БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
BORE CONE BIT

Изобретение относится к области буровой техники и может использоваться при производстве бурового инструмента, предназначенного для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин, а также взрывных горнорудных скважин. Твердосплавные зубки, которыми оснащаются шарошки бурового долота, при работе долота на забое скважины испытывают колоссальные знакопеременные нагрузки. От стойкости зубков прямо зависят показатели работы долота и стоимость одного метра бурения. Поэтому любое улучшение конфигурации зубков, способствующее повышению показателей работы долота, имеет особо важное значение.
Известно буровое долото с клиновидными твердосплавными зубками, запрессовываемыми в отверстия на корпусе шарошек [1], принятое за аналог. Зубки долота показаны на фиг.1а-1г в общем виде и с формой последовательных поперечных сечений относительно вершины рабочей головки зубка (фиг.2а-2ж). Такие зубки имеют цилиндрическое основание 1 и клиновидную, выступающую над шарошкой, часть 2. Прямолинейная или криволинейная вершина 3 клиновидной части 2 является местом схождения двух граней. Для устранения причин концентрации высоких напряжений, способствующих сколам и поломкам зубков, на всех пересечениях поверхностей предусмотрены плавные переходы округления 4.
Общепринята постоянная ориентация лезвия зубков при запрессовке их в отверстия в корпусе шарошки - вдоль образующей конусов шарошки или с постоянным наклоном к ней. При перекатывании шарошек на поверхности забоя образуется «рейка» от последовательных постоянно ориентированных внедрений зубков в породу, состоящая из чередующихся постоянно ориентированных впадин - углублений, продольных относительно радиуса забоя или под углом к нему, и образовавшихся цельных перемычек между ними. Зубки с постоянной ориентацией, попадая на края впадин также с постоянной ориентацией, съезжают в них и еще больше углубляют впадины, оставляя трудноразрушаемые перемычки между ними. При этом механическая скорость бурения снижается, а возможность поломок и сколов зубков при контакте с массивными перемычками постоянно возрастает по мере углубления рейки и усталости их материала.
Известно буровое долото с клиновидными зубками на шарошках, принятое за второй аналог [2]. В этом долоте клиновидные зубки расположены таким образом, чтобы их кромки-лезвия были смещены одна относительно другой на угол, выбираемый в соответствии с соотношением , где n - количество зубков на венце шарошки.
Такая ориентация лезвий кардинально меняет динамику разрушений породы на забое. Суть изменения динамики состоит в том, что зубки при вращении шарошки не могут попадать точно в след от воздействия предыдущего зубка, поскольку углы ориентации лезвий непрерывно меняют свое направление. На забое скважины создается огромное число мелких выступов, остающихся от перекрестья, постоянно меняющих положение мелких впадин, возникающих под зубками. Эти разрозненные выступы гораздо быстрее разрушаются, чем массивные перемычки на рейке у аналога, тем более что при разрушении таких мелких выступов значительно интенсивнее используются деформации сдвига, требующие в 8-10 раз меньше усилий для разрушения той же породы, чем при раздавливании у аналога.
Однако у рассмотренного аналога также имеется серьезный недостаток. При размещении клиновидных зубьев с различной ориентацией на периферийных рядах лишь малая их часть может участвовать в полноценном калибровании стенки скважины. Если зубки с постоянной ориентацией по аналогу все имеют возможность частью своей клиновидной вершины выходить на диаметр долота и калибровать стенку скважины с одинаковой величиной пятен контакта, то из всех зубков на венце с разноориентированной схемой установки калибровать стенку скважины может лишь их малая часть, и то лишь частично. Переменные по величине пятна контакта разноориентированных зубков со стенкой скважины на фиг.4в-4ж обозначены позицией 5.
На фиг.3 углом β иллюстрируется зазор между телом-гранью зубков и стенкой скважины. Из-за этого зазора разноориентированные зубки, показанные на фиг.4а, 4б, 4з, 4и на развертке периферийного венца шарошки, суммарное количество которых от общего количества на венце составляет 40-50%, вообще лишены возможности калибровать стенку скважины. Зубки, показанные на фиг.4в, 4г, 4е, 4ж, выходят на диаметр долота лишь малым объемом (кромкой). И только зубок на фиг.4д, установленный по образующей периферийного конуса, имеет наибольшее пятно контакта со стенкой скважины.
В связи с изложенным, установка разноориентированных клиновидных зубков, показанная на развертке (фиг.4а-4и), способствует, с одной стороны, резкому повышению механической скорости бурения, а с другой стороны - резкому снижению стойкости долота по диаметру.
Известно также буровое долото [3], принятое за прототип. Шарошки долота оснащены на периферии твердосплавными зубками с плоскосимметричной рабочей поверхностью, передняя часть которой имеет заостренную форму, ограничена по бокам парой плоских или вогнутых участков, а задняя часть ограничена полусферической поверхностью.
