Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением

Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение имеет отношение к области техники относительно оборудования для технологии нефтяного и газового бурения, горной промышленности, технологии архитектурного строительства, технологии строительства тоннелей, щитовой проходки тоннелей и прочей технологии бестраншейного строительства, а особенно к шарошечному долоту для разрушения породы роторным бурением.

Предшествующий уровень

Долото представляет собой инструмент, который непосредственно контактирует с породой и разрушает породу путем резания, толчения и т.д. Долото, широко применяемое в современной технологии бурения, в основном включает шарошечное долото, состоящее из одинарного шарошечного долота и трехшарошечного долота, а также PDC долота (Polycrystalline Diamond Compact Bit, составного поликристаллического алмазного долота). В настоящее время как шарошечное долото, так и PDC долото являются значительно усовершенствованными, но все еще остаются некоторые непреодолимые проблемы. Первой таковой проблемой является то, что забуривание может приводить к преждевременной поломке шарошечного долота, особенно PDC долота с герметизированной опорой. Второй таковой проблемой является то, что долото является причиной малой амплитуды хода породы в центре забоя ствола скважины и оказывает недостаточное действие, вследствие чего становится трудно таким образом разрушать породу, что сказывается на скорости проходки бура. Более того, шарошечное долото и PDC долото имеют небольшое количество зубьев, предусмотренных на них и легко стираемых, которые также являются основной причиной для поломки долота.

В процессе бурения трехшарошечное долото разрушает породу путем ударения и обрушения, причем зубья на шарошке оказывают такое действие ударения и обрушения на породу в забое скважины, чтобы разрушать породу и формировать диаметр ствола скважины (см. фигуру 11 чертежей). Поскольку порода имеет гораздо более высокую прочность сжатия, чем прочность на сдвиг и на разрыв, и трехшарошечное долото разрушает породу, применяя ударное воздействие зубьев к породе, вследствие этого энергоэффективность невысока. Особенно при условии высокого давления на долото, как, например, глубокое бурение, под воздействием высокоплотного бурового раствора, в забое скважины происходит заметный эффект удержания частиц отвала породы во взвешенном состоянии, так что зубьям долота тяжело проходить породу для ударения и разрушения породы. Таким образом, эффективность разрушения породы трехшарошечным долотом довольно низкая.

Ресурс опор долота является одним из главных факторов, сокращающих ресурс трехшарошечного долота. Поскольку опора долота несет нагрузку, вызванную давлением долота, трехшарошечное долото разрушает породу ударением, опора долота несет большую ударную нагрузку и амплитуда нагрузки высока. К тому же трехшарошечное долото имеет эффект разгона, отношение скорости конуса/долота (отношение угловой скорости шарошек к угловой скорости долота во время бурения) трехшарошечного долота составляет выше 1, т.е., когда долото бурит, угловая скорость шарошек выше, чем угловая скорость долота, так что угловая скорость опоры долота относительно высока, что приводит к тому, что опора трехшарошечного долота имеет короткий эксплуатационный ресурс.

Размещение шарошек двуконусного долота точно такое же, как у трехшарошечного долота. Все рабочие поверхности (выпуклые поверхности для размещения зубцов) всех шарошек предусмотрены в обратном направлении, т.е. все предусмотрены внутрь. Помимо проблем, указанных выше, анализируя способ разрушения породы и перемещения двуконусного долота, время для контакта зубцов на шарошках с породой в забое скважины очень короткое, и путь трения зубцов в забое скважины очень маленький, так что эффективность разрушения породы в центре низкая, что сказывается на скорости проходки.

