Долото для реактивно-турбинного бурения
BIT FOR REACTIVE TURBODRILLING

Изобретение относится к области бурения скважин большого диаметра, а именно к шарошечным долотам для реактивно-турбинного бурения.
Известно долото для реактивно-турбинного бурения, 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 и низкая эффективность процесса разрушения породы из-за нерациональной схемы расположения и ориентации зубков, приводящие 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 лапами, на цапфах которых установлены шарошки с основными и смещенными относительно них в сторону торца долота периферийными венцами, армированными твердосплавными вставками с клиновидной рабочей головкой, боковые поверхности которых ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки и образующей конуса ее основного венца (см. патент РФ №2090733, кл. Ε21В 10/16, 1997 г..
Недостатком данного долота является недостаточная эффективность его работы. Это связано с тем, что конструкция указанных долот не в полной мере учитывает особенности работы при реактивно-турбинном бурении, связанные с движением шарошек не только вокруг цапф, но и в переносном движении долота вокруг оси вращения агрегата реактивно-турбинного бурения.
В соответствии с изложенным техническим результатом изобретения является повышение проходки и механической скорости бурения способом реактивно-турбинного бурения.
Указанный технический результат достигается тем, что в долоте для реактивно-турбинного бурения, содержащем корпус с лапами, на цапфах которых установлены шарошки с основными и смещенными относительно них в сторону торца долота периферийными венцами, армированными твердосплавными зубками с клиновидной рабочей головкой, боковые поверхности которых ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки и образующей конуса ее основного венца, согласно изобретению каждая шарошка долота представляет собой конусообразную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата и выполнена с вершинным венцом, имеющим одинаковый угол конусности с основными венцами и одинаковую с ними высоту вылета твердосплавных зубков, установленных под острым углом к оси вращения долота.
Достижению указанного технического результата способствует также и то, что:
K
K
- вершины твердосплавных зубков периферийного и вершинного венцов смещены относительно друг друга на расстояние h, определяемое соотношением h=(0,5÷1,1)h, где h - вылет твердосплавных зубков основных венцов;
Β
K
Β
K
- углы наклона осей твердосплавных зубков периферийного и вершинного венцов β к оси вращения долота β связаны соотношением: β=(0,16÷1,83)β;
Β
K
Β
K
Β
- соотношение величин передних углов резания твердосплавных зубков вершинного ϕ и калибрующего ϕ венцов должны удовлетворять условию ϕ≥ϕ, при этом ϕ=(0÷25°).
- твердосплавные зубки вершинного венца зафиксированы в теле шарошки таким образом, что их площадки притупления наклонены к касательной к окружности, описанной по вершинам этих твердосплавных зубков, на угол ψ, находящийся в диапазоне от -5 до +5°.
Такое выполнение геометрии вооружения долота позволяет существенно повысить площадь поражения забоя в горизонтальной плоскости и одновременно снизить неравномерность распределения осевой нагрузки между «передней», по отношению к направлению максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения, и «задней» шарошками бурового долота.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид долота большого диаметра с разнонаправленным твердосплавным вооружением для реактивно-турбинного бурения; на фиг. 2 изображена принципиальная схема движения шарошек «передней» и «задней» при реактивно-турбинном бурении в момент их максимального проскальзывания по забою, связанного с вращением агрегата; на фиг. 3 - схема поражения забоя прямозубым и разнонаправленным вооружением «передней» и «задней» шарошек в месте максимального проскальзывания вдоль осей шарошек в направлении движения агрегата реактивно-турбинного бурения; на фиг. 4 - схема армирования калибрующего (тыльного) конуса шарошек; на фиг. 5 - схема армирования вершинного венца шарошек в двух вариантах; фиг. 6 - вид твердосплавного зубка вершинного венца со стороны рабочего торца.
K
K
Β
K
Β
Β
K
Долото для реактивно-турбинного бурения включает корпус 1 с промывочными каналами 4 и лапами 2, на цапфах которых установлены шарошки 3 с вершинными 7, основными 6 и смещенными относительно них в сторону торца корпуса 1 долота периферийными венцами 5, армированными твердосплавными зубками 11 с клиновидной рабочей головкой. Боковые поверхности рабочих головок твердосплавных зубков 11 периферийных венцов 5 ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки 3 и образующей конуса ее основного венца 6. При этом вершины твердосплавных зубков 11 периферийного 5 и вершинного 7 венцов смещены относительно друг друга на расстояние h, определяемое соотношением h=(0,5÷1,1)h, где h - вылет твердосплавных зубков 11 основных венцов 6. Каждая шарошка 3 долота представляет собой конусообразную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата, при этом каждая шарошка долота выполнена с вершинным венцом 7, имеющим одинаковый угол конусности с основными венцами 6 и одинаковую с ними высоту вылета твердосплавных зубков, при этом эти твердосплавные зубки установлены под острым углом β к оси вращения долота, причем углы наклона осей твердосплавных зубков периферийного β и вершинного венцов β к оси вращения долота связаны соотношением: β=(0,16÷1,83)β. В дополнении к этому твердосплавные зубки вершинного венца 7 должны быть зафиксированы в теле шарошки 3 таким образом, чтобы их площадки притупления были наклонены к касательной к окружности, описанной по вершинам этих твердосплавных зубков на угол ψ, находящийся в диапазоне от -5 до +5°.
