Долото для бурения скважин со сменными породоразрушающими секциями

 

Изобретение относится к бурению и формированию глубоких скважин большого диаметра в компоновках долотных буров со смежными породоразрушающими секциями. В долоте для бурения скважин со сменными породоразрушающими секциями имеется корпус 1. На корпусе закреплены породоразрушающие секции 2 посредством стопорных и крепежных узлов. Секции 2 имеют хвостовики с конической резьбой 3. Стопорный узел представляет собой ступень 4 с граненой наружной поверхностью на хвостовике, размещенной в граненом отверстии в корпусе 1. Гайка 6 крепежного узла имеет граненый хвостовик 7. Резьба 8 гайки 6 коническая. В промывочных каналах на корпусе 1 имеются насадкодержатели, которые имеют возможность установочных поворотов и демонтажа. В насадкодержателях могут быть установлены по одной или несколько насадок. Насадки могут быть установлены как по нормали к поверхности забоя, так и под углом к оси долота и с возможностью демонтажа. Технический результат от использования изобретения - более простая и надежная конструкция стопорного узла и более жесткая и точная фиксация породоразрушающей секции по отношению к оси долота. 7 ил.

Изобретение относится к бурению и формированию глубоких скважин большого диаметра и может быть использовано в компоновках долотных буров и долот со сменными породообразующими секциями.

Известно долото для бурения скважин со сменной породоразрушающей секцией, содержащее корпус с периферийными породоразрушающими элементами и с соосно закрепленной опережающей сменной породоразрушающей секцией [1].

Недостатками известного устройства являются невозможность замены периферийных породообразующих элементов при их износе и большие затраты времени на демонтаж сменной секции, что снижает эффективность работы долота.

Известно долото для бурения скважин со сменными породоразрушающими секциями, содержащее корпус, закрепленные на корпусе породоразрушающие секции, посредством стопорных узлов и крепежных узлов в виде резьбовых хвостовиков секции и гаек с внутренней резьбой [2].

Недостатками известного устройства являются длительное время демонтажа секции, связанное со свинчиванием гаек по всей длине крепежной резьбы, сложность изготовления и ненадежность стопорных узлов, промывочный узел не обеспечивает удаление шлама с забоя скважины и устранение сальникообразования при бурении породы с различными физико-механическими свойствами, поскольку стационарное расположение насадок не позволяет направлять промывочные струи при необходимости в различные зоны скопления шлама и на породообразующие элементы.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности работы долота и его долговечности за счет сокращения времени на демонтаж породоразрушающих секций, надежности стопорного узла, лучшего удаления шлама с забоя скважины и формирования стенок скважины.

В долоте для бурения скважин со сменными продоразрушающими секциями, содержащем корпус, закрепленные на корпусе породоразрушающие секции с резьбовыми хвостовиками посредством стопорных узлов и крепежных узлов, имеющих гайки и промывочный узел в виде промывочных каналов с насадками, для решения технической задачи резьба на хвостовиках породоразрушающих секций выполнена конической, каждый стопорный узел выполнен в виде ступени, расположенной на хвостовике под резьбовой частью, с граненой наружной поверхностью, и размещенной в выполненном в корпусе граненом отверстии с возможностью взаимодействия граней между собой, каждая гайка крепежного узла выполнена с граненым хвостовиком по наружной поверхности, расположенным над верхним торцом гайки, резьба которой выполнена конической, а промывочный узел снабжен установленными в промывочных каналах насадкодержателями, в которых закреплены по одной или несколько насадок, причем насадки могут быть размещены под различными углами к оси долота, а насадкодержатели закреплены с возможностью установочных поворотов вокруг своих осей и возможностью демонтажа.

Техническим результатом решаемой технической задачи является более простая и надежная конструкция стопорного узла, а размещение граненой поверхности ступени в граненом отверстии корпуса дает более жесткую и точную фиксацию породоразрушающей секции по отношению к оси долота.

Техническим результатом также является быстро демонтируемый крепежный узел с простой и надежной конструкцией, поскольку коническая резьба позволяет за несколько оборотов гайки открепить секцию для дальнейшей замены ее на новую секцию, а кроме того, коническая резьба исключает срыв ниток резьбы.

Техническим результатом также является более полное удаление шлама с забоя скважины и из застойных зон и устранение сальникообразования за счет того, что насадки могут быть повернуты в любом направлении и их количество в насадкодержателе может быть различным в зависимости от условий бурения и свойств породы.

