ТРЕХШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
THREE-CONE ROCK BIT

Изобретение относится к породоразрушающему буровому инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам для бурения скважин с управлением кривизной.
Известно буровое долото, содержащее шарошки, установленные на цапфах лап, и твердосплавные зубки, установленные на внутренних и периферийных венцах шарошек. Одна из шарошек оснащена однорядным периферийным венцом, а две другие - двухрядными периферийными венцами, в рядах которых зубки расположены в шахматном порядке. В свету зубков периферийных рядов размещены подрезные зубки заподлицо с поверхностями обратных конусов. Обратные конусы шарошек и спинки лап оснащены твердосплавными зубками (Шарошечные долота: Международный транслятор справочник / Серия "Нефтегазовая техника и технология" // Под ред. В.Я.Кершенбаума и А.В.Торгашова. - М.: АНО "Технонефтегаз", 2000. - С.50-56).
Недостатками долота являются высокая вероятность образования рейки под периферийными венцами и особенно под ближайшими к ним предпериферийными рядами двухрядных венцов, т.к. эти венцы имеют наибольший радиус и шаг зубков в рядах и являются ведущими по отношению к центральным венцам. Гладкая поверхность обратных конусов обусловливает большую контактную поверхность их со стенкой скважины и затрудняет проход промывочной жидкости между обратным конусом и стенкой скважины, а в процессе управления кривизной требует создания большой радиальной нагрузки для эффективного фрезерования стенки скважины.
Эти недостатки приводят к неэффективному разрушению периферийной части забоя скважины, к необходимости создания повышенных радиальных нагрузок при искусственном изменении кривизны скважины, а также к образованию температурных трещин и к тепловому изнашиванию калибрующего скважину твердосплавного вооружения (Шарошечные долота: Международный транслятор справочник / Серия "Нефтегазовая техника и технология" // Под ред. В.Я.Кершенбаума и А.В.Торгашова. - М.: АНО "Технонефтегаз", 2000. - С.199-200).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является буровое трехшарошечное долото, включающее установленные на цапфах лап шарошки, твердосплавные зубки, установленные на центральных и периферийных венцах шарошек, одна из которых оснащена однорядным периферийным венцом, вторая - двухрядным периферийным венцом с шахматным расположением зубков периферийного и предпериферийного рядов и третья - двухрядным периферийным венцом с размещением шахматно расположенных зубков группами, каждая из которых начинается и заканчивается зубком предпериферийного ряда, в результате чего смежные зубки групп образуют пары с минимальным шагом. На обратных конусах шарошек долота в свету зубков периферийных венцов выполнены сквозные пазы с постоянным по длине трапецеидальным расширяющимся к поверхности обратного конуса сечением шириной по периферийной окружности шарошки, равной расстоянию в свету между основаниями зубков периферийных рядов на первой шарошке и равной диаметру зубков предпериферийного ряда на второй и третьей шарошках и глубиной не менее величины завеса шарошек относительно лап (патент RU №2361998 С1, МПК Е21И 10/16. Буровое трехшарошечное долото / А.Н.Попов, А.И.Могучев и М.А.Попов. // Изобретения. - 2009. - Бюл. №20) (прототип)).
Недостатком прототипа является то, что разрушение стенки скважины при создании радиальной нагрузки на долото осуществляется фрезерованием зубками периферийного ряда и расположенными с ними практически в одних продольных плоскостях шарошек зубками калибрующего ряда. Это приводит к дискретному разрушению стенки и к образованию на ней продольных выступов, которые приводят к износу неармированных частей обратных конусов шарошек и снижают эффективность разрушения стенки скважины при искусственном изменении ее кривизны. Кроме того, при фрезеровании абразивных горных пород наблюдается повышенный износ зубков, который может стать причиной отказа долота.
