
На фиг.6 приведен график зависимости скорости бурения от частоты вращения долота при постоянной нагрузке 20·10 кН в процессе испытания долота 3Э215,9Т-ПВ относительно серийных долот типа «M» и «T».
Как видно из фиг.1, многоступенчатый шарошечный буровой инструмент со ступенчатым вооружением 3 разрушает горные породы 4 исключительно скольжением (резанием) по касательной к вращению долота в плоскости забоя и сколом (разрушение резанием) в вертикальном направлении образующихся ступенек на забое. Вооружение ближних к оси бурового инструмента конусов производит дополнительную работу по разрушению конуса породы 4, сформированного по оси скважины. Разрушение резанием, соответствующее разрушению на разрыв, для горных пород на порядок эффективнее разрушения вдавливанием и сжатием. Разрушение ступенек, полностью разрушаемых в процессе их формирования при работе бурового инструмента, в котором отдельный опережающий венец любой шарошки удален от последующего другой шарошки по оси долота на (0,04-0,06)D с шириной ступеньки (0,02-0,04)D, где D - диаметр инструмента, по энергозатратам в два раза ниже, чем разрушение плоского забоя. Установлено автором аналитически и экспериментально.
Таким образом, увеличение механической скорости бурения производится за счет увеличения объема разрушения резанием в горизонтальном направлении и ввода в процесс бурения разрушения резанием в вертикальном направлении путем образования боковой открытой ступенчатой поверхности со ступеньками, полностью разрушаемыми в процессе их формирования с минимальными энергетическими затратами
Эти результаты относятся в равной мере к работе шарошечными бурголовками для отбора керна, шарошечными расширителями, шарошечными стабилизаторами и шарошечными долотами.
Соотношения удаленности отдельного опережающего венеца любой шарошки от последующего венца другой шарошки по оси долота на (0,04-0,06)D с шириной ступеньки (0,02-0,04)D, где D - диаметр инструмента, определяются глубиной бурящейся скважины: неглубокие скважины требуют меньших значений соотношений, глубокие - больших.
У реальных долот те же соотношения возможно полностью сохранить на периферийных конусах при максимально вписываемой ступенчатости на конусах, ближних к оси бурового инструмента (фиг.2-5).
Многоступенчатая шарошка бурового инструмента на фиг.2, имея ступенчатую поверхность вооружения 3, полностью разрушает ступеньки, формируемые на горной породе 4, создавая бесступенчатый забой.
Суммарная рабочая поверхность вооружения трех шарошек бурового инструмента (реального долота) на фиг.3 демонстрирует полное перекрытие забоя.
При работе бурового инструмента (трехшарошечного долота) максимально опережающий венец (венец Ш шарошки на фиг.4) формирует кольцевую канавку на забое скважины, создавая при этом с обеих сторон боковую открытую ступенчатую поверхность, чем облегчает условия работы последующих венцов I-й и II-й шарошки. Эти венцы в свою очередь становятся опережающими для двух венцов III-й шарошки, для которых формируют также открытую ступенчатую поверхность. Со стороны периферии забоя формируется ступенчатая поверхность со ступеньками таких размеров, которые разрушаются в процессе их формирования с минимальными энергетическими затратами, причем разрушаются полностью, чем создают условия для работы опережающего вооружения. На единицу затраченной энергии при таком разрушении приходится значительно больший объем разрушенной породы, чем в случае разрушения плоского забоя.
Натурные многоступенчатые трехшарошечные долота 3Э215,9Т-ПВ на фиг.5 изготовлены малой промышленной партией в соответствии с заявленным изобретением и испытаны на неглубоких взрывных скважинах Украины и в нефтяной скважине на промыслах Самарской области.
При испытании на карьерах Докучаевского флюсо-доломитного завода долота показали увеличение скорости бурения 300% (фиг.6). При испытании в нефтяной скважине на турбобуре получена эмоциональная оценка бурильщика: «Что за долото? Инструмент просто проваливается!»
Источники информации
1. Палий П.А., Корнеев К.Е. Буровые долота, М., "Недра", 1971, 446 с. (аналог).
2. Патент США No2032575 Roller bit, March 3,1936. G.G. Harrington.