Буровое шарошечное долото
Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровому шарошечному долоту для бурения горных пород. Технический результат заключается в повышении эффективности разрушения породы забоя. Буровое шарошечное долото включает полый корпус, корпус долота включает лапы с наклонными относительно оси вращения долота цапфами, к цапфам присоединены шарошки с возможностью вращения на цапфах вокруг собственных осей посредством подшипников. Шарошки установлены на цапфах со смещенными осями их вращения относительно оси вращения долота. Каждая шарошка имеет фрезерованное вооружение, выполненное в виде рядов фрезерованных зубьев. Каждая шарошка имеет металлическое многоконусное тело, выполненное с основным конусом, проходящим от вершины шарошки до калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей контакт со стенкой скважины, и калибрующим усеченным конусом, имеющим большее и меньшее основания, при этом меньшее основание выполнено со стороны задней части шарошки, контактирующей с цапфой, меньшее основание имеет точку контакта со стенкой скважины, а большее основание проходит от калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей вторую точку контакта со стенкой скважины. Образующие основного конуса и калибрующего усеченного конуса тела каждой шарошки имеют прямые линии. На внешнюю поверхность указанного калибрующего усеченного конуса металлического тела каждой шарошки нанесен твердосплавный слой с возможностью образования калибрующей поверхности твердосплавного слоя. Профиль внешней поверхности указанного твердосплавного слоя выполнен с образующей в виде выпуклой кривой, каждая точка которой образована пересечением калибрующей поверхности твердосплавного слоя со стенкой скважины при перекатывании шарошки по забою во время вращения бурового долота. На меньшем и большем основаниях калибрующего усеченного конуса тела шарошки толщина твердосплавного слоя уменьшается до нуля, образуя соответствующие указанные первую и вторую точки контакта тела шарошки на меньшем и большем основаниях со стенкой скважины. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам для бурения горных пород.
Для увеличения механической скорости бурения используют смещение осей вращения шарошек, которое позволяет увеличить проскальзывание зубьев вооружения по всей площади забоя.
Из уровня техники из источника SU 407028 А1, 21.11.1973 (калибрующая поверхность из двух конусов с тремя точками контакта) известно буровое шарошечное долото, включающее полый корпус, в верхней части которого выполнено резьбовое соединение с возможностью присоединения долота к частям бурильной колонны, корпус долота включает лапы с наклонными относительно оси вращения долота цапфами, причем к цапфам присоединены шарошки с возможностью вращения на цапфах вокруг собственных осей посредством подшипников, а шарошки установлены на цапфах со смещенными осями их вращения относительно оси вращения долота, при этом каждая шарошка имеет фрезерованное вооружение, выполненное в виде рядов фрезерованных зубьев, кроме того каждая шарошка имеет металлическое многоконусное тело, выполненное с основным конусом, проходящим от вершины шарошки до калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей контакт со стенкой скважины, и калибрующим усеченным конусом, имеющим большее и меньшее основания, при этом меньшее основание выполнено со стороны задней части шарошки, контактирующей с цапфой, меньшее основание имеет точку контакта со стенкой скважины, а большее основание проходит от калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей вторую точку контакта со стенкой скважины, причем образующие основного конуса и калибрующего усеченного конуса тела каждой шарошки имеют прямые линии, при этом для повышения эффективности калибровки стенки скважины, а следовательно, и показателей работы долота, калибрующая поверхность состоит из двух калибрующих конусов с тремя соответствующими точками контакта.
Хотя в указанном источнике информации и увеличилось число точек контакта калибрующей поверхности до трех для снижения интенсивности ее изнашивания, однако в нем не решена задача снижения интенсивности изнашивания калибрующих поверхностей смещенных шарошек путем многократного увеличения точек контакта, и не самим телом шарошки, а более износостойким средством, например твердосплавным слоем, при этом базирующие точки контакта самого тела шарошки на меньшем и большем основаниях калибрующего конуса тоже бы при этом оставались такими точками контакта, что не только бы повысило эффективность работы долота и снизило износ, но и сохранило постоянство его диаметра при работе.
