ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
ROLLING DRILLING BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому в бурении скважин, а именно к шарошечным долотам.
Известно шарошечное долото, включающее шарошки с периферийным вооружением, выполненным в виде зубьев, рабочая поверхность которых сопрягается с поверхностью обратного конуса углом, близким к прямому [1].
Плоскость забоя сопрягается с цилиндрической поверхностью стенки скважины углом, который в горном массиве является концентратором напряжений от действия горного, гидростатического и перового давлений. Основное вооружение долота осуществляет продвижение долота (бурение). Периферийное вооружение долота, в отличие от основного, выполняет двойную работу: по продвижению забоя и фрезерованию стенки скважины. Из-за специфики работы периферии долота и концентрации напряжений в зоне ее действия, периферия испытывает повышенные нагрузки, а периферийное вооружение - усиленный износ.
Устранить выявленные недостатки попытались введением в конструкцию периферийного вооружения долота ступеньку, разделяющую продвижение забоя и фрезерование стенки скважины.
Известное шарошечное долото [2], принятое за прототип, включает шарошки со ступенчатым периферийным вооружением, соотношения размеров ступеньки и долота, определяется следующими величинами:
a/b=0,75-1,50, при a/D=0,16-0,18,
где: a - ширина ступеньки;
b - высота ступеньки;
D - диаметр долота.
В силу того, что ширина ступеньки велика, а высота мала для полного скола формируемой на забое у стенки скважины ступеньки, периферийное вооружение находится в обычных условиях плоского забоя, а сформированная ступенька, удаленная от стенки скважины, лишь частично скалывается, не выполняя поставленной задачи.
Целью изобретения является повышение показателей эффективности работы долота.
Указанная цель достигается тем, что в известном шарошечном долоте, включающем шарошки со ступенчатым периферийным вооружением, соотношение размеров ступеньки и долота определяются как
a/b=0,60-0,70, при a/D=0,023-0,032,
где: a - ширина ступеньки;
b - высота ступеньки;
D - диаметр долота.
Введение в конструкцию указанного соотношения размеров ступеньки и долота позволяет осуществлять полное разрушение ступеньки на забое у стенки скважины в процессе ее формирования с минимальными энергетическими затратами. В силу полного разрушения ступеньки опережающий элемент периферийного ступенчатого вооружения находится в условиях разрушения плоского, а не напряженного пристеночного забоя. Последующий элемент периферийного ступенчатого вооружения находится в облегченных условиях разрушения породы (фрезерования стенки), что обеспечивает некоторое увеличение скорости бурения, снижение нагрузки на периферийный подшипник опоры долота, увеличивая этим время работы долота, т.е. проходку на долото. Опережающий и последующий элементы периферийного ступенчатого вооружения в рассматриваемом случае разделяют функции по продвижению забоя и формированию стенки скважины (фрезерованию), что существенно снижает загруженность периферийных подшипников опоры и износ периферийного вооружения, а следовательно, увеличивает время работы долота.
На фиг.1 показано вооружение шарошки долота со ступенчатой периферией в контакте с формируемым забоем: D - диаметр долота, a - ширина ступеньки, b - высота ступеньки.
На фиг.2 приведены ограничения размеров ступеньки на периферии забоя по уровню скалываемости и энергетическим затратам на скол, полученные в исследованиях по разрушению ступеньки единичным зубом на моделях забоя натурного диаметра. Относительные размеры ступеньки
Размеры оптимизированы по нагрузке разрушения ступеньки G, объему скола ν и соотношению объема скола к нагрузке разрушения ν/G.
На фиг.3 приведены ограничения размеров ступеньки по скоростным качествам и уровню износа основного и периферийного вооружения, полученные при бурении микродолотами со ступенчатой периферией:
V - скорость бурения микродолотами.
На фиг.4 представлено натурное долото диаметром 215,9 мм, изготовленное на заводе ВНИИБТ и Волгабурмаш в трех малых промышленных партиях в количестве 60 штук.
Для определения размеров ступеньки проведены исследования по статическому разрушению ступеньки единичным зубом на моделях забоя натурного размера, исследования по бурению более чем 20-ю моделями микродолот со ступенькой различного размера и сравнительными промысловыми исследованиями с натурными долотами. По результатам исследования построены зависимости, представленные на фиг.2 и фиг.3. Линия А на фиг.2 ограничивает ступеньку, полностью разрушающуюся по высоте. Линия В указывает тот предел ширины a, больше которого происходит неполный скол горной породы. Линия С ограничивает полностью разрушаемую ступеньку слева. Минимальные энергетические затраты определяются соотношением a/b=0,33-0,90, шириной a/D в пределах 0,03 и высотой b/D=0,04-0,08. Оптимальные размеры ступеньки, выбранные по min энергетических затрат, при полном разрушении ограничиваются областью 1-2-3 на фиг.2.
На фиг.3 показаны границы больших механических скоростей справа - Е, снизу - F, сверху - J, размеры разрушившейся ступеньки, ограничение справа - А, линия равномерного износа - В и границами незначительного отклонения от равномерного износа - С и Д. Область 1-2-3 заимствованы из фиг.2. Совмещение оптимальных размеров при статическом разрушении и бурении микродолотами определяет соотношение размеров ступеньки и долота как
a/b=0,60-0,70, при a/D=0,023-0,032,
где: a - ширина ступеньки;
b - высота ступеньки;
D - диаметр долота и фиксируют точку - 0 на фиг.3, закладываемую в натурные конструкции трех промышленных партий долот, которые с успехом отработаны в различных регионах страны.
Предложенные долота достигают прирост проходки на долото до 80% при превышении средней механической скорости бурения на 50% (в сравнении с резко падающей скоростью у прототипа).
Источники информации
1. Палий П.А., Корнеев К.Е. Буровые долота, М., "Недра", 1971, 446 с. (Аналог)
2. Knapp S.P. New bit concept helps control hole deviation. Word Oil, v. 160, №1, 1965, p. 113 (прототип).