Этот вывод был сделан при анализе характера взаимодействия вооружения шарошек долота по пат. РФ №2361998 со стенкой скважины. На фиг.1 показан фрагмент развертки взаимодействия периферийной части 1-й шарошки с забоем скважины, на фиг.2 - 2-й шарошки и на фиг.3-3-й шарошки. На обратных конусах шарошек в свету зубков периферийных рядов выполнены пазы 4. Номера шарошек условные. Фигуры выполнены по параметрам долота 190,5СЗ. Шаги взаимодействия определены с учетом ожидаемого передаточного отношения шарошек. Из фиг.1 следует, что зубки 1 периферийного ряда 1-й шарошки воздействуют на забой и стенку скважины с минимальным шагом, т.к. 1-я шарошка имеет однорядный периферийный венец. Вторая шарошка воздействует на забой и стенку скважины зубками 2 с шагом вдвое большим, чем первая шарошка, так как имеет двухрядный периферийный венец. Этот венец является ведущим и определяет качение по забою как первой, так и второй шарошек (Технология бурения нефтяных и газовых скважин / А.Н.Попов, А.И.Спивак, Т.О.Акбулатов и др.; под общ. ред. А.И.Спивака и Л.А.Алексеева. - М.: Недра, 2007. С.177-180). Третья шарошка имеет групповое размещение периферийного вооружения, а поэтому ее качение согласуется с качением 1-й и 2-й шарошек лишь при взаимодействии с забоем в пределах группы. Эта шарошка воздействует на забой и стенку скважины зубками 3 с наибольшим шагом. Совокупное воздействие зубков периферийных рядов всех шарошек на стенку 5 скважины показано на фиг.4, из которой следует, что на стенке скважины остаются выступы 6, которые разрушаются истиранием телом шарошки.
Изобретение решает техническую задачу повышения эффективности разрушения стенки скважины и износостойкости обратных конусов шарошек при искусственном изменении кривизны скважины созданием радиальной нагрузки на долото.
Указанная задача решается тем, что в трехшарошечном долоте, включающем установленные на цапфах лап шарошки, твердосплавные зубки, установленные на центральных и периферийных венцах шарошек, одна из которых оснащена однорядным периферийным венцом, вторая -двухрядным периферийным венцом с шахматным расположением зубков периферийного и предпериферийного рядов и третья - двухрядным периферийным венцом с размещением шахматно расположенных зубков группами, каждая из которых начинается и заканчивается зубком предпериферийного ряда, в результате чего смежные зубки групп образуют пары с минимальным шагом, выполненные на обратных конусах шарошек долота в свету зубков периферийных венцов сквозные пазы с постоянным по длине трапецеидальным расширяющимся к поверхности обратного конуса сечением шириной по периферийной окружности шарошки, равной расстоянию в свету между основаниями зубков периферийных рядов на первой шарошке и равной диаметру зубков предпериферийного ряда на второй и третьей шарошках и глубиной не менее величины завеса шарошек относительно лап, согласно изобретению в каждом пазу второй и третьей шарошек, кроме пазов напротив парных зубков предпериферийного ряда, в свету зубков периферийного ряда со смещением на две трети углового шага в направлении, противоположном направлению вращения шарошки, и на равном расстоянии от бортов паза установлено по одному вспомогательному зубку нормально к поверхности пазов и заподлицо с поверхностью обратного конуса и торца шарошки, а на третьей шарошке в свету парных зубков предпериферийного ряда на выступах между пазами установлены подрезные зубки, при этом в прилегающих к ним пазах нормально к их поверхностям и на одинаковом расстоянии от бортов паза установлено по одному вспомогательному зубку заподлицо с поверхностями обратного конуса и с наружной поверхностью корпуса шарошки.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое долото отличается от него тем, что в каждом пазу второй и третьей шарошек, кроме пазов напротив парных зубков предпериферийного ряда, в свету зубков периферийного ряда со смещением на две трети углового шага в направлении, противоположном направлению вращения шарошки, и на равном расстоянии от бортов паза установлено по одному вспомогательному зубку нормально к поверхности пазов и заподлицо с поверхностью обратного конуса и торца шарошки, а на третьей шарошке в свету парных зубков предпериферийного ряда на выступах между пазами установлены подрезные зубки, при этом в прилегающих к ним пазах нормально к их поверхностям и на одинаковом расстоянии от бортов паза установлено по одному вспомогательному зубку заподлицо с поверхностями обратного конуса и с наружной поверхностью корпуса шарошки.
