Буровое долото для бурения коренных пород (варианты)

 

Предлагается буровое долото, способное работать совместно с источником вращательного привода, для бурения коренных пород с целью образования буровой скважины со стенкой. Буровое долото содержит корпус бурового долота, состоящей из основной части, из шаблонной части и лицевой части, расположенных вокруг продольной оси долота. Множество алмазных режущих элементов неподвижным образом расположено на и выступает над лицевой частью и они расположены на определенном расстоянии друг от друга. Режущие элементы расположены так, чтобы они образовывали в процессе бурения чистую радиальную неуравновешенную силу вдоль вектора чистой радиальной неуравновешенной силы по существу перпендикулярно оси долота. По существу непрерывная зона отсутствия режущего инструмента расположена на шаблонной части вокруг точки силы, а опорные средства расположены в зоне отсутствия режущего инструмента вокруг точки силы с целью практически непрерывного контактирования со стенкой буровой скважины в процессе бурения. Режущие элементы расположены так, чтобы заставить чистую радиальную неуравновешенную силу практически поддерживать опорные средства в контакте со стенкой буровой скважины, чтобы вектор чистой радиальной неуравновешенной силы обязательно имел направление равновесия и чтобы вектор чистой радиальной неуравновешенной силы возвращался по существу в позицию равновесия в ответ на нарушающее смещение. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 28 ил., 2 табл.

Изобретение относится к бурению, в частности, к буровому долоту для бурения коренных пород, которое используют для разработки коренных пород, которое используют для разработки коренных пород и для бурения нефтяных и газовых скважин в коренных породах.

В процессе бурения коренных пород, например, при разведке и эксплуатации месторождений углеводородов, вращающееся буровое долото использую для сооружения проходящей через поверхностные формации земли буровой скважины. Хотя для этой цели используют широкое разнообразие известных конструкций бурового долота, однако, все эти конструкции можно грубо классифицировать в две основные группы: шарошечные конические буровые долота и неподвижные врубовые буровые долота. Используемый в настоящем описании изобретения термин неподвижное врубовое долото относится к буровому долоту для бурения коренных пород, в котором расположение режущей поверхности режущих или врубовых элементов будет стационарным или неподвижным относительно корпуса бурового долота. Хотя специфическая конструкция и физический внешний вид неподвижного врубового бурового долота могут значительно различаться, однако таким буровым долотам присущ ряд общих признаков. Совсем недавно Международная ассоциация подрядчиков буровых работ (IADC) приняла основанную на этих общих признаках новую систему классификации неподвижных врубовых буровых долот, например, "Система классификации неподвижных врубовых буровых долот IADC за 1987 г.", представленная ее авторами В.Дж. Винтерсом и Х.Х. Доироном на пленарном заседании конференции по буровым работам Общества инженеров-специалистов по нефтепродуктам (SPE/IADC), состоявшейся в Новом Орлеане, США с 15 по 18 марта 1987 года.

В последние годы широкое применение в нефте- и газодобывающей промышленности получили конструкции неподвижного врубового бурового долота, в которых для усиления режущих элементов используют различные алмазные материалы, причем упомянутые конструкции были особенно эффективны для бурения формаций, расположенных под поверхностными отложениями и прочность которых колеблется от мягких до средних по твердости пород. Режущий элемент в этих неподвижных врубовых алмазных буровых долотах содержит естественный алмаз, поликристаллический алмазный компактный материал или теплостойкий поликристаллический алмазный материал. Неподвижные врубовые буровые долота обычно включают в себя довольно большое количество алмазных режущих элементов, распределенных по всему корпусу бурового долота. Хотя неподвижное буровое алмазное буровое долото стоит относительно дорого, однако их высокая скорость проникновения в коренную породу, т. е. скорость прохождения бурового долота через коренные находящиеся под поверхностным слоем земли породы обеспечивает им постоянный спрос и делает их просто незаменимыми для некоторых специфических целей.

Несмотря на широкую популярность неподвижных врубовых буровых долот для бурения коренных пород, в соответствующих отраслях промышленности существовала серьезная проблема касающаяся их чувствительности и восприимчивости к разрушению. Пользователи и сами изготовители таких буровых долот установили, что за счет более жесткого регулирования приложения нагрузки на долото (WOB) и увеличения скорости вращения (числа оборотов в минуту) можно добиться более высокой скорости проникновения долота в грунт. Однако по мере увеличения скорости вращения значительно сокращается срок полезной службы бурового долота только по причине повреждения расположенных на буровом долоте режущих элементов, которые иногда просто соскальзывают с корпуса долота. По мере разрушения режущих элементов происходит уменьшение скорости проникновения долота в породу. Если скорость проникновения бурового долота в породу уменьшается до неприемлемо низкого уровня, то возникает необходимость в удалении бурового долота из скважины и в его замене. Иногда буровое долото просто может сломаться и в этом случае его также необходимо заменить. Сроки службы бурового долота могут колебаться в очень широком диапазоне. Известны случаи, когда физически новые буровые долота выходили из строя окончательно. Оправданная себестоимость бурения коренных пород непосредственно зависит от поддержания приемлемо высоких скоростей проникновения и от длительности срока службы бурового долота. Замена буровых долот является очень дорогостоящей процедурой, которая значительно повышает себестоимость буровых работ, связана с затратой значительного рабочего времени на удаление бурового долота из скважины, его заменой и на повторную установку бурового долота.

Предпринимаемые в прежние годы попытки повысить долговечность неподвижного врубового бурового долота для бурения коренных пород были тесно связаны с распространенным в тот период теориями об износе режущего элемента и выходе из строя бурового долота. В конце 70-х и начале 80-х годов распространенные в тот период теории об износе режущего элемента и выходе из строя бурового долота были сфокусированы главным образом на проблеме возникновения и аккумуляции тепла в режущих элементах. Авторы этих теорий полагали, что образование и аккумулирование тепла обуславливают ускоренный износ индивидуальных режущих элементов. Именно поэтому все попытки продлить полезный срок службы бурового долота в тот период основывались на необходимости уменьшить образование и аккумулирование тепла в режущих элементах за счет улучшения, например, гидравлической конструкции бурового долота с целью обеспечения более эффективного охлаждения самих режущих элементов.

В указанный выше период времени существовала еще одна теория относительно износа режущего элемента и выхода из строя бурового долота, которая концентрировала свое внимание на степени уравновешенности или баланса, присущему буровому долоту. В более узком смысле эта теория утверждала, что выход из строя бурового долота сопровождается повреждением режущих элементов, в результате чего алмазный материал расщепляется и разрушается с последующим его выходом из своих карбидных опорных элементов. Существовало мнение, что при определенном количестве и определенном расположении режущих элементов на корпусе бурового долота повреждение упомянутых режущих элементов приводит к возникновению на корпусе бурового долота разбалансированных боковых или радиальных сил, которые заставляют корпус бурового долота ударяться о стенку буровой скважины и тем самым приводят к повреждению бурового долота. Таким образом, попытки увеличить срок службы бурового долота также включали в себя усилия ученых по уравновешиванию бурового долота с таким расчетом, чтобы уравновесить объединенные или чистые боковые силы на самом буровом долоте в процессе его вращения при бурении.

Для усиления и упрочнения режущих элементов использовали самые различные способы и средства, например, практиковали использование скошенных, выпуклых или сильно наклоненных назад режущих элементов, для закрепления режущих элементов использовали большие опорные конструкции, позади режущих элементов устанавливали специальные опорные стойки и увеличивали количество алмазного материала в каждом режущем элементе.

Хотя некоторые из этих попыток по продлению срока службы бурового долота завершилась вполне удачно, однако все же не было найдено удовлетворительного решения проблемы разрушения и выхода из строя режущих элементов.

Из патента США N 4635738 известно буровое долото для бурения коренных пород, содержащее корпус, находящийся под осевой весовой нагрузкой и имеющий средство для соединения с источником вращательного привода, калибрующую часть и, примыкающую к ней, рабочую часть с множеством алмазных режущих элементов, неподвижно закрепленных на рабочей и калибрующей частях на определенном расстоянии друг от друга и выступающих над поверхностью корпуса.

