Шарошечное долото

Предлагаемое изобретение относится к элементам буровых шарошечных долот и может быть использовано при бурении нефтяных, газовых и горнорудных скважин. При работе долота на забое, зубья шарошек, под действием многотонной осевой нагрузки и создаваемого момента вращения, обеспечивают непрерывное разрушение породы, внедряясь в нее и выходя из зацепления с ней. Показатели работы долот зависят и от интенсивности разрушения породы, и от стойкости породоразрушающих зубьев шарошек. Чем острее поверхность зубьев, тем выше удельное давление на породу под ними, тем выше механическая скорость бурения, но во время огромных многотонных интенсивных нагрузок кратно повышается возможность поломок и абразивного истирания зубьев. Поэтому в течение многих десятилетий применения шарошечных долот в бурении разработчики новых конструкций и в нашей стране, и за рубежом, непрерывно стремятся к выбору оптимальной формы породоразрушающей поверхности зубьев шарошек, обеспечивающей одновременно высокую механическую скорость бурения при максимальной стойкости этих зубьев. На изобретения, направленные на решения этой проблемы, в разных странах выданы сотни патентов, внедрение которых обеспечило непрерывный рост показателей- бурения во всем мире. Однако, обеспечить каким-то одним универсальным решением связанные проблемы невозможно, поскольку они зачастую противоречат друг другу.

Известна шарошка бурового долота, включающая корпус с породоразрущающими зубьями и межзубцовыми впадинами [1], принятого за аналог. Для уменьшения усилий сжатия шлама в межзубцовых впадинах и предотвращения его запрессовывания в полости зубца, на корпусе шарошки выполнены плавные углубления, смежные со впадинами между отдельными зубьями на венцах шарошек. Такое сочетание формы межзубцовых впадин и впадин между отдельными зубьями на венце обеспечивает общее положительное качество - непрерывный сдвиг ранее поступившей шламовой массы вновь последующими ее порциями по наклонному плавному желобу. Этот признак особенно важен при прохождении долотом вязких глинистых пород, когда запрссовавшиеся частицы шлама между зубьями на венцах превращают эти венцы в сплошные кольцевые катки. При этом резко снижается удельное давление под венцами на породу забоя, а значит падает и механическая скорость бурения. Однако, этот положительный фактор становиться источником другого, отрицательного фактора - создания дополнительных концентраторов напряжения в корневой зоне отдельных фрезерованных зубьев, что может способствовать ускорению их поломок под корень.

Известен зуб другого шарошечного долота на периферийных рядах шарошек, имеющий «П«-образную» форму в поперечном сечении [2], принятого за другой аналог. Положительное качество этого зуба состоит в том, что с целью увеличения глубины внедрения зубьев в породу и улучшения их очистки от вышеуказанного забивания пробками из шлама, между внутренними гранями зуба установлена поперечная плавнвя наклонная перемычка, по которой обеспечивается постоянный сдвиг и удаление из наклонной полости зуба шламовой массы, не давая ей возможности спрессоваться и снизить удельное давление на породу забоя. Однако, и у этой конструкции зуба имеется отрицательное качество - этот зуб предназначен только для оснащения периферийных венцов шарошек.

Известна другая шарошка бурового долота, содержащая корпус, с расположенными на нем продольными фрезерованными зубьями, снабженными остроугольными плавнопонижающимися двухсторонними поперечными перемычками, соединяющими боковые продольные поверхности зубьев [3), принятого за третий аналог. Наличие таких остроугольных консолей значительно увеличивает прочность зубьев на изгиб, одновременно улучшая принудительный скат с боковых поверхностей вязкой породы и шлама, не допуская слипания и образования вместо воздействующих на породу отдельных зубьев вышеуказанных сплошных катков, препятствующих эффективному бурению. Однако, и у этого варианта вооружения шарошек, наряду с положительными свойствами, имеется и отрицательное - он возможен только для выполнения фрезерованных зубьев шарошек из тела их заготовки, исключая твердосплавные зубки.

