Долото для реактивно-турбинного бурения
BORING BIT FOR REACTIVE TURBODRILLING

Изобретение относится к области бурения скважин большого диаметра, а именно к долотам для реактивно-турбинного бурения шарошечного типа.
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 геометрии зубчатого вооружения, приводящие к росту стоимости метра проходки.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является долото для реактивно-турбинного бурения, содержащее корпус, лапы с наклонными цапфами, закрепленные на них шарошки с калибрующими, основными и вершинными зубьями и промывочную систему (см. патент РФ №2090733, кл. Е21В 10/16, 1997 г.).
Недостатком данного долота является малая эффективность его работы. Это связано с тем, что конструкция указанных долот не в полной мере учитывает особенности работы инструмента 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 эффективности работы долота, а именно проходки и механической скорости бурения.
Указанный технический результат достигается тем, что в долоте для реактивно-турбинного бурения, содержащем корпус, лапы с наклонными цапфами, закрепленные на них шарошки с калибрующими, основными и вершинными зубьями и промывочную систему, согласно изобретению каждая шарошка долота представляет собой одноконусную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата, при этом торцевые грани калибрующих, основных и вершинных зубьев выполнены вогнутой формы, с радиусами кривизны:  (значки 1 и 2 относятся соответственно к внутренним и наружным радиусам, а буквы К, О и Β - соответственно к калибрующим, основным и вершинным венцам шарошек), соотношение которых со стороны вершины шарошки должно удовлетворять условию , при , а со стороны основания шарошки - удовлетворять условию , при .
Такое выполнение геометрии вооружения долота позволяет существенно повысить разрушающую способность зубьев в направлении максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид долота большого диаметра для реактивно-турбинного бурения; на фиг. 2 изображена принципиальная схема движения шарошек при реактивно-турбинном бурении в момент их максимального проскальзывания по забою, связанного с вращением агрегата; на фиг. 3 - схема выполнения торцевых поверхностей зубьев шарошки.
Долото для реактивно-турбинного бурения включает корпус 1 с промывочной системой, образованной каналами 4 и лапами 2, на цапфах которых установлены шарошки 3 с вершинными 7, основными 6 и периферийными венцами 5. Внутренние 12 и наружные торцевые грани 11 зубьев выполнены с определенными радиусами кривизны. Каждая шарошка 3 долота представляет собой одноконусную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата.
Принцип работы долота заключается в следующем.
D
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, зубья шарошек 3 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 10, причем как вдоль оси шарошек, так и в перпендикулярном направлении.
A
III
На фиг. 2 представлена принципиальная схема движения вооружения шарошки в момент ее «перекатывания» 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).
Поэтому при «перекатывании» шарошки долота по забою в точках А и В происходит максимальное проскальзывание зубьев вооружения в направлении вращения агрегата реактивно-турбинного бурения на величину Δ, т.е. точка А перемещается в А’, а точка В перемещается в В’. Характерной особенностью этого проскальзывания является то, что зубья вооружения шарошки скользят в направлении не их основных рабочих поверхностей, т.е. набегающей или сбегающей граней зубьев, а в перпендикулярной им плоскости. Таким образом, в точках А к В основное разрушение породы забоя, связанное с проскальзыванием вооружения, осуществляется либо торцевыми поверхностями зубьев, обращенными к основанию шарошки 11 и ее тыльным конусом, либо торцевыми поверхностями зубьев 12, обращенными к вершине шарошки. В связи с этим при бурении мягких пород необходимо уменьшить передний угол резания торцевых поверхностей зубьев вооружения шарошки, принимающих максимальное участие в разрушении породы плоского забоя.
Максимальную эффективность работы стального армированного зубчатого вооружения в условиях реактивно-турбинного бурения мягких пород можно обеспечить придав определенную геометрию торцевым поверхностям зубьев различных венцов вооружения (см. фиг. 3). Это связано с тем, что в момент максимального проскальзывания вооружения, связанного с вращением агрегата, большая часть работы по разрушению плоского забоя 10 осуществляется торцевыми поверхностями зубьев 5 калибрующего конуса шарошки, чуть меньшая торцевыми поверхностями зубьев 6 основного ряда и незначительная часть теми же поверхностями зубьев вершинного ряда 7. С целью снижения неравномерности нагрузки на все торцевые поверхности зубьев всех рядов вооружения необходимо создать различные передние углы резания для всех торцевых поверхностей. Это достигается путем выполнения зубьев вогнутой формы с радиусами кривизны со стороны вершины шарошки, удовлетворяющими условию , при , а со стороны основания шарошки радиусы кривизны должны удовлетворять условию , при .
При выполнении указанных требований, помимо улучшения условий резания мягких пород, будет обеспечиваться частичное выравнивание нагрузки на зубья всех венцов вооружения шарошки.
Выполнение этого условия позволит максимально использовать работу внешних торцевых граней всех без исключения зубьев, одновременно находящихся в соприкосновении с поверхностью забоя при проскальзывании вооружения шарошек, связанном с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения.
Вооружение основных венцов 6 может изготавливаться как в прямозубом, так и косозубом исполнении. Основные защищаемые признаки изобретения могу применяться для вооружения шарошечного бурового инструмента с любым количеством шарошек и с любым видом вооружения.
Таким образом, применение предложенного долота позволит повысить эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения за счет увеличения разрушающей способности вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы, что конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость и снизить стоимость буровых работ.