Предлагаемое трехшарошечное долото показано на фиг.5 и фиг.6 в положении относительно стенки скважины. Оно содержит лапы 7, на которых установлены шарошки 2. Первая шарошка (фиг.5) содержит однорядный периферийный венец твердосплавных зубков 3, а на обратном конусе в свету зубков 3 выполнены сквозные пазы 4 в соответствии с прототипом.
Вторая шарошка содержит двухрядный периферийный венец, в котором зубки 5 периферийного ряда и зубки 6 предпериферийного ряда расположены в шахматном порядке, а на обратном конусе в свету зубков 5 выполнены сквозные пазы 7. В пазах заподлицо с обратным конусом и торцом шарошки нормально к поверхности паза установлены вспомогательные зубки 8.
Третья шарошка (фиг.6) также содержит двухрядный периферийный венец, в котором зубки 5 периферийного ряда и зубки 6 предпериферийного ряда расположены в шахматном порядке в пределах групп. На границах групп зубки 6 образуют пары с минимальным шагом. В свету зубков 5 выполнены сквозные пазы 7, в которых установлены вспомогательные зубки 8. На выступах между пазами против парных зубков установлены подрезные зубки 9. Кроме того, на всех шарошках на выступах между пазами установлены твердосплавные вставки 10.
На фиг.7, 8 и 9 показаны виды всех трех шарошек 2 со стороны обратных конусов. Номера шарошек условные. Первая шарошка (см. фиг.7) оснащена однорядным венцом зубков 3 с минимальным шагом для конкретного типоразмера долота. На обратном конусе выполнены пазы 4. Ширина этих пазов соответствует расстоянию между основаниями головок зубков 3.
Вторая шарошка (см. фиг.8) оснащена двухрядным венцом расположенных в шахматном порядке зубков 5 периферийного ряда и зубков 6 предпериферийного ряда. Ширина пазов 7 по периферийной окружности шарошки равна диаметру зубков 6 предпериферийного ряда. В пазах 7 установлены вспомогательные зубки 8. Зубки 8 размещены в свету зубков 6 со смещением на 2/3 углового шага в направлении, обратном направлению вращения шарошки, на поверхностях пазов на одинаковых расстояниях от бортов паза. Смещение достигается тем, что плоскость 11, проходящая через ось симметрии тела вспомогательного зубка и ось вращения шарошки, отклонена на две трети углового шага t зубков периферийного ряда в направлении, обратном направлению вращения шарошки от плоскости 12, проходящей через ось симметрии зубка этого ряда и ось вращения шарошки.
Третья шарошка (см. фиг.9) оснащена двухрядным венцом, зубки в котором размещены группами. В пределах группы зубки установлены в шахматном порядке. Каждая группа начинается и заканчивается зубком предпериферийного ряда, например зубками 6 и 13, т.е. зубки 6 и 13 образуют пару зубков с минимальным шагом в предпериферийном ряду. На обратном конусе шарошки выполнены пазы 7, ширина которых соответствует диаметру зубков 6 предпериферийного ряда. В свету парных зубков предпериферийного ряда на выступах между пазами установлены подрезные зубки 9, при этом в прилегающих к ним пазах нормально к их поверхностям установлено по одному вспомогательному зубку 8 заподлицо с поверхностями обратного конуса и с наружной поверхностью корпуса шарошки и на одинаковом расстоянии от бортов паза. В остальных пазах вспомогательные зубки установлены так же, как и на второй шарошке. Выступы между пазами на обратных конусах всех шарошек оснащены твердосплавными вставками 10.
