Лопастное долото с износостойкой режущей структурой (варианты)
Группа изобретений относится к лопастным долотам режуще-скалывающего действия для бурения толщи горных пород под нефть и газ или другого назначения. Лопастное долото с износостойкой режущей структурой включает корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями и калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов с клиновидной режущей формой торца алмазного слоя. PDC резцы с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, выщелоченной поверхностью в диапазоне от 0,01 до 1,5 мм и фаской в пределах от 0,05 до 2 мм установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно. Ось цилиндрической части PDC резца образует с направлением резания угол в интервале от 20 до 90°, а процесс резания происходит фаской, цилиндрической поверхностью и выщелоченной поверхностью алмазного слоя PDC резца. Технический результат заключается в увеличении износостойкости и скорости бурения. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 12 ил.
Предлагаемое изобретение относится к лопастным долотам режуще-скалывающего действия, для бурения толщи горных пород под нефть и газ или другого назначения.
Известно буровое лопастное долото, принятое за аналог, включающая корпус с множеством лопастей, конусную, плечевую, калибрующую части, оснащенные режущими PDC элементами цилиндрической формы, расположенные так, что рабочая плоскость образует отрицательный угол резания с рабочей поверхностью забоя (патент США №6332503, Е21 В10/16, оп. 25.12.2001 г.).
Данное долото имеет недостаток, связанный с цилиндрической формой PDC резца. А именно в процессе резания горной породы, плоская рабочая область PDC резца скапливает перед собой значительный объем выбуренного шлама, который не полностью удаляется промывочной жидкостью. В результате ухудшается отвод тепла от PDC резца и увеличивается силы резания, долото с такими PDC резцами работает не эффективно.
Известно буровое долото, принятое в качестве прототипа, включающее корпус с множеством лопастей, проходящих от корпуса инструмента включающая конусную, плечевую, калибрующую части, оснащенные множеством неплоских режущих элементов, установленные с отрицательным углом резания (патент RU 2628359 С2, Е21В 10/43, 16.08.2017 г.).
Предлагаемый прототип имеет недостаток, связанный с установкой PDC резца на долоте с отрицательным углом резания. При таком расположении PDC резца, максимальная толщина алмазного слоя в направлении резания ограничена и составляет около 3 мм. Столь низкая толщина алмазного слоя PDC резца недостаточна для эффективного отвода тепла и сопротивлению ударным нагрузкам. Скорость бурения таким долотом будет быстро падать из-за интенсивного износа PDC резцов.
Целью данного изобретения является увеличение стойкости резцов и скорости бурения.
Технический результат заключается в увеличении износостойкости и скорости бурения.
Данный технический результат по первому варианту достигается тем, что в лопастном долоте с износостойкой режущей структурой, включающем корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями и калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов клиновидной режущей формой алмазного слоя, согласно изобретению, PDC резцы клиновидной режущей формой с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, и выщелоченной поверхностью в диапазоне от 0,01 до 1,5 мм и фаской в пределах от 0,05 до 2 мм установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно, при этом ось цилиндрической части PDC резца образует с направлением резания угол в интервале от 20 до 90 градусов, а процесс резания происходит фаской, цилиндрической поверхностью и выщелоченной поверхностью алмазного слоя PDC резца.
Данный технический результат по второму варианту достигается тем, что в лопастном долоте с износостойкой режущей структурой, включающем корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями и калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов с алмазным слоем, согласно изобретению, торец алмазного слоя PDC резца выполнен усеченной трехгранной пирамидальной формы толщиной в интервале от 0,5 до 3 мм, и с выщелоченной поверхностью в диапазоне от 0,01 до 1,5 мм и фаской в пределах от 0,05 до 2 мм, PDC резцы установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно, при этом ось цилиндрической части PDC резца образует с направлением резания угол в интервале от 20 до 90 градусов, а процесс резания происходит фаской, цилиндрической поверхностью и выщелоченной поверхностью алмазного слоя PDC резца.
Торец алмазного слоя устанавливаемого PDC резца может иметь клиновидную или усеченную трехгранную пирамидальную форму с радиусом скругления верхней кромки в интервале от 0,1 до 20 мм.
