Трехшарошечное долото для высокооборотного бурения

ТРЕХШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО ДЛЯ ВЫСОКООБОРОТНОГО БУРЕНИЯ Изобретение относится к трехшарошечному долоту для высокооборотного бурения, которое содержит три секции головки и три шарошки. На каждой шарошке расположены режущие элементы. Верхние части трех секций головки соединены между собой, образуя корпус долота,на котором размещены втулки для промывочных насадок, и промывочные насадки установлены в каналах втулок. Опора между шарошками и секциями головки образована поочередно расположенными роликами и дугообразными скользящими направляющими, и уплотнительное средство для опоры представляет собой уплотнительное средство с металлической поверхностью. Указанная опора согласно изобретению способна выдерживать высокую частоту вращения и высокую нагрузку и обладает более высоким сопротивлением удару, что гарантирует более длительный срок службы опоры в условиях высокой частоты вращения и умеренно высокой нагрузки. Структура усиления калибрующего венца с шестью точками обеспечивает устойчивость долота и уменьшает поломки режущих элементов, вызванные вибрацией долота. Трехшарошечное долото пригодно для бурения с высокой частотой вращения и умеренно высокой нагрузкой и обеспечивает высокую эффективность бурения в сочетании с длительным сроком службы. Область техники Настоящее изобретение относится, в общем, к трехшарошечному долоту и, в частности, к трехшарошечному долоту для высокооборотного бурения, применяемого в геологоразведочной и нефтедобывающей промышленности. Описание известного уровня техники Известное трехшарошечное долото обычно содержит корпус долота. Корпус долота имеет три секции головки, консольную опорную цапфу на нижнем конце каждой секции головки и три шарошки, каждая из которых установлена на соответствующей опорной цапфе. Опорная пара образована опорной цапфой и внутренним каналом шарошки. Опорная пара передает нагрузку на долото и крутящий момент шарошке. В настоящее время двумя основными типами опор для роликовых шарошечных долот являются опора скольжения и роликовая опора. В качестве режущих элементов на шарошке могут быть выфрезерованы стальные зубья или вставлены твердосплавные зубья. Промывочная жидкость поступает в промывочный канал долота из бурильной колонны и затем выпускается в виде струй из трех промывочных насадок, которые установлены во втулках для промывочных насадок на долоте. После контакта с забоем скважины промывочная жидкость движется обратно вверх от сторон втулки промывочной насадки. Струя из промывочных насадок направляется так, чтобы проникнуть в пространство между двумя соседними шарошками вблизи стенки скважины. Три точки на калибрующих зубьях шарошки контактируют со стенкой скважины на ведущей стороне шарошки. При использовании этого известного долота с турбобурами или высокоскоростными скважинными двигателями для высокооборотного бурения возникают следующие проблемы. Существенно сокращается срок службы опоры, поскольку опора скольжения не способна выдержать высокую частоту вращения,а роликовая опора не способна выдержать высокую нагрузку на долото. Высокооборотное бурение обычно сопровождается высокой нагрузкой на долото. При этом существенно увеличивается сила удара,действующая на режущие элементы долота, поэтому поперечные и продольные вибрации долота приобретают более серьезный характер. В результате этого режущие элементы долота быстро изнашиваются и могут легко ломаться, что снижает эффективность бурения. Кроме того, когда высокооборотное долото используется для бурения твердой горной породы, в результате износа на режущих элементах может быстро вырабатываться тепло, и если не обеспечить своевременное охлаждение, то может наступить преждевременное разрушение режущих элементов. Сущность изобретения Предложенное трехшарошечное долото для применения в высокооборотном бурении позволяет решить перечисленные выше проблемы, присущие известным техническим решениям. Долото согласно настоящему изобретению способно выдерживать более высокие нагрузки на долото в условиях высокооборотного бурения, при этом уменьшается сила удара, действующего на режущие элементы, возрастает эффективность выруба и, тем самым, повышается общий КПД бурения этим долотом. Указанный технический результат достигается с помощью трехшарошечного долота для высокооборотного бурения, содержащего три секции головки и три шарошки, каждая из которых закреплена на нижнем конце соответствующей секции головки, при этом верхние части трех секций головки соединены между собой и образуют корпус