БУРОВОЕ ТРЕХШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
BORE BIT WITH THREE ROLLER CUTTERS

Изобретение относится к породоразрушающему буровому инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам для бурения наклонных и горизонтальных скважин.
Известно буровое долото, содержащее шарошки, установленные на цапфах лап, и твердосплавные зубки, установленные на внутренних и периферийных венцах шарошек. Одна из шарошек оснащена однорядным периферийным венцом, а две другие - двухрядными периферийными венцами, в рядах которых зубки расположены в шахматном порядке. Обратные конусы шарошек и спинки лап оснащены твердосплавными зубками (Каталог буровых долот ОАО "Волгабурмаш-Самара": "Волгабурмаш" - 2003. - С.28).
Недостатками долота являются низкая фрезерующая способность периферийного вооружения по отношению к стенке скважины и высокая вероятность образования рейки под периферийными венцами и особенно под ближайшими к ним предпериферийным рядами двухрядных венцов, т.к. эти венцы имеют наибольший радиус и шаг зубков в рядах и являются ведущими по отношению к центральным венцам. Гладкая поверхность обратных конусов обусловливает большую контактную поверхность их со стенкой скважины и затрудняет проход промывочной жидкости между обратным конусом и стенкой скважины.
Эти недостатки приводят к неэффективному разрушению периферийной части забоя скважины, затрудняют управление кривизной при бурении наклонных и горизонтальных скважин, повышают энергоемкость разрушения горной породы периферии скважины и приводят к образованию температурных трещин и к тепловому изнашиванию калибрующего скважину твердосплавного вооружения (Шарошечные долота: Международный транслятор справочник / Серия "Нефтегазовая техника и технология" // Под ред. В.Я.Кершенбаума и А.В.Торгашова. - М.: АНО "Технонефтегаз", 2000. - С.199-200).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является буровое трехшарошечное долото, включающее установленные на цапфах лап шарошки, твердосплавные зубки, установленные на центральных и периферийных венцах шарошек, одна из которых оснащена однорядным периферийным венцом, вторая - двухрядным периферийным венцом с шахматным расположением зубков периферийного и предпериферийного рядов и третья - двухрядным периферийным венцом с размещением шахматно расположенных зубков группами, каждая из которых начинается и заканчивается зубком предпериферийного ряда, в результате чего смежные зубки групп образуют пары с минимальным шагом (а. с. №1627643 СССР, МКИ Е21В 10/16. Буровое трехшарошечное долото / А.Н.Попов, Б.Н.Трушкин, А.В.Торгашов и др. // Изобретения. - 1991. - Бюл. №6) (Прототип).
Недостатком прототипа является то, что шарошки, как и у аналога, выполнены с гладкими обратными конусами. Это при бурении наклонных и горизонтальных скважин с управлением кривизной обусловливает повышенные нагрузки на обратные конусы шарошек и их замковые подшипники и создает условия для теплового изнашивания калибрующего скважину вооружения шарошек и образования температурных трещин, а также для сальникообразования на долотах. Последнее повышает их прихватоопасность по сравнению с долотами, оснащенными алмазно-твердосплавными режущими элементами.
Этот вывод был сделан при анализе причин сальникообразования на шарошечных долотах. Для этого были изучены кавернограммы скважин с большими углами искривления. Фрагмент кавернограммы скважины, пробуренной в Западной Сибири, приведен на фиг.1, на которой ряд 1 соответствует номинальному радиусу скважины, пробуренной долотом диаметром 215,9 мм, ряды 2 и 3 - фактические радиусы скважины, измеренные в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В этом интервале зенитный угол изменялся от 61 до 74°. Из фиг.1 видно, что значительная часть интервала имеет радиус скважины на 1…3 мм меньше номинала. Это уменьшение является следствием как образования фильтрационной корки, так и деформирования ствола скважины. Положение шарошки долота типа С в деформирующемся стволе показано на фиг.2. При деформировании стенки 1 скважины уменьшается просвет скважины над долотом и соответственно часть шарошки 2 перекрывается стенкой. На фиг.2 показано смещение стенки в результате деформирования на 1, 2 и 3 мм. При смещении на 1 мм перекрытие каждой шарошки составит около 43°, при смещении на 2 мм - около 51° и при перекрытии на 3 мм - около 57°, что составит соответственно 35, 42 и 48% от длины окружности скважины. При подъеме долота эти части стенки скважины срезаются шарошками с образованием сальника на долоте. А при значительном сопротивлении срезу породы долото может быть заклинено в скважине.
Изобретение решает техническую задачу повышения долговечности трехшарошечного долота в условиях бурения с управлением кривизной и уменьшения его прихватоопасности в наклонных и горизонтальных скважинах.
Указанная задача решается тем, что в буровом трехшарошечном долоте, включающем установленные на цапфах лап шарошки, твердосплавные зубки, установленные на центральных и периферийных венцах шарошек, одна из которых оснащена однорядным периферийным венцом, вторая - двухрядным периферийным венцом с шахматным расположением зубков периферийного и предпериферийного рядов и третья - двухрядным периферийным венцом с размещением шахматно расположенных зубков группами, каждая из которых начинается и заканчивается зубком предпериферийного ряда, в результате чего смежные зубки этого ряда образуют пары с минимальным шагом, согласно изобретению на обратных конусах шарошек в свету зубков периферийных рядов выполнены сквозные пазы глубиной не менее величины завеса шарошек относительно лап с постоянным по длине трапецеидальным расширяющимся к поверхности обратного конуса сечением и шириной пазов на первой и второй шарошках и против групп зубков третьей шарошки, равной расстоянию в свету между основаниями головок зубков периферийного ряда, а против попарно расположенных зубков предпериферийного ряда выполнено два паза, причем один из пазов в два раза уже другого, при этом пазы на всех шарошках выполнены так, что их продольные оси параллельны плоскостям, проходящим через оси вращения шарошек, и смещены относительно этих плоскостей в направлении, противоположном направлению вращения шарошек, на величину
к
где у - расстояние в плане от поперечной оси долота, параллельной оси шарошки, до точки касания окружности основания обратного конуса шарошки с окружностью радиусом, равным радиусу долота; к - смещение оси шарошки в плане относительно поперечной оси долота.
