Лопастное долото с износостойкой цилиндрической режущей структурой

Изобретение относится к лопастным долотам режуще-скалывающего действия для бурения толщи горных пород под нефть и газ или другого назначения. Технический результат заключается в уменьшении сил резания на резцах долота, увеличении их износостойкости и скорости бурения. Лопастное долото с износостойкой цилиндрической режущей структурой включает корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями с калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов. PDC резцы установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно и выполнены с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, имеют выщелоченный слой в диапазоне от 0,1 до 1 мм и фаску в пределах от 0,05 до 1,5 мм. Оси PDC резцов образуют с направлением резания угол в интервале от 40 до 90°. Процесс резания происходит фаской, торцевой и цилиндрической поверхностью алмазного слоя PDC резца. 9 ил.

 

Изобретение относится к лопастным долотам режуще-скалывающего действия, для бурения толщи горных пород под нефть и газ или другого назначения.

Известно буровое долото, принятое в качестве аналога, включающее корпус с множеством лопастей, конусную, плечевую, калибрующую части, оснащенные клиновидными выщелоченными режущими элементами, установленные с отрицательным углом резания (патент США №7757785, Е21В 10/46, 20.07.2010 г.).

Предлагаемый аналог имеет недостаток, связанный со стойкостью вооружения долота.

По результатам VTL теста известно, что при установке выщелоченного PDC резца с отрицательным углом резания интенсивность износа, зависящая от объема выбуренной породы, как показано на фиг. 1, имеет экспоненциальную зависимость, в которой можно выделить три участка. Первый участок обусловлен работой выщелоченного алмазного слоя PDC резца, износ алмазного слоя при этом минимален. На втором участке после износа выщелоченного алмазного слоя в работу дополнительно вступает невыщелоченный алмазный слой PDC резца, который изнашивается интенсивнее. На третьем участке в работу дополнительно вступает твердосплавная подложка алмазного слоя PDC резца. Интенсивность износа на третьем участке больше по сравнению с первыми двумя участками, поскольку абразивная стойкость твердосплавной подложки значительно ниже алмазного слоя PDC резца. Как показано на фиг. 2, каждому этапу кривой износа соответствует площадь контакта изношенной поверхности алмазного слоя PDC резца P1, Р2, Р3 соответственно. Интенсивный рост невыщелоченных площадей Р2 и Р3 активно генерирует тепло, приводящее к быстрому износу, что ведет к экспоненциальному росту на 2 и 3 участке кривой износа. Данное долото будет быстро изнашиваться, теряя механическую скорость бурения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является буровое лопастное долото с режущими PDC элементами цилиндрической формы, расположенными так, чтобы их ось образовывала с осью, перпендикулярной к забою в точке контакта режущих PDC элементов и породы, угол 5-40 градусов, режущие PDC элементы цилиндрической формы имеют коническое окончание и располагают данные режущие PDC элементы на расстоянии от центра долота, не превышающее половины номинального диаметра долота (патент США №6332503, Е21В 10/16, опубл. 25.12.2001 г.).

Недостатком данного изобретения является то, что режущие PDC элементы, расположенные только в центральной части в пределах половины диаметра долота, не способны существенно изменить необходимый момент долота в целом. Это объясняется тем, что резцы центральной части долота требуют приложения к ним меньшего крутящего момента в силу малого радиуса установки. А значит, долоту присущи те же недостатки, что и долотам с резцами с отрицательным углом резания в центральной части, а именно сильная зависимость необходимого для вращения крутящего момента от приложенной осевой нагрузки. Для увеличения механической скорости бурения таким долотом потребуется большая удельная энергия на разрушение горной породы.

Также недостатком является то, что данное долото будет интенсивно изнашиваться, поскольку режущие элементы, установленные под отрицательным углом резания за пределом половины номинального диаметра, изнашиваются по экспоненциальной зависимости.

Целью данного изобретения является увеличение скорости бурения с повышением износостойкости вооружения режущих элементов.

Технический результат заключается в уменьшении сил резания на резцах долота, что увеличит их износостойкость и скорость бурения.

Данный технический результат достигается тем, что в лопастном долоте с износостойкой цилиндрической режущей структурой, включающем корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями с калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов, часть из которых имеет ось, расположенную под углом к направлению резания, согласно изобретению PDC резцы установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно и выполнены с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, имеют выщелоченный слой в диапазоне от 0,1 до 1 мм и фаску в пределах от 0,05 до 1,5 мм, при этом их оси образуют с направлением резания угол в интервале от 40 до 90 градусов, а процесс резания происходит фаской, торцевой и цилиндрической поверхностью алмазного слоя PDC резца.

