Многоярусное долото режущего типа
Владельцы патента RU 2310732:
Третьяк Александр Яковлевич (RU)
Асеева Анна Евгеньевна (RU)
Чихоткин Виктор Федорович (RU)
Литкевич Юрий Федорович (RU)
Изобретение относится к области бурения скважин. Позволяет увеличить износостойкость инструмента, его наработку и скорость бурения при сохранении вертикальности ствола скважины. Долото включает корпус, состоящий из конусообразных ярусов, количеством не менее двух, выполненных в виде независимых тел вращения, расположенных соосно. Режущие перья ярусов, имеющие наклонные передние грани, оснащены высокостойкими режущими элементами, образующими в проекции на продольную плоскость ломаные линии. 7 ил.
Изобретение относится к области бурения скважин долотами режущего типа и может найти применение в горнодобывающей и нефтегазовой отраслях при бурении скважин различного назначения. Многоярусное долото режущего типа предназначено для бурения скважин роторным способом с помощью забойных двигателей в породах выше средней крепости и крепких.
Известны резцовые долота и коронки как со сплошной, так и с прерывистой режущей кромкой (см. Р.Ю.Подэрни. Горные машины и комплексы для открытых работ. - М.: «Недра», 1985. С.60-65), предназначенные для бурения скважин диаметром до 160 мм в породах мягких и средней крепости с коэффициентом крепости f=2-6 по шкале проф. М.М.Протодьяконова (ЗРД-215, 1РД-224, ДР160Ш, НПИ6-160 и др.). Их основным достоинством является высокая скорость бурения, превышающая в 2-3 раза скорость бурения шарошечными долотами. Принимаем их в качестве аналога.
Недостаток: при бурении абразивных пород происходит быстрый износ периферийных режущих элементов, установленных на удалении от оси вращения, где резко возрастают путь и скорость резания.
Известен также резец для вращательного бурения шпуров и скважин РБК-42 (см. авторское свидетельство №1686114, кл. Е21B 10/46 от 30 июня 1991 года), армированный алмазно-твердосплавными пластинами (АТП), принятый нами в качестве прототипа. Резец РБК-42 способен пробурить скважину глубиной 200 м в породе с f=8-12 по шкале проф. М.М.Протодьяконова со средней скоростью 0,75-1 м/мин при частоте вращения n=160-200 об/мин и подаче S=5 мм/об. Скорость резания режущими элементами, наиболее удаленными от оси вращения, не превышает критических значений, при которых начинается катастрофический износ армирующих элементов.
Недостаток: невозможность бурения крепких пород с высокой скоростью, частотой и подачей скважин большого диаметра (более 100 мм).
Задачей изобретения является повышение износостойкости, наработки и механической скорости бурения по породам выше средней крепости и крепким за счет того, что многоярусное долото режущего типа включает корпус с режущими перьями, имеющими наклонные передние грани, оснащенные высокостойкими режущими элементами, образующими в проекции на продольную плоскость ломаные линии, причем корпус состоит из конусообразных ярусов количеством не менее двух, выполненных в виде независимых тел вращения, расположенных соосно, с возможностью вращения в одну или противоположные стороны с частотами вращения, при которых скорости резания режущих элементов, наиболее удаленных от оси вращения, равны или максимально приближены к критическим значениям скоростей, но не превышают их.
Исследования проводились на песчанике с контактной прочностью 1776 МПа при усилиях подачи от 8 до 28 кН с частотами вращения 90, 155, 280 и 435 об/мин (см. Ю.Ф.Литкевич. Исследование подачи, скорости бурения и коэффициента полезного действия при вращательном бурении шпуров. Новые технологии управления движением технических объектов: Сб. стат. по матер. 6-й междунар. науч.-тех. конф. Новочеркасск, 17-19 дек. 2003 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. - Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2003. - Вып.4 - С.59-65). Аналогичные результаты были получены и при бурении пород с контактной прочностью Рк=960 и 1270 МПа.
Анализ зависимостей показывает, что при бурении крепких пород при постоянном значении усилия подачи во всем диапазоне рабочих частот скорость бурения остается величиной постоянной, не зависящей от частоты вращения резцов. Это позволяет создать буровой инструмент, на одной оси которого могут находиться режущие элементы, вращающиеся с различной частотой.
Сущность изобретения на примере двухъярусного долота поясняется фиг.1; 2; 3; 4; 5; 6.
На фиг.1 представлены зависимости подачи инструмента S от усилия подачи Р и чистоты вращения n.
На фиг.2 представлено долото со встречным вращением ярусов, вид спереди.
На фиг.3 представлено долото со встречным вращением ярусов, вид сбоку.
На фиг.4 представлено долото со встречным вращением ярусов, вид сверху.
На фиг.5 представлено долото с попутным вращением ярусов, вид спереди.
На фиг.6 представлено долото с попутным вращением ярусов, вид сбоку.
На фиг.7 представлено долото с попутным вращением ярусов, вид сверху.
Многоярусное долото режущего типа включает корпус 1 с режущими перьями 2 и 3, имеющими наклонные передние грани, оснащенные высокостойкими режущими элементами 4, 4', 4'' и 5, 5', 5'', образующими в проекции на продольную плоскость I-I ломаные линии. На корпус 1 опираются конусообразные ярусы 6, 7, выполненные в виде независимых тел вращения и расположенные соосно с возможностью вращения в одну или противоположные стороны с частотами вращения, при которых скорости резания режущих элементов, наиболее удаленных от оси вращения, равны или максимально приближены к критическим значениям скоростей, но не превышают их.
