УДЛИНЕННАЯ НАСАДКА БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 1994 года по МПК E21B10/18 

Изобретение относится к долотостроению и может найти применение в шарошечных долотах для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин с приближенными к забою насадками.

Известно буровое долото с установленными в нем насадками, внутренний канал которых представляет собой конфузор, имеющий вид тела вращения, образующая которого состоит из входной дуги, выходного цилиндрического участка и сопрягающей эти участки дуги [1] .

Стендовые исследования, долговременные промысловые испытания этих насадок показали, что струя, истекающая из внутреннего канала такого профиля, имеет наибольшую протяженность ядра постоянных скоростей по сравнению с цилиндрическими, коническо-цилиндрическими, коническими, радиусными и т. д.

Однако такая конструкция долота имеет явные недостатки, основным из которых является отдаленность насадки от забоя, вследствие чего затопленная струя теряет свою мощность, не сохраняет ядро и не оказывает динамического действия на породу забоя, а, как известно, размывающее действие струи на породу, особенно средней и низкой твердости довольно значительно.

Известно также буровое долото, в котором с целью увеличения динамического действия струи цилиндрическая часть внутреннего канала сильно вытянута в сторону забоя, т. е. насадка выполнена удлиненной и приближенной к забою [2] .

Насадки такого типа призваны увеличивать динамическое действие струи на забой, однако проведенные в Московском институте нефти и газа стендовые и промысловые исследования показали, что струя не сохраняет своего ядра до самого забоя, несмотря на то, что срез насадки приближен к забою почти вдвое.

Известна также удлиненная насадка бурового долота, принятая нами за прототип и содержащая коническо-цилиндрический корпус с внутренним гидравлическим каналом, включающим входной конфузорный участок и цилиндрический успокоитель, при этом входной конфузорный участок образован вращением вокруг оси насадки кривой, состоящей из входной дуги, центр радиуса которой расположен на линии верхней кромки насадки и дополнительной дуги, сопрягающей входную дугу с цилиндрическим успокоителем [3] .

Недостатком известной насадки является низкое динамическое действие струи на породу забоя, вызванное отдалением формирующего участка насадки от забоя, и торможение потока цилиндрической успокоительной частью.

Кроме того, увеличенная скорость потока в успокоителе до номинальных значений вызывает повышенный, очень неравномерный износ успокоителя, вследствие чего нарушается его геометрия, и как следствие струя дробится, нарушается его целостность. Все это приводит к тому, что приближение среза насадки к забою теряет свой смысл, поток не оказывает динамического действия.

Целью изобретения является увеличение динамического действия струи на породу забоя и уменьшение износа гидравлического канала.

Поставленная цель достигается за счет того, что в удлиненной насадке бурового долота, содержащем коническо-цилиндрический корпус с внутренним гидравлическим каналом, включающим входной конфузорный участок и цилиндрический успокоитель, при этом входной конфузорный участок образован вращением вокруг оси насадки кривой, состоящей из входной дуги, центр радиуса которой расположен на линии верхней кромки насадки и дополнительной дуги, сопрягающей входную дугу с цилиндрическим успокоителем, гидравлический канал снабжен формирующим участком, состоящим из выходного цилиндрического отверстия номинального диаметра насадки и конфузорной части, образованной вращением вокруг оси насадки кривой, представленной двумя дугами равного радиуса, плавно сопряженных друг с другом, успокоителем и выходным отверстием, протяженность которого выбирается равной 0,1-0,5 номинального диаметра насадки, при этом радиус входной дуги меньше радиуса дополнительной в 2,2-2,6 раза и принимается равным 1,8-2,2 диаметра успокоителя.

Кроме того, радиусы дуг конфузорной части формирующего участка выбираются из соотношения:
R= (1) где D_усп. - диаметр успокоителя;
d_ном. - номинальный диаметр насадки;
С - протяженность конфузорной части формирующего участка, которая определяется из соотношения
С= 0,9-1,3D_усп. (2)
Кроме того, при построении профиля гидравлического канала следует принимать диаметр входного конфузорного участка больше диаметра цилиндрического успокоителя в 1,25-1,30 раза.

На фиг. 1 показана насадка, общий вид; на фиг. 2 - образующая гидравлического канала насадки; на фиг. 3 - схема построения формирующего участка канала насадки.

Удлиненная насадка бурового долота содержит корпус 1 с цилиндрической и конической частями 2 и 3 и внутренним гидравлическим каналом 4, включающим входной конфузорный участок 5 и цилиндрический успокоитель 6, при этом входной конфузорный участок 5 образован вращением вокруг оси 7 насадки кривой, состоящей из входной дуги 8, центр радиуса которой расположен на линии 9 верхней кромки 10 насадки и дополнительной дуги 11, сопрягающей входную дугу 8 с цилиндрическим успокоителем 6. Гидравлический канал 4 снабжен формирующим участком 12, состоящим из выходного цилиндрического отверстия 13, номинального диаметра насадки и конфузорной части 14, образованной вращением вокруг оси 7 насадки кривой, представленной двумя дугами 15 и 16 равного радиуса, плавно сопряженных друг с другом, успокоителем 6 и выходным отверстием 13, протяженность которого выбирается равной 0,1-0,5 номинального диаметра насадки, при этом диаметр успокоителя меньше максимального диаметра входного конфузорного участка, а радиус входной дуги 8 меньше радиуса дополнительной 11 в 2,2-2,6 раза и принимается равным 1,8-2,2 диаметра успокоителя 6.

