КОЛОНКОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 1996 года по МПК E21B10/02 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к колонковому долоту для бурения скважин с отбором керна.

Известны лопастные бурильные головки режущего действия для отбора керна в мягких, трещиноватых, слабосцементированных породах. Бурильная головка состоит из корпуса с тремя ступенчатыми лопастями, последняя выполнена в виде опережающей ступени промывочных отверстий круглого сечения, приближенных к поверхности забоя.

Недостатками этих конструкций являются невозможность защиты керна от потока промывочной жидкости и как следствие размыв слабосцементированных пород в зоне кернообразования.

Наиболее близким техническим решением, выбранным нами в качестве прототипа, является колонковое долото, состоящее из корпуса с тремя ступенчатыми лопастями, армированными износостойкими вставками, и опережающей ступицы, отношение высоты которой к ее ширине равно 1,2-1,6 и меняется путем установки сменных коронок разной высоты, в зависимости от геолого-технических условий бурения. Бурильная головка данной конструкции позволяет увеличивать вынос керна в однородных, в пределах долбления условиях за счет изоляции воздействия потока промывочной жидкости на керн. Однако известная конструкция имеет ряд недостатков, не снижает динамические нагрузки на керн. Постоянная высота опережающей части не позволяет регулировать степень защищенности керна от потока жидкости и условия работы резцов при перемежаемости пород по свойствам в пределах долбления.

Отсутствие подвижности опережающей части не позволяет компенсировать периодичность в подаче инструмента и перераспределение удельной нагрузки по рабочей поверхности в процессе долбления в перемежающихся по свойствах породах, что уменьшает эффект защищенности керна от потока жидкости и приводит к снижению долговечности долота.

Изобретение направлено на увеличение выноса керна и повышение долговечности колонкового долота при бурении в слабосцементированных, трещиноватых и перемежающихся по механическим свойствам поpодах.

Это достигается тем, что в колонковом долоте, состоящем из корпуса с промывочными каналами, лопастей, армированных износостойкими вставками, опережающая ступень выполнена подпружиненной. Известно, что вынос керна в большой мере зависит от динамичности нижней части бурильной колонны, перемежаемости горных пород по твердости, характера и плавности подачи инструмента в процессе долбления и др.

Передача нагрузки на опережающую ступень через пружину позволит снизить динамичность работы резцов и повысить сохранность керна. Для защиты керна от потока промывочной жидкости и повышения долговечности опережающей ступени ее высота должна быть разной в зависимости от свойств горной породы в процессе долбления. В твердой горной породе высота опережающей ступени может (с точки зрения защиты от потока жидкости) и должна (с точки зрения условий работы и долговечности опережающей ступени) быть меньше, чем в мягкой породе. Более того, в процессе долбления в момент перехода из твердой породы в мягкую высота опережающей ступени должна автоматически увеличиваться, а при переходе из мягкой в твердую уменьшаться. Подпружиненная установка опережающей ступени позволяет реализовать сказанное.

В процессе бурения периодичность подачи инструмента и зависание его на стенках скважины приводит к оголению области кернообразования и снижению эффекта защиты керна от потока жидкости при жесткой установке опережающей ступени. Предлагаемая нами подвижная подпружиненная установка опережающей ступени снижает вероятность оголения области кернообразования.

Долговечность долота зависит от характера распределения удельной нагрузки по участкам его рабочей поверхности. Долото и распределение его вооружения проектируются из условия работы всех участков рабочей поверхности долота, в одной и той же породе. В момент перехода из твердой породы в мягкую или наоборот характер распределения нагрузки по рабочей поверхности меняется от расчетного. Так, например, при переходе из мягкой породы в твердую жестко закрепленная опережающая ступень колонкового долота будет испытывать перегрузки, что скажется на ее долговечности. Предлагаемая нами подпружиненная установка опережающей ступени позволяет снять эффект перегрузки за счет автоматического изменения высоты ступени (вплоть до нуля) и формы рабочей поверхности колонкового долота.

Исходя из вышесказанного, предложенная нами конструкция колонкового долота, обеспечивающая плавную подачу осевой нагрузки кернообразующих элементов и снижающая динамичность работы резцов, позволяет оценить конструктивное выполнение ее отвечающим критерию изобретения "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлено предлагаемое устройство; на фиг. 2 разрез по А-А на фиг. 1.

Долото включает корпус 1, муфту 2 с резьбой, подвижную опережающую ступень 3, установленную в корпусе 1 на шлицах 4, пружину 5. Корпус имеет лопасти 3. Лопасти 6 корпуса и опережающая ступень 3 оснащены износостойкими резцами 7. Промывка осуществляется через боковые промывочные каналы 8.

В процессе работы устройства на забое в зависимости от свойств породы, ее строения, характера перемежаемости пород с разными свойствами, характера подачи инструмента в процессе бурения, величины осевой нагрузки высота опережающей ступени 3 будет автоматически меняться в пределах от наибольшей (при отсутствии нагрузки на нее) до наименьшей (при полностью сжатой пружине). Пружина 5 постоянно будет выполнять функции демпфера колебаний и динамических нагрузок на керн и опережающую ступень, неизбежных при разрушении горной породы.

При посадке долота на забой и начале бурения в однородных породах в зависимости от нагрузки на долото автоматически устанавливается опережающая ступень 3 с определенной высотой. При бурении в твердых породах высота ступени 3 будет меньше, чем при бурении в мягких породах, т.к. увеличивается нагрузка на ступень и деформацию пружины 5. Уменьшение высоты ступени 3 в твердых породах не опасно для сохранности зерна, но благоприятно для условий работы и долговечности опережающей ступени.

Важным является реакция опережающей ступени на момент перехода границы раздела перемежающихся пород по твердости. При переходе из твердой породы в мягкую при прочих равных условиях высота опережающей ступени автоматически увеличивается, что благоприятно окажется на сохранности керна. При переходе из мягкой породы в твердую высота опережающей ступени 3 уменьшается, что благоприятно скажется на условиях работы резцов 7 и долговечности опережающей ступени 3.

Промывка осуществляется через боковые промывочные каналы 8, выходящие в непосредственной близости от забоя. А так как пружина 5 регулирует высоту опережающей ступени 3 в зависимости от геолого-технических условий бурения, то поток промывочной жидкости не взаимодействует с керном и не разрушает его.

Предлагаемая телескопическая установка опережающей ступени с передачей нагрузки через пружину позволяет уменьшить степень перегрузки резцов опережающей ступени и повысить их долговечность.

Как было показано, предлагаемая конструкция колонкового долота воспроизводима и может быть применена при бурении скважин с отбором керна, повышая процент выноса керна при бурении рыхлых, перемежающихся по твердости пород.

Использование: в колонковых долотах для бурения скважин с отбором керна. Сущность изобретения: колонковое долото содержит корпус с промывочными каналами, муфту с присоединительной резьбой, лопасти, армированные износостойкими резцами и центральную кернообразующую часть в виде опережающей ступени. Опережающая ступень подпружинена. 2 ил.

КОЛОНКОВОЕ ДОЛОТО, включающее корпус с промывочными каналами, муфту с присоединительной резьбой, лопасти, армированные износостойкими резцами, и центральную кернообразующую часть, выполненную в виде опережающей ступени, отличающееся тем, что опережающая ступень выполнена подпружиненной.