Буровой инструмент

Изобретение относится к области бурения вращательным способом анизотропных горных пород. Буровой инструмент включает корпус с резьбой и внутренним промывочным каналом, а также матрицу, контактирующую своей внутренней поверхностью с цапфой и имеющую наружную торцевую сферическую поверхность, оснащенную породоразрушающими элементами. Цапфа в корпусе установлена коаксиально. Наружная торцевая сферическая поверхность матрицы с породоразрушающими элементами выполнена диаметром, равным наружному диаметру бурового инструмента, а внутренняя поверхность матрицы и наружная поверхность цапфы выполнены сферическими, центры которых совпадают с центром наружной торцевой сферической поверхности матрицы. Между внутренней поверхностью матрицы и сферической цапфой в углублениях контактных поверхностей установлены шарики. Углубления для размещения шариков, выполненные в матрице, удлинены в вертикальных направлениях от центра шарика на расстояния L=(R+r)tgΨ, где R - радиус сферической наружной поверхности цапфы, м; r - радиус шарика, м; Ψ - максимально возможный угол поворота матрицы в вертикальной плоскости, градус. Обеспечивается устранение действия опрокидывающего момента со стороны разрушаемых при бурении анизотропных горных пород, что в результате обеспечивает снижение искривления скважин. Повышается надежность работы. 6 ил.

 

Изобретение относится к области бурения вращательным способом анизотропных горных пород.

Необходимость данного технического решения определяется тем, что при бурении анизотропных горных пород происходит самопроизвольное искривление скважин вследствие того, что процесс разрушения характеризуется неравномерностью. Вследствие этого на торец бурового инструмента оказывает действие опрокидывающий момент, который вызывает некоторый перекос бурового инструмента, изгиб вышерасположенного участка бурильной колонны и искривление скважины в направлении перекоса инструмента (см., например, Нескоромных В.В. Механика разрушения анизотропных горных пород при бурении скважин заданного направления. М., Обзор АОЗТ “Геоинформмарк”, 1997 г. - 56 с.).

Опрокидывающий момент возникает при бурении в зоне контакта инструмента с анизотропной горной породой вследствие неравенства реакций со стороны породы в направлении торца бурового инструмента.

Одним из направлений разработки технических средств для снижения естественного искривления скважин является создание специальных буровых инструментов. К таким инструментам относятся буровые коронки согласно а.с. СССР №1615306, 1620590, 1657594, патенту РФ №2167261.

Однако, известные технические решения не обеспечивают решения задачи по устранению действия опрокидывающего момента на буровой снаряд, что не позволяет устранить искривления скважин.

В практике буровых работ широко используются различные конструкции шарошечных долот (см. Масленников И.К., Матвеев Г.И. Инструмент для бурения скважин. Справочное пособие. - М.: Недра, 1981 г.). Особенностью этих буровых инструментов является наличие вращающихся шарошек, оснащенных породоразрушающими элементами. Подвижность шарошек обеспечивает некоторое устранение негативного действия опрокидывающего момента (М_оп) на долото и бурильную колонну и, как следствие, на искривление скважины, но данное влияние незначительно и не решает задачи предотвращения искривления скважин при бурении анизотропных горных пород. Например, если действие опрокидывающего момента совпадает с направлением вращения отдельной шарошки, то в данном случае М_оп оказывает самое незначительное влияние на шарошку в плане ее перекоса. Если же М_оп действует вдоль оси вращения шарошки (при повороте долота вокруг своей продольной оси на некоторый угол), то это действие максимальное. Учитывая, что шарошечные долота могут быть с различным количеством шарошек - 4, 3, 2 и 1, очевидно, что чем меньшее число шарошек у долота, тем в меньшей степени происходит колебание величины М_оп и меньший по величине суммарный М_оп воздействует на долото и бурильную колонну.

Поэтому ближе всего по эффективности, с точки зрения устранения действия М_оп, к предлагаемому техническому решению является одношарошечное долото.

Исследования влияния М_оп на шарошечное долото сделано в работе Нескоромных В.В. Механика разрушения анизотропных горных пород при бурении скважин заданного направления. М., Обзор АОЗТ “Геоинформмарк”, 1997 г., стр.33. рис.12.

