Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением



Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением
Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением
Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением
Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением
Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением
Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением
Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением
Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением
Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением

 


Владельцы патента RU 2498038:

Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") (RU)

Изобретение относится к способам проектирования вооружения буровых долот с поликристаллическими алмазными элементами. Обеспечивает стабильность работы долота PDC, высокую механическую скорость бурения. Элементы вооружения долота PDC, включающие резцы PDC и опорные элементы, ограничивающие глубину резания породы, располагаются в процессе проектирования так, чтобы минимизировать моменты относительно осей координат, перпендикулярных оси долота, а также силы, отклоняющие долото к стенке скважины. 9 ил.

 

Изобретение относится к способу проектирования вооружения буровых долот с поликристаллическими алмазными элементами (PDC).

Известен способ проектирования буровых долот с поликристаллическими алмазными элементами [1], принятый за аналог. Этот способ включает в себя динамическое моделирование процесса бурения долотом PDC и варьирование распределением боковых углов резцов PDC с целью уменьшения отклонения оси долота от оси скважины.

При работе долота на резцы PDC действуют нагрузки как вдоль оси долота, так и по двум другим осям координат, а также моменты относительно всех трех осей координат, поэтому варьирования одними лишь боковыми передними углами недостаточно для того, чтобы обеспечить стабильность работы долота и высокую механическую скорость бурения.

Это особенно актуально при использовании гидравлического забойного двигателя (ГЗД), поскольку величина крутящего момента на валу ГЗД, требуемая для осуществления процесса бурения, напрямую зависит от глубины резания породы и ее физико-механических свойств: чем глубже внедряются элементы вооружения в породу, тем больше требуется крутящий момент.

Отсутствие ограничения глубины резания может привести к превышению максимального крутящего момента, развиваемого на валу ГЗД, его остановке и, следовательно, остановке процесса бурения, что потребует дополнительных затрат времени на возобновление бурения.

При взаимодействии элементов вооружения долота с породой возникают моменты не только относительно оси долота, но и относительно двух других осей системы координат, у которой ось Z совпадает с осью долота, а две другие оси (X и Y) перпендикулярны оси Z.

Эти моменты также вносят дисбаланс в работу долота, отклоняя его от заданной проектной траектории.

Для полной балансировки долота необходимо уравновесить как силы, так и моменты относительно осей координат, перпендикулярных оси долота, которые возникают при взаимодействии элементов его вооружения с породой.

Известен другой способ балансировки нагрузок в долоте PDC [2], принятый за прототип.

Недостатком этого способа балансировки нагрузок является то, что он ограничен балансировкой только крутящего момента на валу гидравлического забойного двигателя за счет подбора глубины резания породы резцами PDC, которая обеспечивается установкой дополнительных опорных элементов, ограничивающих внедрение резцов PDC.

При этом реакции забоя на резцы PDC и дополнительные опорные элементы создают силы и моменты относительно двух осей координат, перпендикулярных оси долота, вследствие чего возникают несбалансированные силы и моменты относительно этих осей, отклоняющие долото при его вращении к стенке скважины, что приводит к дополнительному фрезерованию и увеличению диаметра скважины, отклонению долота при бурении от заданной проектной траектории, увеличению износа вооружения и, как следствие, снижению механической скорости бурения.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение стабильности работы долота с поликристаллическими алмазными элементами, улучшение управляемости им при бурении наклонно-направленных скважин и повышение механической скорости бурения.

Технический результат достигается тем, что в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением, имеющем лопасти с закрепленными на них резцами PDC и дополнительные опорные элементы для ограничения глубины резания, резцы PDC и дополнительные опорные элементы располагаются в процессе проектирования на лопастях таким образом, чтобы силы реакции, возникающие при взаимодействии резцов PDC и опорных элементов с породой, удовлетворяли соотношениям:

где Fxi, Fxi и Fzi - проекции силы Fi, действующей со стороны забоя на i-й элемент вооружения долота (резец PDC или опорный элемент), соответственно на оси координате X, Y и Z;

Мmах - максимальный момент на валу забойного двигателя;

xi,yi и zi - координаты точки приложения силы Fi, причем система координат XYZ выбрана так, чтобы ось Z совпадала с осью долота.

