Гибридное буровое долото с большим отношением диаметров направляющего штифта и цапфы
Группа изобретений относится к гибридным буровым долотам. Обеспечивает повышение допустимой нагрузки гибридного долота за счет увеличенного отношения диаметров направляющего штифта и цапфы внутри корпуса узла усеченно-конусной шарошки в пределах допустимого пространства внутри узла усеченно-конусной шарошки. Гибридное буровое долото включает: хвостовик для соединения с буровой колонной; опоры фиксированных резцов, соединенные с хвостовиком; фиксированные режущие лопасти, жестко соединенные с опорами резцов на удалении от хвостовика и включающие несколько режущих элементов, отходящих от поверхности лопастей; лапы усеченно-конусной шарошки, прикрепленные к хвостовику и включающие оси с центральной линией, содержащие цапфу, расположенную вокруг этой центральной линии оси и имеющую диаметр цапфы, и направляющий штифт, соединенный с цапфой и отходящий вдоль центральной линии оси в сторону продольной осевой линии; и узлы усеченно-конусной шарошки, прикрепленные к лапам усеченно-конусных шарошек на удалении от хвостовика и вблизи к фиксированным режущим лопастям с возможностью вращения на цапфе и направляющем штифте относительно хвостовика вокруг центральной линии оси, при этом узлы шарошек содержат отстоящие от их поверхности режущие элементы. Отношение диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы равно или более 0,58 и менее 1,0. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 6 ил.
Притязания на приоритет
Настоящая заявка претендует на приоритет патентной заявки US 61/139392, поданной 19 декабря 2008 г., и патентной заявки US 12/481410, поданной 9 июня 2009 г. Упомянутые заявки включены в настоящее описание посредством ссылки.
Область техники
В общем настоящее изобретение относится к буровым долотам, предназначенным для бурения подземных пород, более конкретно к гибридным буровым долотам, устройствам и способу повышения прочности опорных поверхностей в таких буровых долотах.
Уровень техники
Буровые долота часто используются в разведке нефтяных и газовых месторождений и добывающей промышленности для бурения скважин (также называемые "буровыми скважинами") в подземных пластах. Существует два распространенных типа буровых долот, используемых для бурения скважин, известных как буровые долота с "фиксированными резцами" и "шарошечные" буровые долота. В буровых долотах с фиксированными резцами используются вставки из поликристаллического алмаза (ПКА) и другие буровые долота лопастного типа. Эти буровые долота обычно включают корпус долота, имеющий с одного конца наружную резьбу для соединения с буровой колонной, и несколько режущих лопастей, отходящих от противоположного конца корпуса долота. Режущие лопасти образуют режущую поверхность бурового долота. Обычно в лопастях долота закрепляются или в них вставляются несколько режущих элементов, например резцов из ПКА или других материалов, обладающих достаточной твердостью и прочностью, чтобы деформировать и (или) прорезать земные породы, которые выступают от долота и образуют его режущий профиль. Эта совокупность режущих элементов используется для прорезывания подземных пород в процессе буровых работ, когда буровое долото вращают двигателем или другим вращающим устройством.
Буровое долото другого типа, называемое шарошечным долотом, обычно включает корпус долота с внешним резьбовым соединением с одного конца и несколько шарошек (обычно три), прикрепленных к другому концу бурового долота под наклоном к осевой линии долота. Эти шарошки могут вращаться на подшипниках, каждая отдельно, относительно корпуса долота.
Частные примеры шарошечного долота и конусной шарошки приведены на фиг.1 и 2 и описаны в US 6601661, включенном в настоящее описание посредством ссылки. Шарошечное долото 10 включает корпус 12 долота с продольной осевой линией 8 и соединителем 14 в виде резьбового штыря на верхнем конце для прикрепления корпуса 12 долота к нижнему концу буровой колонны (не показана). Корпус 12 долота имеет обычно три отходящие вниз лапы (две показанные имеют обозначение 16, 18), в каждой из которых имеются компенсаторы 20 смазки. Между соседними лапами расположены промывочные насадки 22 для подачи бурового раствора в процессе бурения. Буровой раствор нагнетается вниз по буровой колонне в полость в корпусе 12 долота. К нижнему концу каждой из трех лап прикреплена шарошка. На фиг.1 видны три конусных шарошки 24, 25 и 26, прикрепленные с возможностью вращения к нижним концам лап корпуса 12 долота.
