Шарошка бурового долота (варианты)

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к вооружению шарошечных долот для бурения скважин. Техническим результатом является повышение эффективности разрушения горной породы и увеличение механической скорости бурения в целом за счет увеличения эффективности передачи энергии от зуба долота разрушаемой горной породе на забое скважины. Шарошка бурового долота содержит корпус с элементами вооружения в виде вставных твердосплавных зубков. При этом зубки на периферийном венце расположены в три ряда. Рабочая поверхность зубка с торца выполнена вогнутой на величину 0,3…1,5 мм в зависимости от формы и размера породоразрушающей вершины зубков по ее кромке и от свойств горных пород. Причем торец рабочей поверхности зубка может быть выполнен в виде четырехугольника или окружности. Вылет зубков над поверхностью шарошки среднего ряда на периферийном венце меньше вылета зубков двух других рядов на величину 0,3…1,5 мм. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к породоразрушающему инструменту для бурения скважин.

Шарошки изготавливают с элементами вооружения, в основном, со вставными зубками (не исключается вариант выполнения шарошки с фрезерованными зубьями с породоразрушающими вершинами (ПВЗ) с различной формой).

Известна шарошка бурового долота, содержащая корпус с элементами вооружения в виде фрезерованных зубьев или вставных зубков, при этом элементы вооружения выполнены с несколькими породоразрушающими вершинами, расположенными с возможностью одновременного силового воздействия на разрушаемую породу и выполненными с разным вылетом над наружной поверхностью шарошки, при этом одна из вершин с набегающей стороны выше противоположной на величину амплитуды осевых зубцовых вибраций долота /Пат. 2153569 РФ, МПК Е21В 10/16, опубл. 1995/.

В процессе углубления скважины объем разрушенной за одно взаимодействие одного или четырех зубков долота с породой оказывается меньше, чем это возможно при существующем техническом уровне.

При известных конструкциях шарошек не полностью используется эффект взаимодействия зубьев шарошки на объем выбуриваемых частиц породы на забое скважины. Для усиления такого эффекта центры ПВЗ должны находиться на расстоянии до 18…21 мм без снижения прочности тела шарошек. Кроме того, начальная площадь контакта ПВЗ с породой должна быть определенной расчетной величины, что часто не реализуют в шарошках с зубками с заостренными головками, когда энергия N_з1, передаваемая породе на забое скважины в начальный момент контакта зубка с породой, меньше необходимой. При малой осевой деформации породы под зубом долота обычно незначительна доля энергии N_зi, расходуемой на отрыв части породы между смежными зубками.

Для увеличения N_зi необходима гарантированная реализация 2-х, 3-х скачков разрушения породы (СРП) /Мандатов М.Р. Разрушение горных пород при бурении скважин. - М.: Недра, 1978. - С.64-75/, что можно достичь в предлагаемой конструкции шарошки при определенной форме ПВЗ и ее расположении относительно оси долота, тела шарошки и относительно центра смежных ПВЗ. При этом расположение центров зубков и их ПВЗ должно быть эффективным и в пределах, обусловленных прочностью долота, конструкцией шарошки, диаметром и конструкцией шарошечного долота (двух-шести шарошечных). С применением твердосплавных зубков значительно снижена возможность влияния жидкости, попадающей под ПВЗ на величину осевой деформации породы под ПВЗ, что можно восполнить применением предлагаемой конструкции ПВЗ. При этом усиливаются эффективность реализации 2-го СРП и возможности проявления последующих 3-го и 4-го СРП.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является снижение стоимости 1 м бурения при строительстве скважин.

При осуществлении технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении эффективности передачи энергии от зуба долота разрушаемой горной породе на забое скважины.

Указанный технический результат достигается тем, что по первому варианту шарошка бурового долота содержит корпус с элементами вооружения в виде вставных твердосплавных зубков, при этом на периферийном венце, по меньшей мере, на одной из шарошек указанные зубки расположены в три ряда, а расстояние между центрами зубков определено по формуле

где b_z - ширина зубка по кромке породоразрушающей вершины зубка.