Из уровня техники также широко известно нанесение на поверхность тела твердосплавного материала (слоя) в виде наплавки (см., например, SU 1467157 А1, 23.03.1989, наплавка твердым сплавом калибрующих поверхностей) для снижения истираемости тела. Однако в уровне техники, как и в источнике SU 1467157 А1, не решена задача снижения интенсивности изнашивания калибрующих поверхностей смещенных шарошек путем определенного расположения такого твердосплавного слоя на калибрующей поверхности шарошки так, чтобы многократно увеличить точки контакта, и не самим телом шарошки, а более износостойким твердосплавным слоем, при этом базирующие точки контакта самого тела шарошки на меньшем и большем основаниях калибрующего конуса тоже бы при этом оставались такими точками контакта, что не только бы повысило эффективность работы долота и снизило износ, но и сохранило постоянство его диаметра при работе.
Известно буровое шарошечное долото, включающее полый корпус, в верхней части которого выполнено резьбовое соединение с возможностью присоединения долота к частям бурильной колонны, корпус долота включает лапы с наклонными относительно оси вращения долота цапфами, причем к цапфам присоединены шарошки с возможностью вращения на цапфах вокруг собственных осей посредством подшипников, а шарошки установлены на цапфах со смещенными осями их вращения относительно оси вращения долота, при этом долото содержит промывочные узлы, выполненные с возможностью омывания шарошек рабочей жидкостью, поступающей из внутренней полости корпуса долота, и выноса вместе с рабочей жидкостью разрушенной горной породы в пространство между стенкой скважины и корпусом долота, а каждая шарошка в ее задней части, контактирующей с цапфой, имеет уплотнительный узел с возможностью герметизации смазки подшипников, а также каждая шарошка имеет фрезерованное вооружение, выполненное в виде рядов фрезерованных зубьев, кроме того каждая шарошка имеет металлическое многоконусное тело, выполненное с основным конусом, проходящим от вершины шарошки до калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей контакт со стенкой скважины, и калибрующим усеченным конусом, имеющим большее и меньшее основания, при этом меньшее основание выполнено со стороны задней части шарошки, контактирующей с цапфой, меньшее основание имеет точку контакта со стенкой скважины, а большее основание проходит от калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей вторую точку контакта со стенкой скважины, причем образующие основного конуса и калибрующего усеченного конуса тела каждой шарошки имеют прямые линии, при этом ряды фрезерованных зубьев шарошки образованы на основном конусе тела шарошки так, что режущие кромки их фрезерованных зубьев расположены на образующей основного конуса тела шарошки, причем смещенная ось вращения каждой шарошки выполнена с возможностью проскальзывания зубьев вооружения по всей площади забоя и образована параллельно по отношению к ее несмещенному положению оси вдоль радиуса долота, в сторону вращения долота, при этом расстояние от смещенной оси вращения каждой шарошки до ее несмещенного положения постоянно для каждой шарошки и имеет величину «у» поперечного смещения, кроме того смещенная ось вращения каждой шарошки смещена от несмещенного положения оси так, что вершина шарошки, лежащая на смещенной оси ее вращения, смещена от центра вращения долота вдоль несмещенного положения оси на постоянное для каждой шарошки расстояние в сторону от указанных точек контакта соответствующей шарошки со стенкой скважины, при этом указанное расстояние имеет величину «х» продольного смещения - см. источник МОКШИН А.С. и др. Шарошечные долота, М., Недра, 1971, всего 216 с, с. 63-65 (выбран за прототип).
Однако анализ износа зубчатого вооружения такого бурового инструмента со смещенными осями вращения шарошек показал, что происходит существенное изнашивание («зализывание») переходной зоны от тыльного конуса к основному, и это приводит к существенному снижению механической скорости бурения и быстрой потере диаметра скважины. Прототип не решает задачу снижения интенсивности изнашивания калибрующих поверхностей смещенных шарошек с помощью какого-либо участия твердосплавного слоя. В прототипе не решена задача многократного увеличения точек контакта калибрующей поверхности со стенкой скважины, и не самим телом шарошки, а более износостойким твердосплавным слоем, при этом базирующие точки контакта самого тела шарошки на меньшем и большем основаниях калибрующего конуса тоже бы при этом оставались такими точками контакта, что не только бы повысило эффективность работы долота и снизило износ, но и сохранило постоянство его диаметра при работе.
Задачей изобретения является устранение недостатков аналогов.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности разрушения породы забоя буровым шарошечным долотом со смещенными осями вращения шарошек, что достигается снижением интенсивности изнашивания калибрующих поверхностей смещенных шарошек путем определенного расположения твердосплавного слоя на калибрующей поверхности шарошки так, чтобы многократно увеличить точки контакта, и не самим телом шарошки, а более износостойким твердосплавным слоем, при этом базирующие точки контакта самого тела шарошки на меньшем и большем основаниях калибрующего конуса тоже при этом остаются такими точками контакта, что, как следствие, не только повышает эффективность работы долота и снижает износ, но и сохраняет постоянство его диаметра при работе.
