Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВОЕ ГИДРОМОНИТОРНОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам преимущественно для бурения мягких пород и пород средней твердости.

Известно буровое долото, включающее корпус, конусные шарошки с литыми или фрезерованными зубьями и боковые промывочные узлы со сменными насадками (см. Масленников И.К. «Буровой инструмент». М.: Недра, 1989 г., с. 141-142, рис. 2.1.63).

Недостатком этого долота является низкая эффективность работы из-за некачественной очистки забоя от шлама.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое гидромониторное шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами, установленные на них посредством замкового подшипника шарошки с литыми или фрезерованными зубьями и размещенные между шарошками промывочные узлы с насадками (см. авт. св. СССР №1691499, кл. Ε21В 10/18, 1991 г).

К недостаткам данного долота следует отнести сравнительно высокую энергоемкость процесса разрушения породы из-за повторного измельчения разрушенной породы и нерациональной схемы эвакуации шлама с забоя в затрубное пространство. Это объясняется тем, что шлам многократно подвергается повторному измельчению вооружением шарошек, что снижает, с одной стороны, механическую скорость бурения, а с другой - увеличивает износ и самих зубьев. В первую очередь это касается периферийных зубьев, что связано как с повторным измельчением разрушенного шлама, так и породы, осыпающейся со стенок скважины в процессе ее калибрования тыльными конусами шарошек. Все это негативно влияет на эффективность работы долота.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота за счет уменьшения энергоемкости процесса разрушения породы и более качественной очистки забоя скважины от шлама путем оптимизации процесса его эвакуации в затрубное пространство.

Указанный технический результат достигается тем, что в буровом гидромониторном шарошечном долоте, включающем лапы с наклонными цапфами, установленные на них посредством замкового подшипника шарошки с литым, фрезерованным или твердосплавным вооружением и размещенные между шарошками промывочные узлы с насадками, согласно изобретению насадки зафиксированы относительно корпуса от проворота, выходные части их каналов в плане имеют форму шестигранника, причем шестигранники выполнены, по меньшей мере, с углами двух размеров, при этом одна из вершин угла меньшего размера каждой из насадок ориентирована в направлении точки пересечения осей двух смежных шарошек, а две другие из вершин углов меньших размеров - в сторону зоны контакта периферийных венцов набегающих и сбегающих шарошек со стенками скважины.

На фиг. 1 изображен общий вид долота; на фиг. 2 - вид на шарошки долота сверху при асимметричной схеме промывки; на фиг. 3 - вид долота со стороны шарошек при симметричной схеме промывки.

Буровое долото содержит корпус 1 цапфами 2, шарошки 3 с зубьями 4 и промывочные узлы с насадками 6, размещенные между шарошками 3 и жестко зафиксированные относительно корпуса 1 от проворота любым известным способом. В долотах с асимметричной схемой промывки один из проемов 5 между шарошками выполнен без насадки. В 3-шарошечных долотах выходная часть насадок 6 в плане выполнена в форме шестигранника, причем шестигранники выполнены, по меньшей мере, с углами двух размеров - β₁ и β₂. При этом одна из вершин углов меньшего размера у всех насадок 4 ориентирована в направлении точки пересечения осей двух смежных шарошек, а две другие вершины углов меньших размеров - в сторону зоны контакта периферийных венцов набегающих и сбегающих шарошек со стенками скважины. Такая ориентация поперечного сечения промывочного канала насадки 4 позволяет обеспечить наиболее качественную очистку всей площади забоя скважины благодаря возникновению дополнительного турбулентного потока, создаваемого клиновидными вершинами каждой граненой насадки 4. На приведенных чертежах представлены 3-шарошечные долота, у которых все насадки имеют шестигранную форму. Это обеспечивает точное сохранение заданной ориентации углов насадки 4 относительно корпуса 1 и шарошек 3 долота в случае необходимости замены насадки по каким-либо причинам, например для изменения режима промывки.

Долото работает следующим образом. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента зубья 3 шарошки 2 разрушают породу, которая удаляется с забоя скважины промывочной жидкостью, нагнетаемой через промывочные узлы. При этом благодаря выполнению выходной части насадок 5 с поперечным сечением в форме шестигранника, один из меньших углов которых ориентирован своей вершиной в сторону межшарошечного пространства и осей вращения шарошек, и использованию эффекта прилипания струи к боковым стенкам каналов обеспечивается создание перепада давления жидкости между центральной и периферийной зонами забоя скважины. Благодаря этому перепаду давления возникает эжекционный эффект, и обогащенная шламом промывочная жидкость из центральной зоны эффективно удаляется в затрубное пространство, обеспечивая работу вооружения шарошек по чистому забою. Это способствует увеличению как скорости бурения, так и проходки на долото путем исключения повторного измельчения шлама вооружением долота. Этому же способствует и очистка вооружения шарошек от налипшего шлама создаваемым гранеными насадками турбулентным потоком, что особенно часто наблюдается при бурении по вязким породам и приводит к резкому увеличению энергозатрат из-за увеличения необходимого крутящего момента и снижению всех технико-экономических показателей работы долота.

Использование турбулентного потока позволяет существенно увеличить способность к переносу бурового шлама. Придание выходной части насадок формы конфузора, а проходному отверстию - формы шестигранника с углами двух размеров - β₁ и β₂, при том что одна из трех вершин углов меньшего размера β₂ ориентирована в направлении точки пересечения двух смежных осей шарошек, а две другие аналогичные вершины углов меньшего размера β₂ направлены в зону контакта периферийных венцов набегающих и сбегающих шарошек со стенками скважины, позволяет сразу направлять основную часть потока промывочной жидкости, выходящей из насадки, к центру вращения долота через межшарошечное пространство, где она омывает вооружение сразу двух смежных шарошек, и на вооружение периферийных венцов шарошек. После этого обогащенная шламом промывочная жидкость удаляется в затрубное пространство.

Применение предложенного долота позволяет увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото и, как следствие этого, снизить себестоимость метра бурения.