Шарошка 24 удерживается подшипниками 27 на оси 28, имеющей центральную (осевую) линию 6, расположенную под углом к продольной осевой линии 8 корпуса долота. Ось 28 включает цапфу 29 и направляющий штифт 30 с выступом 31, сформированным между цапфой 29 и направляющим штифтом 30. Поверхности по диаметру цапфы 29 и направляющего штифта 30 служат в качестве опоры шарошки при радиальных (изгибающих) нагрузках, а поверхность выступа и, иногда, торцевая поверхность направляющего штифта служат в качестве опоры шарошки при осевой (торцевой) нагрузке. Диаметр и длина цапфы, диаметр и длина направляющего штифта и размер сформированного между ними выступа ограничены размерами и формой прикрепленного к ним шарошечного конуса. Для данного оптимального диаметра цапфы увеличение диаметра направляющего штифта приводит либо к необходимости уменьшать общую длину цапфы и (или) направляющего штифта или уменьшать толщину корпуса конуса. И то и другое может привести к аварии. Аналогично, слишком малая поверхность выступа может вызвать повреждение оси и места соединения с конусом шарошки.
Шарошка 24 включает корпус 32 шарошки, обычно изготавливаемый из закаленной нужным образом стали. Корпус 32 шарошки обычно имеет в целом форму конуса. От корпуса 32 шарошки выступает несколько основных режущих элементов 34, 36, 28. При вращении корпуса 32 шарошки вокруг оси 28 основные режущие элементы захватывают породу внутри скважины и дробят ее. Несколько режущих элементов могут быть представлены одним или комбинацией фрезерованных стальных зубьев (долота со стальными зубьями), вставок из карбида вольфрама или других твердых материалов (твердосплавные долота) или несколькими по-другому сформированными и имеющими другую форму элементами из материалов, твердость и прочность которых достаточна для деформирования и прорезывания подземных пород. В некоторых случаях на внешнюю поверхность режущих элементов и (или) других частей шарошечного бурового долота наносится материал твердосплавного упрочнения для снижения износа долота в процессе работы и увеличения его срока службы.
Буровым долотам описанных типов присущи ограничения, особенно в отношении срока службы долота и типов подземных пород, которые ими можно бурить. Долота с фиксированными резцами, например ПКА долота, могут обычно с успехом использоваться для пород от самых мягких до средней твердости и неабразивных пород средней твердости. Твердые и (или) абразивные породы обычно считаются неподходящими для ПКА резцов из-за их чрезмерного износа и уменьшенного срока службы при бурении таких пород. Например, бурение глинистого сланца и алевролита выполняется легко; бурение песчаника, особенно крупнозернистого и консолидированного, оказывается слишком сложным, чтобы быть рентабельным, и сопровождается разрушением буровых долот с фиксированными резцами [см., например, Feenstra, R. et al., "Status of Polycrystalline-Diamond-Compact Bits: Part 1 - Development" и "Part 2 - Applications", Journal of Petroleum Technology, том 40 (7), стр.675-684 и 817-856 (1988 г.)]. Успех здесь целиком зависит от правильного сочетания долота, пробуриваемой породы и условий работы. Опыт показал, что для долот с фиксированными резцами, например ПКА долот, тип глинистого раствора, гидравлика долота и конструкция долота влияют на работу, долота значительно сильнее, чем изменения свойств глинистого раствора.
Продолжительный опыт проведения буровых работ показывает, что более правильным оказывается разработка конструкции долота, наиболее подходящей для конкретного месторождения, чем выбор из имеющегося набора. Увеличенная агрессивность бурового долота не всегда желательна из-за связанного с ней повышения требований к крутящему моменту. Способность разработать и (или) приспособить долото для конкретной буровой операции или применения является неоценимым инструментом конструктора долота. Так, в последние годы были предприняты попытки разработки долот для бурения земных пород, в которых используется комбинация одной или более шарошки с одной или более фиксированной режущей лопастью, на которых сформированы или закреплены ПКА или аналогичные абразивные режущие элементы. Некоторые из этих долот комбинированного типа называют "гибридными буровыми долотами".
