ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО С ТВЕРДОСПЛАВНЫМ ВООРУЖЕНИЕМ
ROLLER BIT WITH HARD-ALLOY INSERTS

Изобретение относится к бурению скважин, а более конкретно к инструменту для бурения - шарошечным буровым долотам.
В течение многих лет проектировщики долот с твердосплавным вооружением шарошек искали форму породоразрушающих зубков, способную интенсивно разрушать поверхность забоя скважины и при этом минимально разрушаться сами.
Известны буровые шарошечные долота с твердосплавными породоразрушающими зубками со сферической породоразрушающей поверхностью [1]. Долота шарошечные с вооружением в виде таких зубков нашли самое широкое применение во всем мире. Преимуществом таких зубков было в том, что их износостойкость при бурении даже самых крепких пород является одной из самых высоких. Но с точки зрения породоразрушения эта форма зубков одна из самых неэффективных. Если под зубками клиновидной формы на забое, состоящем из пород от средних, средне-твердых и твердых при внедрении наблюдается образование трещины, являющейся как бы продолжением клина, то при внедрении сферы наблюдается при одинаковой осевой нагрузке образование минимальной по объему лунки разрушения и не образуется ориентированных вертикальных направленных трещин. В связи с этим для бурения средних, средне-твердых, твердых и даже твердокрепких пород были разработаны и нашли широкое применение долота, оснащенные клиновидными зубками, разрушающими эти породы более эффективно, чем сферические [2]. Шарошечные долота с таким вооружением шарошек с 1969 года также получили широкое распространение во всем мире, включая РФ (бывший СССР).
Наряду с вышеуказанными преимуществами клиновидного вооружения, к его недостаткам можно отнести недостаточную стойкость. Кроме того, при размещении на шарошках клиновидных зубков по образующим шарошек, на забое во время работы долота накатывается рейка, снижающая механическую скорость бурения и способствующая усиленному истиранию и поломкам клиновидных зубков.
С целью использования преимуществ вооружения шарошек в виде клиновидных зубков, было разработано и успешно внедрено в бурении долото с клиновидным разноориентированным вооружением [3], принятое в качестве аналога. В этом долоте клиновидные зубки располагались на венцах шарошек последовательно, с углом наклона клиновидных лезвийных кромок друг к другу, исчисляемым по формуле α=180°/n, где n - количество зубков на венце. Такое расположение лезвийных кромок изменило динамику разрушения забоя по сравнению с динамикой разрушения, осуществляемой вышеуказанными постоянно-ориентированными зубьями. Значительно уменьшились рейка на забое и перемычки между лунками внедрения. На забое появилось большое число не связанных друг с другом соседних мелких выступов и впадин. При воздействии на эти выступы поверхностей клина более полно использовались деформации сдвига, при которых потребное усилие разрушения многократно снижалось. Это способствовало повышению механической скорости бурения. Однако и при измененной схеме расположения лезвийных кромок стойкость их от износа и поломок была недостаточной.
Использование вышеуказанного положительного эффекта от воздействия разноориентированных клиновых лезвийных кромок на породу забоя, но при этом еще и повышение их стойкости от износа и поломок предполагалось в буровом шарошечном долоте с крестовидными зубками на венцах шарошек [4], также принятом за аналог. Наличие в этом долоте зубков с четырьмя сходящимися в одной точке лезвиями позволяло разделить забой на еще более мелкие выступы и впадины, возникающие при перекатывании и внедрении в породу забоя зубков после каждого нового оборота и облегчить их разрушения, но также и уменьшить нагрузку на каждое из четырех сходящихся лезвий за счет их количества.
Наряду с положительными свойствами у долот с крестовидными зубками, были и отрицательные. Наличие четырех лезвий на породоразрушающей поверхности привело к значительному снижению удельного давления на забой под лезвиями, поскольку поверхность их контакта по сравнению с клиновидными зубками возросла вдвое. Кроме того, порода, попадающая между близко расположенными соседними лезвиями при высоких осевых нагрузках на долото, оказывала на них расклинивающее действие. Зубок из твердого сплава, плохо сопротивляющегося при растяжении, вначале раскалывался по впадинам между лезвиями, а затем и оставшаяся часть полностью ломалась.
