Результат интеллектуальной деятельности: Долото для реактивно-турбинного бурения

Изобретение относится к области бурения скважин большого диаметра, а именно к шарошечным долотам для реактивно-турбинного бурения.

Известно долото для реактивно-турбинного бурения, содержащее корпус с наклонными цапфами и закрепленные на них шарошки с основными и периферийными венцами, армированными твердосплавными зубками и калибрующей поверхностью (см. Жиленко Н.П. и др. Справочное пособие по реактивно-турбинному бурению. М.: Недра, 1987, с. 77-81, рис. 42).

Недостатком этого долота является высокая энергоемкость и низкая эффективность процесса разрушения породы из-за нерациональной схемы расположения и ориентации зубков, приводящие к росту стоимости 1 м проходки.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является долото для реактивно-турбинного бурения, содержащее корпус с лапами, на цапфах которых установлены шарошки с основными и смещенными относительно них в сторону торца долота периферийными венцами, армированными твердосплавными вставками с клиновидной рабочей головкой, боковые поверхности которых ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки и образующей конуса ее основного венца (см. патент РФ №2090733, кл. Ε21В 10/16, 1997 г..

Недостатком данного долота является недостаточная эффективность его работы. Это связано с тем, что конструкция указанных долот не в полной мере учитывает особенности работы при реактивно-турбинном бурении, связанные с движением шарошек не только вокруг цапф, но и в переносном движении долота вокруг оси вращения агрегата реактивно-турбинного бурения.

В соответствии с изложенным техническим результатом изобретения является повышение проходки и механической скорости бурения способом реактивно-турбинного бурения.

Указанный технический результат достигается тем, что в долоте для реактивно-турбинного бурения, содержащем корпус с лапами, на цапфах которых установлены шарошки с основными и смещенными относительно них в сторону торца долота периферийными венцами, армированными твердосплавными зубками с клиновидной рабочей головкой, боковые поверхности которых ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки и образующей конуса ее основного венца, согласно изобретению каждая шарошка долота представляет собой конусообразную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата и выполнена с вершинным венцом, имеющим одинаковый угол конусности с основными венцами и одинаковую с ними высоту вылета твердосплавных зубков, установленных под острым углом к оси вращения долота.

Достижению указанного технического результата способствует также и то, что:

- вершины твердосплавных зубков периферийного и вершинного венцов смещены относительно друг друга на расстояние h_K, определяемое соотношением h_K=(0,5÷1,1)h, где h - вылет твердосплавных зубков основных венцов;

- углы наклона осей твердосплавных зубков периферийного и вершинного венцов β_Β к оси вращения долота β_K связаны соотношением: β_Β=(0,16÷1,83)β_K;

- соотношение величин передних углов резания твердосплавных зубков вершинного ϕ_Β и калибрующего ϕ_K венцов должны удовлетворять условию ϕ_Β≥ϕ_K, при этом ϕ_Β=(0÷25°).

- твердосплавные зубки вершинного венца зафиксированы в теле шарошки таким образом, что их площадки притупления наклонены к касательной к окружности, описанной по вершинам этих твердосплавных зубков, на угол ψ, находящийся в диапазоне от -5 до +5°.

Такое выполнение геометрии вооружения долота позволяет существенно повысить площадь поражения забоя в горизонтальной плоскости и одновременно снизить неравномерность распределения осевой нагрузки между «передней», по отношению к направлению максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения, и «задней» шарошками бурового долота.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид долота большого диаметра с разнонаправленным твердосплавным вооружением для реактивно-турбинного бурения; на фиг. 2 изображена принципиальная схема движения шарошек «передней» и «задней» при реактивно-турбинном бурении в момент их максимального проскальзывания по забою, связанного с вращением агрегата; на фиг. 3 - схема поражения забоя прямозубым и разнонаправленным вооружением «передней» и «задней» шарошек в месте максимального проскальзывания вдоль осей шарошек в направлении движения агрегата реактивно-турбинного бурения; на фиг. 4 - схема армирования калибрующего (тыльного) конуса шарошек; на фиг. 5 - схема армирования вершинного венца шарошек в двух вариантах; фиг. 6 - вид твердосплавного зубка вершинного венца со стороны рабочего торца.