Для этого необходимо внесение существенных коррективов в геометрию зубчатого вооружения шарошек, позволяющих обеспечить наиболее полноценный и длительный контакт основных и калибрующих конусов шарошек с поверхностью забоя и стенки скважины, что позволит снизить повышенный износ зубьев вооружения в зоне перехода образующей от периферийного основного к тыльному конусу шарошек и, в свою очередь, даст возможность зубчатому вооружению шарошек более длительный период времени сохранять требуемое удельное давление на разрушаемую породу, диаметр долота и, как следствие, обеспечит увеличение как механической скорости бурения, так и ресурс бурового инструмента.
Заявляемое буровое шарошечное долото включает полый корпус, в верхней части которого выполнено резьбовое соединение с возможностью присоединения долота к частям бурильной колонны, корпус долота включает лапы с наклонными относительно оси вращения долота цапфами, причем к цапфам присоединены шарошки с возможностью вращения на цапфах вокруг собственных осей посредством подшипников, а шарошки установлены на цапфах со смещенными осями их вращения относительно оси вращения долота, при этом долото содержит промывочные узлы, выполненные с возможностью омывания шарошек рабочей жидкостью, поступающей из внутренней полости корпуса долота, и выноса вместе с рабочей жидкостью разрушенной горной породы в пространство между стенкой скважины и корпусом долота, а каждая шарошка в ее задней части, контактирующей с цапфой, имеет уплотнительный узел с возможностью герметизации смазки подшипников, а также каждая шарошка имеет фрезерованное вооружение, выполненное в виде рядов фрезерованных зубьев, кроме того каждая шарошка имеет металлическое многоконусное тело, выполненное с основным конусом, проходящим от вершины шарошки до калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей контакт со стенкой скважины, и калибрующим усеченным конусом, имеющим большее и меньшее основания, при этом меньшее основание выполнено со стороны задней части шарошки, контактирующей с цапфой, меньшее основание имеет точку (M1) контакта со стенкой скважины, а большее основание проходит от калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей вторую точку (М2) контакта со стенкой скважины, причем образующие основного конуса и калибрующего усеченного конуса тела каждой шарошки имеют прямые линии, при этом ряды фрезерованных зубьев шарошки образованы на основном конусе тела шарошки так, что режущие кромки их фрезерованных зубьев расположены на образующей основного конуса тела шарошки, причем смещенная ось вращения каждой шарошки выполнена с возможностью проскальзывания зубьев вооружения по всей площади забоя и образована параллельно по отношению к ее несмещенному положению оси вдоль радиуса долота, в сторону вращения долота, при этом расстояние от смещенной оси вращения каждой шарошки до ее несмещенного положения постоянно для каждой шарошки и имеет величину «у» поперечного смещения, кроме того смещенная ось вращения каждой шарошки смещена от несмещенного положения оси так, что вершина шарошки, лежащая на смещенной оси ее вращения, смещена от центра вращения долота вдоль несмещенного положения оси на постоянное для каждой шарошки расстояние в сторону от указанных точек контакта соответствующей шарошки со стенкой скважины, при этом указанное расстояние имеет величину «х» продольного смещения.
Согласно изобретению, новым в буровом шарошечном долоте является то, на внешнюю поверхность указанного калибрующего усеченного конуса металлического тела каждой шарошки нанесен твердосплавный слой с возможностью образования калибрующей поверхности твердосплавного слоя, при этом профиль внешней поверхности указанного твердосплавного слоя выполнен с образующей в виде выпуклой кривой, каждая точка которой образована пересечением калибрующей поверхности твердосплавного слоя со стенкой скважины при перекатывании шарошки по забою во время вращения бурового долота, при этом на меньшем и большем основаниях калибрующего усеченного конуса тела шарошки толщина твердосплавного слоя уменьшается до нуля, образуя соответствующие указанные первую и вторую точки (M1, М2) контакта тела шарошки на меньшем и большем основаниях со стенкой скважины.
Именно нанесение на калибрующую поверхность твердосплавного слоя и выполнение калибрующей поверхности твердосплавного слоя в виде выпуклой кривой, у которой каждая точка контактирует со стенкой скважины, при этом тело шарошки контактирует со стенкой скважины на большем и меньшем основаниях, а в других местах контакт идет с твердосплавным слоем, приводит к повышению эффективности работы шарошечного бурового долота путем снижения износа переходной зоны от калибрующей поверхности к основному конусу.