За прототип принято одношарошечное долото (см. Масленников И.К., Матвеев Г.И. Инструмент для бурения скважин. Справочное пособие. - М.: Недра, 1981 г., стр.22, рис.6). Прототип содержит корпус с резьбой и внутренним промывочным каналом, а также матрицу (шарошку) в форме сферы с породоразрушающими элементами, размещенными на ее наружной поверхности. Матрица выполнена в виде сферы диаметром меньшим, чем наружный диаметр долота, который определяет диаметр формируемого при бурении ствола скважины. Породоразрушающая матрица установлена на цапфе, оснащенной шарикоподшипниками, что позволяет матрице вращаться вокруг цапфы. Цапфа при этом установлена под углом 20-30 градусов к продольной оси долота, что исключает поворот сферической матрицы в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Недостатком прототипа является то, что он не исключает действия на буровой инструмент при бурении анизотропных горных пород опрокидывающего момента, вызванного неравными по величине вертикальными реакциями породы на внедрение в нее породоразрушающих элементов. В результате происходит перекос бурового инструмента, изгиб бурильной колонны над ним и искривление скважины.

Изобретение направлено на снижение искривления скважин, буримых в анизотропных горных породах, за счет устранения действия опрокидывающего момента, вызванного неравенством вертикальных реакций забоя на внедряемые в породу породоразрушающие элементы.

Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом инструменте, содержащем корпус с резьбой и внутренним промывочным каналом, а также матрицу, контактирующую своей внутренней поверхностью с цапфой и имеющую наружную торцевую сферическую поверхность, оснащенную породоразрушающими элементами, цапфа в корпусе установлена коаксиально, наружная торцевая сферическая поверхность матрицы с породоразрушающими элементами выполнена диаметром, равным наружному диаметру бурового инструмента. При этом внутренняя поверхность матрицы и наружная поверхность цапфы выполнены сферическими, центры которых совпадают с центром наружной торцевой сферической поверхности матрицы. Для соединения матрицы и цапфы между внутренней поверхностью матрицы и сферической цапфой в углублениях контактных поверхностей установлены шарики, при этом углубления для размещения шариков, выполненные в матрице, удлинены в вертикальных направлениях от центра шарика на расстояние

L=(R+r)tgΨ,

где R - радиус сферической наружной поверхности цапфы, м; r - радиус шарика, м; Ψ - максимально возможный угол поворота матрицы в вертикальной плоскости, градус.

Отличительные признаки обеспечивают подвижность соединения матрицы с цапфой и возможность поворота матрицы в любой вертикальной плоскости на некоторый угол Ψ, в то же время исключена возможность вращения матрицы вокруг оси цапфы.

Все приведенные существенные, в том числе и отличительные признаки в указанной совокупности не обнаружены в известных технических решениях, что предполагает соответствие заявляемого бурового инструмента критериям новизны и соответственно изобретательского уровня. Последнее подтверждается тем, что реализуется новая функция - устранение действия опрокидывающего момента на корпус бурового инструмента при бурении анизотропной горной породы, что в свою очередь обеспечивает снижение искривления скважин.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 показан предлагаемый буровой инструмент в виде долота;

на фиг.2 показано сечение А-А на фиг.1;

на фиг.3 показан предлагаемый буровой инструмент в виде коронки;

на фиг.4 показано сечение Б-Б на фиг.3;

на фиг.5 показана схема, поясняющая работу бурового инструмента при бурении анизотропной породы;

на фиг.6 показана схема для расчета размеров углубления во внутренней поверхности матрицы под шарик.

Предлагаемый буровой инструмент включает корпус 1 с резьбой 2 и внутренним промывочным каналом 3. С корпусом 1, посредством сферической цапфы 4, соединена матрица 5, выполненная сферической. При этом центры сфер цапфы 4 и матрицы 5 совпадают (точка О). На наружной торцевой сферической поверхности матрицы 5 размещены породоразрушающие элементы 6. Между корпусом 1 и матрицей 5 имеется упругое защитное уплотнение 7. Для передачи крутящего момента от корпуса 1 к матрице 5 в соответствующих углублениях во внутренней поверхности матрицы 5 и наружной поверхности цапфы установлены шарики 8. Шарики 8 установлены в углублениях 9 и 10, выполненных на уровне осевой линии, проходящей через центр сферических поверхностей цапфы 4 и матрицы 5. Цапфа 4, матрица 5, шарики 8 и углубления 9 и 10 соответственно в матрице 5 и цапфе 4 образуют шарнирное соединение матрицы 5 с корпусом инструмента 1, которое обеспечивает передачу крутящего момента на матрицу 5 и возможность ее поворота в вертикальной плоскости.