Рабочая часть этого бурового долота является конической и удерживается сцентрированной в данной части буровой скважины на всей рабочей поверхности, как указано выше, расположены резцы или режущие элементы, которые входят в зацепление со стенкой буровой скважины. Без этих резцов или элементов для дробления породы буровое долото не сможет выполнять свою основную функцию увеличения ранее пробуренной скважины.

Основной недостаток этого бурового долота состоит в том, что оно не является самостабилизирующимся. Это долото сконструировано так, чтобы наибольшее количество породы вырезалось на той стороне долота, которая зацепляет стенку буровой скважины по сравнению с противоположной стороной. Это означает наличие эффекта отталкивания долота от стенки скважины, а не направления его к стенке. В этом буровом долоте трение между режущими элементами и скважиной заставляет долото совершать обратное завихрение относительно буровой скважины. Это обратное вихревое движение подвергает элементы, дробящие породу, действию боковых сил, которые повреждают, разрушают или скалывают режущие элементы.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение износостойкости режущих элементов бурового долота для бурения коренных пород, достижения статически стабильного вращения долота и увеличения его срока службы.

Этот технический результат достигается тем, что в буровом долоте для бурения коренных пород, содержащее корпус, находящийся под осевой весовой нагрузкой и имеющий средство для соединения с источником вращательного привода, калибрующую часть и, примыкающую к ней, рабочую часть с множеством алмазных режущих элементов, неподвижно закрепленных на рабочей и калибрующей частях, на определенном расстоянии друг от друга и выступающих над поверхностью корпуса, согласно изобретению рабочая и калибрующая части корпуса, выполнены с гладкой опорной поверхностью, простирающейся на 20- 90% окружности калибрующей части, а множество режущих породу алмазных элементов рабочей части размещены с переменными углами наклона для создания в сторону гладкой опорной поверхности рабочей и калибрующей частей результирующего усилия с удельной нагрузкой, меньшей сопротивления породы на раздавливание, и величиной в пределах 3-40% от осевой весовой нагрузки на долото.

Кроме того этот технический результат достигается на тем, что в буровом долоте для бурения коренных пород, содержащее корпус, находящийся под осевой нагрузкой и имеющий средство для соединения с источником вращательного привода, калибрующую часть и, примыкающую к ней, рабочую часть с множеством алмазных режущих элементов, неподвижно закрепленных на рабочей и калибрующей частях на определенном расстоянии друг от друга и выступающих над поверхностью корпуса, согласно изобретению, на внешней поверхности корпуса выполнена гладкая опорная поверхность, а режущие элементы размещены на рабочей и калибрующей частях корпуса с переменными углами наклона для создания в сторону гладкой опорной поверхности рабочей и калибрующей частей результирующего усилия, величина которого находится в пределах 3-40% от осевой весовой нагрузки на долото, при этом гладкая опорная поверхность занимает в поперечном сечении диапазон 20-50% окружности калибрующей части корпуса.

Настоящее изобретение является результатом интенсивных исследований его авторов, посвященных проблемам долговечности бурового долота. Авторы изобретения на основе созданной ими теории разрушения бурового долота, которую они назвали завихрением долота назад, создали конструкцию бурового долота для бурения коренной породы, которая основывается на всех преимуществах этой новой теории.

В отличии от известных технических решений, в соответствии с которыми буровое долото будет содержать режущие элементы, расположенные на рабочих и калибрующих частях корпуса бурового долота, а радиальные силы на корпусе долота должны уравновешиваться, авторы настоящего изобретения установили, что долговечность бурового долота можно значительно увеличить за счет преднамеренного образования ненулевого вектора чистой радиальной неуравновешенной силы. Авторы изобретения также установили, что за счет конструирования и придания буровому долоту функции регулирования величины и направления вектора радиальной неуравновешенной силы и за счет расположения гладкой опорной поверхности на рабочей и калибрующей частях корпуса бурового долота, в выбранной точке, соответствующей направлению вектора чистой радиальной неуравновешенной силы, можно добиться устойчивого вращения бурового долота и продолжительного срока службы долота. Центр вращения бурового долота остается в по существу постоянной точке на корпусе долота в течение всего периода бурения и в данном случае можно избежать направленного назад завихрения и его отрицательного влияния на процесс бурения.

Конструкция бурового долота по настоящему изобретению является таковой, что буровое долото остается устойчивым не только при стабильных равномерных условиях бурения, но и также динамически устойчивы даже в случае нарушающего смещения. Направление вектора чистой радиальной неуравновешенной силы по существу возвращается к точке, которая соответствует расположению гладкой опорной поверхности даже в случае наличия упомянутых нарушающих смещений.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов выполнения изобретения со ссылками на чертежи, на которых: фиг. 1 изображает вид сбоку бурового долота для бурения коренных пород, согласно первому варианту выполнения изобретения; фиг. 2 вид спереди или продольный вид показанного на фиг. 1 бурового долота; фиг. 3 вид сбоку бурового долота для бурения коренных пород, согласно второму варианту выполнения изобретения; фиг. 4 вид спереди или продольный вид показанного на фиг. 3 бурового долота; фиг. 5 вид сбоку бурового долота для бурения коренных пород согласно третьему варианту выполнения изобретения; фиг. 6 вид спереди или продольный вид показанного на фиг. 5 бурового долота; фиг. 7 изометрический вид режущего элемента бурового долота согласно изобретению; фиг. 8 режущий элемент показанный на фиг. 7 установленный на рабочей части корпуса показанного на фиг. 1 и 2 бурового долота; фиг. 9 вид спереди или продольный вид бурового долота, в котором режущие элементы установлены произвольным образом на рабочей части корпуса бурового долота;
фиг. 10 гладкую опорную поверхность с износостойким покрытием для показанного на фиг. 1 и 2 бурового долота;
фиг. 11 гладкую опорную поверхность с множеством штифтообразных армировок из алмаза для показанного на фиг. 1 и 2 бурового долота;
фиг. 12 гладкую опорную поверхность с множеством тонких алмазных прокладок для показанного на фиг. 1 и 2 бурового долота;
фиг. 13 буровое долото, показанное на фиг. 1, с гладкой опорной поверхностью, расположенной на калибрующейся части корпуса бурового долота;
фиг. 14 буровое долото, показанное на фиг. 1, с гладкой опорной поверхностью на калибрующейся части корпуса, имеющего диаметр, меньше диаметра калибрующейся части;
фиг, 15 буровое долото, показанное на фиг. 1, с гладкой опорной поверхностью на калибрующейся части корпуса, имеющий диаметр больше диаметра калибрующйся части;
фиг. 16 вид сбоку варианта выполнения бурового долота, в котором гладкая опорная поверхность выполнена из множества разнесенных друг от друга опорных зон;
фиг. 17 вид спереди или продольный вид бурового долота, показанного на фиг. 16;
фиг. 18 вид сбоку бурового долота для бурения коренных пород с приложенной к нему нагрузкой;
фиг. 19 вид спереди или продольный вид бурового долота, вращающегося в буровой скважине с иллюстрацией сил воздействующих на буровое долото;
фиг. 20 вид спереди или продольный вид бурового долота, иллюстрирующий воздействие окружающей неуравновешенной силы на буровое долото;
фиг. 21 вид спереди или продольный вид бурового долота, вращающегося в буровой скважине с иллюстрацией статической устойчивости;
фиг. 22 вид спереди или продольный вид показанного на фиг. 1 и 2 бурового долота, в котором гладкая опорная поверхность имеет ведущую и хвостовую части;
фиг. 23 вид спереди или продольный вид бурового долота известной конструкции;
фиг. 24 эскиз вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_ii для показанного на фиг. 23 бурового долота;
фиг. 25 вид спереди или продольный вид другого варианта выполнения бурового долота для бурения коренных пород согласно изобретению;
фиг. 26 эскиз вектора чистой радиальной неуравновешенной силы для показанного на фиг. 25 бурового долота;
фиг. 27 вид сбоку бурового долота еще по одному варианту выполнения изобретения;
фиг. 28 вид спереди или продольный вид показанного на фиг. 27 бурового долота.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается буровое долото для бурения коренных пород, например, нефтяных и газовых скважин, или для подземных разработок. Предлагаемое буровое долото может работать совместно с источником вращательного привода, который на чертежах не показан, и использоваться для бурения находящихся под поверхностными отложениями коренных пород с конечным образованием буровой скважины со стенками. Источник вращательного привода может содержать выпускаемый серийной буровой станок вместе с буровым снарядом или двигателем, пригодным для подсоединения к выпускаемым серийно буровым долотам для подземного бурения.

