Зубок шарошки бурового долота

Зубок шарошки бурового долота, що містить хвостовик і уражаючу головку клиноподібної форми з робочими гранями, де задня випукла, а передня ввігнута у вигляді циліндричної поверхні, вісь якої перпендикулярна площині симетрії зубка, задня грань якого має сферичну форму, а на передній грані є канавки, що можуть бути виконані напівкруглого перерізу і відноcно осі зубка можуть бути розташовані в повздовжньому напрямку, під гострим кутом до осі зубка, при цьому кромки двох осьових канавок можуть бути виконані у вигляді ребра клиноподібного поперечного перерізу чи трапецієподібного поперечного перерізу, який відрізняється тим, що хвостовик містить основу, виконану у вигляді конуса при вершині 120°. Винахід належить до техніки для буріння глибоких нафтових і газових свердловин і може бути використаним в бурових шарошкових долотах, призначених для роботи в породах переважно середньої твердості і м'яких з високою в'язкістю. Якість закріплення вставних композиційних зубків в тілі шарошки є одним з головних чинників, що визначає надійність бурового долота в цілому. У свою чергу конструкція зубка визначає можливості з'єднання та впливає на надійність з'єднання „зубок-шарошка". А це в свою чергу впливає на експлуатаційні показники зубків і в цілому озброєння долота. Тому вдосконалення конструкції зубків є актуальним питанням. Твердосплавне озброєння сучасних шарошкових доліт відрізняється великою різноманітністю конструкцій твердосплавних зубків. Поряд з класичними клиноподібною і конічною формами зубків щораз більш широке застосування отримують зубки асиметричних форм. Особливе місце серед них займають зубки з черпакоподібною формою уражаючої головки. В таких зубках передня вгнута грань має сферичну чи циліндричну форму, що дозволяє найкраще використовувати ефект черпання і підвищує здатність до відведення шламу. Як відомо, ефективність руйнування породи залежить від величини діючих навантажень і часу контакту зубка з породою що розбурюється, в якій за цей період встигають розповсюдитись критичні напруження. В момент співудару зубка твердосплавного озброєння з забоєм за короткий момент часу здійснюється наростання ударного навантаження від нуля до максимуму. За цей час напруження, які відповідають максимальному значенню ударного навантаження, встигають розповсюдитись лише в обмеженому об'ємі породи [1]. У всіх випадках об'єм розповсюдження цих напружень в зубку перевищує об'єм розповсюдження їх в породі, що розбурюється внаслідок відмінності фізикомеханічних властивостей матеріалів породи і зубка. Величина напружень, які розповсюджуються за час контакту зубка з породою, визначається середнім значенням ударного навантаження, значно меншим за її максимальну величину. Час наростання ударного навантаження залежить від жорсткості системи порода-зубокшарошка. При відомих міцнісних характеристиках породи, матеріалів зубків озброєння і шарошки (19) UA (11) 85941 (13) C2 (21) a200707134 (22) 25.06.2007 (24) 10.03.2009 (46) 10.03.2009, Бюл.№ 5, 2009 р. (72) ПЕТРИНА ЮРІЙ ДМИТРОВИЧ, UA, ЯКИМ РОМАН СТЕП АНОВИЧ, UA, ПАСИНОВИЧ ТАРАС БОГДАНОВИЧ, U A (73) ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ НАЦІОН АЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І Г АЗУ, U A (56) RU 2057889 C1, 6 E21B 10/16, 10.04.1994 SU 391259, E21B 9/10, E21C 13/00, 10.07.1973 SU 1677230 A1, 5 E21B 10/16, 15.09.1991 US 4108260, 2 E21B 9/36, 22.08.1978 US 4334586,3 E21B 10/16, 10/56, 15.06.1982 US 5172777, 5 E21B 10/16, 10/52, 22.12.1992 US 5881828, 6 E21B 10/16, 10/52, 16.03.1999 3 85941 жорсткість системи можна оптимізувати шляхом відповідного підбору хіміко-термічної обробки вінців шарошок, відповідних натягів в спряженні зубок-шарошка і введення відповідних конструктивних елементів. Зокрема, збільшення глибини посадки зубка в шарошку та його діаметру призводить до росту з усилля розпресовування. Відомі конструкції зубків з спеціальними хвостовиками [2], які в процесі складання бурового долота заплавлюються рідкою сталлю. Проте конструкції зубків не