Буровое долото со стабилизатором-калибратором

Изобретение относится к инструменту для бурения скважин - буровым шарошечным долотам. Позволяет уменьшить возможность радиального биения долота и обеспечить постоянство диаметра бурящейся скважины путем активного калибрования стенки на уровне корпуса долота. На поверхностях каждого из приливов корпуса симметрично калибрующим точкам обратных конусов шарошек и друг другу размещены калибрующие режущие элементы в виде сплошных лезвий или рядов отдельных зубьев с режущими кромками, обращенными в сторону вращения долота, с вершинами, расположенными на уровне условной цилиндрической поверхности, имеющей диаметр, равный диаметру долота. Износостойкие элементы с режущими кромками располагаются на каждом приливе корпуса в виде одного или группы удлиненных лезвий, установленных в ряд друг за другом, или в виде одного или группы рядов из отдельных зубьев или алмазных вставок. Режущие кромки одного или нескольких элементов расположены вдоль условной образующей цилиндрической поверхности с диаметром, равным диаметру долота, или наклонены под углом к ней, лежащем в пределах от 0 до 30°, по часовой стрелке или против нее. 2 з.п. ф-лы, 12 ил.

 

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к инструменту для бурения - буровым шарошечным долотам.

Известны шарошечные долота, имеющие три секции, образующие при сварке корпус долота с присоединительной конической резьбой для соединения с колонной бурильных труб или ротором турбобура (валом объемного двигателя). На цапфах лап долота, образующих упомянутые секции корпуса, подвижно закреплены шарошки.

Именно трехшарошечные долота занимают более 90% объема всех выпускаемых инструментов для бурения. Они обладают общим недостатком - снижением стойкости из-за биения долота во время работы на забое. Общеизвестно, что при бурении диаметр скважины получается несколько большим, чем диаметр самого долота. Эта разница диаметров тем больше, чем больше величина заводского допуска на радиальное биение долота и чем менее устойчивы разбуриваемые породы на стенках скважины. Наибольшая разница диаметров скважины и долота возникает при бурении мягких пород, самая малая - при бурении твердых, устойчивых пород. Эта разница дополнительно увеличивается при турбинном и моторном способах бурения, при которых между ротором и статором привода предусматривается изначально значительный зазор, в свою очередь позволяющий дополнительно увеличить амплитуду биения долота во время бурения.

Это способствует возникновению множества переменных радиальных ударных нагрузок на обратные конуса шарошек, вибраций в опорах, способствующих их повышенному износу, а также износу вооружения долота и общему снижению его стойкости.

Увеличению амплитуды биения и снижению показателей работы долота способствует непосредственно еще одно обстоятельство. На фиг.1 показана условная схема расположения шарошек долота в плане, где позициями 1, 2, 3 обозначены номера шарошек с их наиболее удаленными от центра калибрующими точками А, В и С, образующими диаметр долота, а оси этих шарошек обозначены соответственно как 1'; 2' и 3'. Направления, проходящие из центра О в точки А, В, и С делят окружность забоя долота на три одинаковых угла, равных 120°. Как было указано выше, условный диаметр скважины с двух сторон больше диаметра долота на две величины получившегося при бурении зазора «а».

На фиг.2 показано пунктиром положение всех трех шарошек 1, 2 и 3 на дисплее компьютера при их сдвиге в направлении I от центра О в сторону точки А до касания шарошки 3 об условную стенку скважины (а=0) в точке A₁. Амплитуда возможного перемещения через условный зазор AA₁ в результате замера составила какую-то принятую величину, например, «а»=4,8 мм.

На фиг.3 показано пунктиром положение всех трех шарошек 1, 2 и 3 на дисплее компьютера при отклонении их в противоположном направлении II до касания шарошек 1 и 2 об условную стенку скважины.

Амплитуда возможного перемещения через условный зазор до касания пары шарошек 1 и 2 со стенкой скважины составляет уже не 4,8 мм, a CC₁=BB₁=b=8,7 мм (181% от величины «а»).

При любом изменении величины принятого условного зазора «а», например, уменьшения вдвое до a₁=2,4 мм или увеличения в 1,5 раза до а₂=7,2 мм соответствующее им изменение амплитуды составляет: b₁=4,6 мм (или 187%), b₂=12,7 мм (или 176%).

Таким образом, для всех трех случаев зависимость величины увеличения амплитуды «b» от величины «а» соответствовала выражению (b≈1,8а). Это свидетельствует о том, что в любой конструкции трехшарошечного долота, независимо от его диаметра, схема расположения и конструкция шарошек предопределяет возникновение дополнительной дестабилизации радиального биения из-за разницы возможного отклонения долота в противоположные стороны относительно его диаметра во время бурения. Усиленное поперечное биение обратных конусов шарошек о стенку скважины, а также биение элементов вооружения относительно неровностей породы на самом забое дополнительно способствуют возникновению вибраций, знакопеременных ударных нагрузок и ускорению абразивного износа, снижающего стойкость вооружения шарошек и их опор.