Буровое долото 1 для бурения коренных пород содержит корпус 2, находящийся под осевой весовой нагрузкой и имеющий средство для соединения с источником вращательного привода, выполненное в виде цилиндрического хвостовика 3, расположенного вокруг продольной оси 4 долота 1. Хвостовик 3 включает в себя снабженный резьбой штифт 5, который можно соединить известным способом с буровым снарядом, составляющим часть источника вращательного привода. Продольная ось 4 долота 1 проходит через центр хвостовика 3 в основном параллельно буровому снаряду. Термин "радиальный размер", используемый в настоящем описании, относится к позициям, расположенным или измеренным перпендикулярно наружу от продольной оси 4 долота 1 (фиг. 2).

Корпус 2 бурового долота 1 имеет цилиндрическую калибрующую часть, расположенную вокруг продольной оси 4 долота 1 и отходящую от хвостовика 3. Благодаря цилиндрической форме калибрующей части 6, эта часть 6 будет иметь постоянный радиус калибра R_g, измеренный радиально наружу и перпендикулярно от продольной оси 4 долота 1 к поверхности калибрующей части 6, что и показано на фиг. 2. Рекомендуется, чтобы калибрующая часть 6 включала в себя множество канавок 7, простирающихся параллельно оси 4 долота 1 и предназначенных для облегчения удаления бурового шлама, обломков пород и т.д.

Корпус 2 содержит также рабочую часть 8, расположенную вокруг продольной оси 4 долота 1 и примыкающую к калибрующей части 6. Калибрующую часть 6 и рабочую часть 8 можно рассматривать, как части, встречающиеся на линии 9, на которой начинается изменение радиуса (фиг. 1) корпуса 2 бурового долота 1, который именно в этой точке имеет постоянный радиус калибра. Следовательно, линия 9 представляет собой окружность калибрующей части.

Показанный на фиг. 1 корпус 2 бурового долота имеет изогнутый профиль, т. е. профиль поперечного сечения рабочей части 8 имеет профиль выпуклой поверхности, если смотреть сбоку перпендикулярно к продольной оси 4 долота 1 (фиг. 1). Рабочая часть 8, если смотреть с этой точки, может иметь, например, сферическую, параболическую или другую изогнутую форму. Однако профиль корпуса 2 бурового долота 1 не ограничивается перечисленными выше формами. Например, рабочая часть корпуса 2 может быть плоской. С другой стороны, она может иметь вогнутый профиль, который показан, например, на фиг. 5A и 6B и когда рабочая часть 8 включает в себя вогнутый участок 10, расположенный вокруг продольной оси 4 долота 1. Рабочая часть 8 может также включать множество изогнутых лопастей 11, показанных на фиг. 3 и 4.

Буровое долото 1 также содержит множество алмазных режущих элементов 12 и 13, неподвижно закрепленных соответственно на рабочей части 8 и калибрующей части 6 корпуса 2 на определенном расстоянии друг от друга и выступающих над поверхностью корпуса 2. Предпочтительно, чтобы каждый режущий элемент 12 (фиг. 7) был образован поликристаллическим алмазным компактным материалом 14, закрепленном на опоре 15, например, на карбидной опоре. Вполне понятно, что режущие элементы 12 можно изготовлять из других материалов, например, естественного алмаза и устойчивого и теплу поликристаллического алмазного материала. Каждый режущий элемент 12 располагается на рабочей части 8 и закрепляется здесь своей базой 16. Каждый режущий элемент 12 снабжен режущей кромкой 17, которая и будет контактировать с предназначенными для бурения породами.

На фиг. 2 ясно видно, что режущие элементы 12 устанавливаются линейным образом вдоль радиального размера на рабочей части 8. Однако следует иметь ввиду, что можно использовать и другие материалы установки режущих элементов 12. Например, режущие элементы 12 можно устанавливать нелинейным образом вдоль радиального размера рабочей части 8, для образования множества изогнутых лопастей 11, которые показаны на фиг. 4, или же их можно расположить на рабочей части 7 практически произвольным образом, неравномерно, как это показано на фиг. 5.

В показанном на фиг. 1 варианте выполнения бурового долота 1 режущие элементы 13, установленные на калибрующей части 6, напоминают или идентичны режущим элементам 12. Режущие кромки этих элементов 13 устанавливаются на одинаковом радиальном расстоянии от продольной оси 4 долота для определения показанного на фиг. 2 радиуса калибра R_g. Режущие инструменты 13 отстоят от режущих элементов 12 и друг от друга на определенное расстояние. Как это ясно видно на фиг. 1, рекомендуется центрировать или выравнивать режущие элементы 13 с соответствующими режущими элементами 13, причем является предпочтительным, чтобы два или более режущих элементов 13 простирались линейно вдоль калибрующей части 6 в осевом направлении самого бурового долота 1. Эти режущие элементы 13 определяют калибровочный или радиальный размер стенки буровой скважины и выполняют функцию конечного образования стенки буровой скважины. Режущие элементы 13 удлиняют срок службы долота 1, причем расположенные ближе к рабочей части 8 режущие элементы 13 будут изнашиваться быстрее, чем эти режущие элементы 13, расположенные дальше от рабочей части 8, так что режущие элементы 13 будут изнашиваться последовательно, а не одновременно.

Длина и геометрия режущих кромок режущих элементов 12 и 13 зависит от специфической конструкции и практической области их применения. Режущие кромки обычно изогнуты, например, выполнены в виде круглого поперечного сечения, однако они могут быть выполнены и плоскими, в форме долота или скошенными. Режущие элементы 12 и 13 обычно выполнены круглыми или почти круглыми, а их диаметр находится в диапазоне от 6,4 мм до 50,8 мм, а наиболее часто он равен 12,7 мм. В большинстве случаев размеры режущих элементов 13 будут идентичны размерам режущих элементов 12, однако в некоторых практических ситуациях целесообразно будет иметь иные размеры.

В зависимости от специфической конструкции и практического применения бурового долота 1 количество режущих элементов 12 и 13 на корпусе 2 бурового долота 1 может колебаться в очень широком диапазоне в пределах объема настоящего изобретения. Является предпочтительным, чтобы корпус 2 имел как минимум 15 режущих элементов 12, 13, однако это не является обязательным. Например, буровое долото с внешним диаметром в 215,9 мм будет обычно иметь между 25 и 40 режущих элементов 12, 13 примерно 17 28 на рабочей части 8 и примерно 8-12 на калибрующей части 6. Буровое долото с внешним диаметром в 444,5 мм может иметь более 100 режущих элементов 12, 13 известно, что серийно выпускаемые в настоящее время буровые долота, используемые для бурения коренных пород, имеют внешний диаметр от 50,8 до 635,0 мм, хотя чаще все же используются буровые долота с внешним диаметром от 163,5 до 311,1 мм.

