Разборное буровое долото

 

Относится к области бурения скважин, в частности к двух и более шарошечным долотам. Буровое долото снабжено устройством, передающим осевую нагрузку на секции долота, запорным устройством, удерживающим секции в корпусе долота. Каждая секция имеет возможность осевого перемещения, а внутренняя поверхность корпуса долота и наружная поверхность секций снабжены соосными кольцевыми канавками для размещения в них запорного устройства. Канавки на секциях долота имеют большую ширину для обеспечения возможности вертикального перемещения секций. Устройство передающее осевую нагрузку на секции долота, содержит пяту, имеющую с одной стороны сферическую форму и сопряженную со сферическим гнездом подпятника, взаимодействующую через сферические опоры с секциями долота в вертикальных плоскостях, проходящих через оси цапф секций долота. Запорное устройство выполнено в виде разрезного кольца, например, прямоугольного сечения. Элементы взаимодействия корпуса долота с его секциями выполнены в виде пазов, соответствующих по форме бобышкам секций. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области бурения скважин, в частности к разборным шарошечным долотам с двумя и более шарошками.

Известна конструкция шарошечных долот, состоящая из сваренных между собой секций (лап), на цапфах которых смонтированы свободно вращающиеся на опорах шарошки с зубьями.

Основным недостатком известной конструкции является преждевременный выход из строя опор шарошек при работоспособном еще их вооружении. Основной причиной выхода из строя опор шарошек является неравномерность нагрузок на шарошки, возникающая при неодинаковой твердости поверхности забоя, а также разновысотности вооружения шарошек и секций, допускаемая ГОСТом при их изготовлении.

Известна так же конструкция разборного бурового долота, содержащего корпус с клиновидными пазами, вмещающими хвостовики, соединенные с лапами и породоразрушающими органами, и втулку, сопряженную с хвостовиками конической поверхностью и соединенную с корпусом, расположенной снаружи корпуса гайкой с центральным каналом и двумя наружными резьбами различного шага.

Однако конструкция данного долота не устраняет разновысотность вооружения шарошек и неравномерность нагрузки на них при неодинаковой твердости поверхности забоя и неровности его поверхности.

Целью предлагаемого изобретения является повышение сроков работоспособности буровых шарошечных долот за счет обеспечения равномерности нагрузок на шарошки долота при бурении скважин.

Указанная цель достигается следующим образом.

Разборное буровое шарошечное долото с двумя и более шарошками, содержащее корпус с элементами взаимодействия с бурильной колонной и секциями долота, секции с цапфами с установленными на них шарошками, втулку, снабжено размещенным в корпусе устройством, передающим осевую нагрузку на секции долота, запорным устройством, удерживающим секции в корпусе долота. Каждая секция имеет возможность осевого возвратно-поступательного перемещения, а внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса долота и ответная ей наружная цилиндрическая поверхность секций снабжены соосными кольцевыми канавками для размещения в них запорного устройства, причем канавки на секциях долота имеют большую ширину для обеспечения возможности осевого перемещения секций, наружная и внутренняя поверхность втулки, размещенной внутри секций, имеет цилиндрическую наружную поверхность.

Устройство, передающее осевую нагрузку на секции долота, содержит пяту, имеющую с одной стороны сферическую форму и сопряженную со сферическим гнездом подпятника и взаимодействующую через сферические опоры с секциями долота, нижние опоры которых установлены в прорезях верхних торцов секций и размещены в вертикальных плоскостях, проходящих через оси цапф секций долота.

Запорное устройство выполнено в виде разрезного кольца, например, прямоугольного сечения.

Элементы взаимодействия корпуса долота с его секциями выполнены в виде пазов, соответствующих по форме бобышками секций.

Устройство долота изображено на фиг. 1, 2, 3.

Долото состоит из корпуса 1 с замковой резьбой для соединения с бурильной колонной в верхней части и пазами на нижнем конце, по форме соответствующим бобышкам на секциях 2 долота. На внутренней цилиндрической поверхности корпуса 1 выполнена кольцевая канавка для размещения в ней запорного устройства 3. В верхней части корпуса 1 размещен подпятник 4, имеющий сферическую поверхность, на который опирается пята 5 с такой же поверхностью, имеющая возможность поворачиваться относительно центра сферы в любом направлении.