з
з
Долото работает следующим образом. В процессе бурения шарошки 2 катятся по забою, разрушая горную породу. Движение шарошек справа налево. Зубки 3 и 5 периферийных венцов, подрезные зубки 9, вспомогательные зубки 8 и твердосплавные вставки 10 формируют (калибруют) стенку скважины. Промывочная жидкость проходит между зубками и по пазам 7, охлаждая калибрующее вооружение и предупреждая его тепловое изнашивание. Схемы взаимодействия вооружения шарошек со стенкой скважины показаны на фиг.10, 11, 12 и 13. Схемы представляют собой развертки участков забоя, прилегающих к стенке скважины, на которые воздействует соответствующее вооружение шарошек с учетом их ожидаемого передаточного отношения. Шарошки движутся справа налево. Рассмотрен наиболее неблагоприятный случай, когда зубки периферийных рядов первой и второй шарошек и зубки внутри групп третьей шарошки работают по забою след в след с образованием рейки. При работе первой шарошки 2 (фиг.10) зубки 5 дискретно воздействуют на стенку (стенка условно показана пунктиром) и против пазов 4 остаются непораженные участки в виде выступов на стенке. Вторая шарошка (фиг.11) также дискретно воздействует на стенку с шагом t, но ее вспомогательные зубки воздействуют на непораженные зубками 5 участки стенки, т.к. отстоят от зубков 5 на 2/3 шага t. Третья шарошка (фиг.12) взаимодействует со стенкой скважины зубками 5 периферийного ряда, вспомогательными зубками 8 и подрезными зубками 9 и обеспечивает дальнейшее разрушение выступов на стенке, остающихся после проходов 1-й и 2-й шарошек. Величина установки вспомогательных зубков со смещением на 2/3 шага обусловлена тем, что ближняя граница выступа, соответствующего пазу 4, находится на расстоянии около 0,6 шага поражения забоя второй шарошкой, а дальняя граница на расстоянии около 0,7 шага поражения забоя третьей шарошкой. Средняя величина составляет около 2/3. Принято, что шаг поражения забоя прямо пропорционален шагу размещения зубков в ряду соответствующего венца. При этом поставлено условие, чтобы вспомогательные зубки воздействовали на выступы на стенке, когда они проходят через точку касания их окружности с окружностью скважины. Поэтому рассматривается воздействие зубков не на ближайший к зубку периферийного ряда венца выступ, а на следующий. Ожидаемый профиль стенки скважины после прохода всех трех шарошек показан на фиг.13, из которой видно, что значительные участки стенки 14 практически не имеют выступов. Отдельные оставшиеся на стенке выступы 75 будут разрушены при повторном проходе шарошек. При создании радиальной нагрузки на долото для искусственного изменения искривления скважины вооружение периферийных венцов и обратного конуса воздействует на практически гладкую стенку не только боковыми поверхностями зубков 3 и 5 периферийного ряда и плоскими поверхностями вставок 10, но и вершинами вспомогательных зубков 8, благоприятно расположенных по отношению к стенке скважины. Это обеспечивает высокую эффективность фрезерования стенки скважины и соответственно существенное уменьшение необходимой радиальной нагрузки на долото для получения заданного изменения искривления. Снижение радиальной нагрузки и наличие вспомогательных и подрезных зубков, существенно увеличивающих запас вооружения обратного конуса на износ, обеспечивают повышение долговечности долота. При деформировании скважины над долотом, характерном для скважин с большими углами искривления, возникает опасность заклинивания долота при подъеме. Вспомогательные зубки 8 на обратных конусах шарошек при вращении поднимаемого долота обеспечивают расширение скважины над долотом, предупреждая его заклинивание.
Выполнение вооружения шарошек в соответствии с предложенным техническим решением позволит существенно повысить управляемость долот при искусственном изменении кривизны скважины (управлении кривизной), долговечность долот и снизить их прихватоопасность при наклонном и горизонтальном бурении, что обеспечит широкое применение изобретения при бурении скважин.