В отличие от конусо-сфероидальной (примерно полусферической) полусферной формы двухконусного долота и трехшарошечного долота, форма шарошек одношарошечного долота почти сферическая, а рабочие поверхности такового полностью размещены по всей сферической поверхности, тогда как рабочие поверхности двухконусных и трехшарошечных являются полудуговыми поверхностями. Одношарошечное долото разрушает породу путем ударения, перекатывания и соскребания зубцами по пласту. В частности, направления скребковых перемещений разные в различных частях шарошечной поверхности, т.е. разные ряды зубцов срезают пласт, проскальзывая на большое расстояние в разных направлениях движения таким образом, что формируются ретикулярные направления в забое скважины (см. фигуру 12 чертежей). Характеристикой одношарошечного долота является низкая угловая скорость шарошек, большой размер опоры и эксплуатационный ресурс дольше, чем трехшарошечного долота. Однако одношарошечное долото все еще имеет неоспоримые недостатки, указанные ниже. Уплотненная конструкция одношарошечного долота показывает, что во время процесса разрушения породы часто возникает повторное разрушение и сложность удаления бурового шлама. Износостойкость зубцов является серьезным недостатком и как только на зубцах возникает затупление или поломка, резко сокращается скорость проходки.

PDC долота, которые разрушают породу путем шабрения, широко применяются в технологии бурения, геологии и строительства и получают все больший и больший коэффициент применения в процессе бурения. При идеальном условии эксплуатации, когда осевая линия долота совпадает с осевой линией ствола скважины, траекторией движения каждого зубца является относительно фиксированное кольцо концентрических венцов (см. фигуру 13 чертежей). Вследствие различий в механизме разрушения породы и соответствующих конструкций, PDC долота применимы для высокой скорости бурения и пласта от мягкой до средней твердости. Недостатки PDC долот состоят в нижеперечисленных аспектах.

1. Высокие требования к состоянию забоя ствола скважины

Если ствол скважины имеет несущественное значение, на PDC долоте возникает разрушение зубцов или теплота трения, возросшая температура обжигает и затемняет матрицу или даже расплавляет напаянное покрытие так, что возникает эффект открепления зубцов, который отражается на скорости проходки и ускоряет поломку долота.

2. Опасные последствия поломки PDC зубцов

По сравнению с шарошечным долотом, поломка отдельного зубца, как, например, открепление зубца и разрушение зубца, значительно повышает нагрузку на соседние PDC зубцы, ускоряет степень их износа и усугубляет поломку долота.

3. Низкая эффективность разрушения породы в средней части

Степень износа PDC зубцов значительно отличается в разных радиальных участках PDC долота. Наружная часть заплечика PDC долота срезает большую часть породы и от этого степень износа становится выше. PDC зубцы в конусной части имеют меньшую эффективность по контактированию и разрушению породы и таким образом становится ниже степень их износа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Принимая во внимание недостатки PDC долота, настоящее изобретение совершенствует шарошечное долото и представляет шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением с тем, чтобы разрешить проблемы, имеющиеся в обычном двухконусном долоте или трехшарошечном долоте такие, как низкое использование энергии, низкая эффективность разрушения породы, короткий эксплуатационный ресурс опоры, низкая эффективность бурения, а также проблемы затрудненности удаления бурового шлама и низкая износостойкость зубцов, вызванные уплотненной конструкцией одинарной шарошки.

Долото по настоящему изобретению ударяет, обрушает и срезает породу роторным бурением так, чтобы разрушать породу. К тому же, настоящее изобретение улучшает опорную конструкцию долота так, чтобы обеспечивать улучшение эффективности разрушения породы по мере улучшения эксплуатационного ресурса долота.

С целью преодоления проблем, указанных выше, существуют следующие технические решения настоящего изобретения.

Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением включает: корпус (1) долота, шарошку (2) и срезающие зубцы (3), предусмотренные на рабочей поверхности шарошки (2), где внутренний угол β между плоскостью цапфы шарошки на корпусе (1) долота и осью долота на корпусе (1) долота имеет диапазон 0°<β<90°, отклонение S цапфы имеет диапазон -D/2<S<D/2, где D означает диаметр долота.

Внутренний угол β корпуса шарошки и отклонение S цапфы являются такими, каковыми они показаны на фигуре 2 чертежей, где рабочая поверхность шарошки обращена к стенке и забою ствола скважины.

В шарошечном долоте для разрушения породы роторным бурением по настоящему изобретению, шарошка обращена к стенке или забою ствола скважины. Во время процесса разрушения породы внутренний ряд зубьев на шарошке способен срезать центр забоя ствола скважины с тем, чтобы улучшить эффективность разрушения породы в центре. Каждый венец зубьев на шарошке способен ударять, обрушать и срезать породу у забоя или стенки ствола скважины путем роторного бурения, которое является центровым в настоящем изобретении.