Радиусы дуг 15 и 16 конфузорной части 14 формирующего участка 12 выбираются из соотношения (1), где D_усп. - диаметр успокоителя 6; d_ном. - номинальный диаметр насадки; С - протяженность конфузорной части 14 формирующего участка 12, которая определяется из соотношения С= 0,9-1,3 D_усп.
При построении профиля гидравлического канала 4 следует принимать диаметр входного конфузорного участка 5 больше диаметра успокоителя 6 в 1,25-1,30 раза.

Работа насадки происходит следующим образом.

Ввиду того, что диаметр входного отверстия (максимальный диаметр входного конфузорного участка) как и во всех известных долотах принят равным диаметру подводящего канала долота, промывочная жидкость безударно входит во входной конфузорный участок гидравлического канала, где происходит плавное сужение струи с одновременным ее ускорением. В связи с тем, что дополнительная дуга имеет самый большой радиус, при входе жидкости в ускоритель даже при очень больших скоростях потока (при экспериментах до 80 м/сек) не происходит его отрыва от стенок, поток плавно огибает дополнительную дугу и как следствие не происходит гидроабразивного изнашивания области канала за ней, т. е. успокоителя. Как показали стендовые испытания, уменьшение радиуса дополнительной дуги по сравнению с заданными выше ее параметрами при рабочих скоростях выходной струи до 120-150 м/с неизбежно приводит к отрыву потока от стенок, образованию мертвых зон, завихрениям и повышенному локальному износу гидравлического канала.

В успокоительной части канала происходит ламиниризация потока, при этом, исходя из принятых соотношений размеров, его скорость меньше скорости истечения из насадки во столько раз, во сколько раз площадь выходного отверстия меньше площади сечения успокоителя. В реальных условиях скорость протекания жидкости в разработанном нами успокоителе не превышает значений 30-40 м/с при скоростях истечения до 100-120 м/с.

По сравнению с известной насадкой, принятой нами за прототип, при одинаковых скоростях истечения из насадки в самом гидроканале скорость потока в 2,0-2,5 раза ниже, отсутствуют также такие явления, как завихрение жидкости, образование мертвых и застойных зон и все указанное значительно снижает износ гидроканала насадки.

При этом вопреки устоявшемуся мнению протяженность выходного отверстия цилиндрического профиля не должна быть очень длинной и может составлять всего 0,1-0,5 его диаметра. При таком исполнении появляется возможность максимального приближения среза насадки к забою.

Далее поток, проходящий по гидроканалу насадки из успокоителя, входит в формирующий участок, конфигурация которого выполнена таким образом, что истекающая из насадки струя сохраняет абсолютную сплошность в незатопленном пространстве до 150-200 номинальных диаметров насадки, а в затопленном - до 8-15-ти диаметров (в зависимости от перепада давлений на насадке, качества промывочной и т. д. ). (56) Султанов Б. З. и др. Забойные буровые машины и инструменты. М. , Недра, 1976, с. 14, рис. 3а.

Маковей Н. Гидравлика бурения. М. : Недра, 1986, с. 352-353.

Патент США N 3509952, кл. Е 21 В 9/08, 1970.

Использование: область долотостроения, в частности в шарошечных долотах для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин с приближенными к забою насадками. Сущность: в удлиненной насадке бурового долота гидравлический канал 4 снабжен формирующим участком 12. Последний состоит из выходного цилиндрического отверстия, номинального диаметра насадки и конфузорной части 14, которая образована вращением вокруг оси насадки кривой, представленной двумя дугами равного радиуса. Дуги плавно сопряжены друг с другом, с успокоителем 6 и выходным отверстием. Протяженность отверстия равна 0,1 0,5 номинального диаметра насадки. Диаметр успокоителя 6 меньше максимального диаметра входного конфузорного участка 5 в 1,25 1,3 раза. Радиус входной дуги меньше радиуса дополнительной дуги в 2,2 2,6 раза. Радиус входной дуги принимается равным 1,8 2,2 диаметра успокоителя 6. Дуги могут быть выбраны из соотношения, указанного в тексте описания. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. УДЛИНЕННАЯ НАСАДКА БУРОВОГО ДОЛОТА, содержащая коническо-цилиндрический корпус с внутренним гидравлическим каналом, включающим входной конфузорный участок и цилиндрический успокоитель, при этом входной конфузорный участок образован вращением вокруг оси насадки кривой, состоящей из входной дуги, центр радиуса которой расположен на линии верхней кромки насадки и дополнительной дуги, сопрягающей входную дугу с цилиндрическим успокоителем, отличающаяся тем, что, с целью увеличения динамического действия струи на породу забоя и уменьшения износа гидравлического канала, последний снабжен формирующим участком, состоящим из выходного цилиндрического отверстия номинального диаметра насадки и конфузорной части, образованной вращением вокруг оси насадки кривой, представленной двумя дугами равного радиуса, плавно сопряженных одна с другой, с успокоителем и выходным отверстием, протяженностью которого выбирается равной 0,1 - 0,5 номинального диаметра насадки, при этом диаметр успокоителя меньше максимального диаметра входного конфузорного участка в 1,25 -1,3 раза, а радиус входной дуги меньше радиуса дополнительной в 2,2 - 2,6 раза и принимается равным 1,8 - 2,2 диаметра успокоителя. 2. Насадка по п. 1, отличающаяся тем, что радиусы дуг конфузорной части формирующего участка выбираются из соотношения
R= ,
где D_усп - диаметр успокоителя;
d_ном - номинальный диаметр насадки;
C - протяженность конфузорной части формирующего участка, определяемая из соотношения
C = 0,9 - 1,3 D_усп.