В одном из конкретных предпочтительных вариантов указанная первая точка (M1) контакта тела шарошки со стенкой скважины расположена на меньшем основании на минимально возможном расстоянии от цапфы долота, рассчитываемом для образования стенки шарошки необходимой прочности у ее уплотнительного узла, и указанная первая точка (M1) контакта тела шарошки со стенкой скважины образует угол выхода (α), построенный в проекции горизонтального забоя скважины между двумя лучами, где один луч проходит от центра долота по радиусу скважины параллельно оси шарошки, а второй луч проходит от центра долота до проекции горизонтального забоя скважины указанной первой точки (M1) контакта тела шарошки со стенкой скважины,
при этом указанная вторая точка (М2) контакта тела шарошки со стенкой скважины расположена на большем основании со смещением от указанной первой точки (M1) контакта на угол отклонения (β), построенный в проекции стенки скважины между лучом вдоль стенки скважины и лучом от указанной первой точки (M1) контакта к проекции стенки скважины указанной второй точки (М2) контакта тела шарошки со стенкой скважины,
при этом указанные угол выхода (α) и угол отклонения (β) имеют зависимость друг от друга и связаны соотношением β=(0,114…0,293)α.
В одном из конкретных предпочтительных вариантов твердосплавный слой представляет собой наплавку из карбида вольфрама.
В одном из конкретных предпочтительных вариантов форма выпуклой кривой представляет собой выпуклую кривую четвертого порядка.
В одном из конкретных предпочтительных вариантов между большим и меньшим основаниями калибрующего усеченного конуса выполнен ряд фрезерованных зубьев, режущие кромки которых расположены на образующей калибрующего усеченного конуса тела шарошки, при этом режущие кромки указанных фрезерованных зубьев выполнены так, что по меньшей мере две режущие кромки указанного ряда фрезерованных зубьев пересекают линию контакта стенки скважины с калибрующей поверхностью твердосплавного слоя, расположенную между указанными первой (M1) и второй (М2) точками контакта стенки скважины с калибрующей поверхностью твердосплавного слоя.
Изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 показан общий вид бурового шарошечного долота. На фиг. 2 показано тело шарошки со смещенной осью вращения. На фиг. 3 показано тело шарошки со смещенной осью вращения с образованием угла выхода (α). На фиг. 4 показана шарошка со смещенной осью вращения с твердосплавным слоем на внешней поверхности калибрующего усеченного конуса металлического тела шарошки. На фиг. 5 показан повернутый вид А на фиг. 3 тела шарошки со смещенной осью вращения с образованием угла отклонения (β). Фиг. 6 показывает расположение режущих кромок ряда фрезерованных зубьев между большим и меньшим основаниями калибрующего усеченного конуса шарошки со смещенной осью вращения.
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - полый корпус долота,
2 - резьбовое соединение,
3 - лапа долота,
4 - цапфа долота,
5 - шарошка,
6 - ось шарошки,
7 - подшипники шарошки,
8 - ось вращения долота,
9 - промывочные узлы долота,
10 - уплотнительный узел шарошки,
11 - фрезерованное вооружение,
12 - металлическое тело шарошки,
13 - основной конус шарошки,
14 - вершина шарошки,
15 - калибрующая вершина периферийного ряда зубьев шарошки,
16 - периферийный ряд фрезерованного вооружения зубьев шарошки,
17 - стенка буровой скважины (пробуриваемого ствола),
18 - калибрующий усеченный конус,
19 - большее основание калибрующего усеченного конуса,
20 - меньшее основание калибрующего усеченного конуса,
21 - прямая образующая калибрующего усеченного конуса тела шарошки,
22 - прямая образующая основного конуса тела шарошки,
23 - твердосплавный слой,
24 - калибрующая поверхность твердосплавного слоя с профилем в виде выпуклой кривой,
25 - поверхность текущего забоя буровой скважины,
26 - режущие кромки ряда фрезерованных зубьев между большим и меньшим основаниями калибрующей поверхности шарошки,
27 - линия контакта стенки скважины с калибрующей поверхностью твердосплавного слоя.