По настоящему изобретению режущие элементы 12, 13 располагаются так, чтобы в процессе бурения они образовывали чистую радиальную неуравновешенную силу вдоль вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i (фиг. 2) примерно перпендикулярно продольной оси 4 долота. Величина и направление вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i будут зависеть от расположения и ориентации режущих элементов 12 и 13, например, от специфического рисунка расположения режущих элементов 12 и 13 на корпусе 2 бурового долота 1, и от формы корпуса 2, поскольку эта форма оказывает влияние на рисунок расположения режущих элементов 12, 13. На величину и направление вектора силы F_i оказывает влияние также и ряд прочих факторов, например, специфическая конструкция режущих элементов 12 и 13, прикладываемая на буровое долото нагрузка, скорость вращения долота и физические свойства материалов, которые предстоит пробурить.

Буровое долото 1 содержит внутренний канал 18 для потока жидкости, например, отверстие бурового снаряда, и множество сопел 19, например, известной конструкции, расположенных на рабочей части 8 и сообщенных с каналом 18. В процессе бурения канал 18 и сопла 19 обеспечивают подачу смазывающей жидкости, например, бурового шлама, на рабочую часть 8 корпуса 2 для ее смазывания и удаления буровой мелочи.

Рабочая часть 8 и калибрующая часть 6 корпуса 2 выполнены с гладкой опорной поверхностью 20, т.е. не имеющий режущих элементов 12 и 13, простирающейся на 20-90% окружности калибрующей части 6 и пересекающей плоскость силы P_f, образованной продольной осью 4 долота 1 и вектором чистой радиальной неуравновешенной силы F_i.

Для большинства практических ситуаций гладкая опорная поверхность простирается на 20 70% окружности калибрующейся части 6, например, некоторые из режущих элементов 12 и 13, а именно режущие элементы 12а и 13а, (фиг. 2)располагаются рядом с гладкой опорной поверхностью 20 для увеличения количества режущих элементов 12 и 13 на корпусе 2 бурового долота 1, в следовательно, и для повышения КПД этого долота.

Режущие алмазные элементы 12 рабочей части 8, в отдельности, или совместно с режущими элементами 13 калибрующей части 6 размещены на соответствующих частях 8, 6 с переменными углами наклона для создания в сторону гладкой опорной поверхности 20 рабочей части 8 и калибрующей части 6 результирующей усилие с удельной нагрузкой, меньшей сопротивления породы на раздавливание и величиной в пределах 3-40% от всей весовой нагрузки на долото 1.

Плоскость силы P_f является теоретической плоскостью, используемой для ссылки и иллюстративных целей, чтобы идентифицировать позиции на корпусе 2 бурового долота 1, например, на калибрующей части 6 корпуса 2, соответствующие направлению вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i. Например, плоскости показанного на фиг. 1 чертежа и простирается наружу продольной оси 4 долота 1 через центр гладкой опорной поверхности 20. Если смотреть на буровое долото 1 в продольном направлении, как на фиг. 2, то плоскость силы P_f появляется перпендикулярно от этого чертежа, причем ее проекция будет соответствовать вектору чистой радиальной неуравновешенной силы F_i. Плоскость силы P_f является важным фактором хотя бы потому, что вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i не всегда может пересекать калибрующую часть 6. В некоторых случаях вектор силы F_i может простираться наружу радиально от продольной оси 4 долота 1 на или около рабочей части 8 непосредственно по направлению к стенке буровой скважины без прохождения через калибрующую часть 6. Однако даже в этих ситуациях направление вектора силы F_i будет соответствовать точке или линии на калибрующей части 6, к которой направлена чистая радиальная неуравновешенная сила, что и показано на фиг. 2 продольной проекцией; упомянутая точка или линия на калибрующей части 6 лежит в пределах плоскости силы P_f. Гладкая опорная поверхность 20 может состоять из того же материала, что и остальные части корпуса 2 бурового долота 1, или же она может быть выполнена из относительно более твердого материала, например, из карбидного материала. Кроме того, опорная поверхность 20 может включать в себя износостойкое покрытие или содержать алмазные включения 21 или насыщения (фиг. 10) либо множество алмазных штифтообразных армировок 22 (фиг. 11), либо множество алмазных тонких прокладок 23 (фиг. 12), либо же такие армировки или насыщения, которые будут усиливать гладкую опорную поверхность 20 и повышать ее долговечность.

Специфические размер и конфигурация опорной поверхности 20 будут зависеть от специфической конструкции бурового долота 1 и его специфического применения. Как правило, опорная поверхность 20 будет иметь кривизну, которая будет точно соответствовать целевой кривизне сооружаемой буровой скважины. Является предпочтительным, чтобы опорная поверхность 20 простиралась вдоль по существу всей продольной длины калибрующей части 6 и удлинялась по периферии не более чем на 90% окружности калибрующей части 6. Для большинства практических случаев применения бурового долота скользящая поверхность будет простираться вдоль примерно на 20-70% окружности калибрующей части 6, однако практически в любом случае опорная поверхность 20 будет простираться вдоль минимума примерно в 20% калибрующей части 6.

Опорная поверхность 20 имеет вполне достаточную площадь поверхности для того, чтобы после ее вхождения в буровую скважину и ее контактирования со стенкой скважины прилагаемая сила на 6,45 см² была намного меньше сжимающейся прочности подповерхностного материала. Это будет удерживать гладкую опорную поверхность 20 от проникновения и разрушения стенки буровой скважины, что часто происходит в результате нежелательного вихревого движения бурового долота, описанного ниже. Опорная поверхность 20 имеет также размер, достаточный для включения вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i, когда этот вектор силы F_i начинает перемещаться в ответ на изменение в твердости подпочвенных материалов и прочие разрешающие силы. Размер опорной поверхности 20 необходимо выбирать с таким расчетом, чтобы вектор чистой радиальной неуравновешенной силы был направлен к позиции, соответствующей опорной поверхности 20 в процессе износа бурового долота.

Для гладкой опорной поверхности 20 можно использовать несколько вариантов радиальной позиции. Например, на фиг. 2B и 13A опорная поверхность 20 выполнена по существу круглой и расположена на некотором радиальном расстоянии от продольной оси 4 долота 1, которое будет примерно равно радиусу калибрующей части 6, т.е. опорная поверхность 20 в данном случае представлена калибрующей частью 6.

Опорная поверхность 20 может также располагаться на некотором радиальном расстоянии от продольной оси 4 долота 1, которое будет меньше радиуса калибрующей части 6, т.е. опорная поверхность 20 на калибрующей части 6 в данном случае имеет диаметр меньше диаметра калибрующей части, что и показано на фиг. 14.

В другом варианте выполнения опорная поверхность 20 может располагаться на некотором радиальном расстоянии от продольной оси 4 долота 1, которое будет больше радиуса калибрующей части 6, т. е. опорная поверхность на калибрующей части 6 имеет диаметр больше диаметра калибрующей части 6 (фиг. 15).

Показанная на фиг. 1 и 2 опорная поверхность 20 представлена непрерывной поверхностью. Однако гладкая опорная поверхность 20 может состоять из нескольких разнесенных друг от друга зон, которые показаны на фиг. 16 и 17. Подобная конфигурация опорной поверхности 20 облегчает поток гидравлической жидкости вокруг корпуса 2 бурового долота 1, что повышает эффективность бурения и стимулирует охлаждение долота 1. Подобная конструкция является предпочтительной при определенных условиях бурения.

Далее, по изобретению режущие элементы 12 и 13 располагаются так, чтобы заставить вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i поддерживать гладкую опорную поверхность 20 в контакте со стенкой буровой скважины в процессе всего бурения, чтобы заставить вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i постоянно иметь равновесное направление и чтобы заставить вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i возвращаться по существу к направлению равновесия в ответ на нарушающее смещение. Как уже отмечали выше, этих результатов можно добиться за счет регулирования размера режущих элементов 12 и 13, места их расположения на корпусе 2 бурового долота 1 и формы корпуса 2 бурового долота 1, на котором крепятся режущие элементы 12 и 13. Регулирование вектора силы F_ii облегчается за счет оптимального выбора индивидуальных режущих элементов 12 и 13. Эти аспекты изобретения и связанные с ними силы, воздействующие на буровое долото 1, будет детально рассматриваться ниже.

