БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО
ROCK DRILL BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам, преимущественно для разбуривания мягких пород и пород средней твердости.
Известно буровое трехшарошечное долото, включающее корпус, конусные шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и боковые промывочные узлы со сменными насадками (см. Масленников И.К. Буровой инструмент. - М.: Недра, 1989 г., с.141-142, рис.2.1.63).
Недостатком этого долота является низкая скорость бурения, связанная с нерациональной схемой расположения вооружения шарошек.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами со смещенными в плане осями, установленные на них шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и размещенные в каналах корпуса промывочные узлы (см. авт.св. СССР №1691499, кл. E21B 10/18, 1991 г.).
К недостаткам данного долота следует отнести сравнительно высокую энергоемкость процесса разрушения породы из-за повторного измельчения разрушенной породы и нерациональной схемы размещения вооружения. Это связано с тем, что при существующей схеме расположения зубьев вдоль образующей конуса шарошки шлам многократно подвергается повторному измельчению вооружением шарошек, что снижает, с одной стороны, скорость бурения, а с другой - увеличивает износ и самих зубьев. В первую очередь, это касается периферийных зубьев, что объясняется как повторным измельчением разрушенного шлама, так и породы, осыпающейся со стенок скважины. При этом вооружение венцов изнашивается не одинаково, а площадь поражения забоя проскальзывающим вооружением минимизирована. В то же время известно, что для достижения равной стойкости вооружения долот необходимо обеспечить одинаковое удельное скольжение для всех венцов шарошек. Еще одним недостатком прототипа является вероятность образования рейки при бурении по породам средней твердости. Все указанные недостатки негативно влияют на эффективность работы долота.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота за счет интенсификации процесса разрушения породы на забое скважины путем оптимизации геометрии вооружения, обеспечение равной его стойкости, снижение энергоемкости процесса бурения и уменьшение вероятности образования забойной рейки.
Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем лапы с наклонными цапфами со смещенными в плане осями, установленные на них шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и промывочные узлы, согласно изобретению венцы шарошек, подверженные осевому и радиальному проскальзыванию, выполнены с косыми зубьями, причем косые зубья на каждом венце наклонены к оси цапфы таким образом, чтобы их боковые поверхности располагались под углом 90°±40° к направлению вектора суммарной скорости скольжения зуба по забою, а венцы, подверженные только осевому проскальзыванию, могут иметь как прямозубое вооружение, рабочие поверхности которых расположены под углом 90°±10° к оси шарошки, так и косозубое вооружение, аналогичное одному из соседних венцов.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид долота, на фиг.2 - схема движения гладкой многоконусной шарошки со смещенной в плане осью, на фиг.3 - схема поражения забоя зубчатыми элементами прямозубого и косозубого вооружения шарошек со смещенными в плане осями; на фиг.4 - схема поражения забоя единичным элементом прямозубого и косозубого вооружения шарошки в увеличенном масштабе.
Буровое шарошечное долото содержит лапы 1 с наклонными в вертикальной плоскости и параллельно смещенными в плане цапфами 2, на которых посредством подшипников 3, один из которых замковый, установлены конические шарошки 4 с фрезерованными или литыми зубьями 5, и промывочные узлы 6, размещенные, как правило, между шарошками 4 в каналах корпуса, образованного сваренными между собой лапами 1. Шарошки 4 долота со смещенными в плане осями в процессе работы подвергаются как осевому, так и радиальному проскальзыванию, которые определяют величину скольжения зубьев каждого из венцов шарошки, а следовательно и величину износа зубьев 5. Причем часть венцов подвергается только осевому проскальзыванию. Это ведет к тому, что вооружение венцов изнашивается не одинаково, а для достижения равной стойкости вооружения таких долот необходимо обеспечить, чтобы все венцы шарошек имели одинаковое удельное скольжение. Для достижения этого в предложенном долоте венцы шарошек, подверженные осевому и радиальному проскальзыванию, выполнены с косыми зубьями, причем косые зубья на каждом венце наклонены к оси цапфы таким образом, чтобы их боковые поверхности располагались под углом 90°±40° к направлению вектора суммарной скорости скольжения зуба по забою. Оптимальное значение этого угла равняется 90°. При этом венцы, подверженные только осевому проскальзыванию, могут иметь как прямозубое вооружение, рабочие поверхности которых расположены под углом 90°±10° к оси шарошки 4, так и косозубое вооружение, аналогичное одному из соседних венцов.
<mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow /></msqrt><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><mi>Ψ</mi><mo>=</mo><mi>a</mi><mi>r</mi><mi>c</mi><mi>t</mi><mi>g</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow><mo>'</mo></msubsup><mo>/</mo><msubsup><mi>V</mi><mrow><mi>C</mi><mi>K</mi></mrow><mrow><mo>'</mo><mo>'</mo></mrow></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>i</mi><mi>r</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mi>e</mi></mrow>
Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы шарошек 4 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. Благодаря выполнению венцов шарошек 4, испытывающих осевое и радиальное проскальзывание, с косыми зубьями и расположению их боковых поверхностей, преимущественно, перпендикулярно к направлению вектора суммарной скорости скольжения зуба по забою, обеспечивается разрушение породы резанием, являющимся наиболее эффективным для разрушения мягких пород и пород средней твердости. Повышению эффективности разрушения породы способствует также и то, что венцы, испытывающие только осевое проскальзывание, изготавливаются с прямозубым вооружением, рабочие поверхности которых расположены под углом 90°±10° к оси шарошки 4, или же с косозубым вооружением, конструкция которого аналогична конструкции одного из соседних венцов. Как следует из фиг.2, точки Е, М, N, Н образующей шарошки, контактирующие с забоем, совершают при относительном и переносном вращении сложное движение, вращаясь вокруг оси долота и шарошки, при этом суммарную скорость скольжения по забою для каждой из точек Е, М, N, Н определяют по формуле:
, где
и
- поперечная и продольная составляющая скорости скольжения в каждой из этих точек, a Ψ - угол между вектором суммарной скорости скольжения и образующей шарошки определяют по формуле:
,
где r и R - соответственно радиусы относительного и переносного движения точек, контактирующих с забоем скважины,
е - величина смещения осей шарошки относительно оси вращения долота;
i - передаточное отношение скоростей вращения шарошки и долота (см. фиг.2).
Определив величины и направления проскальзывания зубьев по забою, можно геометрически определить площадь поражения забоя зубчатыми элементами вооружения в момент их соприкосновения с породой. На фиг.3 показана схема одномоментного проскальзывания режущих элементов шарошки с прямозубым (стандартным) вооружением. В точках Е, М и Н следы зубьев представляют собой ромбические поверхности, а в точке N - прямоугольную. Чтобы увеличить площадь поражения забоя резанием, не меняя при этом ширину и количество венцов, необходимо развернуть зубья таким образом, чтобы их основные грани были перпендикулярны направлению проскальзывания (фиг.3). Чтобы оценить прирост площади поражения косозубого вооружения по отношению к прямозубому достаточно определить разницу площадей ромба и прямоугольника (фиг.2). Исходя из чертежа (см. фиг.2 и 3) можно определить, что:
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>П</mi></msub><mo>=</mo><mi>l</mi><mi>h</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mi>Δ</mi><mi>sin</mi><mi>Ψ</mi></mrow>
;
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>К</mi></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mi>Δ</mi><mi>sin</mi><mi>Ψ</mi></mrow>
,
П
где S - площадь поражения забоя прямозубым вооружением;
К
S - площадь поражения забоя косозубым вооружением;
Ψ - угол между вектором суммарной скорости скольжения и образующей шарошки;
L - длина площадки притупления косозубого вооружения;
l - длина площадки притупления прямозубого вооружения
Δ - величина проскальзывания;
h - высота ромба площади поражения забоя прямозубого вооружения.
Тогда их соотношение будет выглядеть следующим образом:
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>К</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>S</mi><mi>П</mi></msub><mo>/</mo><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>2</mn></msup><mi>Ψ</mi></mrow>
.
Таким образом, чем меньше угол наклона вектора результирующей скорости скольжения к оси вращения шарошки, тем больше увеличение площади поражения забоя косозубым вооружением по отношению к прямозубому.
В точке N, где скорость проскальзывания направлена к центру вдоль оси шарошки, преимущество косозубого вооружения становится наиболее очевидным, так как поражение забоя прямозубым вооружением осуществляется не одной из основных граней, а только узкой торцевой поверхностью зуба. Наибольшее увеличение площади поражения забоя косозубым вооружением по отношению к прямозубому в этой точке будет достигаться при перпендикулярном расположении зуба к оси вращения шарошки.
Таким образом, применение предложенного долота благодаря оптимальной схеме вооружения шарошек позволит повысить проходку и скорость бурения и тем самым снизить себестоимость буровых работ.