БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1995 года по МПК E21B10/18 

Изобретение относится к бурению скважин, точнее к конструкции буровых шарошечных долот с гидромониторными насадками.

Известно буровое шарошечное долото, оснащенное расположенными между шарошками боковыми удлиненными насадками с осевым каналом цилиндрической формы, конец которого срезан под углом и направлен под шарошку по ходу вращения долота (патент США N 4558754, кл. Е 21 В 10/18, 1985).

Недостатком этого долота является низкая эффективность его пpомывочной системы. Объясняется это геометрией и направлением потока промывочной жидкости в призабойной зоне скважины, создаваемыми с помощью боковых насадок. Так как промывочная струя формируется цилиндрическим каналом насадки, то область охвата забоя струйным воздействием представляет собой круг, имеющий ограниченные размеры по сравнению с протяженностью контакта силового взаимодействия шарошки с породой, имеющего место по нижней линии меридианального сечения шарошки. За пятном контакта гидродинамическое воздействие струи на забой резко ослабляется, в результате чего вымыв разрушенной породы производится лишь частично; так же частично осуществляется смыв выбуренной породы с поверхности шарошек. Положение усугубляет и то обстоятельство, что гидромониторная струя направлена под шарошку по ходу вращения долота, что приводит к смыву выбуренной породы с поверхности забоя, по которой прошла шарошка, под нижнюю поверхность шарошки по ходу ее движения; выход породы в струю восходящего потока жидкости затрудняется, и выбуренная порода подвергается повторному измельчению.

Известно буровое шарошечное долото, оснащенное двумя боковыми удлиненными насадками со сквозными осевыми каналами и щелевыми отверстиями в стенках, причем щелевое отверстие одной из насадок направлено к центру долота, а щелевое отверстие второй насадки направлено к периферии долота (авт.св. СССР N 1686112, кл. Е 21 В 10/18, 1988).

Недостатком этого долота является слабая очистка шарошек и забоя от выбуренной породы за счет слабого гидродинамического воздействия на поверхность забоя и шарошек.

Известно также буровое шарошечное долото, содержащее корпус, прикрепленные к корпусу шарошки, центральный и боковые промывочные каналы в корпусе между шарошками, расположенные в промывочных каналах насадки с щелевидными отверстиями в стенке. Щелевые каналы центральной насадки расположены под углом 120^о между собой и направлены в два межшарошечных проема долота, а боковая насадка установлена в третьем межшарошечном проеме против первой шарошки (авт.св. СССР N 1465531, кл. Е 21 В 10/18, 1987).

Недостатком этого долота является недостаточная эффективность его промывочной системы, отражающаяся на скорости механического бурения и проходке на долото. Это объясняется следующими причинами.

Отверстия насадок установлены таким образом, чтобы получить направленный поток промывочной жидкости из призабойной зоны вверх по межшарошечному проему с омыванием забоя и шарошек. Однако гидродинамическое воздействие потока на разрушаемую поверхность забоя и на шламонесущую поверхность шарошек при этом слабое. Это не способствует надежному смыву выбуренной породы с поворачивающейся вовнутрь долота породоразрушающей поверхности шарошки, а отсутствие целенаправленного воздействия струи промывочной жидкости на разрушаемую поверхность забоя не позволяет оторвать отколотые частицы породы от поверхности забоя, особенно в условиях прижимающего действия дифференциального давления. Промывочная система долота не предусматривает также взаимодополняющего воздействия на разрушаемую породу с эффективным охлаждением вооружения шарошек непосредственно в момент силового взаимодействия с породой, когда на контакте между вооружением шарошки и породой выделяется значительное количество тепловой энергии, приводящей к термомеханическому разупрочнению вооружения шарошек. В результате уменьшается механическая скорость бурения и снижается проходка на долото.

Целью изобретения является увеличение скорости бурения и повышение проходки на долото за счет усиления механизма породоразрушающего взаимодействия долота и промывочной жидкости, улучшения очистки забоя и шарошек от выбуренной породы и интенсификации охлаждения вооружения шарошек инфильтрационным потоком.

Цель достигается тем, что в известном буровом шарошечном долоте, содержащем корпус, прикрепленные к корпусу шарошки, центральный и боковые промывочные каналы в корпусе между шарошками, расположенные в промывочных каналах насадки с щелевидными отверстиями, щели центральной и боковых насадок направлены соответственно на верхнюю и под нижнюю линии контура меридианального сечения шарошек противоположно направлению вращения долота, причем насадки выполнены со сферическим дном.

Направление щелей центральной насадки на верхние линии меридианального сечения шарошек противоположно направлению вращения долота обеспечивает смыв выбуренного шлама со всей протяженности рабочей поверхности шарошек, а поскольку плоская струя направлена навстречу поворачивающейся внутрь долота верхней части меридианальной плоскости шарошек, то струя отражается от шарошки в направлении вверх от забоя в проем между шарошками, увлекая с собой смытый с шарошки шлам. Таким образом достигается возникновение двух положительных факторов: смыв выбуренной породы с поверхности шарошек с последующим переводом смывающих струй в восходящий поток, стимулирующий улучшение общей гидродинамической ситуации на забое и предотвращающий повторное попадание выбуренной породы под шарошку. Это обстоятельство придает универсальность центральной насадке, позволяя эффективно ее использовать во всех типах шарошечных долот, независимо от твердости разбуриваемой породы.

Направление щелей боковых насадок под нижнюю линию контура меридианального сечения шарошек противоположно направлению вращения долота приводит к одновременному действию нескольких стимулирующих явлений. Омывая с большой касательной скоростью забой перед наступлением шарошки по всей длине ее рабочей поверхности плоская гидродинамическая струя частично нейтрализует угнетающее воздействие на поверхностный слой породы дифференциального давления, опережающе облегчая разрушение породы при последующем силовом воздействии на нее вооружения шарошки.