Заявленное буровое шарошечное долото (фиг. 1, фиг. 2) включает полый корпус 1, в верхней части которого выполнено резьбовое соединение 2 с возможностью присоединения долота к частям бурильной колонны (не показаны). Корпус 1 долота включает лапы 3 с наклонными относительно оси 8 вращения долота цапфами 4. К цапфам 4 присоединены шарошки 5 (например, три шарошки 5) с возможностью вращения на цапфах 4 вокруг собственных осей 6 посредством подшипников 7 (на фиг. 1 в качестве примера показаны два роликовых и один шариковый подшипники, а также осевой подшипник). Шарошки 5 установлены на цапфах 4 со смещенными осями 6 их вращения относительно оси 8 вращения долота (например, см. фиг. 2).
Долото содержит промывочные узлы 9, выполненные с возможностью омывания шарошек 5 рабочей жидкостью, поступающей из внутренней полости корпуса 1 долота, и выноса вместе с рабочей жидкостью разрушенной горной породы в пространство между стенкой 17 пробуриваемой скважины и корпусом 1 долота.
Каждая шарошка 5 в ее задней (торцевой) части, контактирующей с цапфой 4, имеет уплотнительный узел 10 с возможностью герметизации смазки подшипников 7 (см. фиг. 1).
Также каждая шарошка 5 имеет фрезерованное вооружение 11, выполненное в виде рядов фрезерованных зубьев (см. фиг. 1).
Каждая шарошка 5 также имеет металлическое многоконусное тело 12, выполненное с основным конусом 13, проходящим от вершины 14 (точка О' на фиг. 2-4) шарошки 5 до калибрующей вершины 15 периферийного ряда 16 зубьев шарошки 5, имеющей контакт со стенкой 17 скважины, и калибрующим усеченным конусом 18, имеющим большее 19 и меньшее 20 основания.
Меньшее основание 20 выполнено со стороны задней части (заднего торца) шарошки 5, контактирующей с цапфой 4. Меньшее основание 20 имеет точку M1 (см. фиг. 3) контакта со стенкой 17 скважины в определенный текущий момент касания. Большее основание 19 проходит от калибрующей вершины 15 периферийного ряда 16 зубьев шарошки, имеющей вторую точку М2 (см. фиг. 3) контакта со стенкой 17 скважины в тот же определенный текущий момент касания. Образующие основного конуса 13 (образующая 22) и калибрующего усеченного конуса 18 (образующая 21) тела 12 каждой шарошки 5 имеют прямые линии (см. фиг. 2, 3). Образующие 21 и 22 в виде прямых линий дают возможность обеспечения простого технологичного изготовления тела шарошки. Ряды фрезерованных зубьев шарошки образованы на основном конусе тела шарошки так, что режущие кромки их фрезерованных зубьев расположены на образующей 21 основного конуса тела шарошки (см. фиг. 2).
Смещенная ось 6 вращения каждой шарошки 5 выполнена с возможностью проскальзывания зубьев вооружения по всей площади забоя и образована параллельно по отношению к ее несмещенному положению оси вдоль радиуса R долота, в сторону вращения долота (см. фиг. 2, 3, на фиг. 3 несмещенному положению оси вдоль радиуса долота соответствует ось, проведенная из точки О, лежащей на оси 8 вращения долота).
Расстояние от смещенной оси 6 вращения каждой шарошки 5 до ее несмещенного положения постоянно для каждой шарошки 5 и имеет величину «у» (см. фиг. 2) поперечного смещения. Смещенная ось 6 вращения каждой шарошки 5 смещена от несмещенного положения оси так, что вершина 14 (точка О' на фиг. 2-4) шарошки 5, лежащая на смещенной оси ее вращения, смещена от центра вращения оси 8 долота вдоль несмещенного положения оси (проходящего через точку О на фиг. 2-4) на постоянное для каждой шарошки 5 расстояние в сторону от указанных точек контакта M1 и М2 соответствующей шарошки 5 со стенкой 17 скважины, при этом указанное расстояние имеет величину «х» продольного смещения (см. фиг. 2). На фиг. 3, 4 величина смещения указана расстоянием k*, проекция которого на поперечную плоскость шарошки является величиной «у» поперечного смещения, и проекция которого на продольную плоскость шарошки является величиной «х» продольного смещения.
На внешнюю поверхность указанного калибрующего усеченного конуса 18 металлического тела 12 каждой шарошки 5 на его образующую 22 нанесен твердосплавный слой 23 с возможностью образования калибрующей поверхности 24 твердосплавного слоя (см. фиг. 4). При этом профиль внешней поверхности указанного твердосплавного слоя выполнен с образующей в виде выпуклой кривой 24, каждая точка которой образована пересечением калибрующей поверхности твердосплавного слоя со стенкой 17 скважины при перекатывании шарошки по забою во время вращения бурового долота.