п
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое долото отличается от него тем, что на обратных конусах шарошек в свету зубков периферийных рядов выполнены сквозные пазы глубиной не менее величины завеса шарошек относительно лап с постоянным по длине трапецеидальным расширяющимся к поверхности обратного конуса сечением и шириной пазов на первой и второй шарошках и против групп зубков третьей шарошки, равной расстоянию в свету между основаниями головок зубков периферийного ряда, а против попарно расположенных зубков предпериферийного ряда выполнено два паза, причем один из пазов в два раза уже другого, при этом пазы на всех шарошках выполнены так, что их продольные оси параллельны плоскостям, проходящим через оси вращения шарошек, и смещены относительно этих плоскостей в направлении, противоположном направлению вращения шарошек, на величину у:
п
к
У=(у-k)/2,
к
где у - расстояние в плане от поперечной оси долота, параллельной оси шарошки, до точки касания основания обратного конуса шарошки с окружностью радиусом, равным радиусу долота; k - смещение оси шарошки в плане относительно поперечной оси долота.
з
Предлагаемое буровое трехшарошечное долото в разрезе показано на фиг.3. Оно содержит лапы 1, на цапфах которых установлены шарошки 2. Вооружение первой шарошки включает однорядный периферийный венец твердосплавных зубков 3, а двух других шарошек - двухрядные периферийные венцы, состоящие из зубков периферийного ряда 4 и предпериферийного ряда 5. На обратных конусах шарошек установлены твердосплавные вставки 6 и выполнены сквозные пазы 7, глубина h которых не менее величины завеса шарошек х.
п
Положение периферийной части шарошки 2 относительно стенки скважины 8 показано на фиг.4. На обратном конусе шарошки показана твердосплавная вставка 6 и паз 7. Остальные пазы показаны пунктирными линиями 9. Продольные оси пазов в момент их расположения в плоскости, проходящей через ось вращения шарошки и образующую стенки скважины, имеют смещение в направлении вращения долота на величину у, вычисленную по формуле (1).
п
На фиг.5, 6 и 7 показаны виды всех трех шарошек со стороны обратных конусов. Номера шарошек условные. Первая шарошка 2 (см. фиг.5) оснащена однорядным венцом зубков 3 с минимальным шагом для конкретного типоразмера долота. На обратном конусе выполнены пазы 7. Ширина этих пазов соответствует расстоянию между основаниями головок зубков 3. Вторая шарошка 2 (см. фиг.6) оснащена двухрядным венцом расположенных в шахматном порядке зубков 4 периферийного ряда и зубков 5 предпериферийного ряда. Большое расстояние между основаниями головок зубков 4 первого ряда обусловило соответствующую ширину пазов 7 на этой шарошке. Третья шарошка 2 (см. фиг.7), как и вторая, оснащена двухрядным периферийным венцом, но зубки в нем расположены группами. В пределах группы зубки размещены в шахматном порядке. Каждая группа начинается и заканчивается зубком предпериферийного ряда, например зубками 5 и 10, т.е. зубки 5 и 10 образуют пару зубков с минимальным шагом в предпериферийном ряду. В пределах группы ширина пазов 12 соответствует расстоянию между основаниями зубков периферийного ряда, как и на второй шарошке. Против парных зубков выполнено два паза: один паз 12 шириной, соответствующей диаметру зубка 5, а второй паз 13 - радиусу смежного зубка 10, что обеспечивает установку твердосплавной вставки 6 на этой части обратного конуса. Продольные оси всех пазов представляют собой касательные к окружности радиусом у так, чтобы их смещение было направлено в направлении, обратном направлению вращения шарошки. Выступы между пазами на обратных конусах всех шарошек оснащены твердосплавными вставками 6.
Долото работает следующим образом. В процессе бурения шарошки 2 катятся по забою, разрушая горную породу (см. фиг.3 и 4). Зубки 3 и 4 периферийных рядов и вставки 6 обратных конусов шарошки формируют (калибруют) стенку скважины 8. Промывочная жидкость проходит между зубками и по пазам 7, охлаждая калибрующее вооружение и предупреждая его тепловое изнашивание. При управлении кривизной благодаря наличию пазов на поверхности обратного конуса требуется меньшая поперечная нагрузка на шарошки по сравнению с серийными долотами и соответственно уменьшается нагрузка на замковые подшипники шарошек. Все это повышает долговечность долота. При смещении стенки скважины над долотом наличие пазов кратно уменьшает перекрытие шарошек стенкой и сопротивление подъему долота. Выступы на обратных конусах шарошек, оснащенные твердосплавными вставками 6, при вращении поднимаемого долота способны расширять скважину над долотом, предупреждая его заклинивание. Групповое размещение периферийного вооружения и пазов на одной из шарошек, а также выполнение пазов разной ширины обеспечивает предупреждение рейкообразования на забое и выступов на стенках скважины.
Выполнение вооружения шарошек в соответствии с предложенным техническим решением позволит существенно повысить долговечность долот и снизить их прихватоопасность при наклонном и горизонтальном бурении, что обеспечит широкое применение изобретения при бурении скважин.