Известно другое шарошечное долото с твердосплавными вставными зубками [5], принятое за прототип. В этом долоте износостойкая вставка-зубок имеет коническую рабочую головку с пространственно разгруженными частями, сходящимися от основания головки к вершине и образующими на конической поверхности гребни. При этом разгруженные части могли образовываться криволинейными или плоскими поверхностями.
Количество гребней на конической поверхности представлено в виде крестовидной формы или в виде трех сходящихся лезвий у вершины конуса. Разгруженные части и гребни образуют режущие кромки. Положительным свойством этой формы является прочная вершина, представленная закругленной поверхностью, близкой к сферической.
Недостатки у прототипа следующие. Это малая лунка разрушения при единичном внедрении в породу забоя, вызванная затупленной закругленной формой вершины и отсутствием возможности создавать на забое сетку отдельных выступов и впадин, подобна аналогам.
В отличие от прототипа клиновидные лезвия зубков, упомянутые в описании аналога [4], благодаря своей форме - расположению лезвия практически перпендикулярно его оси, внедряются в породу всей своей длиной и оставляют разноориентированные пересекающиеся друг с другом следы, способствующие ускорению разрушения породы.
В прототипе гребни расположены на конической поверхности с углом при вершине. При глубине внедрения зубков за один оборот, исчисляемой в долях миллиметра, гребни, расположенные на конической поверхности, приподняты по отношению к мелко внедряемой вершине, практически не касаются поверхности забоя, а значит не разрушают его и не могут обеспечить динамики разрушения, обеспечиваемой аналогом [4].
Предлагаемое изобретение позволяет при использовании преимуществ аналогов и прототипа избежать их упомянутые недостатки.
Указанный эффект достигается следующим.
П
В лабораторных условиях на стенде, оснащенном записывающей аппаратурой, исследовались породоразрушающие свойства зубков с самой различной формой рабочей поверхности, от клиновидной с прямо- и криволинейной рабочей кромкой, с различной формой и величиной притупления, конической с плоской и закругленной вершиной и различным углом конуса, копытообразной, крестовидной, сферической и другой формы. Испытания проводились в идентичных условиях на подготовленных блоках твердой породы больших размеров, с нагрузками, превышающими прочность породы. Средний объем лунок от внедрения различных зубков был индивидуальным и значительно различался. Одним из самых низких средний объем лунок был у зубков со сферической рабочей поверхностью. У стандартных клиновидных зубков с криволинейным лезвием объем лунок по сравнению с лунками от внедрения зубков со сферической поверхностью был на 80% большим. Объем полученных от различных зубков лунок был принят в качестве критерия породоразрушения - К.
Д
Затем те же типы испытанных зубков были испытаны на циклическую стойкость от ударной нагрузки о стальную наковальню, имитирующую подвижный забой, с многочисленными циклами, каждый из которых был эквивалентным статическому нагружению при определении единичных объемов лунок разрушений. Относительная стойкость зубков вышеупомянутых различных форм до их разрушения колебалась в широких пределах (до 10 и более раз), что свидетельствовало о важности влияния на стойкость зубков отдельных элементов их формы и переходов поверхностей. Количество циклов до разрушения зубков было принято в качестве критерия динамической стойкости - К.
ОФ
ОФ
П
Д
Логично предположить, что критерий оптимальной формы К конкретного зубка должен быть близок произведению обоих вышеуказанных критериев: К=К×К.
Физический смысл критерия оптимальности формы заключается в «проходке» - объеме разрушенной породы зубком до разрушения его самого.
