БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 1996 года по МПК E21B10/32 

Изобретение касается породоразуршающего инструмента, а именно, долот для бурения глубоких и сверхглубоких скважин.

Все известные буровые долота (шарошечного, лопастного, фрезерного и др. типов) оборудованы режущими, скалывающими элементами, имеющими призматическую (прямоугольную) или круглую форму, разделенными по образующей цилиндра каналами для транспортировки выбуренной породы. Недостатками известных долот является небольшая производительность (механическая скорость проходки), обусловленная малой величиной внедрения резцов в породу при нормированной осевой нагрузке на долото и его скорости вращения, несовершенной схемой предварительной обработки породы промывочной жидкостью, ее разрушения, охлаждения резцов и их очистки, а также несвоевременностью эвакуации выбуренной породы.

Цель изобретения увеличение производительности долота путем большей глубины внедрения его резцов в породу при равных нормированных условиях его работы.

Поставленная цель достигается тем, что буровое долото, содержащее корпус, закрепленный в нижней части корпуса бандаж с выступами на нижнем торце, расположенные под корпусом крестовину, а под крестовиной передовой наконечник, сообщающийся центральным промывочным отверстием с центральными промывочными отверстиями крестовины и корпуса, размещенный в корпусе подпружиненный поршень, кинематически связанные с корпусом и поршнем лопасти в виде жестко соединенных между собой подпятников и щек, каждая из которых связана эллипсоидальными шарнирами с корпусом и поршнем, а подпятники установлены с возможностью углового поворота относительно забоя скважины, жестко закрепленные на подпятниках твердые периферийные резцы в виде алмазов и мягкие торцевые резцы в виде твердых сплавов с размещенными в наклонных пазах сухарей резцами для их автоматической подачи к стенке скважины по мере истирания торцевых резцов, на передовом наконечнике в виде гидромониторной цилиндрической насадки с узкими продольными каналами по образующим наружной поверхности цилиндра закреплены торцевые резцы, отличающееся тем, что торцевые резцы подпятников и передового наконечника выполнены в виде полых цилиндров, сообщающиеся с затрубным пространством, подпятник выполнен с углублением и со сквозными отверстиями в торцевой части, сообщающиеся с отверстиями полых цилиндров, а бандаж выполнен с выступом с возможностью расположения в углублении подпятника при рабочем положении лопастей; полый цилиндр на передовом наконечнике установлен эксцентрично относительно оси вращения долота; нижняя торцевая часть полого цилиндра выполнена с рядом каналов, совпадающих с продольными каналами на наружной поверхности передового наконечника.

Общий вид с продольным разрезом предложенного бурового долота показан на фиг. 1. Долото содержит полый корпус 1, имеющий в нижней части по образующей цилиндра прорези 2 со сквозными отверстиями 3, бандаж 4 с прорезями 5 и пазами 6, крестовик 7 с центральным промывочным отверстием 8, жестко соединенный своими ребрами с корпусом и бандажом штифтами 9, несущий пружинную подвеску 10 и поршень 11, имеющий аналогично корпусу ответные прорези 12 с отверстиями 13, связанных между собой пружинами растяжения 14, навинченных на верхние и нижние зацепы 15, 16, соответственно. В нижней части крестовика смонтирована гидрозапорная насадка 17 с центральным промывочным отверстием, оборудованная в центральной части полым цилиндром 18, выполняющим функцию торцового центрального резца потому, что расположен эксцентрично по отношению оси вращения долота. В торце резца и по образующим цилиндра насадки прорезаны сквозные канавки 19, 20, соответственно. В представленном варианте долото имеет четыре лопасти, кинематически связанные с корпусом и поршнем с возможностью углового поворота по отношению к забою скважины. Одна лопасть собирается из щеки 21 и подпятника 22, жестко соединенных между собой. Щека лопасти своими эллипсоидальными отверстиями 23 и 24 монтируется в прорезях корпуса и поршня при помощи осей 25 и 26. Углубления 27 и 29 в подпятнике и выступы 28 и 30 в крестовике и бандаже формируют замки, не допускающие самопроизвольное раскрытие и сжатие лопастей в транспортном и рабочем положении долота, соответственно. Подпятники вооружены резцами, обеспечивающими полное поражение забоя скважины и калибровку ее стенки.