Согласно настоящему изобретению, указанному выше, имитирующее шарошечное долото роторного бурения было попутно изготовлено в сентябре 2010 и протестировано на стенде. Контур забоя ствола скважины, пробуренный имитирующим шарошечным долотом роторного бурения, совершенно отличается от такого же, пробуренного трехшарошечным долотом или PDC долотом (см. фигуру 10 чертежей). Все обрушенные зоны как трехшарошечного долота, так и PDC долота представляют собой концентрические окружности (см. фигуру 11 и фигуру 13 чертежей), тогда как обрушенные зоны по настоящему изобретению представляют собой хризантемовидные винтовые линии. Винтовые линии являются глубокими на стенке ствола скважины и обрываются на ней, что вполне доказывает, что каждый ряд зубьев на шарошке способен срезать забой и стенку ствола скважины так, чтобы формировать диаметр ствола скважины. Винтовые линии в обрушенной зоне на внутреннем ряду зубьев являются длинными, а винтовые линии в обрушенной зоне на периферийном ряду зубьев являются короткими таким образом, чтобы рабочие нагрузки внутреннего и периферийного ряда были сбалансированы.

Обрушенная зона винтовых линий показывает технику шарошечного долота роторного бурения. Каждый ряд зубьев не только имеет действие ударения и обрушения, но также и способен срезать породу и улучшать эффективность разрушения породы в центре с таким же успехом, как и улучшать скорость проходки долота.

Вследствие такого подхода к разрушению породы шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением способно к внедрению в различных технических условиях бурения и является более предпочтительным, чем обычное шарошечное долото и алмазное долото в течение процесса бокового забуривания и горизонтального бурения.

На основе указанных выше исследований, увеличение отклонения S цапфы улучшает радиальный путь трения и осевой путь трения срезающих зубьев в забое ствола скважины, т.е. улучшает общий путь трения срезающих зубьев в забое ствола скважины. Внутренний угол β корпуса шарошки имеет диапазон 15°≤β≤85°, а отклонение цапфы имеет предел в -D/4<S<D/4 так, чтобы срезающие зубья были способны к разрушению породы роторным бурением. Оптимизация S и β дает возможность достигать цели по увеличению пути трения срезающих зубьев долота на забое и стенке ствола скважины и снижению конус/долото соотношения скоростей корпуса шарошки, например, внутренний угол β корпуса шарошки установлен на 30°.

Комбинация шарошки шарошечного долота включает, но не ограничивает, следующие типы.

1. Двухконусное долото

Рабочие поверхности двойных конусов предусмотрены снаружи. Внутренний угол β и отклонение S цапфы имеет диапазон 0°<β<90°, -D/2<S<D/2. Направления цапфы центрально-симметричны. Внутренний ряд зубьев (большой венец зубьев) обоих двойных конусов можно установить в положение срезания центра, при котором срезание центра означает, что зубья срезают центр ствола скважины, т.е. траектория движения зубца в самом дальнем ряду шарошки достигает положения оси долота или, другими словами, продольное положение срезающих зубьев в самом дальнем ряду пересекает или перекрывает ось бурения. Внутренний ряд зубьев можно также установить в положение срезания центра одной шарошкой, и в то же время не срезая центр другой шарошкой путем регулировки расстояния большого венца зубьев до периферии шарошки. Дополнительно, обе шарошки можно также установить бесконечно близко для срезания центра и центр породы разрушать силой удара долота и внутренним напряжением породы. Площадь центра ствола скважины, которую не срезают для непосредственного удаления буровой мелочи, бесконечно близится к 0.

2. Трехшарошечное долото

Рабочие поверхности трех шарошек предусмотрены снаружи. Внутренний угол β и отклонение S цапфы имеет диапазон 0°<β<90°, -D/2<S<D/2. Направления цапфы центрально-симметричны. Все внутренние ряды зубьев (ряд больших зубьев) трехшарошечного долота установлены так, чтобы не срезать центр и используются для опоры.