В предлагаемом способе балансировки нагрузок в долоте PDC дополнительные опорные элементы (резцы PDC, поверхности лопастей, наплавленные твердым сплавом и (или) другие опорные элементы) установлены на лопастях так, чтобы минимизировать суммарные силы и моменты относительно каждой из двух осей координат, перпендикулярных оси долота. Это достигается за счет предварительного расчета моментов от взаимодействия элементов вооружения с породой и последующей оптимизации их размещения с помощью разработанной программы, минимизирующей указанные моменты, алгоритм которой проиллюстрирован блок-схемой, представленной на фиг.1.

Согласно фиг.1, сначала вводятся данные об условиях и режимах бурения, включая нагрузку на долото, физико-механические свойства породы, характеристики забойного двигателя, данные о геометрических параметрах элементов вооружения долота, их пространственном расположении и ориентации, а также предельно допустимые значения моментов и несбалансированной нагрузки . Далее с использованием конечно-элементной модели процесса взаимодействия долота с забоем скважины, подобной модели, применяемой в аналоге [11, выполняется расчет глубины внедрения элементов вооружения долота в породу на основе заданных условий нагружения и геометрических параметров долота, а затем рассчитываются нагрузки Fxi, Fyi и Fzi на i-й элемент вооружения.

Затем рассчитываются нагрузки и суммарные моменты для элементов вооружения относительно каждой из двух осей координат, перпендикулярных оси долота, по формулам:

где Mx, Му, Mz - суммарные моменты, создаваемые элементами вооружения долота PDC при взаимодействии с породой относительно осей координат X, Y, Z соответственно;

Fx, Fy - суммы проекций сил, действующих на элементы вооружения, соответственно на оси X и Y.

Далее полученные суммарные моменты и нагрузки сравниваются с заданными предельно допустимыми значениями. В том случае, если один из моментов или нагрузка превышает соответствующее предельно допустимое значение, вносятся изменения в геометрические параметры, определяющие пространственное положение или ориентацию элементов вооружения, и вся процедура расчета повторяется.

После выполнения ограничений, установленных на входе программы, выводятся окончательные значения параметров конструкции вооружения проектируемого долота.

Для обеспечения выполнения этих ограничений в программе в интерактивном режиме осуществляется изменение следующих угловых и линейных размеров: углов резания и боковых передних углов резцов PDC, углов установки дополнительных опорных элементов, расстояний опорного элемента от соответствующего ему резца PDC по вертикали и по горизонтали, а также координат точек приложения нагрузок на элементы вооружения (резцы PDC и опорные элементы).

Например, если исходные координаты точки приложения нагрузки на i-й элемент вооружения xi=7,63, yi=1,75, zi=188,3 (мм), а компоненты нагрузки Fxi=2,1, Fyi=1,6, Fzi=3 (кН), то моменты относительно осей координат, согласно формулам (4-6), будут равны

Мхi=Fyi·zi+Fziyi=1,6·188,3+3·2,1=307,58 кH·мм,

Мyi=Fxi·zi+Fzixi=2,1·188,3+3·7,63=418,32 кH·мм,

Мzi=Fyi·xi+Fxiyi=1,6·7,63+2,1·1,75=15,88 кH·мм.

Величины этих моментов можно изменять как за счет изменения координат xi, yi и zi (т.е. пространственного положения резцов PDC), так и путем изменения компонентов Fxi, Fyi и Fzi силы Fi, в частности, за счет изменения бокового угла α и угла резания β для резца PDC, как это показано на фиг.8 и 9, полученных по результатам анализа силового взаимодействия единичных резцов PDC с породой методом конечных элементов.

Таким образом, варьирование указанными выше угловыми и линейными параметрами, характеризующими пространственное положение и ориентацию элементов вооружения долота PDC, позволяет эффективно управлять (в частности, снижать) величинами нагрузок и моментов, действующих на долото PDC, и осуществлять их минимизацию с целью балансировки долота в процессе бурения, т.е. обеспечивает положительный эффект от применения настоящего изобретения.

Результаты полевых испытаний образцов долот с поликристаллическим алмазным вооружением, разработанным в соответствии с предлагаемым способом проектирования, подтвердили повышение стабильности их работы и механической скорости бурения по сравнению с долотами PDC, созданными с применением существующих способов проектирования.

В качестве иллюстрации при описании изобретения используются опорные элементы со сферической рабочей частью, однако, подразумевается, что как форма рабочей части, так и сама конструкция опорного элемента, а также расположение опорного элемента по отношению к резцу PDC могут быть различными.