Указанный технический результат достигается тем, что по второму варианту шарошка бурового долота содержит корпус с элементами вооружения в виде вставных твердосплавных зубков, при этом на периферийном венце, по меньшей мере, на одной из шарошек указанные зубки расположены в три ряда, при этом расстояние между центрами зубков определено по формуле

где b_z - ширина зубка по кромке породоразрушающей вершины зубка, а шаг зубьев шарошки долота определен по формуле

где d_шi - диаметр шарошки по ее периферийному венцу или по ближнему с периферийным венцом, z_i - количество зубков на соответствующих венцах шарошки. При этом поверхность породоразрушающей вершины зубка с торца выполнена вогнутой на величину 0,3…1,5 мм в зависимости от формы и размера породоразрушающей вершины зубков по ее кромке и от свойств горных пород. Кроме того, породоразрушающая вершина зубков по ее верхней кромке выполнена в форме четырехугольника в проекции на торец породоразрушающей вершины зубков с различающимися или одинаковыми сторонами или в форме окружности. Вылет зубков над поверхностью шарошки среднего из трех рядов на периферийном венце меньше вылета зубков двух других (крайних) рядов на величину 0,3…1,5 мм в зависимости от свойств горных пород.

На фиг.1 представлен общий вид шарошки.

На фиг.2 представлена схема расположения зубков на периферийном и ближних к нему венце шарошки.

На фиг.3 представлена схема зубка, предлагаемая вершина которого выполнена в форме квадрата.

На фиг.4 изображена схема головки зубка с ПВЗ прямоугольной формы.

На фиг.5 представлен общий вид зубка с ПВЗ прямоугольной формы.

На фиг.6 - схема головки зубка с вогнутой поверхностью ПВЗ в разрезе.

Шарошка бурового долота содержит корпус 1 с элементами вооружения, выполненными в виде твердосплавных зубков 2 с их расположением в три ряда на периферийных венцах и в один ряд на ближних (зубки 4) к периферийному венцу. Вылеты h_в над поверхностью шарошки зубков 3 среднего ряда 5 на периферийных венцах выполняют меньшими, чем вылеты зубков в двух других (крайних) рядах 6 (фиг.3).

Поверхность 7 породоразрушающих вершин зубков 3 и 4 с торца выполняют вогнутой на величину Δ=0,3…1,5 мм в зависимости от формы и размера ПВЗ по ее кромке 8, а также от свойств породы. Наружные грани по периметру породоразрушающих вершин зубков 3 и 4 заострены или закруглены по расчетному радиусу r_z (фиг.6).

Расстояние l^* между центрами ближних ПВЗ и шаг t_i зубков шарошки долота определяют по формулам:

где b_z, d_z, - ширина и диаметр зубка по кромке ПВЗ;

d_шi - диаметр шарошки по ее периферийному венцу или по соседним периферийным венцом;

z_i - количество зубков на соответствующих венцах шарошки.

Ширину b_z и длину l_z (при прямоугольной форме кромки ПВЗ) зубка по кромке ПВЗ выполняют так, чтобы обеспечить начальную площадку контакта вооружения долота с забоем в момент времени приложения проектного усилия на долото.

Преимущественным является выполнение породоразрушающих вершин зубков по ее верхней кромке в форме четырехугольника в проекции на торец породоразрушающей вершины зубков с различающимися (фиг.4) или одинаковыми (фиг.3) сторонами или в форме окружности.

