ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
CONE BIT

Изобретение относится к буровому породоразрушающему инструменту, а именно к шарошечным долотам для бурения наклонных и горизонтальных скважин.
Известно буровое шарошечное долото, содержащее шарошки, оснащенные твердосплавными зубками, установленными на центральных и периферийных венцах. На двух шарошках периферийные венцы выполнены двухрядными с шахматным размещением зубков в венце, а на одной шарошке периферийный венец выполнен однорядным. Обратные конусы шарошек оснащены одним рядом калибрующих зубков с плоской рабочей поверхностью и установлены нормально к поверхности обратного конуса заподлицо с его рабочей поверхностью (Шарошечные долота: Международный транслятор справочник /Серия "Нефтегазовая техника и технология" //Под ред. В.Я.Кершенбаума и А.В.Торгашова. - М.: АНО "Технонефтегаз", 2000. - С.7-10.
Недостатками долота являются низкая разрушающая способность калибрующих зубков обратного конуса по отношению к стенке скважины. Эти зубки предназначены для предупреждения уменьшения диаметра долота в результате изнашивания при трении о стенку скважины и не предназначены для ее эффективного разрушения.
Задача повышения разрушающей способности калибрующего вооружения шарошек возникла при бурении пологих наклонных и горизонтальных участков ствола скважин. Напряженное состояние вокруг таких скважин асимметричное и обусловливает асимметричное деформирование стенок скважины с образованием эллиптического сечения скважины после прохождения его долотом. Смещение верхней и нижней стенок скважины направлено к оси скважины и кратно превышает смещение при осесимметричном деформировании. При этом уменьшаются размеры скважины в свету, причем наиболее существенно в горных породах с низким модулем упругости (Попов А.Н., Могучев А.И., Попов М.А. Деформирование стенок наклонной скважины и его влияние на работу и изнашивание буровых долот //Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ВНИИОЭНГ, 2008. - №3). При подъеме долота имеют место затяжки инструмента и его заклинивание (прихват). Подъем долота с вращением дает незначительный эффект, т.к. шарошки не имеют активного вооружения, работающего при подъеме инструмента. Скважина частично расширяется истиранием, но в основном стенки отжимаются упруго, пропуская долото, что и обусловливает высокое сопротивление подъему долота. А так как скважина остается нерасширенной, то может явиться причиной заклинивания нового долота при спуске. Уменьшение размеров сечения скважины в результате асимметричного деформирования является одной из причин высокого сопротивления спуску обсадной колонны.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является шарошечное долото, включающее три шарошки, оснащенные твердосплавными зубками в виде центральных венцов на всех шарошках, двухрядных периферийных венцов на двух шарошках и однорядного периферийного венца на одной шарошке, а также внешних и внутренних рядов калибрующего вооружения на обратных конусах шарошек (Каталог буровых долот ОАО "Волгабурмаш". - Самара: "Волгабурмаш" - 2003. - С.12, второй тип армирования обратного конуса).
Недостатком прототипа является то, что шарошки, как и у аналога, выполнены с гладкими обратными конусами. Установка дополнительного ряда зубков на обратных конусах шарошек решает задачу повышения их износостойкости, но не создает существенного разрушающего эффекта для расширения деформированного ствола скважины при подъеме долота с вращением и не снижает прихватоопасность долота в результате его заклинивания. Низкая разрушающая способность вооружения обратных конусов шарошек обусловливает повышенные нагрузки на обратные конусы шарошек и на замковые подшипники их опор.
Изобретение решает техническую задачу снижения прихватоопасности шарошечного долота и нагрузки на замковые подшипники опор путем повышения разрушающей способности калибрующего скважину вооружения при подъеме долота с вращением по деформированному стволу скважины.
Указанная задача решается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем три шарошки, оснащенные твердосплавными зубками в виде центральных венцов на всех шарошках, двухрядных периферийных венцов на двух шарошках и однорядного периферийного венца на одной шарошке, а также внешних и внутренних рядов калибрующего вооружения на обратных конусах шарошек, согласно изобретения на контурах малых оснований обратных конусов шарошек профрезерованы параллельные основанию конуса площадки, и на них установлены клиновые зубки внутреннего калибрующего ряда с рабочими головками заподлицо с боковой поверхностью обратного конуса, при этом рабочие поверхности зубков на шарошках с двухрядными периферийными венцами расположены по касательным к окружности основания обратного конуса, а рабочие поверхности зубков на шарошке с однорядным периферийным венцом расположены радиально к окружности основания обратного конуса.