На меньшем 20 и большем 19 основаниях калибрующего усеченного конуса 18 тела 12 шарошки 5 толщина твердосплавного слоя 23 уменьшается до нуля, образуя соответствующие указанные первую и вторую точки (M1, М2) контакта тела 12 шарошки 5 на меньшем 20 и большем 19 основаниях со стенкой 17 скважины (см. фиг. 4), при этом между меньшим и большим основаниями толщина твердосплавного слоя имеет определенную толщину, соответствующую разнице между прямой образующей 22 и выпуклой кривой 24, каждая точка которой образована пересечением калибрующей поверхности твердосплавного слоя со стенкой 17 скважины при перекатывании шарошки по забою во время вращения бурового долота. 4. Форма указанной выпуклой кривой 24 при определенных условиях образования пересечения может представлять собой выпуклую кривую четвертого порядка, наиболее точно повторяющую указанное пересечение, и следовательно, обеспечивая наиболее эффективное калибрующее воздействие.
Твердосплавный слой 23 может представлять собой любой известный из уровня техники твердый сплав, например - представляет собой наплавку из карбида вольфрама, как один из наиболее технологичных и точных методов нанесения твердосплавного слоя, что обеспечит дополнительное эффективное калибрующее воздействие.
Указанная первая точка M1 контакта тела 12 шарошки со стенкой 17 скважины расположена на меньшем основании 20 на минимально возможном расстоянии от цапфы 4 долота, рассчитываемом для образования стенки шарошки необходимой прочности у ее уплотнительного узла, и указанная первая точка M1 контакта тела шарошки со стенкой скважины образует угол выхода а (см. фиг. 3), построенный в проекции горизонтального забоя 25 скважины между двумя лучами, где один луч проходит от центра долота (из точки О на оси 8 долота на фиг. 3) по радиусу R скважины параллельно оси 6 шарошки, а второй луч проходит от центра долота (из точки О на оси 8 долота на фиг. 3) до проекции горизонтального забоя 25 скважины указанной первой точки M1 контакта тела 12 шарошки со стенкой 17 скважины. Учет минимально возможного расстояния от цапфы 4 долота, рассчитываемого для образования стенки шарошки необходимой прочности у ее уплотнительного узла 10, дает возможность спроектировать шарошку таким образом, чтобы максимально задействовать калибрующую поверхность шарошки в образовании стенки скважины.
Указанная вторая точка М2 контакта тела 12 шарошки со стенкой 17 скважины расположена на большем основании 19 со смещением от указанной первой точки M1 контакта на угол отклонения β, построенный в проекции стенки скважины между лучом вдоль стенки 17 скважины и лучом от указанной первой точки M1 контакта к проекции стенки 17 скважины указанной второй точки М2 контакта тела 12 шарошки со стенкой 17 скважины (см. фиг. 5).
При этом указанные угол выхода α и угол отклонения β имеют зависимость друг от друга и связаны соотношением β=(0,114…0,293)α. Такая зависимость получена авторами экспериментально и основана на том обстоятельстве, что именно в пределах такого соотношения указанных углов β=(0,114…0,293)α обе точки M1 и М2 на большем и меньшем основаниях усеченного калибрующего конуса находятся в контакте со стенкой скважины у большинства долот с шарошками со смещенными осями их вращения. При проектировании вооружения и геометрии шарошки, найдя из прочностных расчетов шарошки положение точки M1 на меньшем основании калибрующего конуса (на минимально возможном расстоянии от цапфы долота, рассчитываемом для образования стенки шарошки необходимой прочности у ее уплотнительного узла), а также зная, как зависит угол выхода α от угла отклонения β, можно спроектировать положение точки М2 на большем основании калибрующего конуса для снижения повышенного износа зубьев вооружения в зоне калибрующей части. При β<0,114α происходит превалирующий интенсивный износ поверхностей сопряженных с окружностью на которой расположена точка M1, что в начальный период бурения приводит к уменьшению исходного диаметра долота, а также снижает прочность шарошки в месте размещения торца большого подшипника опорного узла и в случае использования герметизированной опоры уменьшает ресурс работы уплотнительных элементов. При β>0,293α происходит превалирующий интенсивный износ поверхностей перехода тыльного конуса шарошки к периферийному основному, т.е. окружности на которой расположена точка М2. Это приводит в начальный период бурения к уменьшению исходного диаметра долота, а также увеличению площадок притупления периферийных зубьев вооружения долота, снижению удельного давления на разрушаемую ими породу и как следствие снижению разрушающей способности зубьев.