долота, на котором размещены втулки для промывочных насадок, и промывочные насадки установлены в каналах втулок для насадок, отличающегося тем, что опора между шарошками и секциями головки выполнена в виде составного роликоопорного подшипника, который образован поочередно расположенными роликами и дугообразными скользящими направляющими, а уплотнительное средство для опоры представляет собой уплотнительное средство с металлической поверхностью. Предпочтительно диаметр внешней поверхности указанных направляющих равен внутреннему диаметру каналов шарошек, и длина направляющих равна длине роликов. Радиальная толщина (ширина) направляющей больше, чем диаметр ролика на 0,03-2,00 мм. Указанный интервал не является ограничительными, а зависит от диаметра долота. Диаметр долота составляет от 75 до 660 мм. Длина дуги делительной окружности направляющих, на которой предусмотрены точки контакта между направляющей и роликом, меньше или равна удвоенному диаметру роликов. Предпочтительно между указанной опорой и цапфой секции головки размещен скользящий вкладыш, который выполнен из инструментальной стали. Предпочтительно боковые поверхности на обеих сторонах направляющих параллельны друг другу,направляющие выполнены из инструментальной или пружинной стали, а ролики выполнены из подшипниковой стали. Предпочтительно на одном или обоих концах внешней поверхности дугообразной направляющей выполнен участок для выхода смазки. Альтернативно участок для выхода смазки выполнен на одном или обоих концах внутренней поверхности дугообразной направляющей. Предпочтительно задняя сторона верхней части наружного диаметра головки проходит на некоторое расстояние назад с образованием расширенного блока, диаметр вращения которого немного меньше,чем калибрующий диаметр долота на 0,3-1,5 мм, и на расширенном блоке размещены два-три ряда калибрующих зубьев с двумя-тремя калибрующими зубьями в каждом ряду для образования поверхности усиления калибрующего венца на верхней части секции головки. Калибрующие зубья в каждом ряду расположены в шахматном порядке и, таким образом, образуют шесть точек усиления калибрующего венца с шарошками, т.е. по одной точке усиления на каждой из трех шарошек и по одной на наружном диаметре каждой из трех секций головки. Калибрующие зубья представляют собой твердосплавные вставные зубья или армированные алмазами твердосплавные вставные зубья. Предпочтительно на внутренней и внешней дуговых поверхностях направляющей выполнены параллельные смазочные канавки, при этом между осевым торцом направляющей и смазочными канавками образован угол 0-75. Более предпочтительно смазочные канавки на внутренней и внешней дуговых поверхностях размещены и ориентированы таким образом, что они образуют переплетенную структуру. Предпочтительно уплотнительное средство представляет собой уплотнительное средство с двумя металлическими поверхностями и содержит первое резиновое уплотнение и первое уплотнение с металлической поверхностью, установленные на цапфе секции головки, и второе резиновое уплотнение и второе уплотнение с металлической поверхностью, установленные в канале шарошки. Таким образом, торцы первого и второго уплотнений с металлической поверхностью взаимодействуют с образованием динамического уплотнения вращательного движения. Предпочтительно режущие элементы, расположенные на шарошках, включают в себя основные режущие элементы и калибрующие режущие элементы. Основные режущие элементы представляют собой выпуклые остроконечные клиновидные вставные зубья (см. CN 200510019419.2), а калибрующие режущие элементы представляют собой клиновидные или сферические вставные зубья. Предпочтительно втулка для промывочной насадки размещена в расширенном блоке на задней стороне верхней части наружного диаметра головки, и промывочная насадка направляет струю промывочной жидкости к ведущей стороне следующей шарошки. Предпочтительно ведущая сторона секции головки полностью отклонена назад под углом 10-30,образуя с задней стороной ведущей секции головки спиральный канал для противотока для перемещения промывочной жидкости вверх после ее контакта с забоем скважины. Предложенное долото позволяет получить следующие технические результаты. Поскольку указанный составной роликоопорный подшипник способен выдерживать высокую частоту вращения и более высокую нагрузку и обладает лучшим сопротивлением удару, данное шарошечное коническое долото имеет более длительный срок службы в условиях высокооборотного бурения и умеренно высокой нагрузки на долото. Срок службы опоры дополнительно увеличивается благодаря применению уплотнительного