Торцевые резцы подпятников 31, имеющие форму полых цилиндров, - "мягкие", например, победитовые, выполняют основную работу по разрушению горной породы забоя скважины и ее своевременную эвакуацию в затрубье через отверстия полых цилиндров.

Периферийные "твердые" призматические резцы 22 имеют устройство в виде сухаря 33 с наклонным пазом, вставленным в отверстие 34, обеспечивает автоматическую подачу резца к стенке скважины по мере истирания торцевых резцов.

Периферийные "твердые", например, алмазные резцы 35, жестко закрепленные на подпятнике и калибрующие стенку скважины.

Осевая нагрузка передается торцом бандажа долота на плоскости подпятника 36 и 37 при работе долота в транспортном и рабочем положении соответственно, после выборки зазоров по вертикали и горизонтали 25 и 26 в отверстиях 23 и 24, чему способствует цилиндрическая пружина сжатия 38, вставленная в выточки щеки и корпуса. Зазоры нужны также для компенсации углового поворота при переводе лопастей в рабочее положение после отпирания замка и свободной передаче осевой нагрузки на лопасти.

Долото работает так. В транспортном положении (фиг.) лопасти сдвинуты к центру долота под воздействием пружин растяжения, при этом, задние поверхности торцевых резцов 39 имеют тупой угол по отношению к поверхности забоя скважины, а передние поверхности 40 этих резцов перпендикулярны (I) задним, замок закрыт, периферийные резцы 32 и 35 не выступают за диаметр корпуса долота. При достижении долотом забоя скважины бурильная колонна приводится во вращение с постепенным увеличением осевой нагрузки до номинальной. Затем буровыми насосами обеспечивают циркуляцию промывочной жидкости. Начинается процесс бурения скважины долотом, находящегося в первой позиции, т. е. в транспортном положении. После отработки долота в этой позиции, т. е. при уменьшении механической скорости проходки, вследствие частичного истирания резцов, приводящее к увеличению площади контакта между их задними поверхностями и породой, долото переводят для работы во вторую (рабочую) позицию, для чего долото приподнимают, при этом, буровая жидкость, пройдя через зазоры верхней части крестовика, подвески и корпуса к поршню, передвигает его вниз. Связанные с ним через оси и щеки лопасти выходят из замкового зацепления и переходят в крайнее положение. После нагружения долота осевой силой, процесс бурения продолжается. Первой в породу внедряется гидрозапорная насадка, названная так потому, что буровая жидкость спокойно проходит ее центральное отверстие. А вот, попадая в щель, образованной наружной поверхностью насадки и стенкой цилиндрической выточки породы, формирует большие значения скоростного напора жидкости, намного превосходящие те, которые формирует известный гидромониторный эффект, получаемый при помощи цилиндрической насадки типа "сопло". Кроме того формируется более эффективная схема подготовки породы к разрушению за счет условий, способствующих образованию микротрещин в породе, проникновению жидкости в поры и трещины, приводящее к размягчению породы вплоть до ее гидроразрыва, прежде чем ее коснутся резцы подпятника. Торцевые и радиальные канавки 19 и 20 выполняют функцию регуляторов, т. к. обеспечивают разгрузку буровых насосов и дополнительный гидромониторный эффект при повышении давления в насадке (происходит нечто микроразрыва). Вследствие того, что в канавках скорость жидкости больше, чем в любой точке насадки, их размеры сохраняются в течение всего времени бурения. Скоростной поток буровой жидкости, направленный снизу вверх на подпятники, проходит сквозь отверстия торцевых полых цилиндров, охлаждает их и обеспечивает полную очистку долота от выбуренной породы, предупреждая, тем самым, повторное ее перемалывание.

