Многоступенчатый шарошечный буровой инструмент

Авторы патента:

Синев Станислав Васильевич (RU)

E21B10/16 - отличающиеся формой или расположением зубьев

Владельцы патента RU 2513650:

Синев Станислав Васильевич (RU)

Изобретение относится к породоразрушающему шарошечному инструменту, применяемому в бурении скважин. Технический результат заключается в увеличении механической скорости бурения за счет увеличения объема разрушения резанием в горизонтальном направлении и вводом в процесс бурения разрушения горной породы резанием в вертикальном направлении путем образования боковой открытой ступенчатой поверхности со ступеньками, полностью разрушаемыми в процессе их формирования. Многоступенчатый шарошечный буровой инструмент включает многоступенчатые шарошки, причем отдельный опережающий венец любой шарошки удален от последующего другой шарошки по оси долота на (0,04-0,06)D с шириной ступеньки (0,02-0,04)D, где D - диаметр инструмента, с сохранением этих соотношений на внешних конусах шарошек. 6 ил.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому в бурении скважин, а именно, к буровому инструменту, в котором разрушение горной породы производится вооружением шарошек: шарошечным бурголовкам для отбора керна, шарошечным расширителям, шарошечным стабилизаторам и шарошечным долотам.

Известен шарошечный буровой инструмент, в частности шарошечные долота, включающие шарошки, рабочая поверхность вооружения венцов которых (зубки), описываются образующими конусов, причем образующая этих конусов находится в плоскости чистого качения [1] (аналог).

В известном шарошечном буровом инструменте при его работе зубки шарошки разрушают горную породу малоэффективным способом - вдавливанием с несущественным скольжением в поверхность забоя. Последнее свидетельствует о малоэффективном разрушении горных пород в отсутствии эффекта резания, близкого по типу к разрушению породы на разрыв.

Указанные недостатки частично устранены в многоступенчатых шарошечных буровых инструментах и, в частности, многоступенчатых шарошечных долотах, вооружение которых образовано двумя конусами.

Известный многоступенчатый шарошечный буровой инструмент (долото) [2], принятый за прототип, включает двухконусные шарошки, рабочая поверхность вооружения (зубки) каждого венца на конусах ближних к оси долота выполнена перпендикулярной оси инструмента, чем предопределяет многоступенчатость вооружения, а вооружение периферийных конусов описано их образующими, т.е. вооружение выполнено бесступенчатым.

В известном многоступенчатом шарошечном буровом инструменте (долоте) при его работе разрушение разбуриваемых горных пород производится вдавливанием вооружения отдельных венцов периферийных конусов в поверхность забоя с минимальным скольжением (резанием) по касательной в плоскости забоя, с аналогичным разрушением ступенчатым вооружением ближних к оси долота конусов, включая частичный скол (разрушение резанием) в вертикальном направлении ступенек в процессе их формирования. Периферийными конусами производится разрушение 3/4 площади забоя. Ввиду слабоэффективного ступенчатого разрушения горных пород вооружением шарошек, ближних к оси инструмента, конусами и низкоэффективного разрушения бесступенчатого вооружения периферийных конусов шарошки, буровой инструмент производит малоэффективное продвижение забоя с повышенными энергозатратами.

Целью изобретения является увеличение механической скорости бурения за счет увеличения объема разрушения резанием в горизонтальном направлении и вводом в процесс бурения разрушения горной породы резанием в вертикальном направлении путем образования боковой открытой ступенчатой поверхности со ступеньками, полностью разрушаемыми в процессе их формирования.

Указанная цель достигается тем, что в известном многоступенчатом шарошечном буровом инструменте отдельный опережающий венец любой шарошки удален от последующего другой шарошки по оси долота на 0,04-0,06D с шириной ступеньки 0,02-0,04D, где D - диаметр инструмента, с сохранением этих соотношений на внешних конусах шарошек.