средства с металлической поверхностью, пригодного для применений с высокой скоростью вращения и высокой температурой. Скользящее движение и смазка дугообразной направляющей улучшаются благодаря наличию скользящего вкладыша между указанной опорой и цапфой секции головки и наличию смазочных канавок на дугообразной направляющей, что позволяет дополнительно повысить скорость вращения долота в условиях умеренно высокой нагрузки на долото. Благодаря наличию участка для выхода смазки на одном или обоих концах внешней дугообразной поверхности направляющей смазочное вещество между участком для выхода смазки и шарошкой может затем распространиться до области контакта между шарошкой и наружной поверхностью дугообразной направляющей в результате относительного движения между направляющей и шарошкой. Это улучшает смазку области контакта и позволяет дополнительно увеличить частоту вращения долота в условиях умеренно высокой нагрузки. Благодаря наличию участка для выхода смазки на одном или обоих концах внутренней дугообразной поверхности направляющей смазочное вещество между участком для выхода смазки и скользящим вкладышем может распространяться дальше до области между скользящим вкладышем и внутренней дугообразной поверхностью направляющей в результате относительного движения между направляющей и скользящим вкладышем. При этом улучшается смазка области контакта, что позволяет дополнительно повысить частоту вращения долота при умеренно высокой нагрузке на него. Так как выпуклые остроконечные зубья обеспечивают более сильное разрушающее действие и способны более легко бурить породу, повышаются эффективность бурения и фактический срок службы долота в условиях высокооборотного бурения. Кроме того, 6-точечная структура усиления калибрующего венца делает долото более устойчивым во время бурения, тем самым уменьшая поломки режущих элементов, вызванные вибрацией долота. Это также дополнительно увеличивает срок службы режущих элементов. Спиральный канал для противотока облегчает вертикальное удаление бурового шлама из забоя, а направленная струя улучшает охлаждение режущих элементов, тем самым повышая эффективность бурения. Предложенное трехшарошечное долото особенно пригодно для бурения в условиях высокой частоты вращения и умеренно высоких нагрузок на долото благодаря таким существенным признакам как опора в виде составного роликоопорного подшипника, уплотнение с металлической поверхностью, специальная поверхность усиления калибрующего венца, образованная увеличением диаметра на задней стороне верхней части наружного диаметра, а также специальной режущей конструкции долота и гидравлической системы. Предложенное долото может отлично применяться для бурения, обеспечивая более высокую эффективность бурения при более длительном сроке службы. Глубина бурения и срок службы долота при нагрузке 80-140 кН и частоте вращения 400 об/мин более чем в два раза превосходят эти показатели известного шарошечного конического долота. Краткое описание чертежей Далее будет представлено более подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее: фиг. 1 изображает вертикальную проекцию долота согласно одному варианту настоящего изобретения; фиг. 2 - поперечное сечение опоры долота согласно данному варианту настоящего изобретения; фиг. 3 - частично увеличенное поперечное сечение уплотнения с металлической поверхностью в долоте согласно данному варианту настоящего изобретения; фиг. 4 - вид сбоку дугообразной направляющей в долоте согласно данному варианту настоящего изобретения; фиг. 5 - частичный вид горизонтальной проекции дугообразной направляющей в долоте согласно данному варианту настоящего изобретения; фиг. 6 - схематически форму вставного зуба в долоте согласно данному варианту настоящего изобретения; фиг. 7 - вертикальную проекцию ориентированного вниз долота согласно настоящему изобретению в действии. Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения Трехшарошечное долото согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения будет описано со ссылками на фиг. 1-7. Трехшарошечное долото согласно данному варианту содержит три секции, 3 головки и три шарошки 4, установленные на нижних концах соответствующих секций головки. Верхние части секций 3 головки соединены друг с другом сваркой и образуют корпус долота. На верхней части корпуса долота,которая должна соединяться с бурильной колонной, выполнена коническая резьба 1. Шарошки удерживаются на цапфах соответствующих секций головки с помощью стальных шариков 20. Опора 6 между шарошкой и цапфой секции головки образована поочередно расположенными