Для возможности наиболее эффективного калибрующего воздействия на стенку 17 скважины между большим 19 и меньшим 20 основаниями калибрующего усеченного конуса 18 может быть выполнен ряд фрезерованных зубьев, режущие кромки 26 которых расположены на образующей калибрующего усеченного конуса тела шарошки. При этом режущие кромки 26 указанных фрезерованных зубьев выполнены так, что по меньшей мере две режущие кромки указанного ряда фрезерованных зубьев пересекают линию 27 контакта стенки 17 скважины с калибрующей поверхностью твердосплавного слоя 23, расположенную между указанными первой M1 и второй М2 точками контакта стенки скважины с калибрующей поверхностью твердосплавного слоя 23 (см. фиг. 6). Такое перекрытие по меньшей мере двумя режущими кромками 26 указанного ряда фрезерованных зубьев линии 27 контакта обеспечивает гарантированный контакт калибрующей поверхности шарошки со стенкой скважины сразу в нескольких точках, что в свою очередь дает возможность перераспределить на точки контакта возникающую нагрузку и существенно сократить износ переходной зоны от калибрующей поверхности к основному конусу.
При работе долота калибровка стенок скважины осуществляется одновременно по всем точкам контакта калибрующей поверхности шарошки, начиная от точки на меньшем основании калибрующего усеченного конуса тела шарошки, продолжаясь точками контакта твердосплавного слоя шарошки и заканчивая точкой контакта на большем основании калибрующего усеченного тела шарошки. Вышеописанная конструкция долота с конкретным вышеописанным расположением на его шарошке твердосплавного слоя в вышеописанном определенном месте калибрующего усеченного конуса, позволяет существенно снизить интенсивность изнашивания калибрующих поверхностей смещенных шарошек так, чтобы многократно увеличить точки контакта не самим телом шарошки, а более износостойким твердосплавным слоем. При этом базирующие точки M1 и М2 контакта самого тела шарошки на меньшем и большем основаниях калибрующего конуса тоже при этом остаются такими точками контакта, что, как следствие, не только повышает эффективность работы долота и снижает износ, но и сохраняет постоянство его диаметра при работе. Таким образом, повышается эффективность разрушения породы забоя буровым шарошечным долотом со смещенными осями вращения шарошек. Этим обеспечивается наиболее полноценный и длительный контакт основных и калибрующих конусов шарошек с поверхностью забоя и стенки скважины, что позволит снизить повышенный износ зубьев вооружения в зоне перехода образующей от периферийного основного к тыльному конусу шарошек и, в свою очередь, даст возможность зубчатому вооружению шарошек более длительный период времени сохранять требуемое удельное давление на разрушаемую породу приложением расчетных осевой нагрузки и частоты вращения ωD (см. фиг. 2), диаметр долота и, как следствие, обеспечит увеличение как механической скорости бурения, так и ресурс бурового инструмента.
Таким образом, предложенное буровое шарошечное долото со смещенными осями вращения шарошек обеспечивает повышение эффективности разрушения породы забоя.
Следует отметить, что любой из упомянутых в представленных материалах диапазон, интервал включает в себя свои граничные значения. Полученные диапазоны величин, приведенные в тексте, являются наиболее оптимальными для осуществления заявленного бурового шарошечного долота и найдены в процессе моделирования, проектирования, различных экспериментов.
Описанное выше изобретение не ограничивается точно до указанных деталей его воплощения и может быть усовершенствовано многими средствами и методами без отклонения при этом от его основной концепции.
