Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВОЕ ДОЛОТО

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым долотам гидромониторного типа.

Известно долото, включающее корпус с шарошками и промывочными узлами, оснащенными насадками с уплотнительными элементами и фиксаторами в виде пружинных разрезных колец (см. авт. св. N 548700, кл. E21B 10/18, 1974).

Недостатком этого долота является малая проходка и скорость бурения, связанные с возможностью размыва стопорного кольца и, как следствие этого, с выпадением насадки на забой и попаданием под зубья шарошек. Учитывая размеры насадок, а также материал (как правило, они изготавливаются из твердого сплава), попадание их на забой скважины ведет к поломке зубьев, что и снижает технико-экономические показатели долота.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое долото, содержащее корпус с шарошками и центральный промывочный узел, включающий жестко соединенную с корпусом втулку с опорным уступом на внутренней поверхности, размещенную на нем гидромониторную насадку со ступенчатым торцом и уплотнительным кольцом, установленным в кольцевом пазу, образованном стенками ступенчатого торца насадки и опорной и боковой стенками втулки, и фиксатор, контактирующий с верхним торцом насадки (см. патент РФ N 20965577, кл. E21B 10/60, 1997 г.).

К отрицательным сторонам данного бурового долота следует отнести недостаточную эффективность в работе, связанную с некачественной очисткой забоя от шлама и зашламлением межвенцовых и межзубцовых впадин шарошек, особенно при бурении по вязким породам.

Техническим результатом данного изобретения является повышение механической скорости бурения и проходки на долото.

Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом долоте, содержащем корпус с шарошками и центральный промывочный узел, включающий жестко соединенную с корпусом втулку с опорным уступом на внутренней поверхности, размещенную на нем гидромониторную насадку со ступенчатым торцом и уплотнительным кольцом, установленным в кольцевом пазу, образованном стенками ступенчатого торца насадки и опорной и боковой стенками втулки, и фиксатор, контактирующий с верхним торцом насадки, согласно изобретению выходная часть канала насадки выполнена в виде диффузора с поперечным сечением в форме многогранника, вершины которого ориентированы в межшарошечное пространство и в направлении осей вращения шарошек, при этом насадка зафиксирована относительно втулки от проворота.

Достижению поставленного технического результата способствует также и то, что:

- многогранник выполнен с углами двух размеров, при этом вершины углов меньшего размера направлены в межшарошечное пространство, а вершины углов большего размера - в сторону осей вращения шарошек;

- насадка и втулка в зоне контакта их боковых поверхностей выполнены соответственно с выступом и ответной впадиной.

На фиг. 1 изображен общий вид долота; на фиг. 2 - вид на шарошки долота сверху; на фиг. 3 насадка в увеличенном масштабе; на фиг. 4 и 5 - вид А на фиг. 3 двух вариантов.

Буровое долото содержит корпус 1, шарошки 2 с зубьями 3 и центральный промывочный узел, включающий жестко соединенную с корпусом 1, например, посредством сварки втулку 4, в полости которой размещены насадка 5 с уплотнительным кольцом 6 и фиксатор 7. Втулка 4 выполнена со ступенчатой внутренней поверхностью с опорным уступом 8 под насадку и резьбой 9 в верхней части под фиксатор 7. Опорная поверхность уступа 8 имеет форму конуса, соответствующую конической поверхности выходной части насадки 5. Последняя выполнена со ступенчатой наружной поверхностью, образующей совместно с боковой стенкой втулки 4 и ее уступом 8 кольцевой паз 10 под уплотнительное кольцо 6. Уплотнительное кольцо 6 изготавливается из полиуритана, резины или другого эластичного материала и поджимается к опорной поверхности уступа 8 нижним торцом фиксатора 7. Фиксатор 7 выполнен в виде резьбового ниппеля, соединенного с втулкой 4, и имеет на верхнем торце пазы 11 под монтажный инструмент. Выходная часть канала насадки 5 выполнена в виде диффузора с поперечным сечением в форме многогранника (см. фиг. 4 и 5), вершины которого ориентированы в межшарошечное пространство и на периферийные венцы шарошек 3, при этом насадка 5 зафиксирована относительно втулки 4 от проворота. Это необходимо для сохранения заданной ориентации углов многогранника относительно корпуса 1 и шарошек 3 долота. Узел фиксации насадки 5 относительно втулки 4 может быть образован путем выполнения насадки 5 и втулки 4 в зоне контакта их боковых поверхностей соответственно с выступом 12 и ответной впадиной 13. При этом количество выступов 12 и впадин 13 должно быть не менее двух симметрично расположенных пар. Выходная часть промывочного канала насадки 5 в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород может быть выполнена с поперечным сечением в форме многоугольника с одинаковыми углами - α (фиг. 4) или двух размеров - β₁ и β₂ (фиг. 5), при этом вершины углов меньшего размера - β₂ направлены в межшарошечное пространство, а вершины углов большего размера - β₁ направлены в сторону осей вращения шарошек 3. Такая ориентация поперечного сечения промывочного канала позволяет максимально приблизить очистной поток к периферийной части забоя и обеспечить очистку вооружения шарошек 3 как на их основных венцах, так и на периферийных.

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 промывочный узел. При этом благодаря выполнению выходной части насадки 5 с поперечным сечением в форме многогранника, вершины углов которого ориентированы 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 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, что 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, 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.

Придание проходному отверстию насадки 6 формы многогранника (количество вершин которого равно удвоенному количеству шарошек 2), а выходной части формы диффузора, позволяет сразу направлять часть потока промывочной жидкости, выходящей из насадки 5, в межшарошечное пространство и на вооружение основных венцов шарошек. При этом для долот небольшого диаметра можно использовать многогранник правильной формы, а с ростом диаметра инструмента трансформировать его таим образом, чтобы меньшие углы - β₁ многогранника были направлены в сторону межшарошечного пространства, а большие - β₁ в направлении осей вращения шарошек 2. Такое расположение вершин многогранника позволит направлять большее количество промывочной жидкости и с большим отклонением потока в межшарошечное пространство, где она омывает вооружение сразу двух смежных шарошек и далее направляется в затрубное пространство. При этом для долот без смещения осей вращения шарошек половина вершин многогранника строго ориентирована вдоль осей вращения шарошек, а для долот со смещением, с поворотом на угол - φ (см. фиг. 2) разворота шарошек в ту же сторону, что и у шарошек.

Применение предложенного долота благодаря лучшей очистке забоя от шлама позволит увеличить механическую скорость бурения и проходку на долото и как следствие этого снизить себестоимость метра бурения.