ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1997 года по МПК E21B10/18 

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

Известно буровое шарошечное долото, содержащее установленные на опорах шарошки и расположенную в центральном промывочном канале долота насадку с конусным внутренним гидравлическим каналом, в стенке насадки выполнены продольные прорези, число которых равно числу шарошек, причем верхние кромки прорезей насадки образуют с осью долота острый угол, лучи которого направлены в сторону выходного отверстия канала [1]
Недостатком долота является низкая эффективность промывочной системы, особенно при бурении липких глиносодержащих пород, вымыв которых затруднен как с поверхности забоя, так и с поверхности шарошек, которые покрываются плотным слоем липкой породы и превращаются в гладкий каток.

Известно буровое трехшарошечное долото, содержащее установленные на опорах шарошки, боковую гидромониторную насадку и центральную цилиндрическую втулку с двумя радиальными каналами, выполненными в ее конусной части. Радиальные щелевые каналы центральной втулки направлены в два межшарошечных проема долота, а боковая гидромониторная насадка установлена в третьем межшарошечном проеме против первой шарошки [2]
Недостатком долота является неорганизованность потоков жидкости, создаваемых его промывочной системой, в результате чего энергия потоков взаимопогашается и гидравлический КПД потока промывочной жидкости уменьшается.

Известно также шарошечное долото, включающее корпус, лапы, шарошки, промывочные каналы в корпусе между шарошками, расположенные в промывочных каналах насадки с центральным осевым каналом и отверстием в донной части [3]
Недостатком долота является низкая эффективность в работе, обусловленная несовершенством промывочной системы. Это несовершенство связано с формой и направлением промывочного отверстия насадок. Струи, вытекающие из насадок в направлении забоя, являются круглыми, сосредоточенными в плоскости забоя и после удара о забой растекаются хаотично. В связи с этим область охвата забоя интенсивным смывающим воздействием сосредоточена вокруг пятна встречи струи с забоем, а остальные части поверхности забоя и долото от выбуренного шлама очищаются плохо, происходит повторное перемалывание шлама и его налипание на шарошки и корпус долота. Кроме того, ввиду хаотичности линий тока жидкости на забое и в поддолотном пространстве, часть шлама увлекается в центральную часть забоя и в надшарошечное пространство, являющиеся застойными зонами, а в момент внедрения зуба в породу и начала ее разрушения не создается дополнительного гидромеханического воздействия на разрушаемую породу вдоль линии силового взаимодействия шарошки с породой забоя.

Целью изобретения является повышение эффективности долота в работе.

Указанная цель достигается тем, что в известном шарошечном долоте, включающем корпус, лапы, шарошки, промывочные каналы в корпусе между шарошками, установленные в промывочных каналах насадки с центральным каналом и отверстием в донной части, донная часть насадки выполнена сферической с отверстием в виде прорези, направленной под наступающую шарошку против вращения долота и расширяющейся к периферии долота пропорционально увеличению диаметра шарошки, причем кромки, ограничивающие длину прорези, образуют угол, охватывающий радиус долота, а внутренняя поверхность центрального осевого канала насадки выполнена с продольными пазами, боковые поверхности разделяющих пазы перегородок расположены в радиально-осевых плоскостях, глубина пазов, средняя ширина пазов и толщина разделяющих пазы перегородок равны размеру абразивных частиц бурового раствора, причем торцы перегородок скруглены.

Выполнение донной части насадки сферической формы позволяет, с одной стороны, минимизировать гидропотери в конце центрального осевого канала насадки, а с другой стороны обеспечивает выполнение прорези сложного профиля и заданного направления относительно поверхности шарошек и забоя для создания рациональной системы промывки.

Направление прорези под наступающую шарошку против вращения долота позволяет осуществлять мощное дополнительное гидромеханическое воздействие на разрушаемую породу одновременно с разрушением ее вооружением шарошки, вымывать выбуренную породу из-под шарошки, предотвращая ее повторное перемалывание, и выносить вымытую породу из призабойной зоны общим восходящим потоком жидкости. Данный восходящий поток жидкости в пространстве призабойной зоны, кинематически двигаясь вверх, одновременно вращается вокруг долота и наддолотного инструмента в одном направлении против вращения долота, что обеспечивается направлением струй жидкости, вытекающих из прорезей насадок. Такое вращательно-восходящее движение с забоя вверх итогового потока промывочной жидкости обеспечивает также смыв сальника с шарошек и корпуса долота, вращающегося навстречу вращению восходящего потока жидкости.

Расширение прорези к периферии долота пропорционально увеличению диаметра шарошки предусмотрено в связи с тем, что количество выбуренной породы пропорционально диаметру шарошки, и соответственно должно возрастать количество подаваемой жидкости от центра до периферии забоя.