3. Долото с одинарной шарошкой

Рабочие поверхности шарошки предусмотрены снаружи. Внутренний угол β и отклонение S цапфы имеет диапазон 0°<β<90°, -D/2<S<D/2. Направления цапфы центрально-симметричны. Все внутренние ряды зубьев (ряд больших зубьев) долота с одинарной шарошкой установлены так, чтобы срезать центр.

Срезающие зубцы (3) по настоящему изобретению имеют зубцы ложкообразной формы, зубцы клинообразной формы, зубцы сферообразной формы, зубцы в форме усеченного конуса, зубцы в форме цилиндрической режущей головки или зубцы пирамидообразной формы. Материалы режущих зубцов включают цементированный карбид, поликристаллические алмазные композиты, термоустойчивый поликристаллический алмаз, природный алмаз, кубический нитрид бора или керамику, или смесь, включающую цементированный карбид, алмаз и кубический нитрид бора. Корпус (1) долота является сварным изделием, стальным сборным сварным изделием или корпусом, полученным спеканием стального корпуса с применением металлического порошка. Конструкция шарошки (2) включает зубчатую дробящую шарошку, вставленную зубчатую шарошку и шарошку, спеченную из стали и металлического порошка.

В сравнении с известными уровнями техники, шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по настоящему изобретению имеет нижеприведенные характеристики.

1) Разрушение породы роторным бурением

Во время бурильного процесса долота роторного бурения по настоящему изобретению, когда цапфа шарошки корпуса (1) долота направлена к стенке или забою ствола скважины и получает внутренний угол с осью долота роторным бурением и отклонена от оси долота, т.е. β≠0, S≠0, шарошка (2) ударяет, обрушает и срезает породу роторным бурением так, чтобы осуществить бурение для разрушения породы. Во время бурильного процесса режущие зубцы (3) долота роторного бурения не только вращаются вместе с шарошкой для обрушения пласта, но также срезают пласт с помощью процесса своего скольжения по забою ствола скважины, поэтому такая эффективность разрушения породы высока. В зависимости от разных условий для бурения, все венцы режущих зубьев (3) на шарошке (2) не только способны срезать соответствующий центр, периферию и стенку ствола скважины, но также бурить профиль ствола скважины, удовлетворяя его требования путем изменения внутреннего угла β корпуса шарошки, отклонения S цапфы, а также размера и формы шарошки (2).

2) Высокая эффективность при разрушении центральных пород

Во время процесса бурения центральное положение ствола скважины, соответствующее долоту роторного бурения, бурят с помощью большого венца зубьев. Поскольку большой венец зубьев имеет наибольший диаметр и максимальное количество зубьев (может быть в 6 раз больше, чем размещение зубьев в середине трехшарошечного долота) в венце режущих зубьев на долоте роторного бурения, поэтому сравнительная режущая скорость высока, что способно фундаментально решить проблему низкой эффективности разрушения породы в средней части трехшарошечного долота и PDC долота.

3) Улучшенная скорость проходки

Конструкция долота роторного бурения, которая включает ключевые параметры внутреннего угла корпуса шарошки и отклонение S цапфы, обуславливает формы разрушения породы, вследствие этого является ударяющей, обрушающей и срезающей, и при этом эффективность разрушения и быстродействие бурения соответствующего центра ствола скважины является высокой, таким образом, что аннулируется проблема уплотненности и эффект повторного разрушения в интересах удаления бурового шлама и улучшения скорости проходки долота.

4) Лучшая динамическая характеристика

В сравнении с разрушением породы шарошечного долота ударением, долото роторного бурения разрушает породу путем действий ударения, обрушения и срезания. Действия непрерывного срезания являются причиной того, что опора долота несет небольшую ударную нагрузку и амплитуда нагрузки сокращается. При этом соотношение скорости шарошки/долота (отношение угловой скорости шарошек к угловой скорости долота во время бурения) трехшарошечного долота составляет менее 1, т.е., когда долото бурит, угловая скорость шарошек меньше, чем угловая скорость долота, так что угловая скорость опоры долота относительно низка, а вибрирующий удар роторного бурения ослабляется. Результаты испытания на стенде по настоящему изобретению доказывают, что, по сравнению с шарошечным долотом и PDC долотом такого же размера и в таких же рабочих условиях, долото роторного бурения имеет характеристики, указанные выше. Лучшая динамическая характеристика приводит к более широкой области применения и лучшей возможности регулирования.