Перечень фигур чертежей. Согласно принятой практике, геометрические параметры чертежей приведены не в масштабе.

На фиг.1 показана схема алгоритма балансировки нагрузок в долоте

PDC.

На фиг.2 показан общий вид долота PDC с указанием действующих нагрузок и моментов в заданной системе координат.

На фиг.3 показан вид этого долота со стороны забоя скважины.

На фиг.4 приведены нагрузки, соответствующие i-му элементу вооружения долота PDC.

На фиг.5-7 приведена схема конструкции вооружения долота PDC с опорными элементами, установленными в соответствии с настоящим изобретением, и угловые параметры, используемые при балансировке.

На фиг.8-9 показаны графики зависимости компонентов силы, действующей на резцы PDC, от бокового угла α и угла резания β соответственно, полученные по результатам анализа силового взаимодействия единичных резцов PDC с породой методом конечных элементов.

На фиг.2 и 3 обозначены позициями: корпус долота 1, лопасти долота 2 с закрепленными на них резцами PDC 3 и опорными элементами 4. Кроме того, на фиг.2 приведены моменты и силы, действующие на долото: осевая нагрузка на долото (F), несбалансированная нагрузка, отклоняющая долото к стенке скважины (FD), суммарные моменты относительно осей координат X, Y и Z(Mx,My и Mz).

Несбалансированная нагрузка , показанная на фиг.2, получается суммированием компонентов и (фиг.4) вектора нагрузки , действующей на i-й элемент вооружения долота PDC по формулам (7) и (8). Модуль силы вычисляется по формуле:

которая используется в блок-схеме, представленной на фиг.1, при балансировке нагрузок.

На фиг.5-7 использованы следующие обозначения: α, β - соответственно боковой угол и угол резания резца PDC; γ, φ - углы наклона опорного элемента к оси Z в проекции на плоскости XZ и YZ соответственно.

Зависимости, показанные на фиг.8 и 9, используются как для минимизации несбалансированной нагрузки , так и для минимизации моментов Мх и Му.

Источники информации

1. Патент США №7441612 от 28.10.2008 г., кл. Е21В 10/16 "Буровое долото PDC с оптимизированным боковым углом".

2. Патент США №6298930 от 9.10.2001 г., кл. Е21В 10/46 "Буровые долота с управляемыми нагружением резца и глубиной резания".

Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением, имеющем лопасти с закрепленными на них резцами PDC и дополнительные опорные элементы для ограничения глубины резания, отличающийся тем, что резцы PDC и опорные элементы располагаются в процессе проектирования на лопастях таким образом, чтобы силы реакции, возникающие при взаимодействии резцов PDC и опорных элементов с породой, удовлетворяли соотношениям: ,
где Fxi, Fyi и Fzi - проекции силы Fi, действующей со стороны забоя на i-й элемент вооружения долота (резец PDC или опорный элемент), соответственно на оси координат X, Y и Z; Мmах - максимальный момент на валу забойного двигателя; хi, уi и zi - координаты точки приложения силы Fi, причем система координат XYZ выбрана так, чтобы ось Z совпадала с осью долота.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области буровой техники, а именно к инструменту для шарошечного бурения скважин. Обеспечивает повышение надежности и долговечности работы уплотнения и в целом бурового долота.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к опорам шарошечных долот. .

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к опорам шарошечных долот. .

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, используемому при бурении скважин в пластах с повышенным содержанием газа. .
Изобретение относится к способам крепления породоразрушающих вставок к инструменту. .

Изобретение относится к техническим средствам для электроимпульсного бурения с обратной внутренней промывкой скважин сплошного бурения или с отбором керна и может найти применение при геологоразведочных работах, в горнодобывающей промышленности, при строительных и других работах, где требуется бурение скважин в крепких горных породах.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к герметизированным опорам шарошечных долот. .

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к опорам шарошечных долот. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к формированию корпусов буровых долот и другого инструмента. .