На базе указанных проведенных исследований предложено шарошечное долото с твердосплавным вооружением в виде зубков с тремя и четырьмя клиновидными лезвиями с размерами и элементами переходов, оптимальными и с точки зрения единичного породоразрушения при вдавливании зубка, и с точки зрения стойкости зубка от разрушения, и с точки зрения динамики разрушения породы на забое.
Это два вида зубков - с тремя и с четырьмя сходящимися клиновидными лезвиями, имеющие оптимальные пределы размеров параметров формы.
2
3
К таким параметрам относятся: угол заострения клиновидных лезвий α, угол наклона дна канавки между клиновидными лезвиями β, угол конуса наружной рабочей части зубка к его оси γ, радиус перехода между клиновидными лезвиями r, радиус перехода лезвия на боковую коническую поверхность r, радиус криволинейной вершины зубка R.
Эти параметры прямо зависят от величины диаметра зубка. Все они апробированы в лабораторных условиях и в бурении.
Каждый из этих параметров влияет или на снижение сопротивления внедрению и увеличение объема единичного выкола или на улучшение динамики разрушения породы и снижение возможности рейкообразования на забое или на прочностные свойства самого зубка.
В результате проведенных испытаний выявлено, что наилучшие показатели с точек зрения единичного породоразрушения, динамики работы на забое и с точки зрения стойкости от разрушения показало шарошечное долото с твердосплавным вооружением шарошек, содержащее корпус и подвижно закрепленные на цапфах лап шарошки, венцы которых армированы зубками со сходящимися лезвиями на породоразрушающей поверхности и с цилиндрическим хвостовиком, коническую присоединительную резьбу для присоединения к бурильной колонне, систему промывки забоя, у которого:
а) рабочая головка зубков выполнена с тремя клиновидными лезвиями, имеющими параметры в следующих пределах:
- углы заострения клиновидных лезвий α в интервале 81°≤α≤86,5°;
- углы наклона дна канавки между клиновидными лезвиями β
к оси зубка в интервале 37°≤β<40°;
- угол конуса наружной рабочей части зубка γ
к его оси в интервале 11°≤γ≤13°;
1
- радиус притупления клиновидных лезвий r
1
в соотношении к диаметру зубка d в интервале 0,08≤r/d≤0,10;
2
- радиус дна канавки на переходе между клиновидными лезвиями r
2
в соотношении к диаметру зубка d в интервале 0,09≤r/d≤0,12;
3
- радиус перехода лезвия на боковую коническую поверхность r
3
в соотношении к диаметру зубка d в интервале 0,12≤r/d≤0,16;
- радиус криволинейной вершины зубка R
в соотношении к диаметру зубка d в интервале 1,76≤R/d≤1,88.
б) рабочая головка зубков выполнена с четырьмя клиновидными лезвиями, имеющими параметры в следующих пределах:
1
1
- углы заострения клиновидных лезвий α в интервале 85°≤α≤92°;
1
- углы наклона дна канавки между клиновидными лезвиями β
1
к оси зубка в интервале 35°≤β≤36°;
1
- угол конуса наружной рабочей части зубка γ
1
к его оси в интервале 11°≤γ≤13°;
4
- радиус притупления клиновидных лезвий r
4
в отношении к диаметру зубка d в интервале 0,08≤r/d≤0,10;
5
- радиус дна канавки на переходе между клиновидными лезвиями r
5
в соотношении к диаметру зубка d в интервале 0,09<r/d<0,12;
6
- радиус перехода лезвия на боковую коническую поверхность r
6
в соотношении к диаметру зубка d в интервале 0,12≤r/d≤0,16;
- радиус криволинейной вершины зубка R
в соотношении к диаметру зубка d в интервале 1,76≤R/d≤1,88.
Перечень и описание фигур чертежей
На фигурах 1, 2 и 3 представлены три проекции зубка с тремя клиновидными лезвиями.
На фигурах 4, 5 и 6 представлены сечения с обозначениями основных конструктивных параметров этого зубка.