Образование кромками, ограничивающими длину прорези, угла, охватывающего радиус долота (забоя), обеспечивает охват гидромеханическим воздействием всей поверхности контакта вооружения шарошки с породой забоя в момент разрушения и полный вынос с забоя продуктов разрушения при одновременном охлаждении вооружения шарошек в пиковый момент тепловыделения, чем также предотвращается термомеханическое разрушение вооружения долота.

Как видно, формируемая система промывки обеспечивает, во-первых, интенсификацию разрушения породы дополнительным гидромеханическим воздействием одновременно с механическим разрушением породы вооружением долота; во-вторых, обеспечивается немедленный вымыв выбуренной породы из-под шарошки с последующим организованным выносом из призабойной зоны, чем предотвращается повторное перемалывание породы; в-третьих, корпус долота и поверхность шарошек интенсивно очищаются от сальника ввиду того, что создаваемый итоговый восходящий поток промывочной жидкости вращается навстречу вращения долота.

Выполнение с продольными пазами внутренней поверхности центрального осевого канала насадки позволяет уменьшить турбулентность пристенного слоя промывочной жидкости, с одной стороны за счет продольного рассечения пристенных турбулентных вихрей, их сглаживания и предотвращения развития, а с другой стороны за счет ламинаризации потока жидкости внутри пазов, так как просветность каждого паза намного меньше, чем целого пристенного слоя жидкости в отсутствии пазов. Ламинаризация же пристенного слоя жидкости, т.е. уменьшение его скорости, приводит к уменьшению гидросопротивления насадки, а также к понижению скорости движения в пристенном слое абразивных частиц, содержащихся в потоке промывочной жидкости (бурового раствора). Так как гидроабразивное разрушение стенки насадки происходит в момент соударения абразивной частицы со стенкой за счет перехода кинетической энергии частицы в работу разрушения стенки, а кинематическая энергия частицы прямо пропорциональна квадрату ее скорости, то замедление скорости абразивных частиц в пристенном слое приводит к квадратичному уменьшению интенсивности гидроабразивного износа поверхности канала насадки.

Кроме ламинаризации пристенного слоя, действует еще один абразивозащитный механизм, обусловленный тем, что боковые поверхности разделяющих пазы перегородок расположены в радиально-осевых плоскостях, глубина пазов, средняя ширина пазов и толщина разделяющих пазы перегородок равны размеру абразивных частиц бурового раствора, причем торцы перегородок скруглены.

Расположение боковых поверхностей разделяющих пазы перегородок в радиально-осевых плоскостях формирует поперечное сечение паза в виде трапеции с более широким основанием на стенке канала и сужающимися к центру канала боковыми стенками, так что паз является ловушкой для попадающих в него абразивных частиц, поскольку размер частиц равен или меньше, чем средняя ширина и глубина (высота) паза. Абразивные частицы, попавшие в паз и стенки паза, сильно замедляют не только течение жидкости в пазе, но и препятствуют разгону в пазе самих же абразивных частиц, так что абразивный износ поверхности канала, занятой пазами, уменьшается.

Износостойкость остальной части поверхности канала, представленной торцами разделяющих пазы перегородок, также повышена за счет того, что средняя толщина этих перегородок равна размеру абразивных частиц бурового раствора, а торцы этих перегородок скруглены. Первое обстоятельство исключает возможность одновременного удара в одно и то же сечение поверхности торца перегородки двух и более абразивных частиц, которые не могут одновременно уместиться на толщине перегородки, а скругленность торца перегородки уменьшает до точки пятно встречи абразивной частицы с поверхностью торца перегородки и способствует сглаживанию турбулентных вихрей.

Так как описанный механизм действует независимо от абсолютной величины размера абразивных частиц, а в буровом растворе обычно присутствуют абразивные частицы различного размера, то соответствующие размеры пазов и разделяющих пазы перегородок выбирают применительно к одной из фракций абразивных частиц, исходя из приемлемых технологических условий изготовления пазов и перегородок.

Как видно, система гидроабразивной защиты насадки позволяет уменьшить потери давления и удлинить эксплуатационный срок насадки.

Таким образом, в предлагаемом долоте создана эффективная система промывки, обеспечивающая, с одной стороны, гидромеханическую интенсификацию разрушения породы одновременно с разрушением породы вооружением долота, немедленный вымыв выбуренной породы из-под наступающей шарошки с последующим организованным ее выносом из призабойной зоны, а также предотвращение сальникообразования на поверхности шарошек и корпусе долота вращающимся навстречу вращению долота восходящим потоком промывочной жидкости. С другой стороны, выполнение насадки позволяет уменьшить потери давления в промывочной системе буровой скважины и удлинить срок службы насадки. В целом эти преимущества обеспечивают достижение цели изобретения повышение эффективности долота в работе.