1. Буровое шарошечное долото, включающее полый корпус, в верхней части которого выполнено резьбовое соединение с возможностью присоединения долота к частям бурильной колонны, корпус долота включает лапы с наклонными относительно оси вращения долота цапфами, причем к цапфам присоединены шарошки с возможностью вращения на цапфах вокруг собственных осей посредством подшипников, а шарошки установлены на цапфах со смещенными осями их вращения относительно оси вращения долота, при этом долото содержит промывочные узлы, выполненные с возможностью омывания шарошек рабочей жидкостью, поступающей из внутренней полости корпуса долота, и выноса вместе с рабочей жидкостью разрушенной горной породы в пространство между стенкой скважины и корпусом долота, а каждая шарошка в ее задней части, контактирующей с цапфой, имеет уплотнительный узел с возможностью герметизации смазки подшипников, а также каждая шарошка имеет фрезерованное вооружение, выполненное в виде рядов фрезерованных зубьев, кроме того, каждая шарошка имеет металлическое многоконусное тело, выполненное с основным конусом, проходящим от вершины шарошки до калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей контакт со стенкой скважины, и калибрующим усеченным конусом, имеющим большее и меньшее основания, при этом меньшее основание выполнено со стороны задней части шарошки, контактирующей с цапфой, меньшее основание имеет точку (M1) контакта со стенкой скважины, а большее основание проходит от калибрующей вершины периферийного ряда зубьев шарошки, имеющей вторую точку (М2) контакта со стенкой скважины, причем образующие основного конуса и калибрующего усеченного конуса тела каждой шарошки имеют прямые линии, при этом ряды фрезерованных зубьев шарошки образованы на основном конусе тела шарошки так, что режущие кромки их фрезерованных зубьев расположены на образующей основного конуса тела шарошки, причем смещенная ось вращения каждой шарошки выполнена с возможностью проскальзывания зубьев вооружения по всей площади забоя и образована параллельно по отношению к ее несмещенному положению оси вдоль радиуса долота, в сторону вращения долота, при этом расстояние от смещенной оси вращения каждой шарошки до ее несмещенного положения постоянно для каждой шарошки и имеет величину «у» поперечного смещения, кроме того, смещенная ось вращения каждой шарошки смещена от несмещенного положения оси так, что вершина шарошки, лежащая на смещенной оси ее вращения, смещена от центра вращения долота вдоль несмещенного положения оси на постоянное для каждой шарошки расстояние в сторону от указанных точек контакта соответствующей шарошки со стенкой скважины, при этом указанное расстояние имеет величину «х» продольного смещения, отличающееся тем, что
на внешнюю поверхность указанного калибрующего усеченного конуса металлического тела каждой шарошки нанесен твердосплавный слой с возможностью образования калибрующей поверхности твердосплавного слоя, при этом профиль внешней поверхности указанного твердосплавного слоя выполнен с образующей в виде выпуклой кривой, каждая точка которой образована пересечением калибрующей поверхности твердосплавного слоя со стенкой скважины при перекатывании шарошки по забою во время вращения бурового долота, при этом на меньшем и большем основаниях калибрующего усеченного конуса тела шарошки толщина твердосплавного слоя уменьшается до нуля, образуя соответствующие указанные первую и вторую точки (M1, М2) контакта тела шарошки на меньшем и большем основаниях со стенкой скважины.
2. Долото по п. 1, отличающееся тем, что указанная первая точка (M1) контакта тела шарошки со стенкой скважины расположена на меньшем основании на минимально возможном расстоянии от цапфы долота, рассчитываемом для образования стенки шарошки необходимой прочности у ее уплотнительного узла, и указанная первая точка (M1) контакта тела шарошки со стенкой скважины образует угол выхода (α), построенный в проекции горизонтального забоя скважины между двумя лучами, где один луч проходит от центра долота по радиусу скважины параллельно оси шарошки, а второй луч проходит от центра долота до проекции горизонтального забоя скважины указанной первой точки (M1) контакта тела шарошки со стенкой скважины,
при этом указанная вторая точка (М2) контакта тела шарошки со стенкой скважины расположена на большем основании со смещением от указанной первой точки (M1) контакта на угол отклонения (β), построенный в проекции стенки скважины между лучом вдоль стенки скважины и лучом от указанной первой точки (M1) контакта к проекции стенки скважины указанной второй точки (М2) контакта тела шарошки со стенкой скважины,
при этом указанные угол выхода (α) и угол отклонения (β) имеют зависимость друг от друга и связаны соотношением β=(0,114…0,293)α.
3. Долото по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что твердосплавный слой представляет собой наплавку из карбида вольфрама.
4. Долото по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что форма выпуклой кривой представляет собой выпуклую кривую четвертого порядка.
5. Долото по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что между большим и меньшим основаниями калибрующего усеченного конуса выполнен ряд фрезерованных зубьев, режущие кромки которых расположены на образующей калибрующего усеченного конуса тела шарошки, при этом режущие кромки указанных фрезерованных зубьев выполнены так, что по меньшей мере две режущие кромки указанного ряда фрезерованных зубьев пересекают линию контакта стенки скважины с калибрующей поверхностью твердосплавного слоя, расположенную между указанными первой (M1) и второй (М2) точками контакта стенки скважины с калибрующей поверхностью твердосплавного слоя.
