ДОЛОТО ДЛЯ РЕАКТИВНО-ТУРБИННОГО БУРЕНИЯ
BIT FOR JET-TURBINE DRILLING

Изобретение относится к области бурения скважин большого диаметра, а именно к долотам для реактивно-турбинного бурения (РТБ) шарошечного типа.
Известно долото для РТБ, содержащее корпус с наклонными цапфами и закрепленные на них шарошки с основными и периферийными венцами, армированными твердосплавными зубками и калибрующей поверхностью (см. Жиленко Н.П. и др. Справочное пособие по реактивно-турбинному бурению, М.; Недра, 1987, с. 77-81, рис. 42).
Недостатком этого долота является высокая энергоемкость процесса разрушения породы из-за нерациональной схемы расположения зубков, а также повышенный расход твердого сплава, ведущий к росту стоимости 1 м проходки.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является долото для реактивно-турбинного бурения, содержащее корпус с наклонными цапфами и закрепленные на них шарошки со ступенчато расположенными венцами, из которых вершинные и основные являются опережающими (см. патент РФ №2090733, кл. Е21В 10/16, 1997 г.).
Недостатком данного долота является низкая эффективность их работы. Это связано с тем, что конструкция указанных долот не до конца учитывает особенности работы при РТБ, связанные с движением шарошек не только вокруг цапф, но и в переносном движении долота вокруг оси вращения агрегата РТБ.
В соответствии с изложенным техническим результатом изобретения является повышение проходки и механической скорости бурения способом РТБ.
Указанный технический результат достигается тем, что в долоте для РТБ, содержащем корпус с наклонными цапфами, на которых закреплены шарошки с фрезерованным, литым или твердосплавным зубчатым вооружением, согласно изобретению, все венцы шарошек выполнены с разнонаправленными относительно оси шарошки зубьями, причем периферийные венцы имеют противоположно направленный угол наклона зубьев по сравнению с углами наклона зубьев других венцов, при этом крутящие моменты, создаваемые одновременно проскальзывающими наклонными зубьями периферийных и остальных венцов на каждой шарошке, в момент ее максимального осевого скольжения, обусловленного вращением агрегата РТБ, когда ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата РТБ, связаны соотношением
П
В
ОС
где М - крутящий момент, создаваемый зубьями периферийного венца; М - крутящий момент, создаваемый зубьями вершинного венца; М - крутящий момент, создаваемый зубьями промежуточных венцов.
Такое выполнение геометрии вооружения долота сводит к минимуму проворот шарошек под действием крутящего момента, возникающего при проскальзывании наклонных зубьев вооружения шарошки по забою вдоль оси ее вращения при движении долота, связанным с вращением агрегата РТБ, и тем самым позволяет увеличить суммарную площадь поражения забоя за счет максимального использования работы сбегающих и набегающих граней всех без исключения зубьев, одновременно находящихся в соприкосновении с поверхностью забоя.
На фиг. 1 изображен общий вид долота с разнонаправленным косозубым вооружением для РТБ; на фиг. 2 изображена принципиальная схема движения шарошки при РТБ, на фиг. 3 - схема поражения забоя прямозубым и косозубым вооружениями шарошек в месте максимального проскальзывания вдоль оси шарошки в направлении движения агрегата РТБ.; на фиг. 4 - принципиальная схема косозубого вооружения шарошек для РТБ.
Долото для РТБ включает корпус 4 с наклонными цапфами 5, на которых закреплены шарошки 6 с вершинными 3, основными (промежуточными) 2 и периферийными 1 венцами, оснащенными разнонаправленными фрезерованными или литыми стальными зубьями или твердосплавными зубками.
Все венцы шарошек выполнены с разнонаправленными (см. пример на фиг. 4) относительно оси шарошки зубьями (например, под углами α, β, γ). Как показано на фиг. 4, периферийные венцы имеют угол α наклона зубьев, направленный в противоположную сторону по сравнению с углами наклона β и γ зубьев других венцов. При этом крутящие моменты, создаваемые одновременно проскальзывающими наклонными зубьями периферийных и остальных венцов на каждой шарошке, в момент ее максимального осевого скольжения, обусловленного вращением агрегата РТБ, когда ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата РТБ, связаны соотношением
П
В
ОС
где М - крутящий момент, создаваемый зубьями периферийного венца; М - крутящий момент, создаваемый зубьями вершинного венца; М - крутящий момент, создаваемый зубьями промежуточных венцов.
Принцип работы долота заключается в следующем. Агрегат РТБ, включающий несколько параллельно работающих турбобуров с долотами, спускают в скважину и начинают процесс бурения. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых долоту от агрегата РТБ, твердосплавные зубки или стальные зубья внедряются в породу и разрушают ее. При этом вооружение долота совершает относительное вращение вокруг цапф 5 (фиг. 1) и переносное движение вокруг оси вращения агрегата для РТБ. Последнее сопровождается значительным проскальзыванием вооружения шарошек 6 по забою скважины, причем как вдоль оси шарошек, так и в перпендикулярном направлении.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>V</mi><mo>→</mo></mover><mi>A</mi></msub></mrow>
На фиг. 2 представлено движение вооружения шарошки в момент «перекатывания» ее в точках А и В. Здесь движение долота вокруг оси вращения агрегата не может быть компенсировано дополнительным увеличением или уменьшением частоты вращения шарошки, так как ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата (
- вектор линейной скорости точек А и В). При этом зубчатые элементы вооружения (в случае прямозубого вооружения шарошек), находящиеся в соприкосновении с забоем, расположены таким образом, что их режущая кромка так же направлена вдоль направления вращения агрегата. Поэтому, при «перекатывании» шарошки долота по забою в точках А и В происходит максимальное проскальзывание зубьев вооружения по забою в направлении вращения агрегата РТБ. Характерной особенностью этого проскальзывания является то, что зубья вооружения шарошки скользят в направлении не их основных рабочих поверхностей, т.е. набегающей или сбегающей граней зубьев, а в перпендикулярной им плоскости. Таким образом, в точках А и В основное разрушение породы забоя, связанное с проскальзыванием вооружения, осуществляется либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к основанию шарошки и ее тыльным конусом, либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к вершине шарошки.