Целесообразно торец алмазного слоя устанавливаемого PDC резца, который имеет клиновидную или усеченную трехгранную пирамидальную форму с радиусом скругления кромок в интервале от 0,1 до 20 мм, выполнить с параболическо-вогнутыми боковыми гранями.
Данный технический результат по третьему варианту достигается тем, что в лопастном долоте с износостойкой режущей структурой, включающем корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями и калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов с алмазным слоем, согласно изобретению, торец алмазного слоя PDC резца выполнен в виде плоско - наклонной поверхности под углом в пределах от 0,5° до 13°, с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, выщелоченной поверхностью в диапазоне от 0,01 до 1,5 мм и фаской в пределах от 0,05 до 2 мм, PDC резцы установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно, при этом ось цилиндрической части PDC резца образует с направлением резания угол в интервале от 20 до 90 градусов, а скос направлен противоположно направлению движения, процесс резания при этом происходит фаской, цилиндрической поверхностью и торцом плоско-наклонной поверхности алмазного слоя PDC резца.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где
Фиг. 1 - общий вид лопастного долота;
фиг. 2 - разрез А-А PDC резца;
фиг. 3 - разрез А-А PDC резца при резании горной породы;
фиг. 4, 5 - силовые характеристики «Момент-осевая нагрузка» и «Момент-проходка за оборот» для долот согласно изобретению и прототипу соответственно;
фиг. 6 - сравнительная толщина алмазного слоя PDC резца клиновидной формы при установке согласно изобретению и с отрицательным углом резания;
фиг. 7 - PDC резец с клиновидной формой алмазного слоя со скругленной верхней кромкой;
фиг. 8 - PDC резец клиновидной формой алмазного слоя со скругленной верхней кромкой и параболическо-вогнутыми боковыми гранями;
фиг. 9 - PDC резец со скошенной трехгранной пирамидальной формой алмазного слоя по второму варианту;
фиг. 10 - PDC резец со скошенной трехгранной пирамидальной формой алмазного слоя и скругленными кромками;
фиг. 11 - PDC резец со скошенной трехгранной пирамидальной формой алмазного слоя, скругленными кромками и параболическо-вогнутыми боковыми гранями;
фиг. 12 - PDC резец с наклонной торцевой плоской поверхностью под углом в пределах от 0,5° до 13° по третьему варианту.
Лопастное долото с износостойкой цилиндрической режущей структурой во всех трех вариантах выглядит аналогично и состоит из корпуса 1 с присоединительной резьбой 2, 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, определенной формы торца алмазного слоя для каждого из трех вариантов, с толщиной алмазного слоя D в интервале от 0,5 до 3 мм, имеющие, как показано на разрезе А-А на фиг. 2, выщелоченную поверхность J в диапазоне от 0,01 до 1,5 мм, вершину клина Т, цилиндрическую поверхность С и фаску F в пределах от 0,05 до 2 мм. Как показано на фиг. 3, алмазный PDC резец 9 установлен так, что его ось О образует с направлением резания РР угол А° в пределах от 20 до 90 градусов. За счет описанного расположения процесс резания происходит совокупностью рабочей поверхности 10, состоящей из фаски F, вершины клина 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. 3, в процессе вращения лопастного долота PDC резец 9 срезает горную породу Z рабочей областью 10. Возникающая при этом на PDC резцах 9 осевая сила для поддержания заданной проходки за оборот, и сила резания будут меньше, чем при резании с отрицательным углом установки. Следовательно, как показано на фиг. 4, при равных значениях осевой нагрузки на долото сила резания на PDC резцах 9, установленных описанным выше способом, создает на долоте меньший крутящий момент, чем на долоте с установкой PDC резцов с обратным углом резания. Или же, как показано на фиг. 5, на долоте создается меньший крутящий момент, чем на долоте с установкой PDC резцов с обратным углом резания, 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.
Ударная стойкость вооружения в процессе резания горной породы PDC резцом 9, при установке предлагаемым способом, увеличиться. При заданной глубине резания за оборот (фиг. 6) толщина алмазного слоя L в направлении резания будет больше, чем при классическом способе установки с отрицательным углом резания. Кроме того толщина алмазного слоя L при установке согласно изобретению может достигать диаметра резца в то время как при установке с отрицательным углом резания (примерно 10°-25°) она ограничена толщиной самого алмазного слоя. Большая толщина алмазного слоя лучше сопротивляется ударным нагрузкам при неустойчивых режимах бурения.