Долото для реактивно-турбинного бурения включает корпус 1 с промывочными каналами 4 и лапами 2, на цапфах которых установлены шарошки 3 с вершинными 7, основными 6 и смещенными относительно них в сторону торца корпуса 1 долота периферийными венцами 5, армированными твердосплавными зубками 11 с клиновидной рабочей головкой. Боковые поверхности рабочих головок твердосплавных зубков 11 периферийных венцов 5 ориентированы параллельно калибрующей поверхности шарошки 3 и образующей конуса ее основного венца 6. При этом вершины твердосплавных зубков 11 периферийного 5 и вершинного 7 венцов смещены относительно друг друга на расстояние h_K, определяемое соотношением h_K=(0,5÷1,1)h, где h - вылет твердосплавных зубков 11 основных венцов 6. Каждая шарошка 3 долота представляет собой конусообразную конструкцию, нижняя образующая которой расположена перпендикулярно к оси вращения агрегата, при этом каждая шарошка долота выполнена с вершинным венцом 7, имеющим одинаковый угол конусности с основными венцами 6 и одинаковую с ними высоту вылета твердосплавных зубков, при этом эти твердосплавные зубки установлены под острым углом β_Β к оси вращения долота, причем углы наклона осей твердосплавных зубков периферийного β_K и вершинного венцов β_Β к оси вращения долота связаны соотношением: β_Β=(0,16÷1,83)β_K. В дополнении к этому твердосплавные зубки вершинного венца 7 должны быть зафиксированы в теле шарошки 3 таким образом, чтобы их площадки притупления были наклонены к касательной к окружности, описанной по вершинам этих твердосплавных зубков на угол ψ, находящийся в диапазоне от -5 до +5°.

Принцип работы долота заключается в следующем. Агрегат реактивно-турбинного бурения, включающий несколько параллельно работающих турбобуров с долотами, спускают в скважину и начинают процесс бурения. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемого турбобурами на каждое долото агрегата, твердосплавные зубки 11 внедряются в породу и разрушают ее. При этом вооружение долота совершает относительное вращение вокруг оси вращения долота 9 с угловой скоростью ω_D (фиг. 2) и переносное движение вокруг оси вращения (8) агрегата реактивно-турбинного бурения. Последнее сопровождается значительным проскальзыванием вооружения шарошек 3 по забою скважины, причем как вдоль оси шарошек, так и в перпендикулярном направлении.

На фиг. 2 представлено движение вооружения шарошки в момент «перекатывания» ее в точках А и В. Здесь движение долота вокруг оси вращения агрегата (8) с угловой скоростью ω_A не может быть компенсировано дополнительным увеличением или уменьшением скорости вращения шарошки ω_III, так как ее ось вращения располагается вдоль направления вращения агрегата ( - вектор линейной скорости точек А и В). При этом твердосплавные зубки вооружения (в случае прямозубого вооружения шарошек фиг. 3.1), находящиеся в соприкосновении с забоем, расположены таким образом, что их площадки притупления (12) также направлены вдоль направления вращения агрегата, поэтому при «перекатывании» шарошки долота по забою в точках А и В происходит максимальное проскальзывание зубьев вооружения в направлении вращения агрегата реактивно-турбинного бурения. Характерной особенностью этого проскальзывания является то, что твердосплавные зубки вооружения шарошки скользят в направлении не их основных рабочих поверхностей, т.е. набегающей или сбегающей граней, а в перпендикулярной им плоскости. Таким образом, в точках А и В основное разрушение породы забоя, связанное с проскальзыванием вооружения, осуществляется либо торцевыми поверхностями твердосплавных зубков, обращенными к основанию шарошки и ее тыльным конусом, либо торцевыми поверхностями твердосплавных зубков, обращенными к вершине шарошки.