Возможность поворота матрицы 5 в вертикальной плоскости обеспечивается за счет формы и размеров углублений 9. Углубления 9 для размещения шариков в матрице 5 удлинены в вертикальных направлениях от центра шарика на расстояния

L=(R+r)tgΨ,

где R - радиус сферической наружной поверхности цапфы 4, равный радиусу внутренней сферической поверхности матрицы 5; r - радиус шарика 8, располагаемого в углублениях 9 и 10 между матрицей 5 и цапфой 4; Ψ - максимально возможный угол поворота матрицы 5 в вертикальной плоскости, градус.

В то же время углубления 9 во внутренней поверхности матрицы 5 выполнены строго равными по ширине диаметру шариков 8, что обеспечивает фиксацию матрицы 5 относительно цапфы 4 в горизонтальной плоскости и исключает проворот матрицы 5 относительно цапфы 4. Углубление 10 по размеру строго соответствует размеру установленного в него шарика 8.

Внутренний промывочный канал 3 имеет продолжение в цапфе 4 и матрице 5 с выходом под торец бурового инструмента.

Аналогичную конструкцию имеют как долото для бурения без отбора керна (фиг.1 и 2), так и буровая коронка (фиг.3 и 4). Последняя имеет уширенный канал 3, который наряду с подачей очистного агента пропускает керн горной породы, формируемый при бурении.

Как один из вариантов исполнения бурового инструмента, возможно выполнение углублений для размещения шариков 8 в цапфе 4. При этом углубления должны быть удлинены в вертикальном направлении от центра шарика на расстояния

L=(R-r)tgΨ,

где R - радиус сферической наружной поверхности цапфы, м; r - радиус шарика, м; Ψ - максимально возможный угол поворота матрицы в вертикальной плоскости, градус.

Предложенный буровой инструмент работает следующим образом.

При бурении анизотропной горной породы, залегающей слоями под углом к оси бурового инструмента, породоразрушающие элементы 6 матрицы 5 под действием осевой нагрузки внедряются в породу (фиг.5) и формируют зону деформации и разрушения. Вследствие того, что твердость, упругость и пластические свойства горной породы различны относительно направления слоистости или сланцеватости (см. работу Нескоромных В.В. Механика разрушения анизотропных горных пород при бурении скважин заданного направления. М., Обзор АОЗТ “Геоинформмарк”, 1997 г., стр.16-33, рис.4, 6, 7, 9, 10), под породоразрушающим элементом 6 область деформации получает асимметричную форму, а на сам породоразрушающий элемент 6 оказывают воздействие на равные по величине вертикальные реакции породы, которые определяют значение единичного опрокидывающего момента М_оп. Неравенство же вертикальных реакций породы определяется именно анизотропией упругих, пластических и других свойств горной породы. Сумма единичных опрокидывающих моментов, действующих на каждый из контактирующих с породой породоразрушающих элементов - М_оп, определяет величину суммарного опрокидывающего момента М_оп, воздействующего на торцевую часть бурового инструмента.

При работе прототипа, у которого торцевая породоразрушающая часть не имеет возможности вертикального поворота, действие суммарного опрокидывающего момента М_оп приводит к перекосу бурового инструмента и изгибу вышерасположенной бурильной колонны, что обеспечивает искривление ствола скважины.

При работе предлагаемого бурового инструмента М_оп вызывает поворот матрицы 5 на угол Ψ, который по оценкам экспериментальных и аналитических работ (см. Нескоромных В.В. Механика разрушения анизотропных горных пород при бурении скважин заданного направления. М., АОЗТ “Геоинформмарк”, 1997 г., стр.52, графики на рис.20) составляет величину в пределах 0,3-1 градус. При этом, поскольку матрица 5 бурового инструмента выполнена сферической, ее поворот не вызывает передачи опрокидывающего момента на расположенную выше бурильную колонну, а сам буровой инструмент не получает перекоса. Ориентированный в направлении возможного искривления перекос бурового инструмента в данном случае невозможен вследствие того, что поворот матрицы 5 в вертикальной плоскости происходит постоянно по мере вращения бурового инструмента на забое. Упругое уплотнение 7 обеспечивает герметизацию шарнирного соединения матрицы 5 и цапфы 4 и упругое возвратное действие на матрицу 5 при ее повороте в вертикальной плоскости.