Одним из решений повышения стабилизации радиального биения долот при бурении является изменение компоновки низа бурильной колонны. В непосредственной близости над буровым долотом устанавливаются стабилизаторы различной конструкции с прямолинейными или спиральными лопастями, максимальный наружный диаметр которых приближен к диаметру долота.

У этого решения [1], принятого за аналог, имеется ряд недостатков. Во-первых, это наличие дополнительного дорогостоящего устройства, не всегда имеющегося в наличии на буровом предприятии. Во-вторых, такое устройство является дополнительным препятствием на пути восходящих шламовых потоков, частично перекрывающим эти потоки. В третьих, в условиях бурового предприятия при неоднократном повторном применении стабилизаторы довольно быстро теряют диаметр и трудно определить пределы допустимого износа наружной поверхности стабилизатора, при которых прекращается радиальная стабилизация. И в четвертых, возникает необходимость постоянной закупки все новых стабилизаторов.

Другим решением, принятым за прототип, является патент [2], в котором для решения задачи снижения и стабилизации радиального биения долота во время бурения и повышения его показателей предусмотрено, кроме трех точек контакта шарошек со стенкой скважины, еще три боковые точки контакта D, Е, F на приливах промывочных узлов (фиг.4), каждый из которых расположен на виде в плане в серединах между точками контакта шарошек со стенкой скважины и делит расстояние между каждой парой из них примерно вдвое. Таким образом, размер углов между условными точками касания шарошек, вместо 120°, уменьшается примерно до 60°, а амплитуда возможного радиального биения шарошек в местах дополнительного размещения контактов на приливах резко (на 80%) снижается и вышеуказанная величина амплитуды «b» становится равной величине «а», что позволяет реально снизить радиальное биение в направлении II, а следовательно снизить возможность возникновения вибраций, способствовать повышению стойкости долота за счет уменьшения вредных факторов, рассмотренных выше.

Недостатком этого решения является то, что в качестве элементов, контактирующих со стенкой скважины, используются твердосплавные вставки с округлой овальной наружной поверхностью, способные оказывать только пассивное стабилизирующее касание о стенку скважины.

Предлагаемое изобретение, кроме положительного свойства прототипа (уменьшения возможности радиального биения долота), позволяет решить и еще одну не менее важную проблему бурения - обеспечение постоянства диаметра бурящейся скважины путем активного калибрования стенки на уровне корпуса долота. Указанная проблема решается следующим образом.

На поверхностях каждого из приливов корпуса, симметрично калибрующим точкам обратных конусов шарошек и друг другу, размещены калибрующие режущие элементы в виде сплошных лезвий или рядов отдельных зубьев с режущими кромками, обращенными в сторону вращения долота, с вершинами, расположенными на уровне условной цилиндрической поверхности, имеющей диаметр, равный диаметру долота.

Износостойкие элементы с режущими кромками располагаются на каждом приливе корпуса в виде одного или группы удлиненных лезвий, установленных в ряд друг за другом, или в виде одного или группы рядов из отдельных зубьев или алмазных вставок.

Для обеспечения беспрепятственного спуска долота в скважину без повреждения режущих кромок калибрующие элементы могут также защищаться временными протекторами в виде полиэтиленовых, пластмассовых или иных колпачков, которые по окончании спуска и в начале вращения долота легко разрушаются во время контакта режущих кромок со стенкой скважины.

Размещение режущих кромок параллельно образующей цилиндрической поверхности с диаметром, равным диаметру долота, наибольшим образом перекрывает стенку скважины, но требует максимального увеличения крутящего момента при фронтальном воздействии на породу калибруемой стенки скважины. Для снижения максимального крутящего момента при обеспечении стабилизирующего воздействия на долото, во время его работы режущие кромки элементов могут быть наклонены относительно образующей указанной цилиндрической поверхности по часовой стрелке (или против нее) на величину от 0° до 30°. Такой разворот кромок способствует также значительному снижению фронтальных усилий резания от реакции породы, направляемых на пластину не фронтально, перпендикулярно лезвию, а под некоторым углом к нему. В этом случае происходит разложение сил по известному правилу параллелограмма и замена чисто поперечного усилия резания с затрудненным поперечным сходом стружки породы вдоль лезвия вверх и вниз на облегченные поперечно-продольные усилия резания и упрощенный сход стружки в одном направлении вдоль наклоненного лезвия.

Угол наклона кромок режущих элементов наиболее предпочтителен в интервале α=10°÷30°, как с точки зрения снижения возникающих дополнительного крутящего момента на долоте и нагрузок на лезвия при резании породы, так и с точки зрения минимального дополнительного перекрытия восходящих вверх с забоя потоков промывочной жидкости. При этом величина угла 10° более предпочтительна для долот, предназначенных для разрушения более мягких пород, а угла 30° - для долот, предназначенных для более крепких пород.

