Шарошка бурового долота

Полезная модель относится к области породоразрушающего бурового инструмента, а именно к шарошкам буровых шарошечных долот со стальным вооружением, армированным твердосплавным материалом, для бурения нефтяных и газовых скважин, преимущественно в мягких и мягко-средних горных породах с пропластками твердых и окремнелых горных пород.
Известно шарошечное долото, отличающееся тем, что вершины венцов породоразрушающих элементов по краям торцов оснащены выступающими контурами в виде замкнутых прямоугольников или окружностей, а дно выполнено вогнутым относительно вершин торцов, в котором имеется сквозное наклонное отверстие с выходом на боковую рабочую поверхность элемента вооружения для выхода через него разрушенного шлама (патент РФ №2726724, E21B 10/16, оп. 15.07.2020).
Основным недостатком данной конструкции является наличие сквозных отверстий в зубьях шарошек, предназначенных для удаления шлама из зоны контакта. Такое решение приведет к снижению прочности зубьев за счет наличия зон с повышенными напряжениями, что негативно скажется на стойкости вооружения долота к ударным нагрузкам. Также возрастает время на механическую обработку деталей в совокупности со сложностью проведения химико-термической обработки по причине возникновения мостиков сквозной цементации.
Известна конструкция бурового шарошечного долота с Т-образными и призматическими зубьями с режущими гранями притупления, направленными вдоль осей образующих конусов шарошек. Долото содержит на периферийных венцах шарошек чередующиеся Т-образные и призматические зубья с режущими гранями притупления, направленными вдоль образующих конусов шарошек. Призматические периферийные зубья усилены со стороны обратных конусов шарошек упрочняющими ребрами жесткости, расположенными ниже уровня породоразрушающей вершинной грани притупления зуба (патент РФ №2685014, E21B 10/16, оп. 16.04.2019).
Недостатками данного технического решения для бурения перемежающихся горных пород является то, что учитывается увеличенный износ только периферийных венцов. Однако, при работе породоразрушающего инструмента в перемежающихся горных породах основной износ приходится на основные венцы вооружения в момент перехода из мягких пород в более твердые, которые находятся в контакте с горной породой за счет роста ударных нагрузок на зубья. Чередование зубьев с различными геометрическими параметрами приведет к неравномерному износу данных зубьев при одинаковой продолжительности эксплуатации шарошечного долота на забое. Преждевременный износ части зубьев со стандартной геометрией приведет к увеличению работы, совершаемой усиленными зубьями, что приведет к их последующему более быстрому износу.
Известен ряд технических решений, описанный в патентах РФ (МПК Е21В 10/16: №2598250; №2579087; №2543823; №2543824; №2543828), в которых реализуется увеличение эффективности применения шарошечных долот со стальным вооружением в мягких и мягко-средних горных породах за счет расположения косозубого вооружения на основных и периферийных венцах, внесения дополнительных промывочных каналов в теле лапы, оптимизация геометрии вооружения для разрушения и выноса шлама из лунки, образованной зубьями долота. Вышеуказанные технические решения относятся к методам увеличения эффективности применения шарошечных долот, в том числе за счет совершенствования характеристик вооружения для бурения мягких и мягко-средних горных пород.
Основными недостатками предложенных решений являются высокие напряжения, которые возникают при внедрении косозубого вооружения в массив горной породы, что при наличии перемежающихся по твердости горных пород, особенно при вхождении на форсированном режиме бурения в пропласток твердых или окременелых горных пород, может приводить к ударному воздействию и усталостному разрушению зубьев. Это приведет к слому зубьев на основных венцах шарошек, и как следствие - снижение перекрытия забоя и снижению эффективности разрушения забоя с потерей скорости проходки. Также данные решения рассматриваются в совокупности с увеличением промывочных каналов и прочих усложнений конструкции, которые приводят к увеличению трудоемкости и снижению технологичности изготовления.
Известна шарошка бурового долота с фрезерованным вооружением, включающим вооружение в виде продольных призматических зубцов с поперечными перемычками, плавно примыкающими к боковой поверхности зубцов и ко дну межвенцовых канавок (патент РФ №2321720, E21B 10/16, оп. 10.04.2008).
Недостатком предложенного решения является увеличение контактной площади вооружения шарошки с забоем, что приводит к снижению удельной нагрузки на забой, создаваемой вооружением шарошки. Также наличие перемычек приводит к снижению эффективности выноса шлама из межвенцового пространства за счет образования застойных зон, что может приводить к сальникообразованию на элементах вооружения шарошечного долота с последующим снижением механической скорости. Данная технология изготовления шарошек с фрезерованным вооружением ведет к увеличению времени на механическую обработку зубьев, что увеличивает стоимость изготовления шарошек долота.