Одно ранее описанное гибридное буровое долото раскрыто в US 4343371, представляющее гибридное долото для твердых пород, "в котором пара противолежащих удлиненных лап лопастного долота с промывочными насадками расположены рядом с парой противолежащих шарошек с карбидом вольфрама. На удлиненном торце с промывочными насадками вблизи дна скважины установлено большое число алмазных вставок. Алмазные вставки специально расположены таким образом, чтобы удалять гребни между рядами канавок в дне скважины, прорезанных вставками на шарошках". В упомянутом патенте сечение направляющего штифта и цапфы не показано, однако обычно оно аналогично тому, что имеет шарошечное долото.
В цапфе и направляющем штифте возникают значительные напряжения при воздействии радиальных (изгибающих) и осевых (сжимающих) нагрузок на буровое долото в процессе буровых работ. Цапфа и направляющий штифт несут, каждый по своей длине, радиальную нагрузку, действующую поперек центральной линии оси, а торцевая поверхность между цапфой и направляющим штифтом несет осевую нагрузку, действующую параллельно центральной линии оси. В гибридном буровом долоте узел шарошки в целом меньше по размеру при данном размере резца, чем у соответствующего шарошечного долота, поскольку гибридное буровое долото должно размещать как узлы шарошек, так и соседние фиксированные режущие лопасти. Цапфа и направляющий штифт, вокруг которых вращается узел шарошки, вынужденно получаются меньшего размера, что приводит к большим напряжениям при тех же напряжениях на меньшей площади. Однако напряжения, возникающие в самом узле шарошки, требуют некоторой минимальной толщины материала корпуса шарошки, чем ограничиваются размер и длина как цапфы, так и направляющего штифта. Например, увеличение диаметра направляющего штифта требует уменьшения длины штифта для размещения штифта увеличенного диаметра внутри узла шарошки либо требует уменьшения толщины стенки узла шарошки.
Таким образом сохраняется потребность повышения допустимой нагрузки гибридного бурового долота.
Раскрытие изобретения
Раскрытое и описанное здесь изобретение относится к усовершенствованному гибридному буровому долоту, имеющему по меньшей мере два узла усеченно-конусной шарошки (в форме усеченного конуса), каждый из которых вращается на долоте вокруг отдельной оси, и по меньшей мере две фиксированные режущие лопасти, прилегающие к узлам усеченно-конусной шарошки, и связанным с ним элементам. В усовершенствованном буровом долоте увеличено отношение диаметров направляющего штифта и цапфы в корпусе узла усеченно-конусной шарошки в пределах допустимого пространства внутри узла усеченно-конусной шарошки.
В раскрытии предлагается гибридное буровое долото для использования в бурении подземных пород, включающее: хвостовик, расположенный вокруг продольной осевой линии и приспособленный для соединения с буровой колонной; по меньшей мере две опоры фиксированных резцов, соединенные с хвостовиком; по меньшей мере две фиксированные режущие лопасти, жестко соединенные с опорами резцов на удалении от хвостовика, включающие несколько режущих элементов, отходящих от поверхности лопастей; и по меньшей мере два узла усеченно-конусной шарошки, прикрепленные к лапам усеченно-конусных шарошек на удалении от хвостовика вблизи к фиксированным режущим лопастям и приспособленные к вращению относительно хвостовика вокруг центральной линии оси на цапфе и направляющем штифте, при этом узлы шарошек включают режущие элементы, отстоящие от поверхности узлов. Ось на лапах усеченно-конусной шарошки включает цапфу, расположенную вокруг центральной линии оси и имеющую диаметр цапфы; и направляющий штифт, соединенный с цапфой и отходящий вдоль центральной линии оси в сторону продольной осевой линии, имеющий диаметр направляющего штифта, причем отношение диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы равно или более 0,58.
В изобретении предлагается гибридное буровое долото для использования в бурении подземных пород, включающее: хвостовик, расположенный вокруг продольной осевой линии и приспособленный для соединения с буровой колонной; по меньшей мере две опоры фиксированных резцов, соединенные с хвостовиком; по меньшей мере две фиксированные режущие лопасти, жестко соединенные с опорами резцов на удалении от хвостовика, включающие несколько режущих элементов, отходящих от поверхности лопастей; и по меньшей мере две лапы крепления усеченно-конусной шарошки, прикрепленные к хвостовику, включающие ось, центральная линия которой проходит под углом к продольной осевой линии в направлении к продольной осевой линии. Ось включает цапфу, расположенную вокруг центральной линии оси и имеющую диаметр цапфы; и направляющий штифт, соединенный с цапфой и отходящий вдоль центральной линии оси в сторону продольной осевой линии, имеющий диаметр направляющего штифта, причем отношение диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы равно или более 0,58.