Также техническим результатом является усовершенствование промывочного узла, который работает в автономном режиме. Это дает возможность замены породоразрушающей секции в случае ее износа без демонтажа промывочного узла, упрощается также конструкция самой секции и удешевляется ее изготовление. Так как породоразрушающие секции изнашиваются прежде других частей бура и являются наиболее трудоемкими, то упрощение конструкции дает большой экономический эффект.

На фиг. 1 показано долото для бурения скважин со сменными породоразрушающими секциями; на фиг. 2 - разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б фиг. 1; на фиг. 4 - схема расположения насадкодержателей с насадками, обеспечивающих направление тангенциальных струй бурового раствора к центру скважины; на фиг. 5 - схема расположения насадкодержателей с насадками, обеспечивающих направление тангенциальных струй бурового раствора к стенкам скважины; на фиг. 6 - схема расположения насадкодержателей с насадками, обеспечивающих направление тангенциальных струй бурового раствора в одну сторону; на фиг. 7 - схема расположения пятен контактов тангенциально искривленных струй бурового раствора под набегающую часть шарошек.

Долото для бурения скважин со сменными породоразрушающими секциями содержит корпус 1. В корпусе 1 закреплены породоразрушающие секции 2 посредством стопорных и крепежных узлов. Секции 2 имеют хвостовики с конической резьбой 3. Стопорный узел представляет собой ступень 4 с граненой наружной поверхностью, расположенной под резьбой 3 и размещенной в выполненном в корпусе 1 граненом отверстии 5. Грани ступени и отверстия взаимодействуют между собой. Гайка 6 крепежного узла выполнена с граненым хвостовиком 7. Резьба 8 гайки 6 выполнена конической. Хвостовик 7 расположен над верхним торцом гайки 6.

В промывочном узле имеются насадкодержатели 9, которые установлены в промывочных каналах 10 корпуса 1 с возможностью установочных поворотов и демонтажа. В насадкодержателях 9 могут быть закреплены по одной или несколько насадок 11. Насадки 11 могут быть установлены как по нормали к забою скважины, так и под различными углами к оси 12 долота и возможностью демонтажа.

Долото работает следующим образом. Перед спуском долота в скважину насадкодержатели 9 оснащают необходимым количеством насадок 10. Поскольку насадкодержатели 9 имеют возможность установочных поворотов, то они могут быть установлены в любое положение. За счет того, что насадки 11 съемные, возможны различные сочетания насадок 11 по диаметру их выходных отверстий. При этом в зависимости от свойств разбуриваемой породы насадки 11 могут быть расположены по нормали к поверхности забоя или по нормали и под углом к оси долота, или только под углом к оси долота. Причем углы наклона насадок 11 к оси долота 12 могут быть различными, а их выходные отверстия за счет поворота насадкодержателей 9 могут быть направлены в разные стороны.

При работе долота буровой раствор направляется по промывочным каналам 10, далее через насадкодержатели 9 и насадки 11 на забой скважины. При этом буровой раствор, истекающий из насадок 11, расположенных по нормали к поверхности забоя, будет производить разрушение породы своим гидродинамическим воздействием.

Поскольку частицы породы прижаты к поверхности забоя перепадом давления между поровым и гидростатическим, то для их отделения от забоя в этом месте величина гидродинамического давления струй бурового раствора должна превосходить величину гидростатического давления ствола этого раствора. На практике эти обе величины давления часто превалируют друг над другом, поэтому иногда частицы породы будут с некоторой задержкой отделяться от забоя и перемещаться в восходящий поток.

Истечение бурового раствора из наклонных насадок 11 способствует более эффективному смыву разрушенных частиц породы, поскольку в тангенциально направленной струе гидродинамическое давление превосходит гидростатическое по своей величине. При этом если тангенциально исходящие струи из наклонных насадок 11 направлены от центра скважины к ее стенкам, то это способствует более эффективному удалению шлама с забоя скважины, так как увеличивает скоростной напор восходящей шламовой струи по затрубному пространству.

Если тангенциально исходящие струи направлены к центру скважины, то это способствует эффективному удалению шлама из центральной застойной зоны. Это имеет место в некоторых конструкциях трехшарошечных долот с боковой промывкой.

Если тангенциально исходящие струи одних насадок 11 направлены к центру забоя, а других - к стенке скважины, то это будет способствовать эффективному разрушению и удалению породы, например сыпучих и некоторых других пород.