Одновременно проникая в пpосвет между шарошкой и поверхностью забоя в момент внедрения вооружения шарошки в породу, струя препятствует кольматации поровых каналов породы под шарошкой, обеспечивая повышенный расход опережающего долото инфильтрационного потока жидкости по всей длине рабочей поверхности шарошки непосредственно в акте силового взаимодействия вооружения шарошки с породой. Так как в этот момент на контакте между вооружением шарошки и породой выделяется значительное количество тепловой энергии, то интенсификация процесса опережающей долото инфильтрации обеспечивает усиление теплосъема с вооружения шарошки, предотвращая термомеханическое разрушение и интенсивный износ вооружения транспирационным охлаждением забоя.

После разрушения породы вооружения шарошки струя вымывает из-под шарошки выбуренную породу противоположно наступлению шарошки на забой, что предотвращает затраты энергии на повторное измельчение выбуренной породы, а вращение шарошки закручивает струю со смытой породой в направлении от забоя вверх в межшарошечный проем.

Выполнение насадок со сферическим дном позволяет получить в насадке щели любого направления с шириной охвата щелевидной струей всего объема нижележащего полупространства в любом направлении, в том числе и поверхности шарошек по верхней и нижней линиям меридианального сечения шарошек.

Все другие геометрические формы дна насадки в этом смысле обладают меньшими возможностями, в том числе и по технологичности процесса выполнения в насадке щелей.

Боковые насадки могут изготавливаться прямыми и изогнутыми при необходимости приближения щелевых отверстий к нижней линии контура меридианального сечения шарошек.

В центральной насадке количество щелей равно количеству шарошек, а боковые насадки имеют по одному щелевому отверстию.

Таким образом совокупное действие центральной и боковых насадок усиливают механизм породоразрушающего взаимодействия долота и промывочной жидкости, уменьшает интенсивность термомеханического износа вооружения, улучшает очистку забоя и шарошек от выбуренной породы, что обеспечивает увеличение скорости бурения и повышение проходки на долото.

На фиг.1 показана схема бурового шарошечного долота, вид снизу; на фиг.2 боковая насадка; на фиг.3 разрез А-А на фиг.2; на фиг. 4 центральная насадка; на фиг.5 разрез Б-Б на фиг.4; на фиг.6 схема гидродинамического взаимодействия центральной насадки с поверхностью шарошки; на фиг.7 схема распространения щелевой струи из боковой насадки; на фиг.8 схема направления и воздействия щелевых струй из центральной и боковой насадок.

Буровое шарошечное долото включает прикрепленные к корпусу шарошки 1 центральную насадку 2 и боковые насадки 3 со сферическим дном и щелевыми отверстиями 4, 5, направленными на верхнюю 6 и под нижнюю 7 линии контура меридианального сечения шарошек противоположно направлению вращения долота. Вооружение шарошки взаимодействует по нижней линии контура ее меридианального сечения с породой забоя 8, проницаемого для опережающего фильтрационного потока 9 жидкости.

Буровое шарошечное долото работает следующим образом.

При вращении долота шарошки 1 перекатываются по забою 8, внедряясь вооружением (зубьями) в породу по нижней линии 7 меридианального сечения шарошки. Выносимая на зубьях шарошек выбруренная порода при вращении вовнутрь долота смывается плоской струей промывочной жидкости, бьющей из щелевого отверстия 5 центральной насадки 2 навстречу вращению шарошки по ее верхней линии 6 меридианального сечения. Отраженная струя вместе со смытым шламом устремляется в межшарошечный проем. Здесь она сливается с плоской струей, бьющей из щелевого отверстия 4 боковой насадки 3 под нижнюю линию 7 меридианального сечения шарошки. Эта струя также несет смытый из-под шарошки с поверхности забоя 8 шлам, попадает в восходящий поток, образуемый совместно со струей, отраженной от верхней линии 6 меридианального сечения шарошки 1. Кроме того струя, направленная под нижнюю линию 7 меридианального сечения шарошки 1, частично снимает дифференциальное давление на забое, облегчая разрушение породы перед силовым воздействием на нее вооружения шарошек, и предотвращает кольматацию поверхности забоя в момент взаимодействия вооружения шарошки с породой, что обеспечивает эффективное охлаждение контакта вооружения с породой инфильтрационным потоком 9.

Таким образом в предлагаемом шарошечном долоте создана эффективная система промывки, позволяющая наиболее рационально использовать энергию промывочной жидкости для бурения различных типов пород, что в результате обеспечивает повышение технико-экономических показателей бурения.

Использование: бурение скважин, в частности конструкции буровых шарошечных долот с гидромониторными насадками. Сущность: в буровом шарошечном долоте щелевидные отверстия боковых насадок направлены под нижние лопасти контуров меридианальных сечений шарошек противоположно направлению вращения долота. Щелевидные отверстия центральной насадки направлены на верхние линии контуров меридианальных сечений шарошек противоположно направлению вращения долота. Донные части центральной и боковых насадок выполнены сферическими. 8 ил.

БУРОВОЕ ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО, содержащее корпус, прикрепленные к корпусу шарошки, расположенные в корпусе центральный и боковые промывочные каналы с насадками, в донных частях которых расположены щелевидные отверстия, отличающееся тем, что щелевидные отверстия боковых насадок направлены под нижние линии контуров меридиональных сечений шарошек противоположно направлению вращения долота, а щелевидные отверстия центральной насадки направлены на верхние линии контуров меридиональных сечений шарошек противоположно направлению вращения долота, причем донные части центральной и боковых насадок выполнены сферическими.