Преимущества изобретения станут более очевидными и понятными, если более детально проанализировать воздействие различных сил в процессе бурения на буровое долото и связь этих сил с новой теорией буровых долот с неподвижной шарошкой, которая не имеет ничего общего с теорией завихрения бурового долота по направлению назад; разработка новой теории целиком и полностью заслуга авторов настоящего изобретения.

Основными воздействующими в процессе бурения на буровое долото 24 силами, являются крутящий момент бурения, воздействие нагрузки на долото, радиальная неуравновешенная сила F_ri, окружная неуравновешенная сила F_ci и радиальная возвращающая сила. На фиг. 18 ясно видно, что воздействие нагрузки на долото 24 представлено продольной или аксиальной силой, образование которой связано с использованием источника вращательного привода (буровой снаряд) и эта сила направлена на рабочую часть долота 24. Довольно часто буровые долота испытывают на себе воздействие нагрузки на долото порядка 453 кг и даже больше. Окружная неуравновешанная сила F_ci и радиальная неуравновешенная сила F_ri являются радиальными силами в радиальной плоскости, перпендикулярной продольной оси 25 долота 24, т. е. действующими в радиальном или боковом размере корпуса долота 24. В данном случае радиальная плоскость соответствует плоскости, показанной на фиг. 2 и 19 9D.

Составляющая или вектор радиальной неуравновешенной силы F_ri является радиальной составляющей силы, образованной на буровом долоте 24 после нагружения долота 24 в аксиальном направлении. Величина и направление вектора силы F_ri зависят от скорости вращения долота 24 и фактически являются функцией формы бурового долота 24, расположения ориентации и формы режущих элементов, физических свойств пробуриваемой подповерхностной формации и воздействия веса на долото 24. Однако расположение, ориентация и форма режущих элементов обычно являются факторами, которые легко поддаются регулированию. Вектор силы F_ri будет перпендикулярным относительно продольной оси 25 долота 24 и будет пересекать продольную проекцию окружности калибрующей части в точке R что и показано на фиг. 19. Если буровое долото 24 и его режущие элементы будут расположены абсолютно симметричны вокруг продольной оси 25 долота 24 и если воздействие нагрузки на долото 24 приходится непосредственно вдоль его оси, то в этом случае радиальная неуравновешенная сила F_ri будет равна нулю. Однако по предпочтительному варианту изобретения буровое долото 24 и режущие элементы имеют такую форму и установлены таким образом, что после приложения на долото 24 аксиальной нагрузки на буровое долото будет подаваться ненулевая радиальная сила F_ri. Эта радиальная сила F_ri может быть очень значительной вплоть до нескольких тысяч футов.

Составляющая или вектор окружной неуравновешенной силы F_ci является чистой радиальной составляющей в радиальной плоскости, образованной в результате векторного суммирования сил, которые вносят свой вклад во взаимодействие бурового долота 24 (главным образом индивидуальных режущих элементов) с донной частью и стенками буровой скважины в момент вращения долота 24. Эту окружную неуравновешенную силу можно представить в виде вектора F_ci (фиг. 19 и 20), который проходит через продольную ось 25 долота и взаимодействует с продольным продолжением окружности калибрующей части в точке C на продольном продолжении фиг. 19. Окружная неуравновешенная сила F_ci может изменяться в зависимости от конструкции бурового долота 24 (от формы долота и формы и расположения режущих элементов), от режима работы бурового долота 24 и от пробуриваемых подземных пород.

Например, на фиг. 20 показан продольный вид бурового долота 24, снабженного множеством режущих элементов, расположенных на рабочей части корпуса долота так, чтобы они образовали две линейные режущие лопасти 25 и 27, которые будут симметричны относительно друг друга. Если такое долото 24 вращается вокруг оси долота и если режущие лопасти 25 и 27 разрушают однородную породу, а следовательно и испытывают на себе воздействие симметричных сил, тогда соответствующие лопасти будут соответствовать паре сил или вращательному моменту с нулевой чистой силой, направленной прочь от оси долота. Однако, если режущие лопасти 25 и 27 не будут абсолютно симметричны или если они разрушают неоднородную породу, а следовательно они испытывают на себе воздействие различных или асимметричных сил, тогда соответствующие лопасти будут образовывать как крутящий момент вокруг центра вращения, смещенного в сторону от оси 25 долота 24, так и нулевую чистую окружную неуравновешенную силу F_ci в радиальной размерности по направлению к точке C на продолжении долота 24. Как правило, предназначенное для бурения коренных пород буровое долото образует ненулевую окружную неуравновешенную силу F_ci. Настоящее изобретение относится к буровому долоту, которое преднамеренно сконцентрировано для образования по существу окружной неуравновешенной силы F_ci, о чем подробнее будет сказано ниже.

Вектор окружной неуравновешенной силы F_ci и вектор радиальной неуравновешенной силы F_ci объединяются с целью образования вектора чистой радиальной силы F_i, который по существу будет перпендикулярным к продольной оси 25 долота 24 и который пересекается с продольным продолжением окружности калибрующей части корпуса в точке N (фиг. 19). Точка N этой силы указывает на точку или зону на продолжении окружности калибрующей части, соответствующей части корпуса бурового долота 24, которая контактирует со стенкой буровой скважины в ответ на вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i в какой-то конкретный момент времени. При заданной геометрической форме корпуса бурового долота 24 стенки буровой скважины калибрующая часть корпуса бурового долота будет контактировать со стенкой буровой скважины. Гладкая опорная поверхность располагается на корпусе бурового долота в позиции, которая в общем-то соответствует упомянутой контактирующей части корпуса бурового долота, чтобы образовать радиальную возвращающую силу, необходимую для уравновешивания вектора силы F_i.

Преимущества настоящего изобретения становятся более понятными, если правильно проанализировать концепции статической и динамической стабильности применительно к низкофрикционным буровым долотам по изобретению. Статистически стальное вращение долота (именно этот термин используется в описании настоящего изобретения) можно определить как состояние, при котором центр вращения бурового долота остается в фиксированной точке на поверхности бурового долота при отсутствии разрушающей силы или неоднородности формации. Например, на фиг. 21 показано буровое долото 24 с продольной осью долота 25, которое идентично продольной оси 25 долота 24. Буровое долото 24 вращается в буровой скважине 28, имеющей цилиндрическую стенку 29. Центр буровой скважины 28 обозначен ссылочной позицией 30. Поскольку буровое долото 24 вращается вокруг фиксированного центра вращения на поверхности долота, т.е. вокруг его продольной оси 25, то это вращение будет статически стабильно. Также статически стабильным вращением будет считаться состояние, при котором буровое долото 24 вращается вокруг фиксированной точки на поверхности бурового долота 24, но при котором упомянутый центр вращения на поверхности бурового долота 24 не будет совпадать с центром 30 буровой скважины 28. Статические стабильное вращение долота 24 обычно сопровождается вектором чистой радиальной неуравновешенной силы F_i, который имеет по существу постоянные величины и направление относительно корпуса бурового долота 24. Направление этого вектора постоянной силы F_i можно считать направлением равновесия.

Динамическая стабильность, а именно этот термин используется применительно к низкофрикционным буровым долотам по изобретению, относится к условию, при котором вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i возвращается к направлению равновесия в ответ на нарушающее смещение. Нарушающее смещение может возникнуть в результате действия ряда факторов, среди которых следует упомянуть в первую очередь случайное изменение в твердости обрабатываемой породы, вне осевое движение самого бурового долота 24 и вибрация бурового снаряда.

Буровое долото 24 может иметь статическую стабильность, т.е. вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i может быть ориентирован в сторону направления равновесия, однако он не имеет динамической стабильности, т.е. нарушающее смещение будет перемещать вектор силы F_i в сторону от направления равновесия и вектор силы F_i не возвращаться к направлению равновесия после релаксации, о чем подробнее ниже.

