ШАРОШЕЧНЫЙ РАСШИРИТЕЛЬ
ROLLER REAMER

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к расширителям шарошечного типа.
Известны шарошечные расширители, включающие корпус с центральным каналом и установленные на корпусе цилиндрические шарошки (см. справочник "Породоразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин", Корнилов Н.И., Травкин B.C. и др., М., Недра, 1979 г., с. 264-269, рис. V.7-V.IO).
К недостаткам данных расширителей следует отнести весьма низкую эффективность из-за неравномерного выхода из строя шарошек и некачественной очистки забоя от шлама.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является шарошечный расширитель, содержащий корпус с осевым каналом, на концевых участках которого выполнены резьбы для соединения с бурильной колонной и пилотным наконечником, лапы с зубчатыми шарошками с периферийными и центральными венцами, жестко закрепленные на корпусе, и расположенные в межшарошечном проеме патрубки с гидромониторными насадками (патент РФ №2169822, кл. E21B 7/28, 2001 г.).
Недостатками данного шарошечного расширителя являются низкие технико-экономические показатели, а именно проходка и скорость бурения из-за низкого качества работы промывочной системы. Это связано с малой эффективностью удаления шлама с забоя скважины и повторным разрушением его зубьями шарошек, что обусловлено тем, что зубья шарошек не участвуют в эвакуации разрушенной породы, особенно из периферийных участков забоя скважины, где накапливается основная масса шлама. Это приводит к усиленному износу вооружения расширителя и росту энергоемкости процесса разрушения породы.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение проходки и скорости бурения за счет более качественной очистки забоя от разрушенной породы.
Поставленный технический результат достигается тем, что в шарошечном расширителе, содержащем корпус с осевым каналом, на концевых участках которого выполнены резьбы для соединения с бурильной колонной и пилотным наконечником, лапы с зубчатыми шарошками с периферийными и центральными венцами, жестко закрепленные на корпусе, и расположенные в межшарошечном проеме патрубки с гидромониторными насадками, согласно изобретению, все шарошки расширителя выполнены с косозубым вооружением и имеют форму, обеспечивающую режим работы зубьев со скольжением, при этом зубья периферийных венцов имеют правое направление подъема образующей винтовой линии площадок притупления при бурении по часовой стрелке, и левое при бурении против часовой стрелки, а зубья остальных венцов наклонены в противоположную сторону.
Достижению поставленной задачи способствует и то, что
- патрубки с гидромониторными насадками установлены под разными углами к плоскости забоя;
- угол наклона насадок к плоскости забоя составляет от 80 до 100°.
На фиг. 1 представлен общий вид расширителя в продольном разрезе; на фиг. 2 - схема удаления шлама периферийными и центральными венцами шарошек.
Расширитель содержит полый корпус 1 с осевым каналом 2, на концевых участках которого выполнены резьбы 3 для присоединения с бурильной колонной и пилотным наконечником 4 и промывочной системой. На корпусе 1 жестко закреплены лапы 5 с шарошками 6, вооружение которых выполнено в виде фрезерованных или литых зубьев 7. Вид выбираемого вооружения определяется физико-механическими свойствами разбуриваемых пород. В проеме между шарошками 6 размещены промывочные патрубки 8, оснащенные гидромониторными насадками 9, закрепленными в наклонных каналах 10 посредством втулок 11, которые в свою очередь крепятся с патрубком 8 посредством гвоздевых шплинтов 12 или разрезных пружинных колец (не показаны). Герметизация насадок 9 обеспечивается уплотнительными кольцами 13. Все шарошки 6 расширителя выполнены с косозубым вооружением и имеют форму, обеспечивающую режим работы зубьев 7 со скольжением. При этом зубья периферийных венцов имеют правое направление подъема образующей винтовой линии площадок притупления при бурении по часовой стрелке, и левое при бурении против часовой стрелки, а зубья остальных венцов наклонены в противоположную сторону. Очистка забоя от шлама осуществляется промывочной жидкостью, прокачиваемой через гидромониторные насадки, оси которых направлены на забой в зону действия периферийных венцов под разными углами, составляющими от 80 до 100°, причем величина угла наклона насадок меняется в зависимости от конкретных условий работы расширителей.