Перечень чертежей.

На фиг.6 (вид снизу фиг.5) показан один из предлагаемых вариантов возможного размещения режущих элементов 4 с вершиной кромки, расположенной вдоль условной образующей цилиндрической поверхности с диаметром, равным диаметру долота, на поверхности прилива корпуса долота, обозначенного позицией 5. На цапфах лап 6 (фиг.5) подвижно закреплены шарошки 7 с элементами вооружения 8 и подшипниками в опоре (не показано). Стрелкой обозначено направление вращения долота. На фиг.6 точками А, В и С обозначены расчетные точки касания обратных калибрующих конусов шарошек со стенкой скважины, расположенные друг относительно друга под углом 120°. На фиг.6 позициями 9, 10, 11 также обозначены симметричные друг другу вершины режущих элементов 4 в виде износостойких пластин, располагающихся на приливах корпуса на уровне условной цилиндрической поверхности с диаметром, равным диаметру долота. На фиг.7 и фиг.8 (вид снизу фиг.7) показан вариант размещения элементов 4 на приливах корпуса с режущими кромками, наклоненными под углом 0°÷30° к образующей указанной цилиндрической поверхности. На фиг.9 и фиг.10 (вид снизу фиг.9) показан вариант с режущими элементами 4 в виде нескольких рядов с режущими кромками, расположенными друг за другом на уровне одной условной калибрующей цилиндрической поверхности под наклоном к ее образующей с углом 0-30°. На фиг.11 и 12 (вид снизу фиг.11) показан вариант изобретения с режущими элементами 12 в виде рядов зубьев с высокостойкими алмазными режущими кромками, расположенными на приливах корпуса. Режущие элементы 12 с алмазными кромками могут располагаться в виде нескольких рядов друг за другом, подобно элементам 4 на фиг.9 и 10.

Для обеспечения оптимальных условий резания породы прочностные свойства материала, количество и длина режущих элементов, величина угла наклона к образующей условной цилиндрической поверхности с диаметром, равным диаметру долота, величины углов резания режущего клина β, переднего угла резания α и заднего угла χ (не показано) должны подбираться экспериментально в зависимости от абразивности, твердости пород и типа привода долота. Наиболее перспективной схемой установки режущих калибрующих элементов является схема, при которой постоянство величины угла режущего клина β обеспечивается сочетанием постоянного переднего угла α и постоянством заднего угла χ, обеспечиваемого постепенным самозатачиванием калибрующих элементов при трении о стенку скважины и истирании.

Долото со стабилизатором-калибратором работает следующим образом. При создании осевой нагрузки и момента вращения элементы вооружения шарошек долота разрушают породу непосредственно на забое, а ряды режущих износостойких элементов с режущими кромками, обращенными в сторону вращения долота, обеспечивают помимо стабилизации радиального биения долота активное калибрование стенки скважины на уровне его корпуса, обеспечивая постоянство диаметра бурящейся скважины. Это позволяет снизить износ опор и вооружения, обеспечить стабильность диаметра долота при повышении стойкости долота в целом.

Возможность осуществления изобретения подтверждается успешными стендовыми и промысловыми испытаниями образцов долот, изготовленных по настоящему изобретению.

Источники информации

1. Нефтепромысловое оборудование ОАО "Волгабурмаш" Изд. Studio "VS" Finland, 1996. - C.42-43

2. Патент США №6,763,902 от 20.07.2004 г. (прототип).

1. Буровое долото со стабилизатором-калибратором, содержащее образованный при сварке тремя лапами корпус, на наружной поверхности которого на приливах неподвижно закреплены износостойкие вставки, а на цапфах лап, направленных вниз и внутрь, подвижно закреплены три породоразрушающие шарошки, отличающееся тем, что на поверхностях каждого из приливов корпуса симметрично калибрующим точкам обратных конусов шарошек и друг другу размещены калибрующие режущие элементы в виде сплошных лезвий или рядов отдельных зубьев с режущими кромками, обращенными в сторону вращения долота, с вершинами, расположенными на уровне условной цилиндрической поверхности, имеющей диаметр, равный диаметру долота.

2. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что износостойкие элементы с режущими кромками располагаются на каждом приливе корпуса в виде одного или группы удлиненных лезвий, установленных в ряд друг за другом, или в виде одного или группы рядов из отдельных зубьев.

3. Буровое долото по п.1, отличающееся тем, что режущие кромки одного или нескольких элементов расположены вдоль условной образующей цилиндрической поверхности с диаметром, равным диаметру долота, или наклонены под углом к ней, лежащем в пределах от 0 до 30°, по часовой стрелке или против нее.