Краткое описание чертежей
Приведенные далее чертежи представляют собой часть описания и включены для иллюстрации некоторых особенностей настоящего изобретения. Изобретение будет более понятным благодаря ссылкам на эти чертежи в сочетании с подробным описанием представленных здесь конкретных вариантов осуществления:
на фиг.1 представлен вид сбоку типичного шарошечного долота;
на фиг.2 представлен вид сбоку в сечении конфигурации цапфы и направляющего штифта типичного шарошечного долота;
на фиг.3 представлен вид сбоку частного варианта гибридного бурового долота;
на фиг.4 представлен вид снизу частного варианта гибридного бурового долота;
на фиг.5 представлен вид сбоку в сечении частного варианта конфигурации с увеличенным отношением диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы в соответствии с изобретением;
на фиг.6 представлен вид сбоку в сечении другого частного варианта конфигурации с увеличенным отношением диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы в соответствии с изобретением.
В то время как раскрытое здесь изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, ниже будут представлены для примера на чертежах и подробно описаны только некоторые частные варианты осуществления.
Подробное описание осуществления изобретения
Описанные выше фигуры чертежей и приводимое ниже описание конкретных структур и функций не предназначены для ограничения объема изобретения или области притязаний приложенной формулы. Напротив, чертежи и описание предназначены для того, чтобы показать любому специалисту, как могут быть изготовлены и использованы изобретения, для которых испрашивается патентная защита. Специалистам должно быть понятно, что для краткости и лучшего понимания описаны или показаны не все признаки промышленных вариантов осуществления изобретений. Специалистам также должно быть понятно, что разработка реальных конструкций, включающих особенности настоящего изобретения, для достижения целей разработки для промышленного образца потребует многочисленных решений, обусловленных конкретным вариантом реализации. Такие решения, обусловленные конкретным вариантом реализации, могут включать соблюдение ограничений системного, делового, нормативного и иного характера, хотя, скорее всего, не сводятся к ним. Эти ограничения могут отличаться для конкретного варианта осуществления, местоположения и с течением времени. Хотя стоящие перед разработчиком задачи будут сложны и трудоемки в абсолютном выражении, использование данного раскрытия для специалиста сделает решение этих задач обычной работой. Следует понимать, что раскрытое и описанное здесь изобретение может иметь различные модификации и альтернативные формы. И, наконец, использование термина в единственном числе, например, выражаемого неопределенным артиклем или иным способом, не подразумевает ограничения количества элементов. Кроме того, термины, выражающие соотношения, например "верх", "низ", "левый", "правый", "верхний", "нижний", "вниз", "вверх", "боковой" и другие, используются в описании для прояснения конкретных ссылок на чертежи и не предполагают ограничения области притязаний изобретения или приложенной формулы. Термины "соединять", "соединенный", "соединяющий", "соединитель" и другие аналогичные термины используются здесь в широком смысле и могут включать любой способ и устройство для фиксации, связывания, скрепления, прикрепления, присоединения, соединения, установки внутрь, формирования снаружи или внутри, установления связи или формирования связи в иной форме, например механической, магнитной, электрической, химической, прямо или косвенно посредством промежуточных элементов, одного или более элементов, и также может включать без ограничения интегрирование одного функционального элемента с другим в единое целое. Соединение может происходить в любом направлении, включая вращательное.
Заявителями предложено усовершенствованное гибридное долото и связанные с ним элементы с увеличенным отношением диаметров направляющего штифта и цапфы внутри корпуса узла усеченно-конусной шарошки, включающее по меньшей мере два узла усеченно-конусной шарошки, каждый из которых может вращаться вокруг отдельной оси на долоте, и по меньшей мере две фиксированные режущие лопасти рядом с узлами усеченно-конусной шарошки.
