Буровое долото

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту для вращательного бурения, а именно к буровым долотам. Цель изобретения - снижение энергоемкости процесса разрушения керна. Это достигается тем, что в буровом долоте, содержащем корпус 1 с промывочными каналами 3 и рабочей поверхностью в виде концентрических колец 5, кольцевые канавки 6 между которыми выполнены с расширением.в сторону периферии долота и имеют керноломы 11 в виде гладких конических поверхностей на дне кольцевых канавок, вершины образующих конусов которых обращены в сторону рабочей поверхности долота, а начало конического дна каждой канавки смещено от начала ее расширения на величину, Ьмин, составляющую 1-2 ширины канавки 6 в наиболее узкой ее части. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Е 21 В 10/46

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ! л 4

О ч (с ) 7

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4709981/03 (22) 18.04.89 (46) 29.02.92. Бюл, t4 8 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт методики и техники разведки (72) Ю.А, Траубе и Е.Н. Второв (53) 622.24.051.7(088,8) (56) Патент США М 3552505, кл. 175-57, опублик. 1971.

Патент США М 3095053, кл. 175-329, опублик. 1961. (54) БУРОВОЕ ДОЛОТО (57) Изобретение относится к породоразрушающему инструменту для вращательного бурения, а именно к буровым долотам. Цель

„„Ы2ÄÄ 1716072 А1 изобретения — снижение энергоемкости процесса разрушения керна. Это достигается тем, что в буровом долоте, содержащем корпус 1 с промывочными каналами 3 и рабочей поверхностью в виде концентрических колец 5, кольцевые канавки 6 между которыми выполнены с расширением.в сторону периферии долота и имеют керноломы

11 в виде гладких конических поверхностей на дне кольцевых канавок, вершины образующих конусов которых обращены в сторону рабочей поверхности долота, а начало конического дна каждой канавки смещено от начала ее расширения на величину, hMpq составляющую 1 — 2 ширины канавки 6 в наиболее узкой ее части. 2 ил.

1716072

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту для вращательного бурения скважин сплошным или кольцевым забоем, а именно к буровым долотам с породоразрушающей поверхностью, армированной сверхтвердыми материалами.

Известны алмазные буровые коронки, в матрице которых алмазосодержащие штабики, ориентированные длинной стороной параллельно оси коронки, размещены по концентрическим окружностям, промежутки между которыми менее износостойкие, например стальные.

При бурении такими коронками вследствие ускоренного износа ослабленных (безалмазных) концентрических зон на забое скважины формируются концентрические выступы породы, разрушаемые вследствие поперечных вибраций коронки при бурении, а также скалываемые по есте. ственной трещиноватости пород и по, плоскостям спайности крупных кристаллов.

Такие коронки, в отличие от коронок с традиционным равномерным оснащением матриц алмазами, повышают эффективность бурения вследствие уменьшения суммарной работы породоразрушения на единице длины скважины за счет укрупнения выбуренного породного шлама.

Недостатком таких коронок является относительно низкая механическая скорость бурения вследствие торможения коронки породой, обусловленного упором дна кольцевых впадин (канавок) на торце коронок s кольцевые выступы породы.

Известны коронки, имеющие рабочую поверхность в виде системы концентрических породоразрушающих элементов, армированных сверхтвердыми материалами,. разделенных концентрическими канавками-. Коронки снабжены радиальными и боковыми промывочными каналами, а породоразрушающие элементы и концентрические канавки между ними имеют треугольное сечение.

При бурении такими коронками формируется пилообразный в сечении забой с концентрическими треугольными выступами.

При этом, в отличие от коронок с традиционным (плоским, круглым, полукруглым) профилем, механическая скорость бурения возрастает за счет того, что вершины кольцевых выступов породы скалываются по трещинам и плоскостям спайности кристаллов и, оторванные от забоя, смещаются с основания этих выступов потоком промывочной жидкости, затем выносятся ею в промывочные каналы. Недостатком такого технического решения является относительно низкая механическая скорость бурения, что обусловлено ограниченностью высоты скалываемых вершин породных кольцевых выступов и, следовательно, ограниченным размером кусков бурового шла5 ма, а также вероятностным (случайным) характером формирования таких сколов.