відповідають сучасним експлуатаційним вимогам. Зокрема, форма уражаючої головки зубка є малоефективна з огляду на сучасні вимоги до процесу буріння. Також виникають технологічні складності при заплавленні зубків. Крім цього, як це показано завищена жорсткість системи порода - зубок - шарошка суттєво знижує експлуатаційні показники шарошкових бурових доліт. Найбільш близьким до запропонованої конструкції є зубок [3], який має хвостовик і уражаючу головку клиноподібної форми з робочими гранями - задньою випуклою і передньою ввігнутою у виді циліндричної поверхні, вісь якої перпендикулярна площині симетрії зубка. В зубку задня грань має сферичну форму. На передній грані є канавки. Канавки можуть бути виконані напівкруглого перерізу. Канавки по відношенню до вісі зубка можуть бути розташовані в повздовжньому напрямку, під гострим кутом до вісі зубка. Кромки двох осьових канавок можуть бути виконані у виді ребра клиноподібного поперечного перерізу чи трапецієподібного поперечного перерізу. Не дивлячись на очевидні переваги такого типу форми зубка конструкція має суттєвий недолік, суть якого полягає в наступному. При перекочуванні шарошки по забою в системі „шарошказубок-порода" виникають згинальні моменти, що спричиняють проблему міцності як зубка, так і жорсткості та надійності з'єднання „зубок-шарошка". Усунути цю проблему за рахунок збільшення поперечного перерізу зубка є неможливим, оскільки це неминуче знижує функціональні можливості зубка. Крім цього, значне збільшення глибини посадки зубка спричиняє негативний вплив на міцність шарошки. З іншої сторони, процес формування отворів під зубок здійснюється на різних етапах хіміко-термічної обробки шарошок. Використання розмірного інструменту з зменшеною західною частиною призводить до зниження точності отвору. Підвищення точності виготовлення хвостовика під посадку в шарошку також не може значно підвищити надійність з'єднання „зубокшарошка". Задача, що ставилась при створенні винаходу - вдосконалити конструкцію зубка з метою оптимізації жорсткості системи „шарошка-зубок-порода" шляхом підвищення надійності з'єднання „зубокшарошка". Поставлена задача вирішується завдяки тому, що зубок шарошки бурового долота, який містить хвостовик і уражаючу головку клиноподібної форми з робочими гранями, де задня випукла, а передня ввігнута у виді циліндричної поверхні, вісь якої перпендикулярна площині симетрії зубка, за 4 дня грань якого має сферичну форму, а на передній грані є канавки, що можуть бути виконані напівкруглого перерізу і по відношенню до вісі зубка можуть бути розташовані в повздовжньому напрямку, під гострим кутом до вісі зубка, при цьому кромки двох осьових канавок можуть бути виконані у виді ребра клиноподібного поперечного перерізу чи трапецієподібного поперечного перерізу, згідно з винаходом хвостовик містить основу, виконану у вигляді конуса при вершині 120°. Основа хвостовика зубка, виконана у вигляді конуса, оптимізуючи жорсткість системи „шарошказубок-порода", створює можливості підвищення міцності з'єднання „зубок-шарошка" шляхом збільшення площі спряжених поверхонь зубка та отвору в шарошці. Винахід ілюструється кресленням, де на Фіг.1 показано зубок шарошки бурового долота, загальний вигляд; на Фіг.2 - вид по стрілці А на Фіг.1; на Фіг.3 - вид звер ху на Фіг.2; на Фіг.4 - переріз Б - Б на Фіг.2; на Фіг.5 - зубок з трьома канавками напівкруглого перерізу; на Фіг.6 - переріз В -В на Фіг.5; на Фіг.7 - зубок з канавками, розташованими під гострим кутом до вісі зубка; на Фіг.8 - зубок, у якого кромки двох сусідніх канавок виконані у вигляді ребра з трапецієподібним поперечним перерізом; на Фіг.9 - переріз Г -Г на Фіг.8. Зубок шарошки бурового долота містить хвостовик 1, уражаючу головку 2 клиноподібної форми. Головка 2 має задню 3 сферичну випуклу грань і передню 4 вгнуту грань у вигляді циліндричної поверхні. Вісь 5 циліндричної поверхні розташована перпендикулярно до площини симетрії зубка. На передній 4 грані розташовані канавки 6, які можуть бути напівкруглого перерізу, а в повздовжньому напрямку