На фиг.3 представлен вид сбоку частного примера гибридного бурового долота. На фиг.4 представлен вид снизу частного примера гибридного бурового долота. На фиг.5 представлен вид частного примера конфигурации с увеличенным отношением диаметров направляющего штифта и цапфы в соответствии с раскрытием. На фиг.6 представлен вид другого частного примера конфигурации с увеличенным отношением диаметров направляющего штифта и цапфы в соответствии с раскрытием. Описание этих чертежей будет выполняться совместно.
Гибридное буровое долото 50 имеет продольную осевую линию 52, определяющую центральную ось гибридного бурового долота. На одном конце гибридного бурового долота сформирован хвостовик 54, предназначенный для присоединения к буровой колонне из труб (не показана) и имеющий резьбу в соответствии со стандартами, внедряемыми Американским нефтяным институтом. От хвостовика 54 отходят по меньшей мере две опоры 56 долота с фиксированными резцами вниз в направлении общей ориентации долота внутри буровой скважины. На конце гибридного бурового долота, удаленном от хвостовика 54, опоры 56 фиксированных резцов переходят в фиксированные режущие лопасти 58.
Несколько режущих элементов 60, 62 фиксированных лопастей расположены и закреплены на поверхности 63 на каждой из фиксированных режущих лопастей 58, например на ведущих кромках гибридного бурового долота по отношению к направлению вращения. Как правило, режущие элементы 60, 62 фиксированных лопастей включают слой или пластинку поликристаллического алмаза (ПКА) на ведущей по направлению вращения поверхности несущей подложки, при этом алмазный слой или пластинка образуют режущую поверхность, имеющую по своему краю режущую кромку для захвата породы. Термин ПКА используется в широком смысле и включает другие материалы, например диски или пластинки из термостабильного поликристаллического алмаза, закрепленные на подложках карбида вольфрама, или иные аналогичные суперабразивные или сверхтвердые материалы, например кубический нитрид бора и углерод с алмазоподобной структурой. Режущие элементы 60, 62 фиксированных лопастей могут быть припаяны тугоплавким припоем или иным способом закреплены в гнездах или "карманах" на каждой фиксированной режущей лопасти 58 так, что их наружные или режущие кромки на режущих поверхностях обращены в сторону породы.
Гибридное буровое долото 50 также включает по меньшей мере две лапы 64 усеченно-конусных шарошек и прикрепленные к ним два узла 72 усеченно-конусных шарошек. Лапы 64 усеченно-конусных шарошек по аналогии с опорами 56 фиксированных резцов, проходят от хвостовика 54 вниз в направлении общей ориентации долота внутри буровой скважины. Каждая из лап 64 усеченно-конусных шарошек заканчивается осью 66 на дальнем конце лап. Ось 66 имеет центральную линию 67, вокруг которой симметрично сформирована ось. Центральная линия 67 оси в целом расположена под углом к продольной осевой линии 52 (обычно под углом 51-59 градусов к продольной осевой линии, то есть под углом 31-39 градусов к горизонтали, при условии, что продольная осевая линия перпендикулярна горизонтальной плоскости) и проходит в сторону продольной осевой линии. В по меньшей мере одном варианте осуществления центральная линия 67 оси может пересекать продольную осевую линию 6. Могут быть, однако, использованы и другие углы и направления, включая направления в сторону от продольной осевой линии.
На оси 66 сформировано в основном две части - цапфа 68, расположенная в основании оси, и направляющий штифт 70, прилегающий к цапфе и проходящий соосно с ней вдоль центральной линии 67 оси. Выступ 71 образован между цапфой 68 и направляющим штифтом 70 вследствие различия их диаметров. Цапфа, направляющий штифт и выступ служат опорой узла 72 усеченно-конусных шарошек, помещенного на цапфу и направляющий штифт с возможностью вращения.
