БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
DRILLING ROLLER-CUTTER BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам с фрезерованными или литыми зубьями для разбуривания мягких пород и пород средней твердости.
Известно буровое шарошечное долото, включающее буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами, установленные на них конические шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и промывочный узел (см. каталог ОАО Волгабурмаш «Буровые долота», 2007 г., стр. 28).
Недостатком этого долота является некачественная очистка забоя от шлама, что ведет к повторному измельчению шлама и повышенному износу вооружения шарошек.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее полый корпус, образованный лапами с наклонными цапфами, на которых установлены конические шарошки с косыми фрезерованными или литыми зубьями, и промывочный узел (см. патент РФ №2520974, кл. Ε21В 10/18, 2014 г.). РФ №2520656, кл. E21B 10/18, 2014 г.).
В данном долоте, благодаря выполнению шарошек с наклонными зубьями, обеспечивается более качественная очистка забоя от шлама. Однако это касается только непосредственно призабойной зоны. Что касается дальнейшего отвода шлама в затрубное пространство, этот вопрос в известном долоте не решен. Поэтому к основным недостаткам прототипа следует отнести несовершенство его промывочной системы, что связано в первую очередь с зашламованием полости между обратными конусами шарошек в их верхнем положении и нижними торцами лап, а также в отсутствии организованного отвода шлама выше шарошек в затрубное пространство. Все это ведет к снижению как проходки на долото, так и скорости бурения.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота за счет улучшения эффективности очистки забоя от шлама и отвода его в затрубное пространство.
Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем полый корпус, образованный лапами с наклонными цапфами, на которых установлены конические шарошки с косыми фрезерованными или литыми зубьями, и промывочный узел, согласно изобретению лапы долота выполнены с наклонными сквозными шламовыми каналами, соединяющими надшарошечную полость с затрубным пространством, промывочный узел оснащен эжекционными патрубками, выходные концы которых размещены в полости сквозных шламовых каналов, а входные концы - в полости корпуса, при этом угол наклона зубьев а по отношению к образующей шарошки и угол наклона шламового канала β по отношению к оси вращения долота связаны между собой соотношением α/β=(0,15÷0,85), где меньшее значение угла наклона шламового канала β соответствует большим значениям угла наклона зубьев α и скорости вращения долота.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен общий вид долота.
Буровое шарошечное долото содержит полый корпус 1, образованный соединенными между собой лапами с наклонными цапфами 2, на которых посредством подшипников установлены конические шарошки 3 с фрезерованными или литыми зубьями 4. Цапфы 2 лап параллельно смещены в плане относительно оси долота. У всех шарошек 3 зубья периферийных венцов 4 выполнены косыми, т.е. с наклоном к ее образующей под углом - α, равным 10°-35° с таким расчетом, чтобы суммарная составляющая их воздействия на гидравлическую среду была направлена от оси вращения долота к стенкам скважины, а шламовые каналы 5 в лапах выполнены под углом β к оси вращения долота, равным 40°-70°. При этом углы α и β связаны между собой следующим соотношением: α/β=(0,15÷0,85), где меньшие значения угла наклона шламового канала β соответствуют большим значениям угла наклона зубьев α и скорости вращения долота. Лапы долота выполнены со сквозными шламовыми каналами 5, выходная часть которых направлена в сторону устья скважины, а входная расположена в полости корпуса 1.
n
3
В процессе бурения основная часть промывочной жидкости, прокачиваемая через боковые гидромониторные узлы 10, расположенные на периферии долота, разрушают породу и разделяясь устремляется как в сторону стенок скважины и далее в межшарошечную полость 7, так и центральную часть долота. Другая часть промывочной жидкости через эжекционные патрубки 6 подается в полость сквозных каналов 5. При этом в существующих долотах часть шлама попадает в полость между обратными конусами 8 шарошек 3 и нижним торцом 9 корпуса 1, образуя шламовую пробку. Это в ряде случаев, особенно при бурении по глинистым породам, может привести к заклиниванию шарошек 3. Для исключения этого явления и более эффективного удаления шлама с забоя скважины в предложенном долоте используются шарошки 3 с определенным наклоном зубьев периферийных венцов 4, боковые грани которых создают усилие воздействия на гидравлическую среду - F, нормальная составляющая которого F направлена в сторону стенок скважины, а тангенциальная - F направлена вдоль межзубного пространства в сторону межшарошечной полости 7 и устья скважины. При этом суммарная осевая составляющая усилия одновременного механического воздействия всех косых зубьев 4 периферийных венцов на гидравлическую среду (шлам) забоя для каждой шарошки 3 должна быть направлена в сторону от центра к периферии. С целью увеличения этого эффекта в заявленном долоте используется эжекционный эффект, создаваемый патрубками 6 и стенками сквозных шламовых каналов 5, на выходной части которых создается зона разряжения и происходит отсос шлама из зон между обратными конусами 8 шарошек 3, стенками скважины и надшарошечного пространства.
Принцип работы бурового долота заключается в следующем. При вращении долота шарошки 3 перекатываются с одновременным проскальзыванием по поверхности забоя и разрушают породу под воздействием осевой нагрузки и крутящего момента. Выполнение долота с косыми зубьями 4 и снабжение его эжекционными приспособлениями для каждой лапы с шарошкой 3 способствует повышению эффективности разрушения горных пород с одной стороны за счет проскальзывания зубьев 4 относительно забоя, а с другой стороны - за счет организованного отвода шлама в затрубное пространство. Особенно это касается пластичных пород. Разрушенная порода, благодаря выполнению периферийных венцов шарошек 3 с зубьями 4, имеющими наклон относительно образующей шарошки 3 при выходе зубьев 4 из контакта с поверхностью забоя направляется в сторону периферии (направление движения потока показано на чертеже стрелками). Там она подхватывается промывочной жидкостью и наклонными зубьями 4, которые, выполняя функцию шнековых лопастей, подают обогащенную шламом промывочную жидкость через межшарошечную полость 7 в затрубное пространство и далее на поверхность. Этому способствует также создаваемый патрубками 6 эжекционный эффект. При этом, благодаря выполнению шарошек 3 с одинаковым наклоном основных рабочих поверхностей зубьев 4 для выноса шлама, исключается создание на забое турбулентных потоков, что в свою очередь гарантирует равномерное удаление шлама с забоя скважины и исключает образование шламовых пробок как во внутренней надшарошечной зоне долота, так и в зоне встречных потоков, образованных нисходящими струями гидромониторных насадок и основным восходящим потоком. Это позволяет существенно интенсифицировать процесс удаление разрушенной породы из зоны работы вооружения долота и избежать повторного измельчения шлама, тем самым уменьшить износ вооружения, а следовательно увеличить проходку на долото и повысить механическую скорость бурения.
Таким образом, предложенное долото благодаря более качественной очистке забоя от шлама позволяет повысить эффективность работы долота, а именно увеличить проходку на долото и механическую скорость бурения.