Сочетание удаленности по оси бурового инструмента опережающих венцов любой шарошки от последующих в 0,04-0,06D и ширины ступеньки 0,02-0,04D создает такие обстоятельства разрушения забоя, когда ступенчатая поверхность разрушается в процессе ее формирования, что обеспечивает благоприятные условия для работы вооружения инструмента с минимальными затратами энергии на разрушение горной породы

На фиг.1 изображен многоступенчатый шарошечный буровой инструмент (двухшарошечное долото) в соответствии прототипу [2] с идеальными размерами ступеньки при взаимодействии его вооружения (зубков) с формируемым забоем скважины: 1 - лапа шарошечного бурового инструмента; 2 - шарошка; 3 - вооружение венцов шарошек (зубки); 4 - горные породы, слагающие забой.

На фиг.2 изображена шарошка ступенчатого шарошечного бурового инструмента (реального трехшарошечного долота) при взаимодействии его вооружения (зубков) с формируемым забоем скважины: 1 - лапа бурового инструмента; 2 - шарошка; 3 - вооружение венцов шарошек (зубки); 4 - горные породы, слагающие забой.

На фиг.3 показана суммарная рабочая поверхность вооружения трех шарошек бурового инструмента (реального долота), где отдельный опережающий венец периферийного конуса любой шарошки удален от последующего по оси долота на (0,04-0,06)D с шириной ступеньки (0,02-0,04)D; 3 - вооружение венцов шарошек (зубки); 0-0 - ось вращения бурового инструмента; 0′-0′ - ось вращения шарошки; 0′′-0′′ - мгновенная ось вращения шарошки в плоскости чистого качения.

На фиг.4 изображены профили отдельных I, II и III-й шарошек: 3 - вооружение венцов шарошек (зубки); 0-0 - ось вращения долота; 0′-0′ - ось вращения шарошки; 0′′-0′′ - мгновенная ось вращения шарошки в плоскости чистого качения.

На фиг.5 представлено натурное трехшарошечное долото 3Э215,9Т-ПВ, изготовленное в соответствии с заявленным изобретением.

На фиг.6 приведен график зависимости скорости бурения от частоты вращения долота при постоянной нагрузке 20·10 кН в процессе испытания долота 3Э215,9Т-ПВ относительно серийных долот типа «M» и «T».

Как видно из фиг.1, многоступенчатый шарошечный буровой инструмент со ступенчатым вооружением 3 разрушает горные породы 4 исключительно скольжением (резанием) по касательной к вращению долота в плоскости забоя и сколом (разрушение резанием) в вертикальном направлении образующихся ступенек на забое. Вооружение ближних к оси бурового инструмента конусов производит дополнительную работу по разрушению конуса породы 4, сформированного по оси скважины. Разрушение резанием, соответствующее разрушению на разрыв, для горных пород на порядок эффективнее разрушения вдавливанием и сжатием. Разрушение ступенек, полностью разрушаемых в процессе их формирования при работе бурового инструмента, в котором отдельный опережающий венец любой шарошки удален от последующего другой шарошки по оси долота на (0,04-0,06)D с шириной ступеньки (0,02-0,04)D, где D - диаметр инструмента, по энергозатратам в два раза ниже, чем разрушение плоского забоя. Установлено автором аналитически и экспериментально.

Таким образом, увеличение механической скорости бурения производится за счет увеличения объема разрушения резанием в горизонтальном направлении и ввода в процесс бурения разрушения резанием в вертикальном направлении путем образования боковой открытой ступенчатой поверхности со ступеньками, полностью разрушаемыми в процессе их формирования с минимальными энергетическими затратами

Эти результаты относятся в равной мере к работе шарошечными бурголовками для отбора керна, шарошечными расширителями, шарошечными стабилизаторами и шарошечными долотами.

Соотношения удаленности отдельного опережающего венеца любой шарошки от последующего венца другой шарошки по оси долота на (0,04-0,06)D с шириной ступеньки (0,02-0,04)D, где D - диаметр инструмента, определяются глубиной бурящейся скважины: неглубокие скважины требуют меньших значений соотношений, глубокие - больших.

У реальных долот те же соотношения возможно полностью сохранить на периферийных конусах при максимально вписываемой ступенчатости на конусах, ближних к оси бурового инструмента (фиг.2-5).