Нижняя плоскость этой пяты 5 имеет плоскую форму и размещена в горизонтальной диаметральной плоскости этой сферы. На плоской части пяты 5 равномерно расположены сферические гнезда с юбками 6, имеющими внутренний диаметр больше диаметра сферической опоры.

Внутри корпуса 1 размещены секции 2 долота, на наружной цилиндрической поверхности которых выполнена кольцевая канавка, соосная канавке в корпусе 1, но имеющая большую ширину. В верхних торцах секции 2 долота снабжены прорезями, в дне которых выполнены утопленные сферические гнезда, соосные сферическим гнездам на нижней поверхности пяты 5. Между пятой 5 и секциями 2 установлены сферические опоры 7, сопрягаемые со сферическими гнездами в нижней плоскости пяты 5 и верхних торцах секций 2 долота. Юбки 6 размещены в прорезях верхних торцов секций с зазором, позволяющим поворачиваться пяте 5 относительно центра сферы. Сферические гнезда в пяте и секциях долота для сферических опор 7 имеют глубину меньше радиуса этой сферы для обеспечения безпрепятственного их поворачивания.

Юбка 6 и утопленные сферические гнезда в секциях служат направляющими для сферических опор 7, не допуская их выпадания при отсутствии нагрузки на долото и поворота пяты 5 в плоскости перпендикулярной оси долота.

Оси симметрии сферических гнезд в верхних торцах секций 2 долота размещены в вертикальных плоскостях, проходящих через оси цапф секций 2.

Зазоры между сферическими опорами 7 и внутренними размерами юбок 6 и углублений в верхних торцах секций 2 выполнены такими, чтобы пята 5 имела возможность поворота на допустимый угол.

Секции 2 долота имеют возможность возвратно-поступательного движения в осевом направлении долота. Направляющими для них служат внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса 1, в том числе и ее нижняя часть и наружная цилиндрическая поверхность втулки 8, установленной внутри секций. Внутренняя поверхность втулки так же выполнена цилиндрической. В нижней внутренней части втулки 8 установлена стандартная промывочная насадка 9. От проворота секций 2 в корпусе 1 удерживают пазы на его нижнем конце, сопряженные с бобышками секций 2 долота.

Расстояние от оси долота до осей сферических гнезд в торцах секций 2 выполнено большим среднего радиуса контакта сферической пяты 5 с подпятником 4.

Верхнее и нижнее положения секций 2 долота ограничивается упором боковых поверхностей их кольцевых канавок в запорное устройство.

Предлагаемое долото работает следующим образом. В собранном виде долото замковой резьбой выполненной в верхней части корпуса 1 свинчивается с утяжеленными бурильными трубами бурильной колонны. Производят спуск его на забой как и при работе с обычным долотом. Приводят во вращение колонну бурильных труб с долотом. Крутящий момент от бурильной колонны к долоту передается через замковую резьбу в верхней части корпуса 1 и пазы в его нижней части, в которых размещены бобышки секций 2 долота. При касании забоя шарошками секции 2 перемещаются в корпусе 1 к его верхней части вместе со сферическими опорами 7 и пятой 5.

Пята 5 своей сферической поверхностью установится на ответную поверхность подпятника 4. Нагрузка от веса бурильной колонны через пяту 5, сферические опоры 7, секции 2 будет передаваться на шарошки долота, которые начнут перекатываться по забою при вращении долота.

Если поверхность забоя ровная, имеет одинаковую твердость, перпендикулярна оси долота, вооружение шарошек не имеет разновысотности, а одна из секций 2 долота имеет большую высоту в сравнении с другими, то после достижения забоя вращающимся долотом и создания необходимой осевой нагрузки на него сила реакции забоя на более высокую секцию будет больше, чем на низкие. Под действием силы реакции забоя высокая секция поднимется и через сферические опоры 7 повернет пяту 5 относительно центра ее сферы. Пята 5 нажимая на другие сферические опоры 7 опустит взаимодействующие с ними секции 2. Подъем высокой секции и опускание низких секций будет происходить до тех пор пока силы реакции забоя на каждую шарошку не будет равными. Таким образом, устраняется разновысотность секций и неравномерность осевой нагрузки на шарошки. С учетом сил трения в пяте 5, сферических опорах 7 осевая нагрузка на высокую секцию будет больше на 10 - 15%, чем на низкие.