5) Скоростное соотношение конуса/долота шарошечного долота, составляющее менее чем 1, улучшало условия, воздействующие на эксплуатационный ресурс опоры и продлевало эксплуатационный ресурс долота роторного бурения.

Скоростное соотношение конуса/долота шарошечного долота составляет меньше чем 1, а размер цапфы шарошки сконструирован так, чтобы быть больше, чем таковой трехшарошечного долота такой же спецификации. Эксплуатационный ресурс долота роторного бурения имеет значительные преимущества, нежели обычное шарошечное долото. Во время процесса разрушения породы долотом роторного бурения по настоящему изобретению, совместные силы, вырабатываемые забоем и стенкой ствола скважины, принуждают шарошку прилипать непосредственно к плоскости цапфы шарошки так, чтобы улучшать герметизирующую характеристику опоры и улучшать эксплуатационный ресурс опоры. Поскольку эксплуатационный ресурс опоры является важным для бурения, улучшают эксплуатационный ресурс долота роторного бурения.

6) Действия по усилению калибрующего венца долота

Все режущие венцы зубьев ротационного долота способны срезать забой и стенку ствола скважины так, чтобы формировать диаметр ствола скважины. Если первый венец зубьев, первым срезающий стенку ствола скважины, изнашивается, становясь меньше, второй венец зубьев принимает работу первого венца зубьев таким образом, что не допускается становление ствола скважины меньше и меньше, а также выполняется усиление калибрующего венца долота. Если второй венец зубьев в такой же мере изнашивается до поломки, третий венец зубьев все еще способен выполнять усиление калибрующего венца долота и так далее. Ротационное долото по настоящему изобретению имеет характеристику, по которой все венцы зубьев способны срезать ствол скважины, соответствующий долоту роторного бурения, так что роторное долото имеет лучшие возможности усиления калибрующего венца и забуривания бокового ствола, чем таковое трехшарошечное долото, и эффект от такового усиления калибрующего венца лучше.

Поскольку величина отклонения задается, не возникает явление уплотнения таким образом, что решаются проблемы удаления бурового шлама и повторного срезания бурового шлама.

8) Освоенные композитные зубья

Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением может применять зубья из цементированного карбида, составные (PDC) поликристаллические алмазные зубья, зубья с алмазными вкраплениями и т.п. для использования в качестве режущих зубьев, в которых эксплуатационный ресурс и режущая эффективность зубьев всецело лучше, чем таковые у долота с единичной шарошкой.

Положительные эффекты настоящего изобретения заключаются в следующем.

Режущие зубцы по настоящему изобретению разрушают породу роторным бурением. Долото по настоящему изобретению имеет характеристики высокой эффективности разрушения породы в центре, хорошего усиления калибрующего венца, равномерного износа, улучшенного рабочего положения опоры, высокой скорости проходки и длительного эксплуатационного ресурса.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1 является структурной схемой двухшарошечного долота, принятого настоящим изобретением, которое включает: корпус (1) долота, шарошку (2), режущие зубцы (3), смазочный резервуар (4) и сопло (5). Корпус (1) долота включает: цапфу шарошки, блок очистки, шламовый канал высокого давления и винтовую резьбу для соединения. Цапфа шарошки (2) и корпус (1) долота применяют опору и герметичное исполнение, широко используемые в обычных трехшарошечных долотах, а совокупность режущих венцов зубцов предусмотрена от большого торца до малого торца шарошки.

Фигура 2 является схемой принципа срезания и соотношения основных расчетных параметров по настоящему изобретению, включающих внутренний угол β корпуса шарошки, отклонение S цапфы и диаметр долота.

Фигура 3 является структурной схемой коронки, в которой количество шарошек составляет 2, внутренний угол β тела шарошки =30°, отклонение S цапфы =D/20, и одна из шарошек срезает центр, а другая шарошка не срезает центр.