Усеченная трехгранная пирамидальная форма торца алмазного слоя по второму варианту позволяет многократно использовать режущие кромки каждой грани путем разворота резца вокруг собственной оси в процессе его установки при реставрационных работах (фиг. 9, 10, 11).
Наличие дополнительного скругления кромки радиусом R в интервале от 0,1 до 20 мм на торце алмазного слоя устанавливаемого PDC резца по первому и второму вариантам снижает концентрацию напряжений, и способствуют улучшению его стойкости. Наличие параболическо - вогнутой боковой грани G или наклонной торцевой плоской поверхности М под углом в пределах от 0,5° до 13° на алмазном слое устанавливаемого PDC резца 9 уменьшает зону контакта между резцом и породой, тем самым снижаются потери на трение при износе вооружения долота, что повышает износостойкость резца. В случае формы PDC резцов по третьему варианту, как показано на фиг. 12, резание происходит наивысшей точкой Т грани PDC резца.
Использование предлагаемого изобретения позволит снизить потребный момент на долоте и повысить стойкость вооружения долота при разрушении горных пород. Вышеперечисленные преимущества дают возможность увеличить скорость бурения.
1. Лопастное долото с износостойкой режущей структурой, включающее корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями и калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов с клиновидной режущей формой торца алмазного слоя, согласно изобретению PDC резцы с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, выщелоченной поверхностью в диапазоне от 0,01 до 1,5 мм и фаской в пределах от 0,05 до 2 мм установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно, при этом ось цилиндрической части PDC резца образует с направлением резания угол в интервале от 20 до 90°, а процесс резания происходит фаской, цилиндрической поверхностью и выщелоченной поверхностью алмазного слоя PDC резца.
2. Лопастное долото с износостойкой режущей структурой, включающее корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями и калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов с алмазным слоем, согласно изобретению торец алмазного слоя PDC резца выполнен усеченной трехгранной пирамидальной формы толщиной в интервале от 0,5 до 3 мм, с выщелоченной поверхностью в диапазоне от 0,01 до 1,5 мм и фаской в пределах от 0,05 до 2 мм, PDC резцы установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно, при этом ось цилиндрической части PDC резца образует с направлением резания угол в интервале от 20 до 90°, а процесс резания происходит фаской, цилиндрической поверхностью и выщелоченной поверхностью алмазного слоя PDC резца.
3. Лопастное долото с износостойкой режущей структурой по п. 1 или 2, отличающееся тем, что торец алмазного слоя устанавливаемого PDC резца может иметь клиновидную или усеченную трехгранную пирамидальную форму с радиусом скругления верхней кромки в интервале от 0,1 до 20 мм.
4. Лопастное долото с износостойкой режущей структурой по п. 3, отличающееся тем, что торец алмазного слоя устанавливаемого PDC резца, который имеет клиновидную или усеченную трехгранную пирамидальную форму с радиусом скругления кромок в интервале от 0,1 до 20 мм, выполнен с параболическо-вогнутыми боковыми гранями.
5. Лопастное долото с износостойкой режущей структурой, включающее корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями, защищенными твердосплавным покрытием лопастями и калибрующей частью, основным режущим профилем с множеством PDC резцов с алмазным слоем, согласно изобретению торец алмазного слоя PDC резца выполнен в виде плоско-наклонной поверхности под углом в пределах от 0,5 до 13°, с толщиной алмазного слоя в интервале от 0,5 до 3 мм, выщелоченной поверхностью в диапазоне от 0,01 до 1,5 мм и фаской в пределах от 0,05 до 2 мм, PDC резцы установлены от центральной оси долота до номинального диаметра долота включительно, при этом ось цилиндрической части PDC резца образует с направлением резания угол в интервале от 20 до 90°, а скос направлен противоположно направлению движения, процесс резания при этом происходит фаской, цилиндрической поверхностью и торцом плоско-наклонной поверхности алмазного слоя PDC резца.