Многоступенчатая шарошка бурового инструмента на фиг.2, имея ступенчатую поверхность вооружения 3, полностью разрушает ступеньки, формируемые на горной породе 4, создавая бесступенчатый забой.

Суммарная рабочая поверхность вооружения трех шарошек бурового инструмента (реального долота) на фиг.3 демонстрирует полное перекрытие забоя.

При работе бурового инструмента (трехшарошечного долота) максимально опережающий венец (венец Ш шарошки на фиг.4) формирует кольцевую канавку на забое скважины, создавая при этом с обеих сторон боковую открытую ступенчатую поверхность, чем облегчает условия работы последующих венцов I-й и II-й шарошки. Эти венцы в свою очередь становятся опережающими для двух венцов III-й шарошки, для которых формируют также открытую ступенчатую поверхность. Со стороны периферии забоя формируется ступенчатая поверхность со ступеньками таких размеров, которые разрушаются в процессе их формирования с минимальными энергетическими затратами, причем разрушаются полностью, чем создают условия для работы опережающего вооружения. На единицу затраченной энергии при таком разрушении приходится значительно больший объем разрушенной породы, чем в случае разрушения плоского забоя.

Натурные многоступенчатые трехшарошечные долота 3Э215,9Т-ПВ на фиг.5 изготовлены малой промышленной партией в соответствии с заявленным изобретением и испытаны на неглубоких взрывных скважинах Украины и в нефтяной скважине на промыслах Самарской области.

При испытании на карьерах Докучаевского флюсо-доломитного завода долота показали увеличение скорости бурения 300% (фиг.6). При испытании в нефтяной скважине на турбобуре получена эмоциональная оценка бурильщика: «Что за долото? Инструмент просто проваливается!»

Источники информации

1. Палий П.А., Корнеев К.Е. Буровые долота, М., "Недра", 1971, 446 с. (аналог).

2. Патент США No2032575 Roller bit, March 3,1936. G.G. Harrington.

Многоступенчатый шарошечный буровой инструмент (бурголовка, расширитель, стабилизатор, долото), включающий многоступенчатые шарошки, отличающийся тем, что, с целью увеличения механической скорости бурения за счет увеличения объема разрушения резанием в горизонтальном направлении и вводом в процесс бурения разрушения горной породы резанием в вертикальном направлении путем образования боковой открытой ступенчатой поверхности со ступеньками, полностью разрушаемыми в процессе их формирования, отдельный опережающий венец любой шарошки удален от последующего другой шарошки по оси долота на (0,04-0,06)D с шириной ступеньки (0,02-0,04)D, где D - диаметр инструмента, с сохранением этих соотношений на внешних конусах шарошек.

Похожие патенты:

Буровое шарошечное долото // 2509198

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту шарошечного типа. Обеспечивает повышение эффективности работы долота.

Буровое шарошечное долото // 2509197

Шарошечное долото // 2508441

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту шарошечного типа. Шарошечное долото содержит корпус с цапфой, на которой посредством подшипников установлена шарошка с вогнутой сферической вершиной, армированной породоразрушающими зубками.

Шарошечное долото // 2507363

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому в бурении скважин, а именно к шарошечным долотам. Обеспечивает повышение показателей эффективности работы долота.

Шарошечное долото с твердосплавным вооружением // 2499121

Группа изобретений относится к области буровой техники и может быть использована в буровых долотах, предназначенных для бурения скважин. Обеспечивает уменьшение энергоемкости породоразрушения и повышение эффективности бурения.

Буровое долото // 2496963

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам, преимущественно для бурения мягких пород и пород средней твердости, разрушение которых не требует значительных осевых нагрузок.

Буровое шарошечное долото // 2495217

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам. Обеспечивает повышение ресурса работы долота, надежное крепление шарошек.

Алмазное одношарошечное буровое долото // 2476660

Изобретение относится к области буровой техники и может быть использовано при производстве буровых долот, предназначенных для строительства скважин. .