В процессе углубления (бурения) скважины с вращением бурового долота и приложением осевого усилия к нему осуществляется силовой контакт твердосплавных зубков 2 с горной породой на забое скважины. При этом одновременный силовой контакт с забоем происходит, как правило, у 3-5 зубков. От характера интенсивности такого контакта, формы ПВЗ и твердости пород на забое скважины зависит количество скачков разрушения породы СПР, глубина лунки разрушения породы при каждом СРП. При этом глубина разрушения породы выше ядра разрушения породы, количество энергии на отрыв частиц породы и в итоге объем выбуриваемой породы в единицу времени увеличивается. При отличающейся форме торца ПВЗ проявляется эффект асимметричности при создании формы лунки, и, следовательно, подводимая к зубку 2 энергия реализуется более разнообразно и часто эффективней, чем при более симметричной форме ПВЗ. При вогнутой поверхности ПВЗ поток, подведенной к забою энергии, направлен вглубь породы ближе к оси зубка, т.е. подведенная к забою энергия расходуется более концентрированно, чем при существующем выполнении ПВЗ. При этом ПВЗ зубков 3 крайних рядов 6 на периферийных венцах входят в силовой контакт с забоем раньше ПВЗ зубков 3 среднего ряда 5, опережают образование лунок и псевдосжиженных ядер в лунках, под ними раньше образуются трещины в породе возле ядер 2-го и 3-го скачков, после чего под действием ПВЗ среднего ряда 5 образуются лунки и псевдосжиженные ядра 1-го и 2-го скачков разрушения породы. В результате порода под зубками 3 разрушается быстрей от усилий и напряжений на разрыв снизу от действия зубков 3 двух крайних рядов 6 на периферийном венце и от усилий, переданных сверху через зубки 3 среднего ряда 5.

При разрушении породы зубками, расположенными на средних венцах шарошки, требуется меньше энергии, чем при разрушении породы зубками 3 периферийных венцов, поэтому на таких венцах достаточно иметь один ряд зубков с вогнутыми по торцу ПВЗ с предложенной выше формой ПВЗ.

Для повышения эффективности расходования энергии, подведенной к зубкам долота на периферийных венцах, расстояние l^* между центрами зубков (и ПВЗ) должно быть расчетным и таким, чтобы реализовать эффект взаимовлияния от действия ПВЗ соседних (смежных) зубков.

С применением зубков с вогнутой ПВЗ в начальное время силового контакта зубков с породой под ПВЗ оказывается определенный объем жидкости, что способствует снижению прочности породы при первом СРП, а также ускоренному образованию псевдосжиженного ядра из породы, что при продолжении силового контакта ПВЗ с забоем скважины ускоряет образование псевдосжиженных ядер 2-го, 3-го и даже 4-го СРП.

1. Шарошка бурового долота, содержащая корпус с элементами вооружения в виде вставных твердосплавных зубков, отличающаяся тем, что на периферийном венце, по меньшей мере, на одной из шарошек указанные зубки расположены в три ряда, при этом расстояние между центрами зубков определено по формуле
l^*=(4…4,5)b_z,
где b_z - ширина зубка по кромке породоразрушающей вершины зубка.

2. Шарошка бурового долота по п.1, отличающаяся тем, что породоразрушающая вершина зубков по ее верхней кромке выполнена в форме четырехугольника в проекции на торец породоразрушающей вершины зубков с различающимися или одинаковыми сторонами или в форме окружности.

3. Шарошка бурового долота по п.1, отличающаяся тем, что вылет зубков над поверхностью шарошки среднего из трех рядов на периферийном венце меньше вылета зубков двух других рядов на величину 0,3…1,5 мм в зависимости от свойств горных пород.

4. Шарошка бурового долота, содержащая корпус с элементами вооружения в виде вставных твердосплавных зубков, отличающаяся тем, что на периферийном венце, по меньшей мере, на одной из шарошек указанные зубки расположены в три ряда, при этом расстояние между центрами зубков определено по формуле
l^*=(4…4,5)b_z,
где b_z - ширина зубка по кромке породоразрушающей вершины зубка;
а шаг зубьев шарошки долота определен по формуле
t_i=(πd_шi)/z_i,
где d_шi - диаметр шарошки по ее периферийному венцу или ближним с периферийным венцом;
z_i - количество зубков на соответствующих венцах шарошки, причем поверхность породоразрушающей вершины зубка с торца выполнена вогнутой на величину 0,3…1,5 мм в зависимости от формы и размера породоразрушающей вершины зубков по ее кромке и от свойств горных пород.