На PDC резце с фаской в пределах от 0,05 до 1,5 мм на алмазном слое толщиной в интервале от 0,5 до 3 мм и с выщелоченным слоем в диапазоне от 0,1 до 1 мм создается меньшая режущая сила, повышается износостойкость за счет того, что PDC резец установлен так, что его ось образует с направлением резания в точке касания с породой угол А в пределах от 40 до 90 градусов.

Поиск по отличительным признакам выявил техническое решение, в котором первичные режущие элементы установлены с отрицательным углом резания, а вторичные режущие элементы установлены за первичными и расположены на лопасти так, что их оси составляют с забоем угол в интервале от 3 до 5 градусов (патент США №6408958, Е21В 10/56, опубл. 25.06.2002 г.).

Однако указанные вторичные элементы имеют другое назначение - они работают как вспомогательное вооружение, ограничивающее внедрение основного вооружения и стабилизирующее долото в процессе бурения. Данные вторичные режущие элементы срезают незначительный объем горной породы или вступают в работу по мере износа основного вооружения. Основная доля горной породы срезается первым рядом режущих элементов, установленных под обычным отрицательным углом резания, соответственно энергоемкость долота будет соответствовать обычному долоту.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана экспоненциальная кривая износа при VTL - тесте; на фиг. 2 - площади износа PDC резца; на фиг. 3 - общий вид лопастного долота; на фиг. 4 изображен разрез A-A PDC резца; на фиг. 5 - разрез А-А PDC резца при резании горной породы; на фиг. 6, 7 соответственно изображены силовые характеристики "момент-осевая нагрузка" и "момент-проходка за оборот" для долот согласно изобретению и обычного долота; на фиг. 8 - сравнительные результаты VTL тестов PDC резцов с установкой согласно изобретению и обычной установкой; на фиг. 9 изображен сравнительный износ PDC резцов с установкой согласно изобретению и обычной установкой.

Лопастное долото с износостойкой цилиндрической режущей структурой состоит из корпуса 1 с присоединительной резьбой 2 к колонне бурильных труб, центрального канала 3 с выходными отверстиями 4 для подачи промывочной жидкости, защищенных твердосплавным покрытием лопастей 5, состоящих из калибрующей части 6 и основного режущего профиля. На основном режущем профиле размещены от центральной оси долота 7 до номинального диаметра долота 8 включительно алмазные PDC резцы 9 с толщиной алмазного слоя D в интервале от 0,5 до 3 мм, имеющие, как показано на разрезе А-А на фиг. 4, выщелоченный слой L в диапазоне от 0,05 до 1,5 мм, торцевую плоскую поверхность Т, цилиндрическую поверхность С и фаску F в пределах от 0,05 до 1,5 мм. Как показано на фиг. 5, алмазный PDC резец 9 установлен так, что его ось О образует с направлением резания 10 угол А в пределах от 40 до 90 градусов. За счет описанного расположения процесс резания происходит совокупностью рабочей области 11, состоящей из фаски F, плоской торцевой поверхности Т и цилиндрической поверхности С PDC резца 9.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом.

Лопастное долото наворачивается на колонну бурильных труб (не показана) и спускается на забой скважины, где происходит процесс бурения. Как показано на фиг. 5, в процессе вращения лопастного долота установленный PDC резец 9 срезает горную породу Z рабочей областью 11. Возникающая при этом на PDC резцах 9 осевая сила для поддержания заданной проходки за оборот и сила резания будут меньше, чем при обычном (или ранее применяемом) резании с отрицательным углом установки. Следовательно, как показано на фиг. 6, сила резания на PDC резцах 9, установленных описанным выше способом, создает на долоте меньший необходимый крутящий момент, чем на долоте с обычной (или ранее применяемой) установкой PDC резцов с обратным углом резания при равных значениях осевой нагрузки на долото. Как показано на фиг. 7, на долоте создается меньший необходимый крутящий момент, чем на долоте с обычной установкой PDC резцов при равных значениях проходки за оборот. В итоге предлагаемому лопастному долоту потребуется меньше удельной энергии на разрушение горной породы, чем долоту с отрицательными углами резания, что обеспечит высокие скорости бурения. Преимущества меньшего крутящего момента предлагаемого долота можно реализовать, повысив частоту вращения долота, что увеличит механическую скорость бурения.

В плане ударной стойкости вооружения предлагаемый способ установки PDC резца 9 эффективнее. В процессе резания горной породы при возникновении неустойчивых режимов работы весь удар приходится, как показано на фиг. 5, на совокупность рабочей области 11 алмазного слоя D, состоящей из плоской торцевой поверхности Т, фаски F и цилиндрической поверхности С (фиг. 4). В предлагаемом способе установки алмазного PDC резца 9 данная совокупность площадей значительно больше, чем при обычном способе установки с отрицательным углом резания, следовательно, разрушающие напряжения на резце будут значительно меньше, что предотвращает его разрушение.