На каждой оси 66 обычно установлен узел 72 усеченно-конусной шарошки. Узел 72 усеченно-конусной шарошки обычно имеет срезанную носовую секцию 73 в отличие от типичного долота с конусной шарошкой, показанного на фиг.2. Узел 72 усеченно-конусной шарошки приспособлен для вращения вокруг оси 66, когда гибридное буровое долото 50 вращают буровой колонной посредством хвостовика 52. Обычно на поверхности 77 узла 72 шарошки закреплено несколько режущих элементов 74, 75. По меньшей мере некоторые из режущих элементов обычно расположены по узлу 72 усеченно-конусной шарошки круговыми рядами. Минимальное расстояние между режущими элементами будет определяться характером применения и размером долота и может меняться от одного узла шарошки к другому и (или) от одного режущего элемента к другому. Некоторые режущие элементы могут быть размещены на поверхности узла шарошки "беспорядочно". Режущие элементы могут включать вставки из карбида вольфрама, установленные на тугой посадке в отверстия в поверхности узла шарошки, фрезерованные режущие элементы или режущие элементы в виде стальных зубьев с наваренными твердосплавными режущими элементами, составляющими единое целое с узлом шарошки и выступающими над ее поверхностью, и режущие элементы других типов. Режущие элементы могут быть выполнены из суперабразивных или сверхтвердых материалов, например поликристаллического алмаза, кубического нитрида бора и др., или могут иметь соответствующие покрытия. Режущие элементы могут иметь остроконечную форму, как показано на чертежах, коническую, круглую или овальную либо иную форму или комбинацию форм в зависимости от применения.
В гибридном буровом долоте режущие элементы 60, 62 фиксированной режущей лопасти 58 и режущие элементы 74, 75 узла 72 усеченно-конусной шарошки в совокупности определяют совмещающуюся режущую поверхность в ведущих частях профиля гибридного бурового долота. Режущие элементы 74, 75 узла 72 шарошки дробят и предварительно или частично измельчают материалы подземной породы высоконапряженными ведущими областями, ослабляя нагрузку на режущие элементы 60, 62 фиксированной режущей лопасти 58.
Шариковый подшипник 80 может способствовать вращению узла шарошки на оси. Один или более герметизированных или негерметизированных радиально-упорных подшипников 82, 84 образуют отрезок поверхности зацепления вдоль центральной линии оси, обеспечивающий вращение узла 72 шарошки на оси 66, и воспринимающую радиальную (изгибающую) нагрузку. Подшипники могут включать подшипник скольжения, роликовые подшипники, плавающие втулки, термоусадочные муфты и подшипники и материалы других видов. В некоторых вариантах осуществления упорный подшипник 86 может быть помещен на выступ или конец направляющего штифта для восприятия осевой нагрузки и облегчения вращения узла усеченно-конусной шарошки вокруг оси, когда узел шарошки опирается на выступ или конец направляющего штифта.
Узел 72 шарошки обычно включает уплотнитель 88, расположенный между осью 66 и внутренней полостью узла усеченно-конусной шарошки. Уплотнитель может быть хорошо известного типа, например эластомерным уплотнителем и металлическим торцевым уплотнителем.
Подразумевается, что другие элементы гибридного бурового долота, например резцы с продольным передним наклоном, износостойкие поверхности, промывочные насадки, используемые для придания направления потоку промывочного раствора, канавки для выноса бурового шлама, обеспечивающие очистку от обломков породы и бурового раствора, и иные общепринятые элементы бурового долота известны специалистам и не требуют специального рассмотрения.
После описания общих особенностей гибридного бурового долота рассмотрим ось с цапфой, направляющим штифтом и выступом. Цапфа, направляющий штифт и выступ подвергаются воздействию нагрузок в радиальном и осевом направлениях, когда гибридное буровое долото используется для бурения подземных пород. Важно увеличить диаметры цапфы и направляющего штифта относительно выступа и удлинить цапфу и направляющий штифт без ухудшения прочности узла усеченно-конусной шарошки из-за чрезмерного снижения толщины корпуса узла шарошки или уменьшения опорных поверхностей на оси.
Для обычных конструкций шарошечных долот, например, показанных на фиг.1 и 2, существуют общепринятые определенные ограничения на размер цапфы, направляющего штифта и выступа, для данного размера шарошки. Эти размеры были ограничены формой и конфигурацией шарошки и минимальной толщиной корпуса, позволяющей выдерживать воздействующие на шарошку нагрузки. Мера относительных диаметров направляющего штифта и цапфы может быть выражена отношением. Обычно это отношение составляет примерно 0,50 и не превышает 0,56. При использовании большей величины отношения обычно уменьшается длина подшипника для данного оптимального диаметра цапфы либо требуется нежелательное снижение толщины корпуса шарошки.
Насколько известно авторам изобретения, те же самые соотношения до настоящего времени также применялись в гибридных буровых долотах в соответствии с принятыми в промышленности нормами. Это происходило вопреки необходимости достижения максимальных величин диаметра и длины цапфы и направляющего штифта. Таким образом, увеличение отношения диаметров направляющего штифта и цапфы за пределы стандартного значения менее 0,56 не было очевидным предложением.