Ниже более детально остановимся на новой теории бурового долота для бурения коренных пород, о которой еще не упоминали и которая называется теорией завихрения долота назад. Более детальное описание этой теории можно найти в докладе Дж. Ф. Бретта, Т.М. Уаррена и С.М. Бера "Завихрение долота: новая теория выхода из строя долота PDC", который был зачитан на 64-й ежегодной технической конференции Общества инженеров специалистов по нефти, состоявшейся в Сан-Антонио, Техас, США с 8 по 11 октября 1989 года.

Уже давно известно и продолжаются научные исследования в поддержку предположения, что оптимальные скорости бурения и сроки службы бурового долота достигаются тогда, когда вращение бурового долота вокруг продольной оси долота будет статически стабильно и когда режущие кромки режущих элементов не разрушаются и не выкрашиваются. Хотя какого-то выкрашивания и износа режущих элементов избежать просто невозможно, однако в условиях стабильного вращения бурового долота можно добиться достаточно большого срока их службы, а алмазные режущие кромки можно в определенной степени восстанавливать при непрерывном бурении только потому, что используемые карбидные опорные средства, которые простираются за пределы режущей кромки выкрошенного режущего элемента, будут изнашиваться быстрее, чем алмаз. Однако, если происходит выкрашивание самого алмаза, то в этом случае значительно падает эффективность работы бурового долота.

В результате интенсивных научных исследований авторы настоящего изобретения установили, что повреждение режущего инструмента и соответствующее повреждение бурового долота несомненно обуславливаются ударным повреждением, который можно приписать феномену бурения коренных пород, получившему название завихрение назад. Термин завихрение назад можно определить как состояние, при котором цент вращения бурового долота по мере вращения самого долота. Феномен завихрения назад можно объяснить со ссылкой на фиг. 19 и 21.

На фиг. 19 показано состояние, когда буровое долото 24 уже переместилось под воздействием чистой радиальной неуравновешенной силы F_i в радиальном направлении до позиции, в которой буровое долото 24 будет контактировать со стенкой 29 буровой скважины 28 в точке контактирования 31, соответствующей точке силы N. Если вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i становится достаточно большим, чтобы заставить поверхность корпуса бурового долота 24 прижаться к стенке 29 буровой скважины 28 и если силы трений или разрушения исключают вероятность скольжения контактирующей со стенкой 29 буровой скважины 28 поверхности бурового долота 24 практически без трения, то в этом случае точка контактирования 31 становится мгновенным центром вращения для бурового долота 24. Например, мгновенный центр вращения бурового долота 24 может перемещаться от продольной оси 25 долота 24 по направлению к точке контактирования 31 на или около калибрующей части корпуса бурового долота 24. Именно эта новая сила трения между поверхностью корпуса бурового долота 24 и стенкой 29 буровой скважины 28, возникновение которой в обычном буровом долоте обуславливается наличием на калибрующей части корпуса режущих элементов, заставляет мгновенный центр вращения бурового долота 24 продолжить перемещаться вокруг рабочей части корпуса долота 24, отходить прочь от продольной оси 25 долота 24 и направляться к стенке 29 буровой скважины 28, причем все это происходит в момент вращения бурового долота 24.

Если начинается завихрение бурового долота 24, то режущие элементы могут перемещаться назад, вбок и т.д. При каждом вращении режущие элементы перемещаются дальше, чем режущие элементы на буровом долоте 24 при стабильном вращении, к тому же первые и перемещаются быстрее. В результате этого режущие элементы испытывают на себе высокие ударные нагрузки в момент, когда буровое долото 24 ударяет о стенку 29 буровой скважины 28, причем для вихревого долота 24 подобное воздействие происходит несколько раз в течение каждого оборота долота 24. Эти ударные силы выкрашивают и разрушают режущие элементы. После однократного возникновения завихрения назад оно будет регенерироваться произвольно.

Согласно изобретению буровое долото устраняет проблемы, связанные с завихрением назад бурового долота для бурения коренных пород. С помощью бурового долота по изобретению можно будет устранить нежелательные последствия завихрения назад за счет такого рисунка расположения режущих элементов и за счет образования такого профиля корпуса бурового долота, которые в процессе бурения будут направлять вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i в сторону гладкой опорной поверхности и будут поддерживать вектор силы F_i на этой поверхности устойчивым образом. Следовательно, именно гладкая опорная поверхность будет образовывать низкофрикционную опорную или поддерживающую зону, которая будет находиться в контактировании со стенкой буровой скважины с относительно низким трением, и кроме того, уменьшает до минимума вероятность воздействия фрикционных сил (например, тех, возникновение которых можно приписать режущим элементам, расположенным на калибрующей поверхности) на буровое долото в плане его вхождения в и разрушение стенки буровой скважины и перемещения мгновенного центра вращения самого долота.

По настоящему изобретению режущие элементы располагаются там, чтобы заставить вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i удерживать гладкую опорную поверхность в контакте со стенкой буровой скважины в процессе бурения, однако этого явно недостаточно для того чтобы избежать возникновения фрикционных или режущих сил, которые будут заставлять буровое долото захватывать или врезаться в стенку буровой скважины и перемещать мгновенный центр вращения бурового долота на самом долоте. В идеальном плане подобное условие будет сохраняться в течение всего периода работы бурового долота. Далее по изобретению режущие элементы располагаются так, чтобы заставить вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i постоянно иметь направление равновесия. К статической стабильности бурового долота относятся те признаки изобретения, в соответствии с которым режущие элементы располагаются так, чтобы вектор чистой радиальной неуравновешенной силы обязательно имел величину и направление, которые обеспечивали практически постоянное контактирование гладкой опорной поверхности со стенкой буровой скважины в течение всего периода бурения, и чтобы вектор чистой радиальной неуравновешенной силы постоянно имел направление равновесия.

В ходе многочисленных экспериментов авторы изобретения установили, что буровое долото по настоящему изобретению должно конструироваться с таким расчетом, чтобы точка силы N, для предполагаемых условий стабильного состояния, находилась на гладкой опорной поверхности 20. Подобная конструкция показана на фиг. 22, где иллюстрируется выполнение гладкой опорной поверхности 20 в виде ведущей части 32 и хвостовой части 33, а режущие элементы 12 рабочей части 8 размещены для направления результирующего усилия в положение, соответствующее ведущей части 32 в процессе бурения. Вращение долота 1 против часовой стрелки указано стрелкой. В данном случае, если буровое долото 1 встречает более твердые материалы породы или просто "зависает" на какой-то момент на стенке буровой скважины, тогда вектор переменный силы F_ci не будет перемещать вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i назад за пределы хвостовой части 33 гладкой опорной поверхности 20. Поскольку вектор силы F_ci более подвержен изменениям, чем вектор F_ri, то авторы изобретения пришли к выводу, что в предпочтительных вариантах выполнения изобретения вектор силы F_ri для условий стабильного состояния будет больше вектора силы F_ci. Подобная зависимость лишь усиливает статистическую и динамическую стабильность бурового долота.

Является предпочтительным, чтобы величина вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i находилась в диапазоне от примерно 3% до примерно 40% от общей прикладываемой на долото нагрузки. Например, если нагрузка на долото составляет 4536 кг, тогда величина вектора F_n должна находиться в диапазоне от 136 до 1814 кг. Если же буровое долото рассчитано на относительно небольшую нагрузку на долото, тогда величина вектора силы F_i должна быть относительно высокой и наоборот. Если же буровое долото рассчитано для работы при относительно высокой скорости вращения (в оборотах в минуту), тогда необходима будет несколько большая величина вектора силы F_i. Если используется относительно большое по габаритам буровое долото, тогда необходимо будет уменьшить величину вектора силы F_i. Вполне понятно, что чем больше величина вектора силы F_i, тем интенсивнее износ опорной поверхности 20.