Абразивная стойкость согласно VTL-тесту в первой зоне износа (зона работы выщелоченного слоя) выщелоченного PDC резца 9, установленного описанным выше способом, будет эффективнее, чем при обычном способе установки с отрицательным углом (фиг. 8). Как показано на фиг. 9, при одинаковой высоте износа выщелоченного слоя W запас алмазного слоя больше до 10 раз, чем при обычном расположении PDC резца с обратным углом резания, что увеличивает ресурс работы.

Таким образом, вышеупомянутые преимущества повышают абразивную стойкость PDC резца.

Использование предлагаемого изобретения позволит снизить силы резания на резцах лопастного долота снижающие моментоемкость и повышающие стойкость вооружения долота при разрушении горных пород.

Лопастное долото с износостойкой цилиндрической режущей структурой, включающее корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями с калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов, часть из которых имеет ось, расположенную под углом к направлению резания, отличающееся тем, что PDC резцы установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно и выполнены с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, имеют выщелоченный слой в диапазоне от 0,1 до 1 мм и фаску в пределах от 0,05 до 1,5 мм, при этом их оси образуют с направлением резания угол в интервале от 40 до 90°, а процесс резания происходит фаской, торцевой и цилиндрической поверхностью алмазного слоя PDC резца.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин. Технический результат заключается в расширении области применения буровых алмазных долот, а именно в использовании данного типа долота при бурении зон поглощения промывочной жидкости с одновременным расширением скважины под установку профильного перекрывателя, а также в улучшении сбалансированности долота за счет уравновешивания сил резания.

Изобретение относится к угольной промышленности, а точнее к буровым резцам с твердосплавными режущими вставками. Технический результат заключается в увеличении ресурса и области применения резца для вращательного бурения на горные породы с коэффициентом крепости по М.М Протодьяконову до f=10…12.

Изобретение относится к горному делу, а точнее к буровому инструменту ударно-поворотного действия. Технический результат заключается в снижении энергоемкости процесса бурения и трудоемкости при изготовлении буровой коронки.

Группа изобретений относится к области бурения. Забойное бурильное устройство содержит корпус блока подшипников, образующий продольную ось и верхнюю и нижнюю части, причем верхняя часть корпуса блока подшипников выполнена с возможностью соединения с бурильной колонной, по меньшей мере один блок кольцевых подшипников, установленный в корпусе блока подшипников, и центральную часть бурового долота, по существу расположенную у нижнего конца корпуса блока подшипников и соединенную с ним, при этом центральная часть выполнена с возможностью вращения относительно продольной оси и имеет лопасти, присоединенные к ней, причем лопасти несут на себе множество резцов, при этом резцы выполнены с возможностью входа в контакт с подземным пластом породы, хвостовик, выступающий из центральной части, причем хвостовик выполнен интегральным или как одно целое с центральной частью или неразъемно соединен с центральной частью, и шпиндель, сцепляющийся с хвостовиком и образующий неразъемное соединение с ним.

Изобретение относится к вращательному шарошечному буровому долоту. Технический результат заключается в повышении долговечности долота.

Изобретение относится к буровой технике, а именно к буровым долотам, преимущественно режущего типа. Технический результат заключается в повышении эффективности работы бурового долота.

Группа изобретений относится к способам формирования монокристаллического режущего элемента для бурового долота с закрепленными резцами и к буровому долоту для бурения буровой скважины.

Ручной бур // 2636335
Изобретение относится к конструкции ручного бура, предназначенного для формирования отверстий в грунте, в частности при установке столбов, заборов, ограждений, при установке свай для фундаментов, при посадке кустов и деревьев, при взятии проб грунта, при откачке грунтовой воды глубинными насосами, при формировании горизонтальных и наклонных скважин под коммуникации, трубопроводы, кабели.

Ручной бур // 2636071
Изобретение относится к конструкции ручного бура, предназначенного для формирования отверстий в грунте, в частности при установке столбов, заборов, ограждений, при установке свай для фундаментов, при посадке кустов и деревьев, при взятии проб грунта, при откачке грунтовой воды глубинными насосами, при формировании горизонтальных и наклонных скважин под коммуникации, трубопроводы, кабели.

Изобретение относится к режущему элементу для бурового инструмента. Технический результат заключается в повышении эффективности резания.