Изобретение относится к промывочным узлам породоразрушающего инструмента гидромониторного типа. Обеспечивает повышение надежности и эффективности работы долота. Промывочный узел бурового шарошечного долота с центральной промывочной системой содержит корпус с каналом и гнездом, в котором посредством резьбовой втулки закреплена насадка с уплотнительным элементом и жестко соединенным с ней узлом передачи крутящего момента. Узел передачи крутящего момента образован наклонными пазами, выполненными на внутренней поверхности насадки, при этом направление пазов совпадает с направлением резьбы крепежной втулки, насадка и втулка выполнены с ответными выступами и впадинами на контактирующих поверхностях для передачи крутящего момента, а число пазов соответствует числу шарошек, при этом пазы направлены в межшарошечное пространство и выполнены коноидальной формы. 2 ил.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к опорам буровым шарошечных долот. Обеспечивает повышение стойкости опоры путем увеличения надежности ее герметизации. Опора шарошечного долота содержит цапфу, шарошку, закрепленную на цапфе замковым подшипником с фиксатором от осевого перемещения, и размещенный у основания цапфы узел герметизации с уплотнительным кольцом и размещенной внутри него металлической втулкой из пружинной стали. Металлическая втулка узла герметизации выполнена в виде гофрированного цилиндра, размещенного в полости уплотнительного кольца с возможностью проворота, при этом гофры металлической втулки имеют форму синусоиды и расположены параллельно оси цапфы. 2 ил.

Изобретение относится к буровым долотам и может использоваться при бурении скважин. Обеспечивает повышение надежности и долговечности бурового долота со сменными промывочными узлами. Буровое долото с промывочными узлами включает корпус с присоединительной резьбой к бурильной колонне, породоразрушающие элементы, каналы для подвода к забою промывочной жидкости, гнезда на выходе из каналов для размещения износостойких насадок с герметизирующими и стопорными элементами. На входе канала для подвода к забою промывочной жидкости из ниппельной части установлена защитная втулка из износостойкого материала, выступающая одной стороной над дном отверстия в ниппельной части корпуса и имеющая на противоположном конце опорный кольцевой выступ, наружный диаметр которого больше диаметра входного канала. Насадка имеет в верхней части гладкую наружную цилиндрическую поверхность, контактирующую с эластичным уплотнительным кольцом, ниже на наружной ее поверхности имеется боковая резьба, а снизу - торцевые выступы для торцевого ключа. Обе торцевые поверхности опорного кольцевого выступа контактируют с эластичными уплотнительными кольцами, первое кольцо установлено в полости между уступом на стенке входного канала и верхней торцевой поверхностью кольцевого выступа, второе - между нижней торцевой поверхностью кольцевого выступа и верхним торцом насадки. Ниже насадки установлена на резьбе в стенке гнезда под насадку стопорная контргайка с пазами или отверстиями на торце для другого поворотного торцевого ключа. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к промывочным узлам породоразрушающего инструмента гидромониторного типа. Промывочный узел содержит корпус с каналом и гнездом, выполненным с кольцевой расточкой, и установленную в гнезде насадку с уплотнительным элементом, закрепленную там посредством стержневого стопора, размещенного в кольцевой расточке гнезда. Особенностью промывочного узла является то, что в канавке на наружной поверхности насадки закреплено составное кольцо, выполненное из более мягкого и пластичного материала по сравнению с материалом насадки. При этом составное кольцо на наружной поверхности имеет проточку с поперечным сечением в форме полутора, совмещенной с кольцевой расточкой гнезда и образующей совместно с ней канал для стержневого стопора. Применение предложенного промывочного узла повышает надежность крепления насадки, упрощает его конструкцию и снижает стоимость всего долота. 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и горной промышленности и предназначено для крепления пластинчатых резцов к корпусу кольцевой буровой коронки. Суть изобретения заключается в изготовлении пазового соединения путем обхвата хвостовика резцов охватывающим и внутренним кольцами. Внутренние кольца установлены во встречные углубления на корпусе коронки, посредством их задавливания в радиальные пазы корпуса коронки. При этом происходит процесс выдавливания материала из-под торца пуансонов с прижатием выдавленной массой хвостовика резцов к набегающей стенке радиального паза. Вследствие этого хвостовик резца оказывается жестко закрепленным в корпусе коронки, образуя прессовую посадку. Технический результат заключается в значительном уменьшении напряжений в буровых резцах кольцевых коронок. Повышается проходка на буровую коронку или нагрузка на коронку с целью бурения ею более крепких пород. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к буровым долотам, используемым в строительстве глубоких нефтяных и газовых скважин, преимущественно горизонтальных. Техническим результатом является повышение механической скорости бурения, стабилизация работы вооружения. Долото PDC для бурения горизонтальных скважин имеет корпус с присоединительной резьбой, породоразрушающие элементы PDС, последовательно размещенные на одно- или более заходных конических винтовых лопастях, разделенных коническими винтовыми канавками с отверстиями для насадок и прохода промывочной жидкости. Вершина долота выполнена в виде удлиненного выступа с диаметром основания, равным d=(0,6÷0,7)D, и высотой h=(0,4÷0,6)D от наружного диаметра долота D, оснащенного PDC-элементами, расположенными в плоскостях, близких к параллельным оси долота, на двух или более лопастях и промывочными отверстиями с насадками, образующего при бурении предварительную нишу, начиная с которой конические винтовые лопасти разрушают оставшуюся породу на стенке скважины с увеличенным эффектом самозавинчивания. 3 ил.