Буровое шарошечное долото // 2473770

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам. .

Одношарошечное буровое долото // 2470134

Изобретение относится к буровой технике, а именно к одношарошечным буровым долотам. .

Буровое шарошечное долото // 2514021

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту шарошечного типа. Обеспечивает повышение эффективности работы долота. Буровое шарошечное долото содержит корпус с каналом для очистного агента и цапфой со сферическим торцом, на которой посредством замкового подшипника и роликового подшипника качения установлена шарошка с ответной торцу цапфы внутренней сферической поверхностью и породоразрушающими элементами на венцах, разделенных шламоотводящими пазами. Шарошка выполнена с радиальными каналами, в которых размещены съемные породоразрушающие элементы, хвостовики которых установлены с возможностью взаимодействия с боковыми поверхностями роликовых подшипников. Съемные породоразрушающие элементы могут быть установлены под острым углом к радиусу шарошки. Часть съемных породоразрушающих элементов может быть установлена на венцах шарошек, а часть - в шламоотводящих пазах. Хвостовики съемных породоразрушающих элементов могут быть выполнены в виде цилиндров или сфер. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Буровое шарошечное долото // 2515795

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам. Техническим результатом является увеличение механической скорости бурения. Буровое шарошечное долото включает многоконусные шарошки, рабочая поверхность зубчатого вооружения венцов которых у каждой шарошки сформирована несколькими образующими конических поверхностей. Рабочая поверхность зубчатого вооружения каждого венца в месте контакта с забоем выполнена перпендикулярной оси долота, образуя между вооружением шарошек ступенчатую поверхность. 2 ил.

Зубок шарошечного долота для бурения непроницаемых пород // 2517656

Изобретение относится к вооружению породоразрушающего инструмента, применяемому в бурении скважин, а именно к зубкам шарошечных долот. Технический результат заключается в повышении эффективности разрушения непроницаемых горных пород путем выравнивания гидростатического давления в зоне разрыва горной породы перед зубком. Зубок шарошечного долота ковшеобразной формы содержит проточные канавки на тыльной стороне, выходящие к рабочим кромкам зубка, которые при работе долота формируют гидравлические каналы между тыльной стороной зубка и незатронутой разрушением породой забоя, соединяющие зону разрушения горной породы с полостью скважины. 5 ил.

Буровое шарошечное долото с асимметричной схемой промывки // 2520656

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам, преимущественно для бурения мягких пород и пород средней твердости. Обеспечивает повышение эффективности работы долота за счет более качественной очистки забоя скважины от шлама путем оптимизации процесса его эвакуации в затрубное пространство. Буровое шарошечное долото с асимметричной схемой промывки включает лапы с наклонными цапфами, установленные на них шарошки с литыми или фрезерованными зубьями, шламоотводящий канал и размещенные между шарошками напорные промывочные узлы. Все шарошки выполнены с косыми зубьями, при этом первая шарошка расположена между промывочными узлами и имеет зубья, наклоненные к оси цапфы таким образом, чтобы суммарная осевая составляющая усилия одновременного механического воздействия всех косых зубьев на гидравлическую среду забоя шарошки была направлена от периферии к центру, а у смежных шарошек - в обратную сторону. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Буровое шарошечное долото // 2520974

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам. Буровое шарошечное долото включает лапы с наклонными цапфами, параллельно смещенными в плане относительно оси долота, установленные на них с наклонно расположенными относительно их образующих конические шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и промывочный узел. Промывочный узел расположен по оси долота, а у всех шарошек венцы выполнены с косыми зубьями. Косые зубья наклонены к оси цапфы таким образом, чтобы суммарная осевая составляющая усилия одновременного механического воздействия всех косых зубьев на гидравлическую среду забоя для каждой шарошки была одинаковой и направлена от центра к периферии. Как вариант, угол наклона рабочих поверхностей косых зубьев к образующей шарошки составляет 5-45°, при этом меньшее значение угла наклона соответствует большему значению угла наклона цапфы к оси долота. Технический результат заключается в повышении эффективности работы долота и улучшении очистки забоя от шлама. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Буровое шарошечное долото // 2522608

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам, преимущественно для работы по мягким и средней твердости породам. Буровое шарошечное долото включает лапы с наклонными цапфами со смещенными в плане осями, установленные на них шарошки с фрезерованными или с литыми зубьями, и промывочные узлы. 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. 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. Технический результат заключается в повышении эффективности работы долота, снижении энергоемкости процесса разрушения породы за счет более рациональной геометрии его вооружения, в повышении проходки и механической скорости бурения. 4 ил.

