БУРОВОЙ ШАРОШЕЧНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому в бурении горизонтальных скважин, а именно к шарошечным долотам и расширителям.
Известен буровой инструмент: шарошечные долота и расширители, включающие шарошки с основным и периферийным вооружением [1] (аналог).
Породоразрушающий инструмент вооружен шарошками, оси, вращения которых пересекаются с осью инструмента [2] (прототип). Недостатком бурового шарошечного инструмента выбранного за прототип является то, что реакция от взаимодействия периферийного вооружения шарошек со стенками скважины не используется эффективно в том числе при дефиците нагрузки на забой в строительстве горизонтальных скважин.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности бурения горизонтальных скважин буровым шарошечным инструментом путем увеличения нагрузки на забой и усиления эффекта резания горной породы основным вооружением.
Указанная цель достигается тем, что в известном буровом шарошечном инструменте оси вращения шарошек выполнены параллельно смещенными в направлении противоположном направлению вращению инструмента (отрицательное смещение). Благодаря этому формирование стенки скважины производится снизу вверх с притормаживанием вращения шарошек, обеспечивающим усиление эффекта скольжения основного вооружения по забою и, соответственно, эффекта разрушения горной породы резанием, причем реакция от взаимодействия периферийного вооружения шарошек со стенками скважины направлена в забой, что существенно увеличивает уже заданную нагрузку с постоянным прижатием инструмента к забою.
На фиг.1 показано положение шарошек долота с отрицательным смещением их осей в скважине.
На фиг.2 представлено распределение сил, действующих на инструмент с отрицательным смещением осей шарошек при формировании стенок скважины. В координатах x, y (плоскость забоя S), z (ось вращения долота) размещена шарошка, образующая АБ которой принадлежит плоскости забоя S. Ось вращения шарошки смещена в плоскости S на 0Б, величиной e. Направление вращения долота показано
д
ш
1
1
1
стрелкой ω. Направление вращения шарошки-стрелкой ω. Точка А образующей конуса шарошки АБ лежит в плоскости забоя скважины. Точка А образующей конуса шарошки АБ принадлежит сформированной стенке скважины. Хорда АА - область расширения и калибровки ствола скважины, область формирования ее стенки.
На фиг.3 долото с отрицательным смещением осей шарошек.
На фиг.4 показан расширитель с отрицательным смещением осей шарошек.
На фиг.5 схема отрицательного смещения осей шарошек расширителя в плане.
д
Долото, включающее шарошки с отрицательным смещением осей е, вращается в скважине в направлении указанном стрелкой ω (фиг.1).
1
Анализ взаимодействия периферийных зубьев с породой показывает, что при нагружении долота, горная порода в области формирования стенки скважины у забоя разрушается боковыми поверхностями зубьев периферийного ряда. При отрицательном смещением осей (фиг.2) зубья движутся снизу вверх, разрушая породу в области формирования стенки скважины по хорде АА в том же направлении и определяя, таким образом, направление касательной составляющей реакции рассматриваемой области R сверху вниз.
1
Суммарная по хорде АА нормальная составляющая реакции формируемой стенки скважины N направлена против вращения шарошки. Момент N относительно оси вращения шарошки действует против хода ее вращения. Это хорошо видно, если на фиг.2 разложить N на силу, действующую вдоль образующей шарошки Q и перпендикулярно образующей P. Сила P противодействует вращению шарошки и притормаживая это вращение, обеспечивает усиление эффекта скольжения основного вооружения по забою и, соответственно, эффекта разрушения горной породы резанием.
1
Особого внимания заслуживает суммарная по АА касательная составляющая периферии R, направленная вертикально вниз. Эта сила создает дополнительную к уже заданной нагрузку на забой, неконтролируемую измерительной системой нагружающей системы буровой установки с постоянным прижатием инструмента к забою.
Значительно сложнее действие силы Q. Она увеличивается на величину реакции основного вооружения F, направленной от периферии к центру, существенно увеличивая N Увеличение Q на величину F способствует возрастанию «стаскивания» шарошки с лапы долота, что возможно компенсировать дополнительным замковым подшипником.
Выпущена малая промышленная партия долот с отрицательным смещением осей шарошек в диаметре 190,5 мм, условно, для пород средней твердости (фиг.3). При отработке долот они показали прирост скорости бурения 60-80% по сравнению с обычными серийными долотами. В конце отработки все долота были изношены по вооружению (стальное фрезерованное) на 100% с вполне удовлетворительным состоянием опоры.
Разработанный инструмент рациональнее использовать в пилотном варианте: долото-расширитель, где расширитель (фиг.4), вооруженный шарошками с отрицательным смещением осей (фиг.5), дополнительно увеличивает общую нагрузку, в том числе и на долото (фиг.З). Представленный буровой шарошечный инструмент целесообразно применять в бурении горизонтальных скважин при дефиците нагрузки, а также мелких вертикальных скважин, бурящихся с легких буровых станков без достаточного запаса утяжеленных бурильных труб.