Конические поверхности канавок коронки препятствуют отрыву вершины породного выступа от основания, поскольку

10 горизонтальные составляющие осевого уси лия, возникающие при разложении его на конических поверхностях, приложены к породному выступу навстречу один к другому, Радиальное усилие для выноса обломков по15 роды из-под торца коронки создается лишь давлением промывочной жидкости.

Наиболее близко по технической сущности к предлагаемому долото, имеющее концентрические породоразрушающие сек20 торы, разделенные концентрическими канавками, В корпусе долота выполнены промывочные отверстия, выведенные на дно концентрических канавок, а также торцовые и боковые промывочные каналы, Дно

25 концентрических канавок армировано износостойкими керноломами, предназначенными для разрушения кольцевого керна, формирующегося при бурении между породоразрушающими секторами. Геометриче30 ские размеры канавок и вмонтированных в их дно керноломов, а также форма керноломов не регламентированы.

Недостатком данного технического решения является, во-первых, энергетически

35 невыгодная схема .разрушения кольцевого керна, формирующегося на забое: керноломы разрушают кольцевой керн, сжимая и ,сминая горную породу. Это снижает механическую скорость бурения; во-вторых, та40 кая схема породоразрушения способствует возбуждению колебаний долота и бурового снаряда в целом, возникающих в результате соударений штыревых керноломов с выступами кольцевого керна и его обломками, что

45 ведет к снижению ресурса бурового долота.

Целью изобретения является повышение механической скорости бурения и ресурса долота за счет устранения указанных недостатков.

50 Поставленная цель достигается тем, что в буровом долоте, содержащем корпус с промывочными каналами и рабочей поверхностью в виде концентрических колец с породоразрушающими элементами, коль55 цевые канавки, между которыми выполнены с расширением в сторону периферии долота и оснащены керноломами, керноломы выполнены в виде гладких конических поверхностей на дне кольцевых канавок, вершины образующих конусов которых обращены в. 1716072 сторону рабочей поверхности долота, а на-. чало конического дна канавки смещено от начала ее расширения на величину, составляющую 1-2 ширины канавки в наиболее узкой ее части.

Таким образом, поперечное сечение каждой канавки выполнено так, что формируемые при бурении кольцевые выступы породы после достижения ими некоторой

10 высоты над забоем подвергаются одностораннему воздействию конического износостойкого дна канавки, разламывающего наружу цилиндрический керн, выбуривае- . мый концентрическими породоразрушающими секторами

В отличие от известного, в котором форма канавок и керноломов не регламентиро-. вана, в предлагаемом изобретении введены ограничения формы и размеров канавки, обеспечивающие достижение цели..20

Общий вид сечения канавок образован . тремя участками с различным их назначением относительно породоразрушения.

Функцией первого участка является

25 формирование на забое (при углублении долота в породу) кольцевого породного. керна с явно выраженными цилйндрическими,образующими.

Фуйкцией второго участка, который по глубине следует за первым, является разла.- 30 мывание в сторону стенок скважины (наружу) породного керна, формируемого в зоне первого участка. Для этого второй участок ограничен Сверху износостойкой кониче35 ской образующей с углом наклона. к оси долота в пределах.30 +15 и с вершиной конуса, обращенной к торцу долота. Угол наклона более 45 не рекомендуется из-за вследствие излишнего углубления канавки, увеличения сверх оптимального размера скалываемых обломков породы, а также снижения механической прочности долота, 45

В отличие от.известного, в котором только штыревые керноломы являются износостойкими элементами на дне канавки, в предлагаемом изобретении износостойкой может быть вся поверхность конической образующей второго участка канавки, сле. 50 довательно, коническое.дно канавки по износостойкости может быть выполнено сопоставимым с основными породоразрушающими секторами, что способствует по55 вышению ресурса долота

Коническая образующая может быть, выполнена с переменным углом наклона-к оси на разной глубине канавки.

Третий участок, равный по глубине второму или больше него, представляет-собой существенного уменьшения скалывающего усилия, угол менее 15 нецелесообразен 40 расширение канавки по.диаметру к периферии долота. Функциональное назначение этого расширения, диаметр которого больше наружного диаметра первого участка, состойт в обеспечении беспрепятственной деформации породы,.отламываемой от кольцевого керна конической образующей второго участка.