Наиболее близкой к патентуемой полезной модели является конструкция шарошки бурового долота с клиновидными зубьями с площадкой притупления в пределах 2,5-3,0 мм и углами заострения от 30 до 40 градусов (патент SU №362126A1, E21B 10/08, оп. 13.12.1972) и выбранная в качестве прототипа.
Недостатком предложенного решения является наличие клиновидных зубьев, которые имеют низкую стойкость к циклическим ударным нагрузкам при внедрении зубьев, что приводит к разрушению зубьев при бурении в перемежающихся горных породах, осложненных окремнелыми включениями. Также в предложенном решении отсутствуют фрезерованные пазы для усиления зубьев твердосплавным покрытием, что снижает общую толщину наплавленного слоя и приводит к ускоренному износу и разрушению зуба.
В совокупности, приведенные выше недостатки, значительным образом снижают ресурс элементов вооружения шарошечного долота. Это приводит к снижению эффективности эксплуатации шарошечных, особенно при работе в мягких и мягко-средних горных породах с пропластками твердых и окременелых горных пород.
Целью полезной модели является повышение надежности и долговечности работы устройства, что достигается совершенствованием геометрии стальных зубьев шарошек, выполненных методом фрезерования цельнометаллической заготовки (т.н. фрезерованных зубьев) шарошечного долота, которая обеспечит надежную работу шарошечного долота в перемежающихся горных породах, высокую продолжительность работы, эффективное разрушение забоя и сохранение высокой скорости проходки.
Указанная цель достигается тем, что шарошка бурового долота содержит зубья с площадкой притупления, выполненные с углом заострения, согласно полезной модели, зубья выполнены в виде усеченной восьмигранной пирамиды, четыре грани которой являются фрезерованными пазами с наплавкой твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, площадка притупления является усечением ее верхней части, образующей в сечении восьмиугольник, четыре прямые стороны которого равны и параллельны, а другие четыре скругленные стороны являются вершинами фрезерованных пазов, а расстояние между прямыми параллельными сторонами усечения одинаково и может принимать значение от 3 до 14 мм. При этом угол заострения зубьев может быть равен от 40° до 52°.
Сущность технического решения поясняется чертежами:
На фиг. 1 показан общий вид шарошки бурового долота, на фиг. 2 а, б, в - изображены вид спереди, сбоку, сверху зуба соответственно, 2 г - аксонометрическая проекция зуба (без нанесенного армирующего материала).
Предлагаемая шарошка бурового долота состоит из основных венцов 1 (количество основных венцов может варьироваться от одного до трех, на рисунке показан вариант с одним основным венцом) и периферийного венца 2, на которых расположены зубья 3, а также кернообразующего венца 4. Зубья, при этом, выполняют методом фрезерования для придания требуемых геометрических параметров, которые определяют по общеизвестным расчетам, проводимым при проектировании бурового шарошечного долота и схемы поражения забоя. Зубья 3 выполнены в форме восьмигранной пирамиды 5 с усечением верхней части 6, образующей в сечении восьмиугольник, четыре прямые стороны которого равны и параллельны, а другие четыре скругленные стороны являются вершинами фрезерованных пазов 7, выполненных для усиления зуба с наплавкой твердосплавного материала на основе карбида вольфрама (на рисунке не показаны), которое придает дополнительную прочность при ударных и изгибающих нагрузках на зубья 3. Расстояние Е между прямыми параллельными сторонами усечения 6 одинаково, зависит от диаметра всего долота и может принимать значение от 3 до 14 мм. Угол заострения зуба α° может соответствовать значениям от 40° до 52°. Данное вооружение зуба наиболее эффективно работает в мягких и мягко-средних горных породах с пропластками твердых и окременелых горных пород.
Работа устройства заключается в следующем.
Под действием осевой нагрузки и крутящего момента зубья 3 шарошки бурового долота внедряются в горную породу для ее разрушения. В мягких породах преобладает скалывающий эффект разрушения горной породы и, соответственно, происходит скалывание горной породы внедренным зубом 3. При вхождении в твердые или окремнелые породы уменьшается глубина внедрения зубьев 3 в горную породу и при скалывании горной породы при провороте шарошки бурового долота увеличиваются напряжения в зубьях 3 за счет возросшей прочности горных пород. Зубья 3, выполненные в форме восьмигранной пирамиды 5 с усечением верхней части 6, образующей в сечении восьмиугольник, четыре прямые стороны которого равны и параллельны, а другие четыре скругленные стороны являются вершинами фрезерованных пазов 7, позволяют равномерно распределить возникающие напряжения и снизить усталостный износ при работе в переслаивающихся по твердости горных породах в течение продолжительного временного интервала.
Конструктивные особенности предложенной полезной модели позволяют снизить износ основных венцов вооружения, сохранить высокую скорость проходки на всем интервале бурения и в целом гарантируют новый технический результат - повышение надежности и долговечности работы устройства благодаря новой геометрии зубьев шарошки бурового долота.