Авторы настоящего изобретения пересмотрели с самого начала вопрос о диаметрах цапфы и направляющего штифта и их соотношениях, применительно к толщине корпуса узла усеченно-конусной шарошки, и установили, что эти соотношения для узла усеченно-конусной шарошки могут быть изменены. Это изменение особенно важно в случае гибридного бурового долота, поскольку размер узла усеченно-конусной шарошки обычно меньше для гибридного бурового долота определенного размера, чем для соответствующего шарошечного долота. На гибридном буровом долоте должны размещаться как узлы усеченно-конусных шарошек, так и смежные с ними фиксированные режущие лопасти, в результате чего уменьшается размер цапфы и направляющего штифта и при тех же нагрузках возникают большие напряжения.
Авторы изобретения установили, что вопреки общепринятому мнению соотношение диаметров направляющего штифта и цапфы (отношение P:J) может быть увеличено до значения по меньшей мере от 0,58 до 1,0 включительно, в том числе отношения P:J, равные примерно 0,60, примерно 0,62, примерно 0,64, примерно 0,66, примерно 0,68, примерно 0,70, примерно 0,72, примерно 0,74, примерно 0,76, примерно 0,78, примерно 0,80, примерно 0,82, примерно 0,84, примерно 0,86, примерно 0,88, примерно 0,90, примерно 0,92, примерно 0,94, примерно 0,96, примерно 0,98, а также значения в этом диапазоне, например (без ограничений) отношения P:J в интервале от примерно 0,71 до примерно 0, 95 или от примерно 0,83 до примерно 0,99 включительно. При отношении, равном 1,0, диаметр направляющего штыря 70 становится равным диаметру цапфы 68 и части оси сливаются с образованием непрерывной поверхности. По мере того как увеличивается диаметр направляющего штифта 70, площадь поверхности выступа 71 сокращается. Однако сам по себе направляющий штифт может воспринимать осевые нагрузки своим концом, сопрягающимся с узлом усеченно-конусной шарошки. Как было показано выше, между направляющим штифтом 70 и узлом 72 шарошки может быть установлен упорный подшипник 86. Кроме того, возможны соотношения P:J, превышающие 1,0, когда диаметр направляющего штифта больше диаметра цапфы.
При расчете соотношений могут быть учтены и радиально-упорные подшипники, при их наличии. Так, если на цапфе имеется радиально-упорный подшипник 82, имеющий контактную поверхность вдоль центральной линии оси и воспринимающий радиальную нагрузку, толщина подшипника, воспринимающего радиальную нагрузку, может быть учтена в эффективном диаметре цапфы для дальнейшего сравнения с диаметром направляющего штифта. Аналогично, радиально-упорный подшипник 84 на направляющем штифте, отрезок поверхности зацепления которого проходит вдоль центральной линии оси, может фактически образовать направляющий штифт большего размера и в результате в расчете отношения может быть использован увеличенный диаметр направляющего штифта.
Другие и дополнительные варианты осуществления, в которых используются одна или более особенностей описанных выше изобретений, могут быть предложены в рамках сущности настоящего изобретения. Например, могут быть использованы различные углы наклона центральной линии оси. Может быть установлено несколько подшипников, например два шариковых подшипника, разнесенных друг от друга по длине цапфы и (или) направляющего штифта, для формирования увеличенного отрезка поверхности зацепления между подшипниками вдоль центральной линии для восприятия радиальных нагрузок и использовано для расчета отношений диаметров направляющего штифта и цапфы. Кроме того, для получения различных вариантов раскрытых способов и вариантов осуществления могут использоваться различные способы и варианты осуществления гибридного бурового долота в комбинации друг с другом. Рассмотрение отдельных элементов может относиться и к множеству элементов и наоборот.
Порядок выполнения любых шагов, представленных здесь в явной или неявной форме, может иметь различную последовательность, если иное не оговорено специально. Различные описанные здесь шаги могут быть объединены с другими шагами, вставлены между имеющимися шагами и (или) разбиты на несколько шагов. Аналогично, элементы были описаны функционально и могут быть реализованы как отдельные компоненты либо могут быть объединены в компоненты, имеющие несколько функций.