В насадкодержателях могут быть закреплены насадки, дающие различные сочетания диаметров выходных отверстий. Это дает возможность перераспределения мощности различных потоков на забое с учетом конкретных условий бурения.

Насадкодержатели 9 в промывочных каналах 10 могут быть установлены с различным приближением насадок 11 к забою скважины. В результате буровой раствор может размывать самые верхние застойные зоны. Насадки 11 могут быть приближены к забою на расстояние, определяемое конкретными условиями бурения.

Тангенциально исходящие струи бурового раствора из наклонных насадок 11 могут быть направлены на шарошки в случае бурения пород, создающих повышенное сальникообразование на шарошках. Поток бурового раствора размывает сальник и обнажает породоразрушающие элементы шарошек.

Тангенциально исходящие струи могут быть направлены под набегающую часть шарошек (фиг. 7), на некотором расстоянии от них, для уменьшения эрозии шарошек. В этом случае облегчается работа породоразрушающих элементов шарошек, поскольку гидродинамическое воздействие струи на породу обеспечивает более эффективное воздействие породоразрушающих элементов на породу за счет своевременного удаления шлама. На фиг. 7 схематично показана шарошка 13 породоразрушающей секции 2, пятно контакта 14 шарошки 13 с забоем, пятно контакта 15 тангенциально исходящей струи бурового раствора на забое скважины под набегающую часть шарошки 13 с забоем, пятно контакта 16 нормально исходящей струи бурового раствора на забое скважины.

Предлагаемый промывочный узел, таким образом, имеет ряд преимуществ перед существующими конструкциями: степень приближения насадок к забою может быть любая; количество насадок может быть любое; есть условия для настройки насадкодержателей к дифференцированной обработке различных зон забоя как нормальными, так и тангенциальными потоками; промывочный узел автономен - не связан с породоразрушающими секциями. Это позволяет упростить конструкцию секции и удешевить ее изготовление.

После износа породоразрушающей секции производится ее замена. Гайка 6 за хвостовик 7 свинчивается с резьбового хвостовика 3 секции 2. Хвостовик 7 может иметь любое количество граней, начиная от минимума - двух граней. При этом за счет конической резьбы крепежный узел освобождает секцию за несколько оборотов гайки 6. Такая конструкция крепежного узла сокращает время на демонтаже секции 2, тем самым повышается эффективность работы долота. Причем заменена может быть только одна секция, самая изношенная, при еще возможной работоспособности других секций. Компактная конструкция долота позволяет крепить гайку 6 на хвостовике 3 только за хвостовик 7.

Снижает время на демонтаже секции 2 простая конструкция стопорного узла. Размещение граненой ступени 4 в граненом отверстии 5 корпуса 1 повышает жесткость крепления и точность сборки. При этом количество граней может быть различным, начиная от минимального - двух граней. Причем в случае использования трех граней уменьшается прочность ступени. При увеличении количества граней, например восемь и более, граненая поверхность приближается к окружности. В результате уменьшается заклинивающий момент стопорного устройства и может возникнуть угроза прокручивания секции вокруг своей оси, когда момент кручения, возникающий вокруг оси секции от работы долота, по своей величине превзойдет заклинивающий момент. Оптимальным можно принять две, четыре и шесть граней.

Формула изобретения

Долото для бурения скважин со сменными породоразрушающими секциями, содержащее корпус, закрепленные на корпусе породоразрушающие секции с резьбовыми хвостовиками посредством стопорных узлов и крепежных узлов, имеющих гайки и промывочный узел в виде промывочных каналов с насадками, отличающееся тем, что резьба на хвостовиках породоразрушающих секций выполнена конической, каждый стопорный узел выполнен в виде ступени, расположенной на хвостовике под резьбовой частью, с граненой наружной поверхностью и размещенной в выполненном в корпусе граненом отверстии с возможностью взаимодействия граней между собой, каждая гайка крепежного узла выполнена с граненым хвостовиком по наружной поверхности, расположенным над верхним торцом гайки, резьба которой выполнена конической, а промывочный узел снабжен установленными в промывочных каналах насадкодержателями, в которых закреплены по одной или несколько насадок, причем насадки могут быть размещены как по нормали и поверхности забоя, так и под различными углами к оси долота и возможностью демонтажа, а насадкодержатели закреплены с возможностью установочных поворотов вокруг своих осей и возможностью демонтажа, при этом промывочные каналы расположены в корпусе долота между породоразрушающими секциями.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7