На фиг.1 схематично показано шарошечное долото (вид сверху); на фиг.2 - насадка; на фиг.3 сечение А-А насадки; на фиг.4 вид Б насадки.

Шарошечное долото включает прикрепленные к корпусу шарошки 1, расположенные в промывочных каналах между шарошками насадки 2. Каждая насадка имеет центральный осевой канал 3. В донной части насадки, имеющей сферическую форму, выполнено отверстие в виде прорези 4, направленной против вращения долота под наступающую шарошку (при вращении долота по часовой стрелке). Прорезь расширяется к периферии долота пропорционально увеличению диаметра шарошки. При этом коэффициент расширения зависит от типа долота относительно буримости пород.

Лучи 5 и 6, проходящие через кромки, ограничивающие длину прорези, образуют угол, охватывающий радиус долота (по забою).

Внутренняя поверхность центрального осевого канала 3 насадки 2 выполнена с продольными пазами 7. Боковые поверхности 8 разделяющих пазы перегородок 9 расположены в радиально-осевых плоскостях. Глубина пазов, средняя ширина пазов и толщина разделяющих пазы перегородок равны размеру абразивных частиц бурового раствора.

Этот размер из интервала размеров фракций абразивных частиц бурового раствора выбирают из условий технологичности изготовления пазов и перегородок на внутренней поверхности центрального осевого канала насадки. Торцы перегородок 9 скруглены.

Шарошечное долото работает следующим образом.

В процессе перекатывания по забою шарошек 1 вращающегося под нагрузкой долота вооружение шарошек 1 внедряется в породу забоя, разрушая ее. Одновременно под каждую шарошку вдоль всей линии внедрения в породу вооружения действует мощная гидромеханическая струя, формируемая прорезью 4 в донной части каждой боковой насадки 2. Струя оказывает на разрушаемую вооружением породу дополнительное разрушающее действие и вымывает из-под наступающей шарошки выбуренную породу, предотвращая повторное ее перемалывание. Действуя в одном (боковом) направлении, струи из прорезей 4 насадок 2 формируют однонаправленный закрученный поток восходящей жидкости, вращающийся навстречу вращению корпуса долота с шарошками, что обеспечивает смыв налипающего шлама с поверхности корпуса долота и шарошек и исключает образование застойной зоны и сальника в наддолотном пространстве.

Расширение прорези к периферии долота пропорционально увеличению диаметра шарошки обеспечивает гидромеханическую интенсивность струи пропорционально количеству выбуриваемой породы во всем интервале действия в пределах ее границ, образуемых лучами 5 и 6, проходящими через кромки, ограничивающие длину прорезей 4.

При течении бурового раствора, содержащего абразивные частицы, в центральном канале 3 насадки 2 гидравлические сопротивления уменьшаются и понижается интенсивность гидроабразивного изнашивания насадки за счет существования на внутренней поверхности осевого канала 3 продольных пазов 7 и разделяющих их перегородок 9.

Таким образом созданная система промывки обеспечивает производительную и длительную работу долота на забое бурящейся скважины.

Использование: бурение скважин. Сущность: в шарошечном долоте, включающем корпус, лапы, шарошки, промывочные каналы в корпусе между шарошками, установленные в промывочных каналах насадки с центральным осевым каналом и отверстием в донной части, донная часть насадки выполнена сферической с отверстием в виде прорези, направленной против вращения долота под наступающую шарошку и расширяющейся к периферии долота пропорционально увеличению диаметра шарошки. Кромки, ограничивающие длину прорези, образуют угол, охватывающий радиус долота. Внутренняя поверхность центрального осевого канала насадки выполнена с продольными пазами. Боковые поверхности разделяющих пазы перегородок расположены в радиально-осевых плоскостях. Глубина пазов, средняя ширина пазов и толщина разделяющих пазы перегородок равны размеру абразивных частиц бурового раствора. Торцы перегородок округлены. 4 ил.

Шарошечное долото, включающее корпус, лапы, шарошки, промывочные каналы в корпусе между шарошками, установленные в промывочных каналах насадки с центральным каналом и отверстием в донной части, направленным под соответствующую наступающую шарошку против вращения долота, отличающееся тем, что донная часть каждой насадки выполнена сферической, а отверстие в донной части в виде прорези, расширяющейся к периферии долота пропорционально увеличению диаметра шарошки, причем лучи, проходящие из центра сферы через точки кромок прорези, определяющие ее длину, образуют угол, охватывающий радиус долота, а внутренняя поверхность центрального осевого канала каждой насадки выполнена с продольными пазами, боковые поверхности разделяющих пазы перегородок расположены в радиально-осевых плоскостях, глубина пазов, средняя ширина пазов и толщина разделяющих пазы перегородок равны размеру абразивных частиц бурового раствора, причем торцы перегородок скруглены.