D
Принцип работы долота заключается в следующем. Агрегат реактивно-турбинного бурения, включающий несколько параллельно работающих турбобуров с долотами, спускают в скважину и начинают процесс бурения. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого турбобурами на каждое долото агрегата, твердосплавные зубки 11 внедряются в породу и разрушают ее. При этом вооружение долота совершает относительное вращение вокруг оси вращения долота 9 с угловой скоростью ω (фиг. 2) и переносное движение вокруг оси вращения (8) агрегата реактивно-турбинного бурения. Последнее сопровождается значительным проскальзыванием вооружения шарошек 3 по забою скважины, причем как вдоль оси шарошек, так и в перпендикулярном направлении.
A
III
На фиг. 2 представлено движение вооружения шарошки в момент «перекатывания» ее в точках А и В. Здесь движение долота вокруг оси вращения агрегата (8) с угловой скоростью ω не может быть компенсировано дополнительным увеличением или уменьшением скорости вращения шарошки ω, так как ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата ( - вектор линейной скорости точек А и В). При этом твердосплавные зубки вооружения (в случае прямозубого вооружения шарошек фиг. 3.1), находящиеся в соприкосновении с забоем, расположены таким образом, что их площадки притупления (12) также направлены вдоль направления вращения агрегата, поэтому при «перекатывании» шарошки долота по забою в точках А и В происходит максимальное проскальзывание зубьев вооружения в направлении вращения агрегата реактивно-турбинного бурения. Характерной особенностью этого проскальзывания является то, что твердосплавные зубки вооружения шарошки скользят в направлении не их основных рабочих поверхностей, т.е. набегающей или сбегающей граней, а в перпендикулярной им плоскости. Таким образом, в точках А и В основное разрушение породы забоя, связанное с проскальзыванием вооружения, осуществляется либо торцевыми поверхностями твердосплавных зубков, обращенными к основанию шарошки и ее тыльным конусом, либо торцевыми поверхностями твердосплавных зубков, обращенными к вершине шарошки.
1
2
На (фиг. 3.1) представлена схема поражения забоя прямозубым вооружением передней (3) по отношению к направлению максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения и задней (3) шарошек долота большого диаметра. В данном случае общая площадь поражения забоя прямозубым вооружением обеих шарошек в горизонтальной плоскости будет определяться как сумма площадей прямоугольников, образованных шириной торцевой части твердосплавных зубков «а» и величиной скольжения Δ (смещением точки А в точку А' фиг. 2). 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 разнонаправленным вооружением (фиг. 3.2).
1
2
Оценить прирост площади поражения забоя при использовании разнонаправленного вооружения в сравнении с прямозубым можно путем определения разницы площадей соответствующих фигур: S=аΔ и S=bΔ, где b - ширина твердосплавного зубка (фиг. 3).
1
2
2
2
K
B
B
B
Таким образом, оснащение шарошек разнонаправленным вооружением позволяет существенно увеличить площадь поражения забоя зубьями шарошек. Однако для того чтобы обеспечить максимальную эффективность работы разнонаправленного твердосплавного вооружения в условиях реактивно-турбинного бурения, необходимо при проектировании вооружения обеспечить определенную ориентацию твердосплавных зубков различных венцов вооружения (фиг. 1) и их расположение относительно поверхности забоя (фиг. 4), (фиг. 5), (фиг. 6). Это связано с тем, что в момент максимального проскальзывания вооружения, связанного с вращением агрегата, большая часть работы по разрушению плоского забоя осуществляется тыльным конусом передней (3) шарошки, на вооружение которого действует сила реакции разрушаемой породы Р, что при больших диаметрах долота вызывает его незначительное перекашивание, приводящее, в свою очередь, к частичному отжатию задней (3) шарошки от забоя. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки на шарошки долота большого диаметра и как, следствие, - снижению эффективности его работы. Чтобы предотвратить это негативное явления предлагается твердосплавные зубки вершинного венца 7 преднамеренно заглублять на большую глубину и с меньшим углом ϕ резания, нежели твердосплавные зубки периферийного венца 5. В этом случае специально ориентированные под углом β зубья вершинного венца (7) задней шарошки (3) под действием силы реакции разрушаемой породы Р, заглубляясь на большую глубину и под более острым углом, помимо увеличения площади поражения забоя в горизонтальной плоскости, будут играть роль стабилизатора, препятствующего «отжиму» шарошки (3) от забоя. Выполнение этого условия позволит максимально использовать работу сбегающих и набегающих граней всех без исключения твердосплавных зубков, одновременно находящихся в соприкосновении с поверхностью забоя при проскальзывании вооружения шарошек, связанном с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения.
Вооружение основных венцов (6) может быть как в прямозубом, так и косозубом исполнении. Основные защищаемые признаки могут применяться и для стального армированного вооружения шарошечного бурового инструмента с любым количеством шарошек.
Твердосплавные зубки вершинного венца 7 в месте их максимального проскальзывания по забою, связанного с вращением агрегата, одновременно совершают и вращательное движение вокруг оси шарошки 3, вследствие этого они встречаются с забоем, двигаясь по винтообразной траектории, направление вращения которой зависит от того, вращается ли агрегат за счет реактивного момента (против часовой стрелки) или же принудительно ротором буровой установки (по часовой стрелке). В связи с этим твердосплавные зубки вершинного венца (7) зафиксированы в теле шарошки таким образом, что их площадка притупления наклонена к касательной к окружности, описанной по вершинам этих зубков на угол ψ, находящийся в диапазоне от -5 до +5°. Твердосплавные зубки вершинного венца (7) могут иметь как плоские основные рабочие грани, так и имеющие определенную кривизну r (12), зависящую от физико-механических характеристик разбуриваемых пород (фиг. 5)
Таким образом, применение предложенного долота позволит повысить эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения за счет увеличения разрушающей способности твердосплавного зубчатого вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы, что в конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость и снизить стоимость буровых работ.