Фигура 4 является проекционной схемой венцов зубцов шарошек, в которой количество шарошек составляет 2, внутренний угол β тела шарошки =30°, отклонение S цапфы =0, и обе шарошки срезают центр.

Фигура 5 является проекционной схемой венцов зубцов шарошек, в которой количество шарошек составляет 2, внутренний угол β тела шарошки =89,50°, отклонение S цапфы =0, и обе шарошки срезают центр.

Фигура 6 является проекционной схемой венцов зубцов шарошек, в которой количество шарошек составляет 1, внутренний угол β тела шарошки =30°, отклонение S цапфы =D/20, и шарошка срезает центр.

Фигура 7 является структурной схемой венцов зубцов шарошек, где количество шарошек составляет 2, внутренний угол β тела шарошки =30, отклонение S цапфы =D/20, и одна из шарошек срезает центр, а другая шарошка не срезает центр.

Фигура 8 является проекционной схемой венцов зубцов шарошек, где количество шарошек составляет 2, внутренний угол β тела шарошки =30°, отклонение S цапфы =D/20, и обе шарошки не срезают центр.

Фигура 9 является проекционной схемой венцов зубцов шарошек, где количество шарошек составляет 3, внутренний угол β тела шарошки =30°, отклонение S цапфы =D/20, и все три шарошки не срезают центр.

Фигура 10 показывает испытуемое долото для имитирующего испытания и контур забоя ствола скважины, пробуренный им, где количество шарошек составляет 2, диаметр долота D=4,75", внутренний угол корпуса шарошки β=30°, отклонение S цапфы =D/20.

Фигура 11 является чертежом контура забоя ствола скважины, пробуренного трехшарошечным долотом с диаметром D=4,5".

Фигура 12 является чертежом контура забоя ствола скважины, пробуренного одношарошечным долотом с диаметром D=4,625".

Фигура 13 является чертежом контура забоя ствола скважины, пробуренного PDC долотом с диаметром D=4,125".

Эти и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания, прилагаемых чертежей и присоединенных пунктов формулы изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Со ссылкой на фигуры 1-10 чертежей, шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением, включает: корпус (1) долота, шарошку (2), режущие зубцы (3), смазочный резервуар (4) и сопло (5). Корпус (1) долота включает: цапфу шарошки, блок очистки, шламовый канал высокого давления и винтовую резьбу для соединения. Цапфа шарошки (2) поворотным способом соединяется с цапфой шарошки корпуса (1) долота, применяя опору и герметичную конструкцию, широко используемую в обычных трехшарошечных долотах. Множество венцов режущих зубцов предусмотрено от большого торца до малого торца шарошки (2).

Внутренний угол β между плоскостью цапфы шарошки и корпусом шарошки на упомянутой оси долота, который называется внутренним углом корпуса шарошки, имеет диапазон 0°<β<90°

β_i=β_i+1 или β_i≠β_i+1

отклонение S цапфы имеет диапазон D/2<S<D/2, где

S_i=S_i+1 или S_i≠S_i+1,

где β_i является внутренним углом корпуса шарошки, соответствующим шарошке i, S_i является отклонением цапфы, соответствующим шарошке i, а D означает диаметр долота.

Вариант 1 осуществления

В долоте роторного бурения по настоящему изобретению β=30°, S=D/20, диаметр D=4,75", скорость бурения n=180 об/мин, в качестве экспериментальных материалов, соответственно, применяют породу из округа Hongya с размером 225×200×150 мм и зеленый песчаник с размером 150×150×100 мм. Во время хода эксперимента набирают частицы породы, анализируют сложность разрушения породы и вследствие этого вибрацию, проверяют следы износа режущих зубцов и его направления, подсчитывают скоростное соотношение конус/долото для шарошки и долота.

Оба результата эксперимента и теоретического вычисления показывают, что при условии параметров по варианту 1 осуществления, скоростное соотношение конус/долото является меньше чем 1, а фактически в этом варианте осуществления скоростное соотношение конус/долото является меньше, чем 0,55. Чем тверже порода, тем выше угловая скорость шарошки и скоростное соотношение конус/долото.