Для предупреждения рейкообразования на расширяемой стенке скважины калибрующие зубки внутреннего ряда на шарошках с двухрядными периферийными венцами установлены в свету зубков периферийного ряда с чередованием в одном свету - один зубок, в соседнем свету - два зубка, в следующем свету - один зубок и т.д.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое долото отличается от него тем, что на контурах малых оснований обратных конусов шарошек профрезерованы параллельные основанию конуса площадки, и на них установлены клиновые зубки внутреннего калибрующего ряда с рабочими головками заподлицо с боковой поверхностью обратного конуса, при этом рабочие поверхности зубков на шарошках с двухрядными периферийными венцами расположены по касательным к окружности основания обратного конуса, а рабочие поверхности зубков на шарошке с однорядным периферийным венцом расположены радиально к окружности основания обратного конуса.
Калибрующие зубки внутреннего ряда на шарошках с двухрядными периферийными венцами установлены в свету зубков периферийного ряда с чередованием в одном свету - один зубок, в соседнем свету - два зубка, в следующем свету - один зубок и т.д.
Предлагаемое шарошечное долото и схема его взаимодействия с деформированной стенкой скважины при подъеме показаны на фиг.1. Долото содержит лапы 1, на цапфах которых установлены шарошка 2 с двухрядным периферийным венцом, представленным периферийным рядом 3 и предпериферийным рядом 4 зубков, и шарошка 5 с однорядным периферийным венцом зубков 6. Третья шарошка с двухрядным периферийным венцом на фиг.1 не показана. Поверхности обратного конуса шарошек оснащены цилиндрическими зубками 7 внешнего калибрующего ряда. Со стороны торца шарошек (малого основания обратного конуса) профрезерованы площадки, и на них установлены зубки 8 и 9 внутреннего калибрующего ряда. Оси зубков перпендикулярны поверхности малого основания обратного конуса.
2
1
Относительное размещение вооружения шарошки с двухрядным периферийным венцом показано на фиг.2, представляющей собой развертку части шарошки. Зубки 3 и 4 периферийного венца установлены с угловыми шагами t и t в соответствии с типоразмером долота. В поверхности обратного конуса шарошки установлены зубки 7 внешнего калибрующего ряда. На площадках 10 установлены клиновые зубки 8, 11 и 12 внутреннего калибрующего ряда в свету зубков 3 периферийного ряда. При этом в свету зубков периферийного ряда установлен сначала один зубок (на фиг.2 зубок 8), а в следующем свету установлены два зубка (на фиг.2 зубки 11 и 12) и т.д., что обеспечивает чередование установки зубков с разным угловым шагом.
3
Относительное размещение вооружения шарошки с однорядным периферийным венцом показано на фиг.3, представляющей собой развертку соответствующей части шарошки. Зубки 6 периферийного венца установлены с угловым шагом t в соответствии с типоразмером долота. Зубки 7 и 9 калибрующих рядов установлены в шахматном порядке относительно друг друга.
Долото работает следующим образом. В процессе бурения долото формирует относительно круглое сечение скважины. Однако по мере удаления сечения от забоя в результате неравномерного деформирования стенок скважины оно приобретает эллиптическую форму и малая ось эллипса становится меньше диаметра долота. При бурении в горных породах с низким модулем упругости и склонных к ползучести это уменьшение может быть весьма значительным и служить причиной заклинивания долота в скважине как при подъеме, так и при спуске нового долота, а также служить препятствием для спуска обсадной колонны в скважину. При бурении предлагаемым долотом в таких интервалах горных пород перед каждым наращиванием инструмента скважина прорабатывается снизу вверх на длину рабочей трубы со скоростью, принятой для проработки скважины на разбуриваемом месторождении. При движении долота снизу вверх с вращением зубки 8, 9, 11 и 12 внутреннего калибрующего ряда не отжимают упруго стенку, а осуществляют активное расширение скважины дроблением-скалыванием (фиг.1) подобно тому, как работает основное периферийное вооружение шарошек по забою. Так как поверхность контакта зубков со стенкой скважины существенно меньше поверхности контакта обратного конуса со стенкой скважины, то соответственно снижается нагрузка на замковые подшипники опор шарошек. Предлагаемое чередующееся размещение зубков внутреннего калибрующего ряда предупреждает рейкообразование на стенке скважины при ее расширении бурением снизу-вверх.
Выполнение калибрующего вооружения шарошек в соответствии с предложенным техническим решением позволит существенно снизить их прихватоопасность при наклонном и горизонтальном бурении, улучшить проходимость инструментов и обсадных колонн по скважине и повысить долговечность опор шарошек, что обеспечит широкое применение изобретения при бурении скважин.