Расширитель работает следующим образом. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого через бурильный вал на корпус 1, зубья 6 внедряются в породу и разрушают ее. Разрушенная порода удаляется промывочной жидкостью, подаваемой через полость корпуса 1 и промывочные патрубки 8 с насадками 9. При этом благодаря выполнению шарошек 6 с косозубым вооружением и с разным направлением наклона периферийных и центральных венцов обеспечивается более эффективная очистка забоя от шлама. Это достигается благодаря использованию косых зубьев 7 шарошек 6 в качестве транспортирующего средства. Этому также способствует выполнение шарошек 6 с формой, обеспечивающей проскальзывание вооружения при перекатывании шарошек по забою во время работы инструмента. При этом в связи с удалением шарошек 6 от оси вращения буровой колонны проскальзывание вооружения различных венцов шарошек расширителя происходит в противоположном направлении по отношению к аналогичным венцам шарошек пилотного бурового долота. В предложенном расширителе вооружение центральных венцов шарошек 6 расширителя работает в режиме подтормаживания, а вооружение периферийных - в режиме пробуксовки. В этом случае периферийные венцы шарошек 6, проскальзывая по забою механически, за счет «шнекового эффекта» перемещают шлам в сторону центра скважины, эвакуируя его из зоны, образованной стенкой скважины и поверхностью забоя, где обычно накапливается наибольшее количество, шлама и удаление которого связано со значительными трудностями. При этом зубья центральных венцов шарошек 6, проскальзывая в противоположном направлении, но имея при этом противоположный угол наклона зубьев, так же перемещают выбуренную породу вдоль поверхности забоя к центру пилотной скважины (см. фиг. 2). Таким образом, обеспечивается однонаправленность потоков промывочной жидкости исходящих из боковых гидромониторных насадок 9 и механической эвакуации шлама проскальзывающими зубьями вооружения всех венцов шарошек к центру скважины.
При прохождении наклонными зубьями гидравлической среды, также за счет «шнекового эффекта» происходит транспортировка шламовой взвеси периферийными венцами в сторону центра скважины, а центральными венцами в сторону стенки скважины. Это так же обеспечивает однонаправленность основного потока промывочной жидкости восходящего вверх по пилотной скважине и омывающего шарошки 6 сбоку и сверху с направлением эвакуации шлама косозубым вооружением центральных венцов при прохождении ими гидравлической среды. В свою очередь, наклонные зубья периферийных венцов, работая в гидравлической среде, эвакуируют шламовую взвесь в противоположную сторону. Это позволяет создать демпферную зону, не позволяющую шламу из основного потока промывочной жидкости попадать в проблемные, с точки зрения очистки, места работы калибрующих конусов шарошек.
Встреча разнонаправленных потоков, создаваемых разнонаправленными зубьями вооружения, происходит в нейтральной межвенцовой зоне, откуда обогащенная шламом промывочная жидкость направляется в свободную зону, расположенную между лапами (или несущими конструкциями шарошек) расширителя и далее в затрубное пространство.
Таким образом, при расположении зубьев шарошек 6 по указанной схеме обеспечивается эффективное удаление шлама из периферийных зон и уменьшение попадания шлама в пилотную скважину. Оба этих фактора являются решающими для обеспечения качественной очистки забоя от шлама, а следовательно, и для повышения как скорости бурения, так и проходки. Данный расширитель, благодаря предложенной схеме выполнения вооружения шарошек и схеме расположения самих шарошек, обеспечивает работу шарошек по чистому забою и создает благоприятные условия работы и для пилотного долота за счет создания однонаправленного потока промывочной жидкости.