Вариант 2 осуществления

В долоте роторного бурения по настоящему изобретению β=30°, S=-D/20, диаметр D=4,75", скорость бурения n=180 об/мин, в качестве экспериментальных материалов, соответственно, применяют породу из округа Hongya с размером 225×200×150 мм и зеленый песчаник с размером 150×150×100 мм. Во время хода эксперимента набирают частицы породы, анализируют сложность разрушения породы и вследствие этого вибрацию, проверяют следы износа режущих зубцов и его направления и подсчитывают скоростное соотношение конус/долото для шарошки и долота.

Оба экспериментальных результата и теоретические вычисления показывают, что:

при S=-D/20, чем тверже порода, тем ниже угловая скорость шарошки и скоростное соотношение конус/долото в этом варианте осуществления меньше, чем соответствующая величина в варианте 1 осуществления.

Основываясь на обстоятельных и сравнительных анализах результатов варианта осуществления, указанных выше, можно сделать вывод, что оптимизация внутреннего угла β корпуса шарошки и отклонения S цапфы позволяет достигнуть цели по увеличению пути трения режущих зубцов шарошки по забою и стенке ствола скважины и уменьшению скоростного соотношения конус/долото корпуса шарошки так, чтобы улучшить эффективность разрушения породы роторного долота, а также скорость проходки.

Вариант 3 осуществления

Долото с одинарной шарошкой

Рабочая поверхность шарошки выходит между стенкой и забоем ствола скважины. Внутренний угол β между плоскостью цапфы шарошки корпуса (1) долота и корпусом шарошки по оси долота имеет диапазон 0°<β<90°, отклонение S цапфы имеет диапазон -D/2<S<D/2, при котором большой венец зубьев шарошки срезает центр.

Специалисту в области техники будет понятно, что вариант осуществления по настоящему изобретению, как показано на чертежах и описано выше, является лишь примерным и не предназначен быть ограничивающим.

Таким образом, будет понятно, что цели настоящего изобретения были полностью достигнуты. Его варианты осуществления были показаны и описаны для целей иллюстрации функциональных и конструкционных принципов настоящего изобретения и подлежат изменению без отклонения от принципов. Следовательно, это изобретение включает все модификации, охватываемые в пределах сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.

1. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением, содержащее: корпус (1) долота, шарошку (2) и режущие зубцы (3), расположенные на рабочей поверхности шарошки (2), причем каждый ряд зубьев один за другим выполнен с возможностью разрушения дна и стенки для формирования диаметра скважины, при этом внутренний угол β между плоскостью цапфы шарошки на корпусе (1) долота и осью долота на корпусе шарошки имеет диапазон 0°<β<90°, отклонение S цапфы имеет диапазон -D/2<S<D/2, где D означает диаметр долота.

2. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по п. 1, в котором внутренний угол между плоскостью цапфы шарошки и корпусом шарошки по упомянутой оси долота: β_i=β_i+l или β_i≠β_i+1, отклонение цапфы: S_i=S_i+1 или S_i≠S_i+1, в котором i представляет порядковый номер шарошки (i≥1), внутренний угол β_i корпуса шарошки соответствует i-й шарошке, а отклонение S_i цапфы соответствует i-й шарошке.

3. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по п. 1 или 2, в котором внутренний угол β корпуса шарошки имеет диапазон 15°≤β≤85°.

4. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по п. 3, в котором внутренний угол β корпуса шарошки составляет 30°.

5. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по п. 1 или 2, в котором отклонение S цапфы имеет диапазон -D/4<S<D/4.

6. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по п. 1 или 2, в котором скоростное соотношение конус/долото, которое является соотношением угловой скорости шарошки к долоту, шарошечного долота с роторным бурением составляет меньше чем 1.

7. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по п. 2, в котором количество шарошек составляет 1.

8. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по п. 2, в котором количество шарошек составляет две, которые расположены симметрично на корпусе долота.

9. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по п. 2, в котором количество шарошек составляет три, которые расположены центрально-симметрично на корпусе долота.

10. Шарошечное долото для разрушения породы роторным бурением по любому из пп. 7-9, в котором траектория движения зубцов, по меньшей мере, одной шарошки достает или пересекает осевую точку долота.