роликами 7 и дугообразными скользящими направляющими 8. Две боковые поверхности 10 на обеих сторонах дугообразной направляющей 8 параллельны друг другу и симметричны относительно средней линии направляющей 8. Диаметр наружной дуги 11 направляющей 8 равен внутреннему диаметру отверстия 12 шарошки. Радиальная толщина W направляющей 8 больше, чем диаметр d ролика 7 на 0,08-0,20 мм. Длина направляющей 8 равна длине ролика 7. Отношение между длиной S дуги делительной окружности направляющей 8 и диаметром d ролика 7 равно 1,5. Направляющие 8 выполнены из инструментальной стали, а ролики 7 из подшипниковой стали. На обоих концах наружной поверхности 42 дугообразной направляющей 8 выполнен участок 44 для выхода смазки. На обоих концах внутренней поверхности 41 дугообразной направляющей 8 выполнен участок 43 для выхода смазки. На внутренней и внешней дуговых поверхностях направляющей 8 выполнены смазочные канавки 33, при этом между осевым торцом 34 направляющей 8 и смазочной канавкой 33 образован угол, например, 45. Смазочные канавки на внутренней и наружной дуговых поверхностях направляющей 8,расположенные друг против друга, образуют переплетенную структуру. Скользящий вкладыш 14, выполненный, например, из инструментальной стали, также расположен между направляющей 8, роликом 7 и цапфой 14 секции головки. Радиальная толщина одной стороны скользящего вкладыша 14 составляет 2-4 мм. Уплотнительное средство 22 для опоры между шарошкой и цапфой секции головки выполнено с двумя металлическими поверхностями. Уплотнительное средство 22 образовано парой металлических колец 25 и 25', парой резиновых колец 26 и 26', уплотнительной канавкой 27 на основании 23 секции 3 головки и уплотнительной канавкой 28 в отверстии шарошки 4. Торцы металлических колец 25 и 25' находятся в плотном контакте, образуя осевое торцевое уплотнение, которое является вращательным динамическим уплотнением. По сравнению с обычными кольцевыми уплотнениями из резины такое торцевое уплотнение может выдерживать более высокую относительную скорость вращения между шарошкой и цапфой секции головки и более высокую температуру. Резиновые кольца 26 и 26' являются кольцевыми уплотнениями. Между резиновым кольцом 26' и уплотнительной канавкой 27 секции 3 головки имеется поверхность 31 контакта, а между резиновым кольцом 26' и металлическим кольцом 25' имеется поверхность 29' контакта. Поверхности 31 и 29' образуют уголсо средней линией опоры головки. Между резиновым кольцом 26 и уплотнительной канавкой 28 шарошки 4 имеется поверхность 32 контакта,а между резиновым кольцом 26 и металлическим кольцом 25 имеется поверхность 29 контакта. Поверхности 32 и 29 контакта образуют уголсо средней линией опоры головки. Резиновые кольца 26 и 26' служат для обеспечения тесного контакта между двумя металлическими кольцами 25 и 25' и также выполняют функцию статического уплотнения. На шарошках 4 размещены основные режущие элементы 5 и калибрующие режущие элементы 21. Основные режущие элементы 5 представляют собой выпуклые остроконечные вставные зубья, вершина которых образована выпуклой криволинейной поверхностью. Калибрующие режущие элементы 21 представляют собой клиновидные или сферические вставные зубья. Ведущая сторона 15 секции головки пол-3 022883 ностью отклонена назад на угол 20-30, образуя спиральный канал для противотока с задней стороной ведущей секции головки. Промывочная жидкость движется вверх по каналу противотока после контакта с забоем скважины. Задняя сторона верхней части наружного диаметра головки выступает на некоторое расстояние назад, образуя расширенный блок, диаметр вращения которого немного меньше, чем калибрующий диаметр долота, на 0,3-1,5 мм. На расширенном блоке размещены два-три ряда калибрующих зубьев с двумя-тремя калибрующими зубьями 9 в каждом ряду для образования поверхности усиления калибрующего венца на верхней части секции головки. Калибрующие зубья 9 в соседних рядах расположены поочередно. Радиус вращения участка, на котором расположены калибрующие зубья, меньше чем радиус шарошки на 0,5 мм, и он постепенно уменьшается по направлению вверх и назад. Таким образом,на наружном диаметре головки образовано три точки усиления калибрующего венца. Кроме того, на секции головки расположены два-три ряда зубьев усиления калибрующего венца с 4-8 зубьями в каждом ряду. В расширенном блоке на задней стороне верхней части наружного диаметра головки размещена втулка 2 для промывочной насадки, и насадка 16 установлена в канале втулки 2. Поток струи 17 из насадки 16 направляется на ведущую сторону 18 следующей шарошки. Несмотря