Известна еще одна шарошка бурового долота с элементами вооружения в виде вставных твердосплавных зубков на ее теле [4], принятого за прототип. Рабочая поверхность зубков в этой конструкции долота выполнена не в виде традиционного одиночного призматического продольного лезвия, а в виде плоской замкнутой фигуры в виде четырехугольника с двумя парами разных по длине параллельных породоразрушающих вершинных выступов или подобных выступов на замкнутой плоской окружности на вершине зубка. Оба варианта зубков имеют плавную боковую рабочую поверхность, обрамляющую вершину зубка и соединяющую ее с цилиндрическим основанием, служащим для закрепления зубка в отверстиях на венцах шарошки. Указанная форма зубка позволяет обеспечить необходимую достаточную величину выступания вершины над телом шарошки, а также кратно более высокую прочность вершинного каркаса на удар и изгиб при встрече зубка с поверхностью забоя при последующем перекатывании по нему. Кроме того, монолитная форма каркаса такого зубка обладает повышенной прочностью и повышенной абразивной износостойкостью из-за плавных переходов между всеми поверхностями формы во всех поперечных сечениях вершины, проходящих через ось зубка.

В любом сечении, проходящем через ось зубка и поперек образующей конуса шарошки, получается равнобокая трапеция со сглаженными со стороны вершин двумя углами. При этом динамика взаимодействия поверхностей породоразрушающей вершины делится на три этапа: вначале, при встрече с забоем, контакт происходит только с передней частью замкнутого контура; затем входит в контакт с ним вся полная вершинная поверхность замкнутого контура, а затем уже врезается в поверхность забоя задняя грань замкнутого контура зубка. Такое последовательное врезание зубка превосходит эффект возникновения удельного давления на породу при врезании в нее традиционного клиновидного зубка с притуплением при вершине, аналогичным по форме притуплению вершинной поверхности сечения зубка с замкнутым контуром. Однако, наряду указанными явными преимуществами этой формы зубков, у них имеются и недостатки. Главный из этих недостатков состоит в том, что плоская замкнутая фигура на вершине зубка имеет глухую вогнутость глубиной от 0,3 до 1,5 мм. При перекатывании зубков по забою происходит быстрое заполнение и плотное прилипание-зачеканка шлама в глухую вогнутость и превращение контактной вершины зубка в плоский каток, имеющий кратно увеличенную поверхность контакта с породой. Это способствует соответствующему кратному снижению удельного давления под зубком, а значит снижению механической скорости бурения и показателей работы долота.

В предлагаемой конструкции шарошечного долота устранены все указанные недостатки, присущие вышеупомянутым конструкциям аналогов и прототипа при использовании их достоинств. Решение этой задачи достигается тем, что в предлагаемом долоте, содержащем секции с лапами и подвижно закрепленными на их цапфах шарошками с венцами породоразрушающих элементов, вершины которых по краям торцев оснащены выступающими породоразрушающими контурами в виде замкнутых прямоугольников или окружностей, а дно внутри этих контуров имеет вогнутую форму. На вогнутом дне выполнено одно или более сквозных отверстий, соединяющего его с боковой поверхностью зубка для выдавливания их него разрушенного шлама, накапливающегося в полости вогнутого дна при перекатывании нагружаемой шарошки по забою.

Форма отверстий может быть различной, например круглой, овальной. Они могут выполняться с прямолинейной или криволинейной осью, ступенчатыми по диаметру. Зубья могут выполняться из тела стальной заготовки или металлокерамики.

Относительно сложно изготовление зубков из металлокерамики. Высокая твердость спеченных твердосплавных зубков может затруднить выполнение вышеуказанных сквозных отверстий. Однако, для современной технологии механообработки твердых сплавов существуют специальные варианты. Самый простой из них заключается в специальной термообработке заготовок. Спрессованные из мелкозернистых порошков, с добавлением пластификатора, заготовки зубков перед высокотемпературным спеканием при t=1450 градусов Цельсия, предварительно сушат в низкотемпературных печах при 130 градусах. При этом заготовки зубков приобретают прочностные свойства, вполне достаточные для механообработки. Такая обработка осуществляется даже легче, чем обработка деталей из мягких сталей, на таких же станках и тем же инструментом. После сушки и механообработки заготовки из металлокерамики проходят окончательное спекание, при котором приобретают необходимые для бурения твердость и прочность.