Форма матрицы 5 при диаметре, равном наружному диаметру бурового инструмента, обеспечивает при повороте на угол Ψ важнейшее качество, связанное с влиянием бурового инструмента на искривление скважин, которое состоит в том, что не происходит давления на стенку скважины с отклоняющим усилием, равным Р·Ψ, где Р - осевое усилие на буровой инструмент, даН. В данном случае при повороте сферической матрицы 5 она строго вписывается в размеры призабойного участка ствола скважины, что устраняет давление матрицы на стенку скважины и фрезерование стенки скважины боковым вооружением инструмента, а следовательно, и искривление ствола скважины.

Передача крутящего момента от корпуса 1 к матрице 5 происходит за счет наличия в шарнирном соединении шариков 8, размещенных с совпадением своих осей с центрами сферической поверхности матрицы 5 и цапфы 4 (точка О). Поворот в вертикальной плоскости матрицы 5 становится возможным за счет шарнирного соединения матрицы 5 и цапфы 4, а также формы исполнения углублений 9, которые выполнены симметрично вытянутыми в направлениях от осевой линии на расстояния L (фиг.6) и имеют ширину, строго соответствующую диаметру шарика 8.

Последнее обеспечивает передачу крутящего момента от корпуса 1 и цапфы 4 к матрице 5.

Расстояние L, на которое удлиняются в обе стороны от осевой линии и центра шарика 8 углубления 9 (фиг.6), определяется из зависимости

L=(R+r)tgΨ,

где Ψ - максимально возможный угол поворота матрицы 5 в вертикальной плоскости, градус; R - радиус сферической наружной поверхности цапфы 4, равный радиусу внутренней сферической поверхности матрицы 5; м; r - радиус шарика 8, располагаемого в углублениях 9 и 10 между матрицей 5 и цапфой 4, м.

Пример конкретного исполнения бурового инструмента.

Для бурения анизотропных пород могут применяться как долота (фиг.1 и 2), так и буровые коронки (фиг.3 и 4). Конструктивные размеры деталей этих инструментов рассчитываются, исходя из условия, что угол возможного поворота матрицы 5 в вертикальной плоскости должен составлять 0,5-1 градус, а диаметр наружной торцевой сферической поверхности матрицы 5 равен наружному диаметру бурового инструмента.

Расстояние L удлинения углубления 9 при R=20 мм и r=5 мм и Ψ=1 градус составит: L=(20+5)tg1=0,43 мм, что задает вертикальный размер углубления 9, равный диаметру шарика 8 (10 мм) плюс 2L (0,86 мм)=10,86 мм. Приведенный расчет соответствует диаметру бурового инструмента (долота) 76 мм. Для коронки такого же наружного диаметра R может быть равно 30 мм, r=5 мм. При Ψ=1 градус продольный размер углубления 9 может составить 11,2 мм, исходя из L=0,6 мм.

Буровой инструмент, содержащий корпус с резьбой и внутренним промывочным каналом, а также матрицу, контактирующую своей внутренней поверхностью с цапфой и имеющую наружную торцевую сферическую поверхность, оснащенную породоразрушающими элементами, отличающийся тем, что цапфа в корпусе установлена коаксиально, наружная торцевая сферическая поверхность матрицы с породоразрушающими элементами выполнена диаметром, равным наружному диаметру бурового инструмента, внутренняя поверхность матрицы и наружная поверхность цапфы выполнены сферическими, центры которых совпадают с центром наружной торцевой сферической поверхности матрицы, а между внутренней поверхностью матрицы и сферической цапфой в углублениях контактных поверхностей установлены шарики, а углубления для размещения шариков, выполненные в матрице, удлинены в вертикальных направлениях от центра шарика на расстояние

L=(R+r)tgΨ,

где R - радиус сферической наружной поверхности цапфы, м; r - радиус шарика, м; Ψ - максимально возможный угол поворота матрицы в вертикальной плоскости, градус.