на то, что выше были описаны исключительно для иллюстрации некоторые варианты осуществления изобретения, понятно, что изобретение не ограничено проиллюстрированными вариантами и может быть реализовано с различными изменениями, модификациями или усовершенствованиями, которые смогут внести специалисты, не выходя за рамки объема притязаний изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Трехшарошечное долото для высокооборотного бурения, содержащее три секции головки и три шарошки, каждая из которых закреплена на нижнем конце соответствующей секции головки, при этом верхние части трех секций головки соединены между собой и образуют корпус долота, на котором размещены втулки для промывочных насадок, и промывочные насадки установлены в каналах втулок для насадок, отличающееся тем, что опора между шарошками и секциями головки выполнена в виде составного роликоопорного подшипника, образованного поочередно расположенными роликами и дугообразными опорнымискользящими направляющими, и уплотнительное средство для опоры представляет собой уплотнительное средство с металлической поверхностью. 2. Трехшарошечное долото по п.1, в котором диаметр внешних поверхностей дугообразных опорных направляющих равен внутреннему диаметру каналов шарошек, длина направляющих равна длине роликов, радиальная толщина направляющих превышает диаметр роликов на 0,03-2,00 мм, длина дуги делительной окружности направляющих меньше или равна удвоенному диаметру роликов. 3. Трехшарошечное долото по п.1 или 2, которое содержит скользящий вкладыш, расположенный между указанной опорой и цапфой секции головки и выполненный из инструментальной стали. 4. Трехшарошечное долото по п.1 или 2, в котором боковые поверхности на обеих сторонах дугообразных опорных направляющих параллельны друг другу и направляющие выполнены из инструментальной или пружинной стали, а ролики выполнены из подшипниковой стали. 5. Трехшарошечное долото по п.4, которое содержит участок для выхода смазки, расположенный на одном или обоих концах внешней поверхности дугообразной опорной направляющей. 6. Трехшарошечное долото по п.4, которое содержит участок для выхода смазки, расположенный на одном или обоих концах внутренней поверхности дугообразной опорной направляющей. 7. Трехшарошечное долото по п.1 или 2, в котором задняя сторона верхней части наружного диаметра головки проходит на некоторое расстояние назад для образования расширенного блока, вращательный диаметр которого немного меньше, чем калибрующий диаметр долота, на 0,3-1,5 мм, и на расширенном блоке расположены два-три ряда калибрующих зубьев с двумя-тремя калибрующими зубьями в каждом ряду для образования поверхности усиления калибрующего венца на верхней части секции головки. 8. Трехшарошечное долото по п.1 или 2, которое содержит параллельные смазочные канавки, выполненные на внутренней и внешней поверхностях дугообразной опорной направляющей, при этом между осевым торцом направляющей и смазочными канавками образован угол 0-75. 9. Трехшарошечное долото по п.8, в котором смазочные канавки на внутренней и внешней поверхностях дугообразной опорной направляющей размещены и ориентированы для образования переплетенной структуры. 10. Трехшарошечное долото по п.1 или 2, в котором уплотнительное средство является уплотнительным средством с двумя металлическими поверхностями и содержит первое резиновое уплотнение и первое уплотнение с металлической поверхностью, установленные на цапфе секции головки, и второе резиновое уплотнение и второе уплотнение с металлической поверхностью, установленные в канале шарошки, причем торцы первого и второго уплотнений с металлической поверхностью взаимодействуют для образования вращательного динамического уплотнения. 11. Трехшарошечное долото по п.1 или 2, в котором режущие элементы, расположенные на шарошках, включают в себя основные режущие элементы, представляющие собой выпуклые остроконечные зубья, и режущие элементы калибрующего венца, представляющие собой клиновидные или сферические вставные зубья. 12. Трехшарошечное долото по п.7, в котором втулка для промывочной насадки расположена в расширенном блоке на задней стороне верхней части наружного диаметра головки и промывочная насадка способна направлять струю промывочной жидкости к ведущей стороне следующей шарошки. 13. Трехшарошечное долото по п.7, в котором ведущая сторона секции головки полностью отклонена назад под углом 10-30 с образованием с задней стороной ведущей секции головки спирального канала для противотока для перемещения промывочной жидкости вверх после ее контакта с забоем скважины.