После отработки долота во второй позиции (т. е. при чрезмерном затуплении резцов) его переводят на работу в первой позиции. Для чего: приподнимают и промывают долото, останавливают насосы или переключают их выкиды на приемные емкости, что ведет к снятию давления жидкости над поршнем долота. При этом под воздействием пружин растяжения лопасти переходят в транспортное положение. Процесс перестановки лопастей и, следовательно, принудительно заточки торцевых резцов о забой скважины, повторяют многократно до их полного истирания.

Рассмотрим конкретный пример применения резцов в форме полого цилиндра. Покажем, что применение таких резцов в буровом инструменте даст значительный экономический эффект. Рассчитаем значения моментов сопротивления для резца прямоугольного (сл. 1), форме полого цилиндра (сл. 2) и круглой формы (сл. 3), равных по площади в сечении.

Момент сопротивления сечения, как физическая величина, характеризует его способность оказывать сопротивление приложенной к нему силе. Приведенные расчеты показали, что наибольшей способностью сопротивлению внешней силе обладает сечение полого цилиндра на 63% и 60% по отношению к сл. 1 и сл. 3. соответственно.

В аналогичной пропорции находятся такие параметры, как углубление резца в породу за один оборот, необходимая осевая нагрузка, степень поражения забоя скважины одним резцом и, наконец, производительность бурения.

Использование: породоразрушающий инструмент, в частности, долота для бурения глубоких и сверхглубоких скважин. Сущность изобретения: в буровом долоте торцевые резцы подпятников 22 выполнены в виде цилиндров 31. Передовой наконечник выполнен в виде цилиндра 18. Подпятник 22 выполнен с углублением 29 и со сквозным отверстием в торцевой части, которые сообщаются с отверстиями цилиндров 31. Бандаж 4 выполнен с выступом 30, который может быть расположен в углублении 29. Цилиндр 18 может быть установлен эксцентрично относительно оси вращения долота. На торцовой части цилиндра 18 могут быть выполнены ряд каналов 19, которые совпадают с каналами 20. 2 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Буровое долото, содержащее корпус, закрепленный в нижней части корпуса бандаж с выступами на нижнем торце, расположенные под корпусом крестовину, а под крестовиной передовой наконечник, сообщающийся центральным промывочным отверстием с центральным промывочным отверстием крестовины и корпуса, размещенный в корпусе подпружиненный поршень, кинематически связанные с корпусом и поршнем лопасти в виде жестко соединенных между собой подпятников и щек, каждая из которых связана с корпусом и поршнем эллипсоидальными шарнирами, а подпятники установлены с возможностью углового поворота относительно забоя скважины, жестко закрепленные на подпятниках твердые периферийные резцы в виде алмазов и мягкие торцевые резцы в виде твердых сплавов с размещенными в наклонных пазах сухарями для их автоматической подачи к стенке скважины по мере истирания торцевых резцов, на передовом наконечнике в виде гидромониторной цилиндрической насадки с узкими продольными каналами по образующим наружной поверхности цилиндра закреплены торцевые резцы, отличающееся тем, что торцевые резцы подпятников и передового наконечника выполнены в виде полых цилиндров, сообщающихся с затрубным пространством, подпятник выполнен с углублением и со сквозными отверстиями в торцевой части, сообщающимися с отверстиями полых цилиндров, а бандаж выполнен с выступом с возможностью расположения в углублении подпятника при рабочем положении лопастей. 2. Долото по п.1, отличающееся тем, что полый цилиндр на передовом наконечнике установлен эксцентрично относительно оси вращения долота. 3. Долото по п.2, отличающееся тем, что нижняя торцевая часть полого цилиндра выполнена с рядом каналов, совпадающих с продольными каналами на наружной поверхности передового наконечника.