Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями для разбуривания, преимущественно, мягких пород, не склонных к рейкообразованию.

Известно буровое трехшарошечное долото, включающее корпус, конусные шарошки с фрезерованными зубьями и промывочные гидромониторные узлы, расположенные в периферийной части межшарошечного пространства (см. И.К. Масленников, справочник «Буровой инструмент», М., Недра, 1989 г., с.36, рис.2.1.116).

Недостатком указанного долота является сравнительно невысокая эффективность его работы, что связано с неоптимальной схемой размещения шарошек и зубьев на конической поверхности шарошек.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами, установленные на них конические шарошки с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями, расположенными под углом к образующей шарошки, и узел промывки (см. патент РФ №2473770, кл. E21B 10/16, 2013 г).

Данное долото благодаря использованию лап со смещенными в плане цапфами относительно оси долота обеспечивает более эффективное разрушение горных пород за счет проскальзывания зубьев относительно поверхности забоя. Этому в определенной степени способствует и наклонное расположение зубьев относительно образующей конуса шарошки. Однако для получения максимального объема поражения забоя необходимо точно знать угол наклона зубьев по отношению к образующей шарошки, на основании которого определяется оптимальная величина проскальзывания.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы бурового долота за счет достижения максимального объема разрушаемой породы каждым зубом вооружения шарошки в течение всего времени работы долота.

Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем лапы с наклонными цапфами, установленные на них конические шарошки с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями, расположенными параллельно или под углом к образующей шарошки, и узел промывки, согласно изобретению, величина проскальзывания зубьев шарошки - Δ, работающих сответственно в режиме подтормаживания и пробуксовки, определяется по формулам:

;

;

где R - радиус венца шарошки, мм;

β - угол между двумя соседними зубьями венца шарошки, град.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен фрагмент общего вида долота, на фиг.2 - вид долота со стороны рабочего торца; на фиг.3 - траектория движения вершины зуба при вращении шарошки.

Буровое шарошечное долото содержит лапы 1 (см. фиг.1 и 2) с наклонными цапфами 2, на которых посредством подшипников установлены конические шарошки 3 с фрезерованными, литыми или твердосплавными зубьями 4. В корпусе долота, образованного сварными лапами 1, размещен узел промывки 5, который в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород и размера долот может быть выполнен в виде одной центральной насадки или же нескольких гидромониторных насадок, размещенных в межшарошечных проемах. Для эффективного разрушения мягких пород, не склонных к рейкообразованию, шарошки 3 устанавливают со смещением осей в плане, как правило, по направлению вращения долота. В предложенном долоте могут быть использованы и другие схемы расположения шарошек. При этом сами шарошки 3 могут иметь как прямозубое, так и косозубое вооружение, что определяется в первую очередь физико-механическими свойствами разбуриваемых пород, а также созданием благоприятных условий для транспортировки разрушенной породы промывочной жидкостью в затрубное пространство.

Принцип работы бурового долота заключается в следующем. При вращении долота шарошки 3 перекатываются по поверхности забоя и разрушают породу под воздействием осевой нагрузки и крутящего момента. Выполнение долота со смещенными в плане шарошками 3 способствует повышению эффективности разрушения горных пород благодаря проскальзыванию зубьев. Причем направление проскальзывания зубьев на различных венцах шарошек различно, при этом проскальзывание зубьев по направлению вращения шарошки предложено называть подтормаживанием, а против вращения шарошки - пробуксовкой (см. фиг.3). На этой фигуре показана траектория движения вершины зуба при перекатывании шарошки, а именно: на фиг.3.1 показана траектория зуба при пробуксовке вооружения, на фиг.3.2 - при чистом качении и на фиг.3.3 - при подтормаживании вооружения. На всех фигурах h - величина максимального углубления зуба, мм; a V_CK - скорость скольжения зубьев вооружения по забою скважины, м/с; ω - угловая скорость вращения шарошки, с^-1, а вход в соприкосновение с поверхностью забоя каждого последующего зуба должен быть в месте выхода из него предыдущего зуба.

Объем разрушенной породы при каждом обороте долота зависит от величины проскальзывания - Δ зубьев шарошки. При этом максимальный объем выбуренной породы каждым зубом вооружения в течение всего времени работы долота, в случае работы его вооружения в режиме подтормаживания, определяется по формуле:

;

а при работе вооружения шарошек в режиме пробуксовки величина проскальзывания - Δ зубьев шарошки, при которой достигается максимальный объем выбуренной породы за тот же время, определяется по следующей формуле:

;

где R - радиус венца шарошки, мм;

β - угол между двумя соседними зубьями венца шарошки, град.

Разрушенная порода направляется в сторону периферии скважины и далее в затрубное пространство как вооружением шарошек, так и промывочной жидкостью (направление движения потока показано стрелками). Там она подхватывается промывочной жидкостью и направляется далее в межшарошечное пространство, а оттуда в затрубное пространство. Из затрубного пространства обогащенная шламом промывочная жидкость направляется на поверхность. Это позволяет избежать повторного измельчения шлама и тем самым уменьшить износ вооружения и рост механической скорости бурения.

Таким образом, предложенное долото благодаря использованию оптимальной величины проскальзывания обеспечивает более эффективное разрушение породы, позволяет повысить эффективность работы долота, а именно увеличить проходку на долото и механическую скорость бурения при одновременном снижении стоимости буровых работ.