ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ БУРЕНИЯ С ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОЧИСТНОГО АГЕНТА Российский патент 1994 года по МПК E21B10/00 

Изобретение относится к бурению, а именно к породоразрушающему инструменту для бурения с непрерывным выносом кернового материала через внутренние трубы двойной бурильной колонны.

Известен породоразрушающий инструмент для бурения с обратной циркуляцией очистного агента, включающий корпус с режущими элементами, напорными каналами и боковыми пазами на внутренней поверхности и кольцевой эжектор, образованный корпусом и внутренней бурильной колонной [1] .

К недостаткам этих буровых коронок следует отнести ограниченную область применения, а именно бурение скважин небольшого диаметра и необходимость применения мощного насосного оборудования для транспортировки керна. Другим недостатком их является необходимость применения прецизионных бурильных колонн, т. к. даже небольшая кривизна их может привести к самозаклинкам керна и к необходимости подъема всей колонны. Все это удорожает стоимость буровых работ.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является породоразрушающий инструмент для бурения с обратной циркуляцией очистного агента, включающий корпус со шламоприемной полостью, очистной системой и рабочими элементами и переходник со всасывающим каналом, сообщающимися посредством эжектора со шламоприемной полостью и напорным каналом, разветвленным на каналы для подачи промывочной жидкости на забой скважины и к эжектору [2] .

Данный снаряд может быть использован как при бурении скважин малого диаметра, так и большого диаметра. Однако эффективность работы его колеблется в значительных пределах в зависимости от физико-механических свойств пород, что объясняется не оптимальной схемой промывочной системы. Это приводит к тому, что в некоторых случаях, когда к эжектору поступает незначительное количество промывочной жидкости, разрушенная порода удаляется с забоя не своевременно, вызывая повышенный износ режущих элементов из-за некачественной их очистки и охлаждения. В целом это ведет к снижению стойкости и механической скорости бурения.

Цель изобретения - повышение стойкости и механической скорости бурения за счет более эффективного удаления разрушенной породы.

Указанная цель достигается тем, что в породоразрушающем инструменте для бурения с обратной циркуляцией очистного агента, включающем корпус с рабочими элементами, очистной системой и шламоприемной полостью и переходник со всасывающим каналом, сообщающимся посредством эжектора со шламоприемной полостью и напорным каналом, разветвленным на каналы для подачи очистного агента на забой скважины и к эжектору, согласно изобретению площади сечения каналов для подачи очистного агента на забой скважины и к эжектору выбраны в соответствии с соотношением
S₁ : S₂ = 0,2 - 0,5, где S₁ и S₂ - площадь сечения канала, соответственно для подачи промывочной жидкости на забой и к эжектору.

При этом инструмент снабжен сменными втулками разного диаметра для регулирования проходного сечения канала для подачи очистного агента на забой скважины или к эжектору и выполнен с обводным каналом в виде кольцевой проточки, гидравлически связанной с напорным каналом и очистной системой корпуса, причем кольцевая проточка выполнена на верхнем торце корпуса и/или на нижнем торце переходника, очистная система корпуса выполнена в виде нескольких осевых отверстий, равномерно расположенных по периферии шламоприемной полости корпуса и соединенных с обводным каналом, а шламоприемная полость выполнена в форме усеченного конуса, расположенного соосно с корпусом и соединенного со всасывающим каналом своим малым основанием, причем диаметр осевых отверстий в корпусе и канала для подачи очистного агента на забой скважины меньше, чем ширина кольцевой проточки, образующей обводной канал, загерметизированный уплотнительным элементом, установленным между торцами корпуса и переходника.