можуть бути виконані у вигляді частини кільця. Канавки 6 можуть бути розташовані по відношенню до вісі зубка в поперечному напрямку, чи в повздовжньому напрямку або під гострим кутом до вісі зубка. В залежності від твердості і пластичності порід, що розбурюються, кромки двох сусідніх канавок 6 можуть бути виконані у вигляді ребра 7, який в поперечному перерізі має клиноподібну чи трапецієподібну форму. Хвостовик 1 містить основу у вигляді конуса 8 з вершиною 120°. Найбільш оптимальним розміром радіусу канавки 6 rк , у відповідності до діаметру зубка d, є rк = (0,7-1,5)d - для доліт, призначених для роботи в породах середньої твердості і rк = (0,3-0,9)d - для доліт, призначених для роботи в м'яких та в'язких породах і в тому випадку, коли канавки 6 відділені один від одного ребрами з трапецієподібним поперечним перерізом. При цьому ширину канавок 6 вк рекомендується вибирати з співвідношення rк = (0,2-0,45)d. Кут нахилу a канавок 6 до осі зубка, для найбільш ефективного відводу шламу від місця руйнування, повинен знаходитися в межах 3-15°. При більш високій пластичності породи слід приймати максимальне значення кута, при зниженні пластичності і підвищенні крихкості - мінімальне значення. Для забезпечення найкращої жорсткості системи „шарошка-зубок-порода" та високої надійності з'єднання „шарошка-зубок" і підвищення продуктивно 5 85941 сті технологічного процесу з'єднання основу хвостовика виконують у вигляді конуса при вершині 120°. Зубок бурового шарошкового долота працює наступним чином. Згідно теорії і стендових досліджень кінематики руху зубків при перекочуванні шарошок по забою і проникненні озброєння в породу, клинові уражаючі головки працюють тільки передньою гранню. З метою забезпечення міцності задню грань виготовляють сферичною. При русі зубка по забою свердловини, за рахунок наявності канавок 6, взаємодія верхньої кромки зубка здійснюється не по лінії а по складній кривій. Це створює додаткове подрібнення шламу, полегшується проникнення зубка в породу, а повздовжній напрямок канавок сприяє усуненню окремих частинок породи (особливо в пластичних породах). Нахил канавок до вісі зубка під кутом а сприяє більш ефективному усуненню шламу з зони руйнування і зниженню можливості повторного перенесення шламу, що в результаті сприяє збільшенню продуктивності буріння. Виконання канавок у вигляді частини кільця і напівкруглими в поперечному перерізі надає передній поверхні форму „черпака" з ребрами жорсткості. Це сприяє руйнуванню породи при одиничній взаємодії зубка з забоєм на найвищому рівні і більшій міцності вражаючої головки 2. Зубки з конусоподібною основою хвостовика дозволяють використовувати „черпакоподібне" 6 озброєння для розбурювання порід підвищеної, у порівнянні з м'якими, твердості. При цьому забезпечується більш ефективна жорсткість системи „шарошка-зубок-порода", та вища стійкість озброєння до випадання зубків. Крім цього, створюються передумови збільшення вильоту з убка, що є однією з актуальних проблем. Дана конструкція зубка відкриває можливості також оптимізувати процес формування отворів під зубок, зменшити витрати на дорогий спеціальний різальний інструмент для підбирання дна отвору і розвірчування. Джерела використаної інформації: 1. Крылов К.Α., Стрельцова О.А. Повышение долговечности и эффективности буровых долотМ.: Недра, 1983 -206с. 2. Байдик О.В. Розробка технологічного процесу виготовлення бурових доліт, оснащених вставними композиційними зубками: Автореф. дис... канд. те хн. наук: 05.02.08 / Національний технічний університет України. -К., 1997. - 20с. 3. Пат. 2057889 Российская федерация, МКИ 6 Ε 21 В 10/16. Зубок шарошки бурового долота / Бикбулатов И. К. (RU), Пагута Б.А. (U A), Гинзбург Э.С. (RU), Гук Р.И. (UA), Торгаші в А.В. (RU). №2057889; Опубл. 10.04.96, Бюл. №10 4. Долговечность шарошечных долот. / Жидовцев Η.Α., Крешенбаум В.Я., Гиндзбург Э.С., Бикбулатов И.К., Бородина Е.Н. - М.: Недра, 1992, 272с. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 85941 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601