Вращение яруса 6 вправо с угловой скоростью ω1 осуществляется от забойного двигателя (не показан).
При вращении с угловой скоростью ω1 и осевом перемещении долота перья 2 яруса 6 забуриваются в забой, расширяя по мере продвижения скважину до диаметра d, определяемого положением крайних режущих элементов 4'' и 5'', расположенных в нижних частях передних граней. Поскольку передние грани состоят из нескольких режущих элементов 4, 4', 4'' яруса 6 и 5, 5', 5'' яруса 7, расположенных на разных расстояниях от оси вращения, их скорости резания по мере удаления от оси возрастают, приближаясь к своим критическим значениям, зависящим от крепости пород и износостойкости армировки.
Механическая скорость бурения многоярусного долота Vмб определяется возможной скоростью бурения пионерного (забуривающего) яруса 6
где Vмб - механическая скорость бурения пионерного яруса, мм/с;
Sп - подача пионерного яруса за один оборот, мм/об;
nп - частота вращения пионерного яруса, об/с;
Тп - время одного оборота пионерного яруса, с.
За время одного оборота пионерного яруса 6 Tn все долото совершает осевое перемещение Sп, а каждое перо 3 скважинообразующего (разбуривающего) яруса 7 за это же время проходит часть своего оборота, срезая стружку толщиной h=Sп с механической скоростью бурения Vмб.
Для полной обработки забоя скважины за время Tп скважинообразующим ярусом 7 необходимо, чтобы число перьев этого яруса определялось зависимостью
где z - число перьев скважинообразующего яруса;
D - больший диаметр скважинообразующего яруса, мм;
d - больший диаметр пионерного яруса, мм;
π - математическая константа.
Величина критической скорости резания Vкр - основное ограничение области применения долот режущего типа на породах выше средней крепости и крепких. Диаметр долота, на котором режущий элемент достигает критической скорости резания при частоте вращения nп, называют предельным d.
Скорость резания Vрез, м/с,
где Vрез - скорость резания, м/с;
nп - частота вращения пионерного яруса, об/с;
d - больший диаметр пионерного яруса, мм;
Vкр - критическая скорость резания, м/с;
π - математическая константа.
Часть многоярусного долота, ограниченная предельным диаметром, является пионерным ярусом 6.
При дальнейшем увеличении диаметра долота режущие элементы передней грани 4, 4', 4'' в проекции на продольную плоскость I-I образуют ломаную линию по закономерности прототипа, но для того, чтобы они не сгорали во время работы, скорости резания режущих элементов 4'', наиболее удаленных от оси вращения, не должны превышать критическую. Вращение яруса 7 с угловой скоростью ω2 осуществляется от планетарного редуктора, расположенного выше долота (на фиг. не показан). Ярус 7 закреплен на водиле планетарного редуктора и получает привод через саттелиты. Если оси вращающихся сателлитов закреплены в неподвижном корпусе планетарного редуктора, то ярус 7 вращается влево с меньшей частотой, так как
где i - передаточное число планетарного редуктора;
zb - количество зубьев на зубчатом венце планетарного редуктора;
za - количество зубьев на центральном колесе планетарного редуктора.
Если оси сателлитов закреплены во вращающейся части редуктора (на водиле), то ярусы 6 и 7 долота вращаются попутно (вправо) с различной частотой, так как
где i - передаточное число планетарного редуктора;
zb - количество зубьев на зубчатом венце планетарного редуктора;
za - количество зубьев на центральном колесе планетарного редуктора.
Режущие элементы 5, 5', 5'' режущих перьев 3 на следующем (скважинообразующем) ярусе 7, вращающиеся с угловой скоростью ω2, должны иметь такие же скорости резания, как и соответствующие им на пионерном ярусе 6, то есть
где Vрез - скорость резания, м/с;
nп - частота вращения пионерного яруса, об/с;
d - больший диаметр пионерного яруса, мм;
D - больший диаметр скважинообразующего яруса, мм;
Vкр - критическая скорость резания, м/с;
π - математическая константа.
Тогда частота вращения яруса 7 будет определяться зависимостью
где nс - частота вращения скважинообразующего яруса, об/с;
d - больший диаметр пионерного яруса, мм;
D - больший диаметр скважинообразующего яруса, мм;
nп - частота вращения пионерного яруса, об/с.
За время Тn, соответствующее полному обороту пионерного яруса 6, режущие элементы большего (скважинообразующего) яруса 7, наиболее удаленные от оси вращения, проходят часть оборота на диаметре D, а именно
где L - расстояние, которое проходят режущие элементы яруса 7;
d - больший диаметр пионерного яруса, мм;
π - математическая константа.
При этом скорость резания не будет превышать критического значения.
Многоярусное долото режущего типа, включающее корпус, состоящий из конусообразных ярусов, количеством не менее двух, выполненных в виде независимых тел вращения, расположенных соосно, причем режущие перья ярусов, имеющие наклонные передние грани, оснащенные высокостойкими режущими элементами, образуют в проекции на продольную плоскость ломаные линии.