а
На (фиг. 3.1) представлена схема поражения забоя прямозубым вооружением шарошки, находящейся в точке В. В данном случае общая площадь поражения забоя вооружением шарошки в горизонтальной плоскости будет определяться как сумма площадей прямоугольников, образованных шириной торцевой части зубьев  и величиной скольжения Δ. Как видно на схеме, эффективность работы вооружения в этом направлении минимальна. Значительно увеличить площадь поражения забоя и тем самым повысить эффективность бурения можно путем оснащения шарошек косозубым вооружением (фиг. 3.2).
1
2
3
1
а
Оценить прирост площади поражения забоя при использовании косозубого вооружения в сравнении с прямозубым, можно путем определения разницы площадей соответствующих фигур: S=Δ; S=bΔ; S=S+bΔtgα (фиг. 3).
Оснащение шарошек разнонаправленным косозубым вооружением позволяет существенно увеличить площади поражения забоя зубьями шарошек, а также интенсифицировать процессы удаления выбуренного шлама из зоны разрушения породы.
Однако для того чтобы обеспечить максимальную эффективность работы косозубого вооружения в условиях РТБ, необходимо при проектировании вооружения обеспечить определенную ориентацию зубьев различных венцов вооружения (фиг. 4) с помощью выбора углов наклона зубьев к оси вращения шарошки соответствующих венцов, где:
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
- сила воздействия породы на зуб периферийного венца шарошки, возникающая вследствие осевого проскальзывания шарошки.
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
- сила воздействия породы на зуб промежуточного венца шарошки, возникающая вследствие осевого проскальзывания шарошки.
<mrow><msubsup><mi>F</mi><mn>1</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow>
- сила воздействия породы на зуб вершинного венца шарошки, возникающая вследствие осевого проскальзывания шарошки.
α, β, γ - углы наклона зубьев к оси вращения шарошки соответствующих венцов.
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>R</mi><mn>1</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow>
Соответственно
,
,
- осевые составляющие этих усилий, стремящиеся повернуть шарошку вокруг своей оси.
В связи с этим, чтобы предотвратить дополнительный проворот шарошки от воздействия этих сил и тем самым обеспечить работу набегающей и сбегающей граней зубьев при их продольном перемещении, необходимо, чтобы выполнялось следующее условие
где:
<mrow><msubsup><mi>r</mi><mn>1</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>r</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>r</mi><mn>1</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow>
,
,
- кратчайшие расстояния от оси вращения шарошки до точек приложения силы к соответствующим зубьям вооружения (фиг. 1).
То есть необходимо, чтобы крутящий момент, действующий на шарошку со стороны одного зуба, находящегося во взаимодействии с породой забоя, периферийного венца, был примерно равен сумме крутящих моментов, возникающих от зубьев промежуточных и вершинного венцов. Преобразовав примерное равенство в соотношение, примерно равное единице, с достаточной степенью точности можно сказать, что для того, чтобы предотвратить дополнительный проворот шарошки от воздействия сил породы на зубья и тем самым обеспечить работу набегающей и сбегающей граней зубьев при их продольном перемещении необходимо, чтобы крутящие моменты, создаваемые одновременно проскальзывающими наклонными зубьями периферийных и остальных венцов на каждой шарошке, в момент ее максимального осевого скольжения, обусловленного вращением агрегата РТБ, связаны соотношением
П
В
ОС
<mrow><msub><mi>М</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>М</mi><mrow><mi>К</mi><mn>1</mn></mrow><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>М</mi><mi>В</mi></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>М</mi><mrow><mi>К</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>М</mi><mrow><mi>О</mi><mi>С</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msubsup><mi>М</mi><mrow><mi>К</mi><mn>1</mn></mrow><mn>3</mn></msubsup></mrow>
где М - крутящий момент, создаваемый зубьями периферийного венца (для примера на фиг. 4
); М - крутящий момент, создаваемый зубьями вершинного венца (для примера на фиг. 4
); М - крутящий момент, создаваемый зубьями промежуточных венцов (для примера на фиг. 4
).
При этом за момент максимального осевого скольжения шарошки при РТБ следует считать, как говорилось ранее, «перекатывание» шарошки долота по забою в точках А и В на фиг. 2, когда ось вращения шарошки располагается вдоль направления вращения агрегата РТБ.
Выполнение этого условия позволит максимально использовать работу сбегающих и набегающих граней всех без исключения зубьев, одновременно находящихся в соприкосновении с поверхностью забоя при проскальзывании вооружения шарошки, связанном с вращением агрегата РТБ.
Таким образом, применение предложенного долота позволит повысить эффективность бурения скважин способом РТБ за счет увеличения разрушающей способности вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы, что в конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость и снизить стоимость буровых работ.