На (фиг. 3.1) представлена схема поражения забоя прямозубым вооружением передней (3¹) по отношению к направлению максимального проскальзывания вооружения по забою, связанного с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения и задней (3²) шарошек долота большого диаметра. В данном случае общая площадь поражения забоя прямозубым вооружением обеих шарошек в горизонтальной плоскости будет определяться как сумма площадей прямоугольников, образованных шириной торцевой части твердосплавных зубков «а» и величиной скольжения Δ (смещением точки А в точку А' фиг. 2). Как видно на схеме, эффективность работы вооружения в этом направлении минимальна. Значительно увеличить площадь поражения забоя и тем самым повысить эффективность бурения можно путем оснащения шарошек разнонаправленным вооружением (фиг. 3.2).

Оценить прирост площади поражения забоя при использовании разнонаправленного вооружения в сравнении с прямозубым можно путем определения разницы площадей соответствующих фигур: S₁=аΔ и S₂=bΔ, где b - ширина твердосплавного зубка (фиг. 3).

Таким образом, оснащение шарошек разнонаправленным вооружением позволяет существенно увеличить площадь поражения забоя зубьями шарошек. Однако для того чтобы обеспечить максимальную эффективность работы разнонаправленного твердосплавного вооружения в условиях реактивно-турбинного бурения, необходимо при проектировании вооружения обеспечить определенную ориентацию твердосплавных зубков различных венцов вооружения (фиг. 1) и их расположение относительно поверхности забоя (фиг. 4), (фиг. 5), (фиг. 6). Это связано с тем, что в момент максимального проскальзывания вооружения, связанного с вращением агрегата, большая часть работы по разрушению плоского забоя осуществляется тыльным конусом передней (3¹) шарошки, на вооружение которого действует сила реакции разрушаемой породы Р_K, что при больших диаметрах долота вызывает его незначительное перекашивание, приводящее, в свою очередь, к частичному отжатию задней (3²) шарошки от забоя. Это приводит к неравномерному распределению нагрузки на шарошки долота большого диаметра и как, следствие, - снижению эффективности его работы. Чтобы предотвратить это негативное явления предлагается твердосплавные зубки вершинного венца 7 преднамеренно заглублять на большую глубину и с меньшим углом ϕ_B резания, нежели твердосплавные зубки периферийного венца 5. В этом случае специально ориентированные под углом β_B зубья вершинного венца (7) задней шарошки (3²) под действием силы реакции разрушаемой породы Р_B, заглубляясь на большую глубину и под более острым углом, помимо увеличения площади поражения забоя в горизонтальной плоскости, будут играть роль стабилизатора, препятствующего «отжиму» шарошки (3²) от забоя. Выполнение этого условия позволит максимально использовать работу сбегающих и набегающих граней всех без исключения твердосплавных зубков, одновременно находящихся в соприкосновении с поверхностью забоя при проскальзывании вооружения шарошек, связанном с вращением агрегата реактивно-турбинного бурения.

Вооружение основных венцов (6) может быть как в прямозубом, так и косозубом исполнении. Основные защищаемые признаки могут применяться и для стального армированного вооружения шарошечного бурового инструмента с любым количеством шарошек.

Твердосплавные зубки вершинного венца 7 в месте их максимального проскальзывания по забою, связанного с вращением агрегата, одновременно совершают и вращательное движение вокруг оси шарошки 3, вследствие этого они встречаются с забоем, двигаясь по винтообразной траектории, направление вращения которой зависит от того, вращается ли агрегат за счет реактивного момента (против часовой стрелки) или же принудительно ротором буровой установки (по часовой стрелке). В связи с этим твердосплавные зубки вершинного венца (7) зафиксированы в теле шарошки таким образом, что их площадка притупления наклонена к касательной к окружности, описанной по вершинам этих зубков на угол ψ, находящийся в диапазоне от -5 до +5°. Твердосплавные зубки вершинного венца (7) могут иметь как плоские основные рабочие грани, так и имеющие определенную кривизну r (12), зависящую от физико-механических характеристик разбуриваемых пород (фиг. 5)

Таким образом, применение предложенного долота позволит повысить эффективность бурения скважин способом реактивно-турбинного бурения за счет увеличения разрушающей способности твердосплавного зубчатого вооружения и снижения энергоемкости процесса разрушения породы, что в конечном итоге даст возможность повысить проходку и механическую скорость и снизить стоимость буровых работ.