Когда поверхность забоя неровная, имеет неодинаковую твердость, наклонена к оси долота, вооружение шарошек и секции долота имеют разновысотность работает долото точно также как, если бы была только разновысотность секций. Всегда большая сила реакции забоя будет приложена к более высокой секции относительно поверхности забоя и поднимать ее, а она через сферическую опору 7 поворачивать пяту 5 относительно центра ее сферы, а пята 5, нажимая на другие сферические опоры 7 опускать взаимодействующие с ними секции 2 до тех пор пока силы реакции забоя на каждую шарошку не будут равны.

При вращении долота в зависимости от профиля поверхности забоя секции 2 долота будут опускаться и подниматься, а пята 5 совершать качение относительно центра своей сферы в различных направлениях.

Так как на высокую секцию действует осевая нагрузка на 10 - 15% больше, чем на низкие, то повышенные места поверхности забоя будут разбуриваться интенсивнее, а поверхность забоя выравниваться.

Равномерное распределение осевой нагрузки на секции долота позволяет увеличить время работы долота на забое, механическую скорость бурения, так как эффективное разрушение породы будет осуществляться всеми шарошками долота. Подвижность секций 2 долота и качение пяты 5 уменьшает колебание низа бурильной колонны и снижает динамические нагрузки на долото.

Качество ствола при проводке скважин зависит от геологических, технических и технологических факторов.

К геологическим причинам относятся искривления, вызванные условиями залегания горных пород, направлением пластов, доминирующим направлением трещин, пересечением пластов различной твердости. В большинстве случаев ось скважины стремится занять положение, перпендикулярное к напластованию пород. При малом угле встречи скважиной пластов пород ось ее может принять направление падения пластов.

Технические причины искривления обусловлены, в основном, некачественным монтажом и состоянием бурового оборудования.

Технологические причины искривления зависят от качества компоновки бурильной колонны, качества промывки, величины осевой нагрузки, частоты вращения долота.

Качество ствола скважины и надежность работы бурового инструмента в значительной степени зависят от его стабилизации.

Стабилизация бурового инструмента обеспечивается оптимальной компоновкой бурильной колонны (применением в компановке центраторов, амортизаторов, калибраторов, расширителей, УБТ и т.д.), качеством промывки, величиной осевой нагрузки и частотой вращения. Отсутствие стабилизации приводит к колебаниям (вибрации) низа бурильной колонны. Появляются динамические нагрузки, приводящие к появлению неровностей поверхности забоя (уступообразование, желобообразование и др.), достигающих десятка и более миллиметров. Амплитуда колебаний низа бурильной колонны может достигать до 100 мм.

Геологические причины искривления ствола скважины и колебания низа бурильной колонны можно устранить полностью или частично за счет применения нестандартного долота, обеспечивающего заданное положение текущего забоя и стабилизацию бурового инструмента.

При этом в породах, перемежающихся по твердости, и в полого падающих пластах искривление скважины и колебание низа бурильной колонны можно устранить полностью, а в крутопадающих пластах - значительно снизить их.

Для достижения такого результата в процессе бурения буровое долото должно обеспечивать равномерное распределение осевой нагрузки на его шарошки. При этом распределение этой нагрузки должно происходить независимо от разновысотности лап шарошек и их вооружения, а также от твердости отдельных участков поверхности забоя. Для этого необходимо, чтобы лапы долота имели возможность перемещаться в осевом направлении и передавать осевую нагрузку на шарошки.

Предлагаемая конструкция долота выполнена таким образом, что обеспечивает равномерность распределения веса бурильной колонны на секции долота при неровности забоя в пределах 20 мм и углах падения в пределах до 15^o, при этом низ бурильной колонны при вращении долота не перемещается в осевом направлении, а секции долота, поднимаясь и опускаясь, описывают профиль забоя. В связи с действием сил трения в сферических опорах долота на более высокую шарошку всегда будет действовать часть веса бурильной колонны, примерно, на 10% превосходящая нагрузку на другие шарошки. В связи с тем, что за один оборот долота каждая из шарошек будет проходить стадию более высокой, износ всех шарошек будет равномерным. Несколько повышенная нагрузка на высокую шарошку долота вызовет более интенсивное разрушение выступающей неровности забоя и выравнивание поверхности забоя.

