БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
ROCK DRILL BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам с фрезерованными, литыми твердосплавными зубьями для разбуривания пород средней твердости, склонных к образованию забойной рейки.
Известно буровое трехшарошечное долото, включающее корпус, конусные шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и промывочные гидромониторные узлы, расположенные в периферийной части межшарошечного пространства (см. И.К. Масленников, справочник «Буровой инструмент», М.: Недра, 1989 г., с.36, рис.2.1.11б).
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами, установленные на них конические шарошки с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями, расположенными параллельно или под углом к образующей шарошки, и узел промывки (см. патент РФ №2473770, кл. E21B 10/16, 2013 г.).
Недостатком аналога и прототипа является сравнительно невысокая эффективность их работы, что связано с неоптимальной схемой размещения шарошек и зубьев на конической поверхности шарошек.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы бурового долота за счет увеличения объема разрушенной породы каждым зубом шарошки в течение всего времени работы долота.
Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем лапы с наклонными цапфами, установленные на них конические шарошки с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями, расположенными параллельно или под углом к образующей шарошки, и узел промывки, согласно изобретению, величина проскальзывания зубьев шарошки - Δ, работающих в режиме пробуксовки, при которой достигается максимальный объем выбуренной породы за весь цикл работы долота путем обеспечения качественного выравнивания поверхности забоя, определяется по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>95</mn><mo>÷</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>05</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mn>180</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
;
где R - радиус венца шарошки, мм;
β - угол между двумя соседними зубьями венца шарошки, град.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен фрагмент общего вида долота, на фиг.2 - схема образования поверхности забоя при различных величинах пробуксовки зубьев вооружения бурового инструмента.
Буровое шарошечное долото содержит лапы 1 с наклонными цапфами 2, на которых посредством подшипников (не показано) установлены конические шарошки 3 с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями 4. В корпусе долота, образованного сварными лапами 1, размещен узел промывки 5, который в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород и размера долот может быть выполнен в виде одной центральной насадки (см. фиг.1) или же нескольких гидромониторных насадок, размещенных в межшарошечных проемах. В зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород шарошки 3 могут иметь как прямозубое, так и косозубое вооружение, при этом смещение осей шарошек может меняться в значительных пределах.
Принцип работы бурового долота заключается в следующем. При вращении долота шарошки 3 перекатываются по поверхности забоя и разрушают породу под воздействием осевой нагрузки и крутящего момента. Разбуривание пород средней твердости часто сопровождается образованием забойной рейки, отрицательно сказывающейся на эффективности разрушения породы. Размеры рейки зависят как от геометрических размеров и расположения зубьев, так и от величины пробуксовки вооружения. При вторичной обработке реечного забоя вооружением бурового долота может возникнуть вероятность попадания зубьев вооружения «след в след», т.е. вершины зубьев вооружения окажутся во впадинах рейки забоя. В результате этого, последующее углубление инструмента в породу будет ограничиваться не только геометрией вооружения (как в случае первоначального плоского забоя), но и в значительной степени ответной геометрией рейки забоя, образованной в результате первого полного поворота инструмента.
<mrow><mi>Δ</mi><mo><</mo><mo><</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>95</mn><mo>÷</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>05</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mn>180</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
При величине пробуксовки вооружения
; (см. фиг.2.1) углубление при втором и последующих полных поворотах долота будет более чем на половину меньше, чем при первом обороте.
<mrow><mi>Δ</mi><mo><</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>95</mn><mo>÷</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>05</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mn>180</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
С увеличением величины пробуксовки вооружения
; происходит выравнивание поверхности забоя и, как следствие этого, увеличение величины внедрения зубьев вооружения шарошки при втором и последующих полных оборотах инструмента (см. фиг.2.2).
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>95</mn><mo>÷</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>05</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mn>180</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
И наконец, при достижении величины проскальзывания вооружения шарошки бурового инструмента
; все три вершины смежных зубьев вооружения попадают во впадины рейки забоя, образованной предыдущим проходом инструмента (см. фиг.2.3.), создаются условия, обеспечивающие 100 процентное, по отношению к первому проходу инструмента, углубление вооружения в поверхность забоя при втором и последующих полных оборотах шарошечного бурового инструмента, чем и достигается максимальный объем выбуренной породы за весь цикл работы долота.
Разрушенная порода направляется в сторону периферии скважины и далее в затрубное пространство, причем в этом процессе участвуют как вооружением шарошек, так и промывочная жидкость. Из затрубного пространства обогащенная шламом промывочная жидкость направляется на поверхность. Это позволяет избежать повторного измельчения шлама и тем самым уменьшить износ вооружения и рост механической скорости бурения.
С учетом этой закономерности, при бурении пород, склонных к рейкообразованию, необходимо не только максимизировать разрушающую составляющую работы вооружения, но и обеспечить качественное выравнивания забоя, чтобы исключить возможность появления рейкообразования, и обеспечивать постоянно высокую механическую скорость бурения на всем протяжении работы инструмента.
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>95</mn><mo>÷</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>05</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>π</mi><mi>β</mi></mrow><mrow><mn>180</mn></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
В результате проведенных исследований, был получен диапазон изменения величины проскальзывания зубьев вооружения, при котором обеспечивается максимальная площадь поражения забоя в вертикальной плоскости с одновременным качественным выравниванием поверхности забоя. Эта зависимость определяется формулой
;
Таким образом, предложенное долото благодаря использованию оптимальной величины проскальзывания обеспечивает более эффективное разрушение породы в течение всего времени его работы, а следовательно, и снижение стоимости буровых работ, проводимых шарошечными долотами.