Изобретения были описаны применительно к предпочтительным и другим вариантам осуществления, но не каждый вариант осуществления изобретения был описан. Специалистам доступны очевидные модификации и изменения описанных вариантов осуществления. Раскрытые и нераскрытые варианты осуществления не подразумевают ограничения области притязаний или применения изобретения, напротив, в соответствии с патентным законодательством предполагается защита всех таких модификаций и усовершенствований, попадающих в область притязаний или эквивалентов приведенной ниже формулы изобретения.
1. Гибридное буровое долото для использования в бурении подземных пород, включающее: хвостовик, расположенный вокруг продольной осевой линии и приспособленный для соединения с буровой колонной; по меньшей мере две опоры фиксированных резцов, соединенные с хвостовиком; по меньшей мере две фиксированные режущие лопасти, жестко соединенные с опорами резцов на удалении от хвостовика и включающие несколько режущих элементов, отходящих от поверхности лопастей; по меньшей мере две лапы усеченно-конусной шарошки, прикрепленные к хвостовику и включающие оси с центральной линией, содержащие цапфу, расположенную вокруг этой центральной линии оси и имеющую диаметр цапфы, и направляющий штифт, соединенный с цапфой и отходящий от нее вдоль центральной линии оси в сторону упомянутой продольной осевой линии, причем отношение диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы равно или более 0,58 и менее 1,0; и по меньшей мере два узла усеченно-конусной шарошки, прикрепленные к лапам усеченно-конусных шарошек на удалении от хвостовика и вблизи к фиксированным режущим лопастям с возможностью вращения на цапфе и направляющем штифте относительно хвостовика вокруг центральной линии оси, при этом узлы шарошек содержат отстоящие от их поверхности режущие элементы.
2. Гибридное буровое долото по п.1, дополнительно включающее подшипник, расположенный вокруг цапфы, направляющего штифта или их комбинации и имеющий отрезок поверхности зацепления вдоль центральной линии оси с цапфой, направляющим штифтом или их комбинацией.
3. Гибридное буровое долото по п.2, в котором отношение диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы рассчитано с учетом подшипника на цапфе, направляющем штифте или их комбинации.
4. Гибридное буровое долото по п.1, в котором узлы усеченно-конусных шарошек включают срезанную носовую секцию.
5. Гибридное буровое долото по п.1, в котором направляющий штифт имеет поверхность упора, перпендикулярную центральной линии оси.
6. Гибридное буровое долото по п.1, в котором центральная линия оси расположена под углом от равного или превышающего 51˚ до меньшего или равного 59˚ относительно продольной осевой линии хвостовика.
7. Гибридное буровое долото для использования в бурении подземных пород, включающее: хвостовик, расположенный вокруг продольной осевой линии и приспособленный для соединения с буровой колонной; по меньшей мере две опоры фиксированных резцов, соединенные с хвостовиком; по меньшей мере две фиксированные режущие лопасти, жестко соединенные с опорами резцов на удалении от хвостовика, включающие несколько режущих элементов, отходящих от поверхности лопастей; и по меньшей мере две лапы усеченно-конусной шарошки, прикрепленные к хвостовику и включающие ось с центральной линией оси, содержащую цапфу, расположенную вокруг центральной линии оси и имеющую диаметр цапфы, и направляющий штифт, соединенный с цапфой и отходящий от нее вдоль центральной линии оси в сторону упомянутой продольной осевой линии, причем отношение диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы равно или более 0,58 и менее 1,0.
8. Гибридное буровое долото по п.7, дополнительно включающее подшипник, расположенный вокруг цапфы, направляющего штифта или их комбинации, и включающий отрезок поверхности зацепления вдоль центральной линии оси с цапфой, направляющим штифтом или их комбинацией.
9. Гибридное буровое долото по п.7, в котором отношение диаметра направляющего штифта к диаметру цапфы рассчитано с учетом подшипника на цапфе, направляющем штифте или их комбинации.
10. Гибридное буровое долото по п.7, в котором направляющий штифт имеет поверхность упора, перпендикулярную центральной линии оси.
11. Гибридное буровое долото по п.7, в котором центральная линия оси расположена под углом от равного или превышающего 51˚ до меньшего или равного 59˚ относительно продольной осевой линии хвостовика.