Выполнение породоразрушающего инструмента с указанным соотношением площадей каналов для подачи очистного агента к эжектору и на забой обеспечивает эффективное удаление разрушенной породы практически при бурении по породам с любыми физико-механическими свойствами и любого диаметра. При этом наблюдается определенная закономерность, а именно: прямая зависимость к росту указанного соотношения с увеличением диаметра инструмента и увеличением твердости пород. Объясняется это следующими причинами: с увеличением диаметра инструмента резко увеличивается количество транспортируемого шлама, а следовательно, необходимо увеличить количество подаваемого агента к эжектору, что ведет к уменьшению указанного соотношения; увеличение твердости породы связано с уменьшением объема разрушенной породы и сильным нагревом режущих элементов, что требует увеличения количества очистного агента, подаваемого на забой, что равносильно увеличению соотношения S₁/S₂.

Снабжение инструмента сменными втулками обеспечивает регулирование расхода очистного агента, подаваемого как на забой скважины, так и к эжектору, что позволяет эффективно удалять разрушенную породу независимо от физико-механических свойств горных пород и диаметра породоразрушающего инструмента. Выполнение инструмента с обводным каналом в виде кольцевой проточки на контактирующих торцах между корпусом и переходником, а также выполнение очистной системы в виде нескольких осевых каналов, расположенных равномерно по периферии шламоотводящей полости и соединенных с обводным каналом, обеспечивает равномерную подачу очистного агента в шламоприемную полость по всему ее периметру, что улучшает эффективное удаление разрушенной породы.

Этой же цели служит и выполнение шламоприемной полости в форме усеченного конуса и схема ее расположения. Коническая форма обеспечивает целенаправленное движение разрушенной породы в сторону эжектора, а осевое расположение ее в корпусе - сбор разрушенной породы и перемещение ее с минимальными затратами.

Выбор соотношения между диаметрами осевых каналов в корпусе и внутренних отверстий сменных втулок (каналов для подачи очистного агента на забой скважины) с одной стороны, и ширины кольцевой проточки (обводного канала) с другой стороны, предназначен для уменьшения гидравлических потерь, что положительно влияет на повышение к. п. д. очистной системы.

Ту же цель преследует и снабжение инструмента уплотнительными элементами, расположенными между торцами корпуса и переходника.

На чертеже изображен общий вид породоразрушающего инструмента, продольный разрез.

Породоразрушающий инструмент включает корпус 1 с рабочими элементами 2 на торце очистной системы и шламоприемной полостью 3 и переходник 4 с напорным каналом 5, разветвленным на каналы 6 и 7 соответственно для подачи очистного агента на забой скважины и к эжектору 8. На контактирующих торцовых поверхностях между корпусом 1 и переходником 4 выполнен обводной канал 9, который посредством очистной системы в виде каналов 10 сообщен со шламоприемной полостью 3. Площадь сечения каналов 6 и 7 в зависимости от диаметра породоразрушающего инструмента и физико-механических свойств разбуриваемых пород выбирается в соответствии с соотношением:
S₁/S₂ = 0,2 - 0,5, где S₁ - сечение канала для подачи очистного агента на забой скважины;
S₂ - сечение канала для подачи очистного агента к эжектору.

Шламоприемная полость 3 в корпусе 1 породоразрушающего инструмента выполнена в виде усеченного прямого конуса, малое основание которого через всасывающую полость 11 эжектора 8 сообщено с всасывающим каналом 12. Для регулирования количества подаваемого очистного агента между каналами 6 и 7 используют сменные втулки 13 с разным проходным сечением, причем такие втулки могут быть использованы как оснащение каналов, направленных на забой скважины, так и к эжектору 8 (не показан). Между контактирующими торцовыми поверхностями переходника 4 и корпуса 1 расположен уплотнительный элемент 14, служащий для герметизации очистной системы. Такое же уплотнение может быть использовано и для установки по другую сторону обводного канала 9. Рабочие элементы 2 могут быть выполнены в зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород в виде резцов, шарошек или других породоразрушающих органов.