В условиях отсутствия гидродинамической смазки гладкая опорная поверхность 20 будет непосредственно контактировать со стенкой буровой скважины. Буровой шлам откачивается через сопла 19 (фиг. 1) и циркулирует вверх по буровой скважине, проходя при этом через корпус 2 бурового долота 1, благодаря чему обеспечивается какая-то смазка гладкой опорной поверхности 20. Однако подобная смазка не является гидродинамической. В данном случае происходит довольно значительное контактирование гладкой опорной поверхности 20 со стенкой буровой скважины. Следовательно, часто бывает желательна соответствующая обработка гладкой опорной поверхности 20, например, та, которая схематически показана на фиг. 10-12.

Авторы изобретения установили также, что эффективность бурового долота по изобретению можно повысить за счет специфического расположения режущих элементов (включая выбор формы и конструкции корпуса бурового долота), чтобы иметь возможность регулировать не только величину и направление вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i, но и также индивидуальные составляющие силы, которые и образуют вектор силы F_i, т. е. вектор окружной неуравновешенной силы F_ii и вектор радиальной неуравновешенной силы F_ri. В более узком смысле эффективность бурового долота можно повысить за счет такого расположения режущих элементов, на рабочей и калибрующих частях корпуса, чтобы, по меньшей мере, один из векторов F_ci и F_ri был направлен в положение, соответствующее гладкой опорной поверхности в течение всего периода работы бурового долота. Дополнительной стабильности можно добиться за счет проектирования формы бурового долота и за счет расположения режущих элементов с таким расчетом, чтобы вектора силы F_ci и F_ri были приблизительно центрированы относительно друг друга и относительно результирующего вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i.

Кроме того, по настоящему изобретению режущие элементы устанавливаются так, чтобы заставить вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i практически возвращаться в направлении равновесия в ответ на нарушающее смещение, предпочтительно в ответ на нарушение смещения или сдвиги порядка до 2 мм. Этот признак изобретения относится к динамической стабильности бурового долота.

В процессе работы долота величина и направление вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i будет изменяться. Подобное изменение может быть обусловлено уже упоминавшимися выше факторами, среди которых в первую очередь следует упомянуть неоднородность пробуриваемого грунта. Отсутствие динамической стабильности может заставить вектор силы F_i отходить от гладкой опорной поверхности в ответ на какое-то нарушение, а также либо сходиться по направлению к новой позиции равновесия вдали от опорной поверхности, либо образуется динамическая нестабильность, в условиях которой вектор силы F_i может продолжать движение по мере продолжения процесса бурения. С целью иллюстрации этой особенности, на фиг. 23 показан продольный вид бурового долота известной конструкции, а на фиг. 25 показан продольный вид бурового долота, в котором удалены шарошки благодаря чему образуется низкофрикционное долото по настоящему изобретению. В табл. 1 приведены данные о смещении, о направлении смещения, направлении неуравновешенной силы, о направлении чистой радиальной неуравновешенной силы и о величине чистой радиальной неуравновешенной силы для показанного на фиг. 23 бурового долота. В табл. 2 приведены эти же данные для показанного на фиг. 25 низкофрикционного бурового долота согласно настоящему изобретению. В данном случае смещение относится к радиальному расстоянию, на которое перемещается центр вращения бурового долота и которое соответствует нарушающему смещению в процессе бурения. Направление смещения относится к радиальному направлению нарушающего смещения. На фиг. 24 и 25 показаны схемы вектора чистой радиальной неуравновешенной силы F_i (направление и величина), данные о котором приводятся в табл. 1 и 2 соответственно.

Показанное на фиг. 23 буровое долото демонстрирует динамическую стабильность при смещении на расстоянии 0,76 мм и при первоначальном направлении смещения в 56^o. Вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i имеет стабильное направление и величину. Однако при смещении на расстояние 1,27 мм и в том же первоначальном направлении смещения в 56^o показанное на фиг. 23 буровое долото становится и удерживается в нестабильном состоянии.

В противоположность этому, показанное на фиг. 25, буровое долото остается статически и динамически стабильным при смещении на расстояние 0,76 мм и 1,27 мм и при начальном направлении смещения 204^o. Хотя направление вектора чистой радиальной неуравновешанной силы F_i изменяется каждый раз после нарушающего смещения, однако направление вектора силы F_i по существу направлено в сторону равновесного направления и все еще ориентировано в сторону гладкой опорной поверхности 20.

Буровое долото по одному из вариантов выполнения изобретения обеспечивает динамическую стабильность за счет придания гладкой опорной поверхности 20 размера, вполне достаточного для включения в себя вектора чистой радиальной неуравновешанной силы, когда этот вектор перемещается в ответ на изменения в твердости обрабатываемого материала, а также за счет такой установки режущих элементов, которая будет гарантировать минимизацию всех изменений в направлении вектора силы F_i. Если эта поверхность 20 не имеет достаточно большой размер, чтобы выполнить упомянутое выше условие, тогда может произойти завихрение назад. Результаты проведенных авторами изобретения экспериментов убедили их в том, что гладкая опорная поверхность должна простираться и занимать как минимум 20% а лучше от 50 до 60% окружности калибрующей части корпуса. Эта поверхность может занимать даже более 90% окружности калибрующей части без какого-либо отрицательного влияния на способность бурового полотна эффективно выполнять свою основную функцию. Существует общее правило, по которому длина по окружности гладкой опорной поверхности должна соответствовать ожидаемому диапазону движения вектора силы F_i плюс до 20% на любой стороне этого диапазона движения.

Если буровое долото по изобретению работает с высокой вращательной скоростью, т. е. со скоростью 500 об/мин или выше, тогда составляющая чистой радиальной неуравновешенной силы F будет иметь достаточную динамическую составляющую силу, связанную с центробежными силами. В этом варианте изобретения величину вектора сила F_i можно увеличить за счет конструирования бурового долота с таким расчетом, чтобы гладкая опорная поверхность была выполнена из материала с плотностью, отличной от плотности материала смежных с опорной поверхностью частей корпуса. Является предпочтительным, чтобы сконструированное подобным образом буровое долото имело большую массу на той своей стороне, которая будет смежной гладкой опорной поверхности, чтобы центробежные силы прижимали эту поверхность к стенке буровой скважины. Асимметричное распределение массы во вращающемся теле образует силу, которая может способствовать образованию чистой радиальной неуравновешенной силы.

Буровое долото 34, показанное на фиг. 27 и 28, идентично буровому долоту 1, описанному ранее. Единственным различием является выполнение гладкой опорной поверхности.

Буровое долото 34 содержит корпус 35, находящийся под осевой весовой нагрузкой и имеющий средство для соединения с источником вращательного привода (на чертеже не показан) выполненное в виде базовой части 36, расположенной вокруг продольной оси 37 долота 34. Корпус 35 имеет калибрующую часть 38 и примыкающую к ней рабочую часть 39. На рабочей части 39 и калибрующей части 38 неподвижно закреплены соответственно алмазные режущие элементы 40 и 41 на определенном расстоянии друг от друга и выступающие над поверхностью корпуса 35.

Рабочая и калибрующая части 39, 38 корпуса 35 выполнены с гладкой опорной поверхностью 42, имеющий валик 43, установленный внутри корпуса 35 с возможностью вращения так, чтобы кромка 44 валика 43 располагалась вокруг плоскости силы и простиралась за пределы корпуса 35 бурового долота 34. Возможность вращения валика 43 обеспечивается его установкой с помощью подшипникового блока 45. Внутренний канал 46 для жидкости проходит через центр подшипникового блока 45 для распределения гидравлических жидкостей, например, бурового шлама, вдоль рабочей части 39 известным способом. Подшипниковый блок 45 включает в себя каналы 47, гидравлически сообщенные с каналом 46 для подачи жидкости, например, бурового шлама, для промывки, смазки и охлаждения подшипникового блока 45.

Является предпочтительным, чтобы валик 43 был как можно большим в пределах геометрических ограничений корпуса 35 бурового долота 34, для размещения здесь подшипникового блока 45 наибольшего размера. Является также предпочтительным, чтобы радиус валика 43 составлял как минимум 75% радиуса калибрующей части. Валик 43 может иметь упругое или износостойкое покрытие 48 с выступающего на нем штифтами, расположенными на внешней части покрытия, чтобы они могли контактировать со стенкой буровой скважины и тем самым гарантировать вращение валика 43 в момент вращения самого бурового долота 34.