Рассмотрим механизм прохождения долота предлагаемой конструкции при бурении пластов различной твердости, а так же перехода границ пластов различной твердости и их наклон.

При бурении стандартными долотами ствол любой скважины при встрече под углом γ > γ_кр. контакта мягких пород с более твердыми в результате более интенсивного разбуривания части забоя, представленного мягкими породами, искривляется в сторону нормами к плоскости контакта, т.е. в сторону твердой породы. При встрече долота с контактом твердой породы с более мягкой ствол скважины отклоняется в сторону от нормали. Угол γ_кр. зависит от вида породоразрушающего инструмента, твердости пород, осевой нагрузки, силы трения породоразрушающего инструмента о породу и находится в пределах 10 - 15^o. Практика буровых работ показывает, что породоразрушающий инструмент очень редко скользит по пласту при γ_кр.= 15°.

При работе долотом предлагаемой конструкции при встрече контакта мягких пород с более твердыми под углом γ > 75° искривления ствола скважины не произойдет, ибо поверхность забоя вначале наклонится в сторону падения поверхности контакта пород, а затем, пройдя поверхность контакта пластов, примет положение, перпендикулярное оси долота. Ось долота при этом не отклонится от оси скважины.

При встрече стволом скважины контакта мягких пород с более твердыми под углом γ_кр < γ < 75° искривление ствола произойдет в сторону нормали к плоскости контакта, но значительно в меньшей степени, чем при бурении стандартными долотами.

При встрече контакта твердых пород с более мягкими со стволом скважины под углом γ > 75° искривления ствола не произойдет, ибо поверхность забоя вначале наклонится в сторону, противоположную падению поверхности контакта пород, а затем, пройдя поверхность контакта, примет положение, перпендикулярное оси долота. Ось долота при этом так же не отклонится от оси скважины.

При встрече контакта твердых пород с более мягкими под углом γ_кр < γ < 75° искривление ствола скважины произойдет в сторону от нормали, но менее значительно, чем при бурении стандартным долотом.

Уменьшение искривления ствола скважины при бурении предложенным долотом объясняется тем, что поверхность забоя при бурении может поворачиваться на ±15° при сохранении заданного направления.

За время поворота поверхности забоя, которое зависит от твердости пород, поверхность контакта будет разбурена полностью при пологом падении пластов и разбурена в значительной степени при крутом падении пластов.

Следовательно, долото предложенной конструкции устраняет искривление ствола скважины при перемежающихся по твердости породах с пологим падением пластов, и в значительной степени снижает искривление ствола скважины с крутым падением пластов.

Таким образом, применение бурового долота предлагаемой конструкции повышает ресурсы его работы на забое скважины, позволяет повысить механическую скорость бурения, повышает проходку на одно долото, позволяет исключить или в значительной степени снизить искривление ствола скважины в процессе разбуривания перемежающихся пород различной твердости.

Формула изобретения

1. Разборное буровое долото, содержащее корпус с элементами взаимодействия с бурильной колонной и секциями долота, секции с цапфами с установленными на них шарошками, втулку, отличающееся тем, что в корпусе размещены устройство, передающее осевую нагрузку на секции долота, запорное устройство, удерживающее секции в корпусе, причем каждая секция имеет возможность осевого перемещения, а внутренняя цилиндрическая поверхность корпуса и ответная ей наружная цилиндрическая поверхность секций снабжены соосными кольцевыми канавками для размещения в них запорного устройства, причем канавки на секциях долота имеют большую ширину для обеспечения возможности осевого перемещения секций, а втулка размещена внутри секций и имеет цилиндрическую наружную поверхность.

2. Долото по п.1, отличающееся тем, что устройство, передающее осевую нагрузку на секции долота, содержит пяту, имеющую с одной стороны сферическую форму и сопряженную со сферическим гнездом подпятника, взаимодействующую через сферические опоры с секциями долота в вертикальных плоскостях, проходящих через оси цапф секций долота.

3. Долото по пп.1 и 2, отличающееся тем, что запорное устройство выполнено в виде разрезного кольца, например, прямоугольного сечения.

4. Долото по пп.1 - 3, отличающееся тем, что элементы взаимодействия корпуса с секциями долота выполнены в виде пазов, соответствующих по форме бобышкам секций.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3