Буровое шарошечное долото // 2543760

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам. Технический результат заключается в повышении эффективности работы долота. Буровое шарошечное долото включает лапы с наклонными цапфами со смещенными в плане осями, установленные на них конические шарошки с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями, расположенными параллельно или под углом к образующей шарошки, и узел промывки. Величина проскальзывания зубьев шарошек, работающих в режиме пробуксовки, при которой достигается максимальный объем выбуренной породы за весь цикл работы долота путем обеспечения качественного выравнивания поверхности забоя, определяется соотношением в зависимости от радиуса венца шарошки и угла между двумя соседними зубьями венца шарошки. 2 ил.

Буровое шарошечное долото // 2543823

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам преимущественно для бурения мягких пород и пород средней твердости. Буровое шарошечное долото включает лапы с наклонными цапфами, установленные на них многоконусные шарошки с литыми или фрезерованными зубьями, периферийные из которых расположены наклонно относительно продольной оси шарошки, и размещенные между шарошками напорные промывочные узлы. Все остальные венцы шарошек также выполнены с косыми зубьями, причем зубья периферийных венцов имеют левое направление подъема образующей винтовой линии площадки притупления при осуществлении бурения путем вращения долота по часовой стрелке, и правое - при вращении долота против часовой стрелки, а зубья остальных венцов наклонены в противоположную сторону. Оси сопел гидромониторных насадок промывочных узлов направлены в межвенцовое пространство между периферийным и смежным с ним венцом. Технический результат заключается в повышении эффективности работы долота за счет более качественной очистки забоя скважины от шлама путем оптимизации процесса его эвакуации в затрубное пространство. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Буровое шарошечное долото // 2543824

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам. Технический результат заключается в повышении эффективности работы долота. Буровое шарошечное долото включает лапы с наклонными цапфами со смещенными в плане осями, установленные на них конические шарошки с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями, расположенными параллельно или под углом к образующей шарошки, и узел промывки. Величина проскальзывания зубьев шарошки, при которой достигается максимальный объем выбуренной породы каждым зубом вооружения в течение всего времени работы долота, определяется соотношениями в зависимости от режима подтормаживания или пробуксовки, радиуса венца шарошки, угла между двумя соседними зубьями венца шарошки. 3 ил.

Буровое шарошечное долото // 2543828

Изобретение относится к буровым шарошечным долотам для бурения пород различной твердости. Технический результат заключается в повышении эффективности работы долота путем снижения затрат мощности на разрушение и удаление разрушенной породы из выемки, образованной рабочей частью каждого зуба вооружения. Буровое шарошечное долото включает лапы с наклонными цапфами, установленные на них шарошки с ведущими и ведомыми венцами, выполненными с литыми, фрезерованными или твердосплавными асимметричными зубьями, и систему промывки. Передняя по отношению к направлению проскальзывания вооружения грань зуба, работающего в режиме пробуксовки или подтормаживания, наклонена по отношению к линии, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки в сечении, перпендикулярном образующей шарошки, под углом γ=0÷18°, а угол между линией, соединяющей вершину зуба с осью вращения шарошки, и поверхностью площадки притупления составляет α=60÷85°. Зубья шарошек, работающих в режиме пробуксовки или подтормаживания, выполнены с криволинейными передней и задней гранями по отношению к направлению проскальзывания вооружения, при этом радиусы закругления - r1 и r2 соответственно передней и задней по отношению к направлению проскальзывания вооружения грани асимметричного зуба определяются по определенным зависимостям. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.