На рис. 1 показан породоразрушающий элемент предлагаемого шарошечного бурового долота с повышенным удельным давлением зубьев на породу с вариантом прямолинейного направления сквозного отверстия из вогнутого дна. На рис. 2 показан вариант продольного сечения зубка, показанного на рис. 1. На рис. 3 показан вариант с криволинейным, ступенчатым по диаметрам, выполнением сквозного отверстия. На рис. 4 показан вариант продольного сечения предлагаемого породоразрушающего элемента с двумя прямолинейными направлениями отверстий в сторону вогнутого дна.

При работе долота на забое, породоразрушающий элемент, показанный на рис. 1, должен предпочтительно располагаться на венцах шарошки таким образом, чтобы удлиненные части (позиция 1) замкнутого контура «а» располагались вдоль образующей конусов шарошки, а укороченные части (позиция 2) контура «в» - поперек этих образующих. Позицией 3 на рис. 1 обозначено вогнутое дно, позициями 4 и 5 обозначены соответственно боковые поверхности породоразрушающего элемента, соединяющие выступающие части замкнутого контура 1 и 2 с цилиндрическим основанием зубка 6, служащим для закрепления породоразрушающего элемента в отверстиях на теле шарошки, если этот элемент изготавливается из твердосплавного материала.

Выступающая часть породоразрушающего элемента, если он выполняется непосредственно на стальном теле заготовки шарошки, выглядит аналогично показанному на рис. 1, и размещается на ее конусах в соответствии с решением конструктора, поэтому стальной вариант на рисунках не показан.

Позицией 7 на рис. 1 обозначено положение выхода из отверстия, соединяющего вогнутое дно 3 с боковой рабочей поверхностью 4 зубка. На рис. 2 представлено сечение 1-1 рис. 1 со скруглениями боковыми R 1 и внутренними R 2 выступающей породоразрушающей части замкнутого контура. Позиций 8 на этом же рисунке обозначен вариант направления режущего инструмента с боковой поверхности 4 до выхода в поверхность дна 3.

На рис. 3 представлено то-же сечение 1-1 рис. 1 с вариантом криволинейного отверстия, соединяющего дно 3 с той же боковой поверхностью зубка, выполненного двумя встречными инструментами, направление которых обозначено позициями 9 и 10.

На рис. 4 представлено то - же сечение 1 - 1 рис. 1 с вариантом двух отверстий, соединяющих дно 3 с двумя противоположными отверстиями на поверхностях 4, выполненными с направлениями 11 и 12 двух встречных инструментов.

В обоих вариантах выполнения - и на стальных зубьях, и на твердосплавных зубках, желательно обеспечивать при механической обработке отверстий максимальную плавность переходов и минимальную шероховатость на стенках отверстий.

Указанные аналогичные пожелания при механической обработке отверстий в теле породоразрушающих элементов сохраняются и для варианта, когда вместо прямоугольной замкнутой формы выполняются круглые замкнутые формы рабочей вершины.

Повышение удельной нагрузки на породу под режущими кромками породоразрушающих вершин зубьев шарошек, в сумме с повышением стойкости их каркаса от ударных нагрузок и абразивного износа, позволяет увеличить механическую скорость бурения и проходку шарошечных долот.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. «Шарошка бурового долота», авт. Богомолов P.M., Палащенко Ю.А., Бабичев А.А., Бревдо Г.В., Корнилов А.Е., патент РФ №1369376 кл. Е21В 10/16 от 08.02.1985 г.

2. «Зуб шарошечного долота», авт. Владиславлев Ю.Е., Агошашвили Т.Г., Перегудов А.А. и др., патент РФ №1221310 кл. Е21В 10/16 от 30.03.1986 г.

3. «Шарошка бурового долота», авт. Богомолов P.M., Бабичев А.А., Палащенко Ю.А. патент РФ №2019667 кл. Е21В 10/16 от 15.09.1994 г.

4. «Шарошка бурового долота», авт. Кулябин Г.А., Кулябин А.Г., Долгушин В.В., Касимов М.М., патент РФ №2357064 от 27.05.2009 г.