Бурение коренных пород с помощью вышеописанных долота 1 и долота 34 осуществляется следующим образом.

Буровое долото соединяют с источником вращательного привода, например, с описанными выше источниками, а затем его вращают в буровую скважину. После установки бурового долота 1 в нисходящей скважине, долото 1 первоначально вращается с низкой скоростью вращения, например, 30 об/мин. Затем постепенно увеличивают прикладываемую на долото 1 нагрузку примерно до половины рабочей нагрузки. Постепенно увеличивают скорость вращения долота 1 до рабочей скорости (обычно 120 об/мин) после чего постепенно прикладывают на долото 1 полную рабочую нагрузку. После завершения процесса бурения только что описанная последовательность выполняется в обратном порядке. Было установлено, что именно такая последовательность повышает долговечность и срок службы бурового долота.

После контактирования с дном буровой скважины и начала процесса бурения вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i будет иметь ненулевую величину, а направление вектора будет соответствовать направлению равновесия. Это направление равновесия вектора силы F_i соответствует расположению режущих элементов 12 и 13 на корпусе 2 бурового долота 1. При бурении относительно однородных пород рисунок расположения и конкретная позиция режущих элементов 12 и 13 будут заставлять вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i перемещать гладкую опорную поверхность 20 и вводить ее в непосредственное контактирование со стенкой буровой скважины. По мере вращения бурового долота 1 опорная поверхность 20 будет контактировать с и скользить относительно стенки буровой скважины с относительно низким трением. Поскольку на гладкой опорной поверхности 20 нет режущих элементов или абразивных поверхностей, то корпус 2 бурового долота 1 будет скользить по стенке буровой скважины, а следовательно в данном случае не будет возникать никакого завихрения назад. Буровое долото 1 вращается вокруг по существу неподвижного центра вращения на корпусе 2 бурового долота 1, благодаря чему долото 1 имеет статистическую стабильность.

В случае возникновения нарушающего смещения происходит изменение мгновенного центра вращения бурового долота 1. Режущие элементы 12 и 13 бурового долота 1 устанавливаются так, чтобы изменения в силах, которые происходят в результате нарушающего смещения, возвращали вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i практически в первоначальное направление равновесия. Благодаря этому буровое долото 1 сохраняет динамическую стабильность.

Буровое долото 34 по другому варианту выполнения изобретения можно использовать для бурения следующим образом. Буровое долото 34 соединяют с источником вращательного привода, например, с описанным выше источником, после чего долото 34 вращают и опускают в буровую скважину. После установки долота 34 в нисходящей буровой скважине оно начинает вращаться и опускаться в описанной выше последовательности.

После контактирования с донной частью буровой скважины и начала процесса бурения вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i будет иметь ненулевую величину, а его направление будет соответствовать направлению равновесия. Это направление равновесия вектора силы F_i соответствует описанному выше расположению режущих элементов 40 и 41 на корпусе 35 бурового долота 34. В процессе бурения относительно однородных пород рисунок расположения и конкретное позиционирование режущих элементов 40 и 41 будут заставлять вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i перемещать валик 43 и вводить его в контактирование со стенкой буровой скважины. По мере вращения бурового долота 34 валик 43 будет катиться по стенке буровой скважины с относительно небольшим трением. Поскольку на валике 43 на гладкой опорной поверхности 42 нет режущих элементов или абразивных поверхностей, то корпус 35 бурового долота 34 не зацепляется со стенкой буровой скважины, а следовательно они не являются первопричиной возникновения завихрения назад. Буровое долото 34 вращается по существу вокруг неподвижного центра вращения на корпусе 35 бурового долота 34 и поэтому обеспечивается его статическая стабильность.

При возникновении нарушающего смещения происходит изменение мгновенного центра вращения бурового долота 34. Режущие элементы 40 и 41 бурового долота 34 расположены так, чтобы изменения в силах, которые происходят в результате нарушающего смещения, возвращали вектор чистой радиальной неуравновешенной силы F_i по существу в первоначальное направление равновесия. Благодаря этому буровое долото 34 сохраняет динамическую стабильность.

Формула изобретения

1. Буровое долото для бурения коренных пород, содержащее корпус, находящийся под осевой весовой нагрузкой и имеющий средство для соединения с источником вращательного привода, калибрующую часть и примыкающую к ней рабочую часть с множеством алмазных режущих элементов, неподвижно закрепленных на рабочей и калибрующей частях на определенном расстоянии друг от друга и выступающих над поверхностью корпуса, отличающееся тем, что рабочая и калибрующая части корпуса выполнены с гладкой опорной поверхностью, простирающейся на 20 90% окружности калибрующей части, а множество режущих породу алмазных элементов рабочей части размещены с переменными углами наклона для создания в сторону гладкой опорной поверхности рабочей и калибрующей частей результирующего усилия с удельной нагрузкой, меньшей сопротивления породы на раздавливание, и величиной в пределах 3 40% от осевой весовой нагрузки на долото.

2. Долото по п.1, отличающееся тем, что гладкая опорная поверхность рабочей и калибрующей частей корпуса имеет валик, установленный с возможностью вращения для зацепления со стенкой буровой скважины, при этом радиус валика составляет по меньшей мере 75% от радиуса калибрующей части.

3. Долото по п.1, отличающееся тем, что гладкая опорная поверхность имеет ведущую и хвостовую части, а режущие элементы рабочей части размещены для направления результирующего усилия в положение, соответствующее ведущей части опорной поверхности в процессе бурения.

4. Долото по п.1, отличающееся тем, что режущие элементы нелинейно размещены вдоль радиального размера на рабочей части корпуса.

5. Долото по п.1, отличающееся тем, что режущие элементы неравномерно размещены на рабочей части корпуса.

6. Долото по п.1, отличающееся тем, что гладкая опорная поверхность в поперечном сечении занимает 50 60% окружности калибрующей части корпуса.

7. Долото по п. 6, отличающееся тем, что гладкая опорная поверхность выполнена износостойкой.

8. Долото по пп.6 и 7, отличающееся тем, что опорная поверхность имеет износостойкое покрытие.

9. Долото по п.6 и 7, отличающееся тем, что износостойкое покрытие опорной поверхности выполнено из материала, пропитанного алмазами.

10. Долото по пп. 7 9, отличающееся тем, что гладкая опорная поверхность на калибрующей части корпуса имеет диаметр, меньше диаметра калибрующей части.

11. Долото по пп. 7 9, отличающееся тем, что гладкая опорная поверхность на калибрующей части имеет диаметр, больше диаметра калибрующей части.

12. Долото по п. 7, отличающееся тем, что гладкая опорная поверхность выполнена из материала с плотностью, отличной от плотности материала смежных с опорной поверхностью частей корпуса.

13. Долото по п. 1, отличающееся тем, что гладкая опорная поверхность выполнена из множества разнесенных друг от друга опорных зон.

14. Буровое долото для бурения коренных пород, содержащее корпус, находящийся под осевой весовой нагрузкой и имеющий средство для соединения с источником вращательного привода, калибрующую часть и примыкающую к ней рабочую часть с множеством алмазных режущих элементов, неподвижно закрепленных на рабочей и калибрующей частях на определенном расстоянии друг от друга и выступающих над поверхностью корпуса, отличающееся тем, что на внешней поверхности корпуса выполнена гладкая опорная поверхность, а режущие элементы размещены на рабочей и калибрующей частях корпуса с переменными углами наклона для создания в сторону гладкой опорной поверхности рабочей и калибрующей частей результирующего усилия, величина которого находится в пределах 3 40% от осевой весовой нагрузки на долото, при этом гладкая опорная поверхность занимает в поперечном сечении диапазон 20 50% окружности калибрующей части корпуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28, Рисунок 29, Рисунок 30