Изобретение относится к долотам режуще-скалывающего действия для бурения толщи горных пород под нефть и газ или другого назначения. Технический результат заключается в увеличении срока службы резца при разрушении горной породы лопастным долотом. Лопастное долото с цилиндрической режущей структурой включает корпус с присоединительной резьбой, центральный канал и выходное отверстие для промывочной жидкости, защищенные твердосплавным покрытием лопасти с пассивной калибрующей частью и основным режущим профилем, на котором размещены от центральной оси долота до номинального диаметра долота множество алмазных резцов PDC. Алмазные резцы PDC плоской частью направлены к забою и образуют с ним угол А° в пределах от 0,5 до 30°. Процесс резания осуществляется цилиндрической поверхностью алмазного резца PDC, защищенного спереди твердосплавным материалом толщиной в пределах от 0,1 до 7 мм и высотой в пределах от 0,1 до 7 мм. Алмазные резцы PDC вдоль основного режущего профиля расположены таким образом, что алмазный резец PDC на одной лопасти перекрывает рабочую область алмазного резца PDC соседней лопасти в интервале от 0 до 100%. 2 ил.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, в частности к буровым долотам, предназначенным для бурения глубоких нефтегазовых скважин. Технический результат заключается в повышении ресурса работы долота и повышении эффективности удаления шлама основным потоком промывочной жидкости. Алмазное лопастное долото для бурения содержит корпус, снабженный центральной полостью, лопасти, образующие основные промывочные каналы, и установленные на лопастях алмазные режущие элементы с наклонным каналом, сообщающимся с центральной полостью корпуса. Наклонный канал в алмазных режущих элементах выполнен с выходом на рабочую поверхность со смещением относительно оси, образуя на алмазных режущих элементах утолщенную и утоненную части. Ось отверстия имеет наклон в сторону утолщенной части. Алмазные режущие элементы установлены на лопастях утоненной частью в сторону основных промывочных каналов. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, в частности к алмазным буровым долотам, предназначенным для бурения глубоких нефтегазовых скважин. Технический результат заключается в повышении ресурса работы долота. Алмазное буровое долото содержит корпус с присоединительной резьбой и центральной полостью, лопасти, направленные от вершины бурового долота в сторону присоединительной резьбы, образующие промывочные каналы, и установленные на лопастях алмазные режущие элементы с осевым каналом, сообщающимся с центральной полостью корпуса. Долото дополнительно снабжено алмазными режущими элементами с отверстием, смещенным от оси алмазного режущего элемента. Алмазные режущие элементы установлены на лопастях тремя группами, в первой из которых, начиная от вершины бурового долота, установлены алмазные режущие элементы с осевым отверстием. Во второй и третьей группах установлены алмазные режущие элементы со смещенным от оси алмазного режущего элемента отверстием. Во второй группе алмазные режущие элементы установлены со смещением отверстия в сторону промывочных каналов. Алмазные режущие элементы в третьей группе установлены так, чтобы горизонтальный вектор, проходящий через ось алмазного режущего элемента, и вектор, проходящий через ось алмазного режущего элемента и ось смещенного отверстия алмазного режущего элемента, образовали угол, меньший 90° со стороны промывочного канала, направленный в сторону вершины бурового долота. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области горноразведочных работ, а именно к средствам бурения скважин с отбором керна. Технический результат заключается в предохранении керна от разрушений потоком промывочной жидкости, снижении гидравлических сопротивлений и возможности подклинок, препятствующих продвижению керна в наружной трубе. Колонковый набор содержит буровую коронку с корпусом, присоединенным к наружной трубе, и режущей матрицей с внутренними промывочными канавками. В полости наружной трубы с возможностью скользящего перемещения помещена направляющая, выполненная в виде сочетания форм с линией перехода, нижняя часть – полый цилиндр, верхняя – полусфера, на осевой линии которой имеется тупиковый приямок, где расположен шаровой поплавок, ограниченный в движении. На внешней поверхности цилиндра проведены сквозные продольные проемы, внутренняя стенка оснащена резиновой прокладкой. Внутренние промывочные канавки режущей матрицы выполнены с поперечным сечением, сужающимся вниз. 2 ил.

Изобретение относится к лопастным долотам режуще-скалывающего действия для бурения толщи горных пород под нефть и газ или другого назначения. Технический результат заключается в уменьшении сил резания на резцах долота, увеличении их износостойкости и скорости бурения. Лопастное долото с износостойкой цилиндрической режущей структурой включает корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями с калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов. PDC резцы установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно и выполнены с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, имеют выщелоченный слой в диапазоне от 0,1 до 1 мм и фаску в пределах от 0,05 до 1,5 мм. Оси PDC резцов образуют с направлением резания угол в интервале от 40 до 90°. Процесс резания происходит фаской, торцевой и цилиндрической поверхностью алмазного слоя PDC резца. 9 ил.

Наверх