Принцип работы породоразрушающего инструмента заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента рабочие элементы 2 внедряются в породу и разрушают ее. Разрушенная порода поступает в коническую шламоприемную полость 3 и под воздействием эжектора 8 и очистного агента, подаваемого в шламоприемную полость 3 из напорного канала 5 через осевые каналы 6, 10 и обводной канал 9 удаляется через всасывающий канал 12 и бурильную колонну на поверхность. Перед спуском породоразрушающего инструмента в скважину в зависимости от диаметра инструмента и физико-механических свойств пород на основании экспериментальных исследований определяет необходимое соотношение между диаметрами каналов 6 и 7 и устанавливают соответствующего диаметра втулки 13, обеспечивающие оптимальный режим работы очистной системы. Очистной агент, поступающий на забой через осевые каналы 10, обеспечивает, с одной стороны, охлаждение рабочих элементов 2 и их очистку, а с другой стороны - способствует быстрому удалению разрушенной породы в сторону всасывающей полости 11 эжектора 8. Этому способствует также и осевое размещение шламоприемной полости 3 в корпусе 1, обеспечивающее перемещение разрушенной породы по конической поверхности полости 3 с минимальным трением. Эффективное удаление разрушенной породы способствует росту как механической скорости бурения, так и стойкости рабочих элементов инструмента, а применение инструмента для бурения сплошным забоем снижает требования к точности двойной бурильной колонны, что ведет к снижению затрат на проведение буровых работ. (56) Авторское свидетельство СССР N 1645433, кл. Е 21 В 10/60, 1988.

Патент Великобритании N 2006857, кл. Е 21 В 21/00, 1979.

Использование: бурение скважин с непрерывным гидро- или пневмотранспортом кернового материала через бурильную колонну. Сущность изобретения: породоразрушающий инструмент содержит корпус со шламоприемной полостью, рабочие элементы, расположенные на торце, переходник с напорным и всасывающим каналами, сообщенными посредством эжектора. Шламоприемная полость имеет коническую форму. Малое основание полости сообщено с эжектором. Напорный канал разветвлен на каналы для подачи очистного агента на забой скважины и к эжектору. Соотношение между их площадями составляет 0,2 0,5. Корпус выполнен с обводным каналом и равномерно расположенными по окружности осевыми каналами, сообщенными через обводной канал с напорным каналом. 7 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ БУРЕНИЯ С ОБРАТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ ОЧИСТНОГО АГЕНТА, включающий корпус со шламоприемной полостью, очистной системой и рабочими элементами и переходник со всасывающим каналом, сообщающимся посредством эжектора со шламоприемной полостью и напорным каналом, разветвленным на каналы для подачи очистного агента на забой скважины и к эжектору, отличающийся тем, что площади сечения каналов для подачи очистного агента на забой скважины S₁ и к эжектору S₂ выбраны в соответствии с соотношением
S₁ : S₂ = 0,2 : 0,5. 2. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен сменными втулками разного диаметра для регулирования проходного сечения канала для подачи очистного агента на забой с скважины или к эжектору. 3. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с обводным каналом в виде кольцевой проточки, гидравлически связанной с напорным каналом и очистной системой корпуса. 4. Инструмент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что кольцевая проточка выполнена на верхнем торце корпуса и/или на нижнем торце переходника. 5. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что очистная система корпуса выполнена в виде нескольких осевых отверстий, равномерно расположенных по периферии шламоприемной полости корпуса и соединенных с обводным каналом. 6. Инструмент по пп. 1 - 4, отличающийся тем, что диаметр осевых отверстий в корпусе и канала для подачи очистного агента на забой скважины меньше, чем ширина кольцевой проточки, образующей обводной канал. 7. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что шламоприемная полость выполнена в форме усеченного конуса, расположенного соосно с корпусом, при этом с всасывающим каналом соединено малое основание конуса. 8. Инструмент по пп. 1 - 5, отличающийся тем, что он снабжен уплотнительным элементом, расположенным между торцами корпуса и переходника.