Преимуществом бурового долота с такой формой зубка является то, что его полусферическая поверхность постоянно обращена в сторону обратного конуса шарошки, поэтому все зубки на шарошках имеют возможность участвовать в калибровании стенок скважины и удерживать долото от потери диаметра. Недостатком долота с этой формой твердосплавного зубка является то, что во время его работы на забое скважины в породах от средних по твердости до крепких образуется «рейка», снижающая механическую скорость бурения из-за постоянной ориентации плоскости симметрии зубков относительно образующей шарошки.
С целью увеличения пятна контакта зубков со стенкой скважины делались попытки чередования на периферийных венцах наряду с разноориентированными клиновидными - зубков с полусферической породоразрушающей поверхностью или клиновидных зубков с постоянной ориентацией кромки клина вдоль образующей периферийного конуса шарошки. Это позволяло увеличить размеры пятен контакта части зубков со стенкой скважины, но сводило на нет вышеуказанный эффект улучшения динамики разрушения породы, возникающей при разной ориентации кромок клиновидных зубков. Долото медленно разрушало предпериферийную зону, где содержится самый большой и наиболее трудноразрушаемый объем породы. Оно как бы зависало на периферийном участке, когда уже во всей центральной зоне забоя порода была разрушена высокоэффективными разноориентированными клиновидными зубками.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение возможности одновременного использования преимуществ аналога и прототипа при исключении их недостатков.
Технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте с твердосплавными зубками, устанавливаемыми на периферийных рядах шарошек, имеющими цилиндрическое основание и рабочую плоскосимметричную головку, представляющую собой с одной стороны заостренную часть, образованную двумя плоскими или вогнутыми поверхностями, а с другой стороны сфероконическую часть, образованную сферой на вершине и конусом, с плавными переходами округления, заостренные части зубков долота на границе пересечения основного и обратного конусов шарошки ориентированы в сторону вершины шарошки таким образом, чтобы плоскости симметрии зубков располагались одна к другой под углом α в диапазоне , в пределах от 0° до 180°, где n - количество зубков на периферийном венце шарошки.
Таким образом, создано новое буровое шарошечное долото с твердосплавными зубками, по новому ориентированными относительно пересечения периферийного и обратного конусов шарошек.
Перечень чертежей
На фиг.1а-1г и 2а-2ж показан твердосплавный зубок бурового долота с породоразрушающей головкой клиновидной формы, принятый за аналог. На фиг.3 и 4а-4и показано калибрование стенок скважины зубками с разнооринтированным размещением на венцах шарошек бурового долота, принятого за второй аналог. На фиг.5а-5г и 6а-6ж изображен твердосплавный зубок для предлагаемого бурового долота. На фиг.7 показано положение твердосплавных зубков бурового долота по отношению к периферийному и обратному конусам шарошки, а также относительно стенки скважины. На фиг.8а-8и изображена разноориентированная схема размещения зубков предлагаемого долота на периферийном венце шарошки.
1
2
Твердосплавные зубки предлагаемого бурового долота имеют плоскосимметричную форму. Плоскость симметрии 6 делит зубок на две равные половины 7 и 8 (фиг.5б, вид сверху). Боковая поверхность заостренной части обозначена позицией 9, а ее вершинная часть - позицией 10. Две плоские грани или вогнутые криволинейные поверхности обозначены позицией 11, а радиусные переходы - 12. С противоположной стороны от клиновидной вершинной части 10 зубок имеет сфероконическую часть 13, плавно сопрягающуюся с клиновидной вершинной частью 10 поверхностями переходов 14. При этом радиус r перехода 12 всегда меньше радиуса r сфероконической части 13, что показано на сечениях I-I, II-II, III-III, IV-IV, V-V и VI-VI (фиг.6б-6ж).
При запрессовке в корпус шарошки долота зубки (фиг.7) всегда ориентируются сфероконической частью в сторону границы обратного конуса 14 шарошки, таким образом, чтобы плоскости симметрии 6 клиновидных частей 10 были ориентированы относительно развертки линии 15, параллельной границе обратного конуса, под углом α одна к другой в диапазоне в пределах , в пределах от 0° до 180°
где n - количество зубков на периферийном венце.
При такой схеме ориентирования зубков предлагаемого долота на периферийном венце шарошки пятна контакта 16 со стенкой скважины (фиг.8а-8и), независимо от наклона разноориентированного положения клиновидной части, гарантированно получаются одинаковыми на каждом зубке после шлифования обратного конуса шарошки. Это позволяет значительно повысить стойкость шарошечного долота от потери диаметра во время процесса бурения.
В свою очередь, разноориентированная схема расположения клиновидных частей зубков бурового долота обеспечивает наиболее интенсивную динамику разрушения породы на наиболее трудоемком периферийном участке забоя, граничащем со стенкой скважины.
Предлагаемые форма и схема ориентации клиновидной части зубков бурового шарошечного долота создают новый, не известный ранее эффект, повышая одновременно стойкость долота и его механическую скорость бурения.
Источники информации
5
1. Европатент №0527506 А2, МПК Е21В 10/52 от 17.02.1992 г.
2. Авторское свидетельство на изобретение №446618, МПК E21b 9/10, от 25.10.1974 г.
3. Патент США №7013999, МПК Е21В 10/56 от 21.03.2006 г.