На фигуре 7 представлена 3D модель этого зубка.
На фигурах 8 и 9 представлены две проекции зубка с четырьмя клиновидными лезвиями.
На фигурах 10, 11, 12 и 13 представлены сечения с обозначениями основных конструктивных параметров этого зубка.
На фигуре 14 представлена 3D модель этого зубка.
На фигуре 15 представлена фотография следов от работы по стальному забою шарошечного долота ⌀ 215,9 мм, шарошки которого оснащены зубками с тремя клиновидными лезвиями.
На фигуре 16 представлена фотография следов от работы по стальному забою такого же шарошечного долота, шарошки которого оснащены зубками с четырьмя клиновидными лезвиями.
1
2
3
На фигурах 1, 2 и 3 позициями обозначены: 1 - рабочая головка с тремя клиновидными лезвиями, 2 - цилиндрический хвостовик, 3 - лезвие, 4 - пространство между лезвиями, γ - угол конуса на рабочей части зубка, R - радиус криволинейной вершины зубка, d - диаметр зубка; буквами А-А, Б-Б, В-В обозначены плоскости сечений, представленных на фигурах 4, 5 и 6; α - угол заострения клиновидных лезвий, β - угол наклона дна канавки между клиновидными лезвиями к оси зубка, r - радиус притупления клиновидных лезвий, r - радиус дна канавки на переходе между лезвиями, r - радиус перехода лезвия на боковую коническую поверхность.
1
1
1
4
5
6
На фигурах 8 и 9 позициями обозначены: 5 - рабочая головка с четырьмя клиновидными лезвиями, 6 - цилиндрический хвостовик, 7 - лезвие, 8 - пространство между лезвиями, γ - угол конуса на рабочей части зубка, R - радиус криволинейной вершины зубка, d - диаметр зубка; буквами А-А, Б-Б, В-В и Г-Г обозначены плоскости сечений, представленных на фигурах 9, 10, 11, 12 и 13; α - угол заострения клиновидных лезвий, β - угол наклона дна канавки между клиновидными лезвиями к оси зубка, r - радиус притупления клиновидных лезвий, r - радиус дна канавки на переходе между лезвиями, r - радиус перехода лезвия на боковую коническую поверхность.
При сравнении характера перекрытия забоя, показанного на фигурах 15 и 16, можно отметить, что на забое, где показаны следы от работы долота, шарошки которого оснащены зубками с четырьмя клиновидными лезвиями (фигура 16), размеры соседних участков забоя значительно мельче, чем на следах фигуры 15, а значит, легче разрушаются, дополнительно увеличивая механическую скорость бурения.
Предлагаемое долото работает следующим образом. При бурении на долото передается осевая нагрузка и крутящий момент. В процессе перекатывания шарошек по забою скважины, твердосплавные зубки, запрессованные в тело шарошек без какой-либо ориентации клиновидных лезвий относительно образующих шарошки или друг относительно друга создают на забое сеть мелких следов от лезвий, пересекающихся друг с другом. В местах пересечения лезвий под острыми углами создаются благоприятные условия для деформаций сдвига мелких разрозненных выступов в сторону свободного пространства. При этом сами зубки в условиях сильно уменьшенной рейки на забое работают в более легких условиях и кратно меньше изнашиваются и ломаются.
Источники информации
1. Патент США №2687875 от 31.08.1954 г., кл. 255-346 «Скважинное бурение».
2. Патент США №3442342 от 06.05.1969 г., кл. E21B 9/08 «Шарошечное долото с клиновидными зубками».
3. Авторское свидетельство №446618 от 25.10.1974 г., кл. E21B 9/10 «Буровое шарошечное долото».
4. Авторское свидетельство №265031 от 16.04.1970 г., кл. E21B 9/08 «Буровое шарошечное долото».
5. Патент США №3388757 от 18.07.1967 г., кл. E21B 9/08 «Твердосплавные вставные зубки для буровых долот».