В предлагаемом изобретении взаимосвязь второго и третьего участков сечения канавки обеспечивает оптимальность размеров поперечного сечения кусков породы, отламываемых от кольцевого керна.

Оптимальными соотношениями высоты и ширины рассматриваемого сечения являются, по условиям энергетики породоразрушения и очистки забоя скважины от шлама, соотношения от 1:1 до 2:1. Базой, на уровне которой отламывается кольцевой керн, является начало третьего участка сечения канавки, т.е. наиболее низкая точка этого участка, считая от торца долота. Минимальная длина плеча, на которой проявляется момент, отламывающий керн от забоя, определяется высотой точки начала конического дна канавки, т.е. высотой начала второго участка сечения канавки.

Расстоянием вдоль оси между началами третьего и второго участков определяется минимальная высота кусков отламываемого керна. Отношением этой высоты к ширине кольцевой канавки, которое ограничивается пределами от 1:1 до 2:1, предлагаемое изо бретение отличается от известного, в котором геометрические параметры сечения кольцевой канавки не регламентированы.

На фиг. 1 схематически изображено долото с матрицей, армированной мелкими алмазами, продольный разрез по промывочному каналу и корпусу; на фиг. 2 — кольцевая канавка на торце долота в поперечном сечении.

Долото включает в себя корпус 1 с присоединительной резьбой 2, отверстиями 3 для промывки и промывочными каналами 4.

Породоразрушающие секторы 5 на корпусе долота разделены концентрическими кольцевыми канавками 6. Долото выполнено с породоразрушающими ступенями 7. Породоразрушающие секторы 5 и ступени 7 армированы зернами 8 природных или синтетических алмазов, которые по месту их расположения в матрице долота подразделяются на объемные и подрезные.

Каждая кольцевая канавка 6 имеет стенки 9 породоразрушающих секторов 5, стенку 10 расширенной части и наклонную (коническую) -поверхность 11 для формирования на забое (не показан) цилиндрического керна (не показан) между кольцевыми

1716072

Формула изобретения

Ширина Ь канавки 6 и максимальная высота Ьмакс принимаются в таком соотношении, чтобы поперечное сечение выломанных кусков керна (не показаны) не превышало минимальной ширины зазора между стенками скважины и частями бурового снаряда (бурильными трубами или их замками) на всей глубине скважины. Минимальные значения Ь и hMa c ограничены

Составитель Ю.Траубе

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор О.Кравцова

Редактор 3.Слиган

Заказ 591 Тираж Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 канавками в породе (не показаны) и отделения от керна его верхней части (не показана) под воздействием конической поверхности

11. Коническая поверхность 11 кольцевой канавки 6 полностью или частично армирована пластинами 12 из износостойкого, например из сверхтвердого, материала, Кольцевая канавка 6 шириной Ь характеризуется максимальной h<> c и минимальной h> < высотой наклонной (конической) поверхности и включает в виде кольцевых внутренних полостей: участок!— от торца породоразрушающего сектора 5 до начала конической поверхности 11, участок

ll — от начала конической поверхности 11 до ее пересечения с продолжением вертикальной стенки 9 канавки 6, участок П! — от продолжения стенки 9 до стенки 10 уширенной части канавки. только возможностями технологии изготовления долота.

Ширина Ь канавки 6 и минимальная высота Ниии ограничиваются соотношением

5 1 Ьмин <2

Ь

Угол наклона образующей конической поверхности к оси долота принимается в пределах 30 15О (фиг. 2).

Буровое долото, содержащее корпус с промывочными каналами и рабочей повер15 хностью в виде концентрических колец с породоразрушающими элементами, кольцевые канавки между которыми выполнены с расширением в сторону периферии долота и оснащены керноломами, о т л и ч а ю щ е20 е с я тем, что, с целью снижения энергоемкости процесса разрушения керна, керноломы выполнены в виде гладких конических поверхностей на дне кольцевых канавок, вершины образующих конусов которых об25 ращены в сторону рабочей поверхности долота, а начало конического дна каждой канавки смещено от начала ее расширения на величину, составляющую 1 — 2 ширины канавки в наиболее узкой ее части.