Группа изобретений относится к резцам со вставкой из поликристаллического алмазного композита (PDC-резцам) и к способам изготовления PDC-резца. Технический результат заключается в увеличении срока службы PDC-резцов, улучшении их термических свойств. Лицевая поверхность алмазной пластины, прикрепленной к подложке, обрабатывается для введения материала, который соединяется или частично сплавляется с внедренным каталитическим связующим веществом или частично замещает внедренное каталитическое связующее вещество в термическом канале на требуемой глубине. Материал выбирается так, чтобы он был менее термически расширяющимся и/или более теплопроводным и/или обладал меньшей теплоемкостью, чем каталитическое связующее вещество. 4 н. и 30 з.п. ф-лы, 8 ил.

Группа изобретений относится к PDC-долотам для бурения скважин и способам размещения PDC-резцов на лопатках долота. Технический результат заключается в обеспечении балансируемого PDC-долота, повышении скорости бурения, износостойкости и устойчивости в работе долота. PDC-долото содержит ряд лопаток, включающий первичные лопатки и вторичные лопатки. Первичные лопатки армированы PDC-резцами в соответствии с однопозиционным способом. Вторичные лопатки армированы PDC-резцами в соответствии с многопозиционным способом так, что каждый резец на вторичной лопатке размещен в радиальном положении, которое идентично радиальному положению однопозиционного резца, размещенного на первичной лопатке, которая непосредственно предшествует указанной вторичной лопатке. Указанная, по меньшей мере, одна вторичная лопатка размещена непосредственно после каждой первичной лопатки для обеспечения балансируемого PDC-долота. 5 н.з. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к резцам со вставкой из поликристаллического алмазного композита (PDC-резцам) и к способам изготовления PDC-резца. Технический результат заключается в увеличении срока службы PDC-резцов, улучшении их термических свойств. Лицевая поверхность алмазной пластины, прикрепленной к подложке, обрабатывается для удаления внедренного каталитического связующего вещества и образования термического канала. Затем материал вводят в лицевую поверхность алмазной пластины, введенный материал заполняет лицевую поверхность алмазной пластины для заполнения промежуточных полостей, оставленных после удаления каталитического вяжущего вещества, в термическом канале на заданную глубину. Материал выбирается так, чтобы он был менее термически расширяющимся, чем каталитическое связующее вещество, и/или более теплопроводным, чем каталитическое связующее вещество, и/или обладал меньшей теплоемкостью, чем каталитическое связующее вещество. 2 н. и 40 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к изготовлению резцов из цементированного карбида со сверхтвердыми наконечниками, в частности, для разрушения твердых и абразивных материалов. Резец (100) содержит вставку (110), содержащую сверхтвердый наконечник (112), соединенный с опорным корпусом (114) из цементированного карбида с имеющимся у него хвостовиком (118), и стальной держатель (120) для вставки (110). Стальной держатель (120) содержит вал (122), предназначенный для соединения с инструментальной оправкой (не показана), а также канал (126), предназначенный для помещения в него хвостовика (118). Хвостовик заходит в канал по меньшей мере на 4 см. Объем опорного корпуса (114) из цементированного карбида составляет по меньшей мере 10 см3. Площадь поверхности хвостовика прилегает к соответствующей внутренней площади поверхности канала, составляющей по меньшей мере 20 см3, диаметр хвостовика - по меньшей мере 1,5 см, максимум 4,0 см. Для получения резца в канал стального держателя устанавливают хвостовик путем горячей посадки с натягом 0,002-0,3%. Обеспечивается повышение прочности инструмента и увеличение срока его службы. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 11 ил., 1 табл.
Наверх