ДОЛОТНЫЙ БУР Российский патент 1997 года по МПК E21B10/08 

Изобретение относится к бурению глубоких скважин и может быть использовано в компоновках долотных буров с шарошечными породоразрушающими инструментами.

Известен буровой инструмент, имеющий бурильную трубу, поперечное сечение которой во взаимно перпендикулярных направлениях имеет различные моменты инерции. Недостатком бурового инструмента является возможность изгиба бурильной трубы под действием осевой нагрузки в плоскости расположения наименьшего момента инерции.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является долотный бур, корпус которого состоит из набора утяжеленных элементов, через которые проходят утяжеленные бурильные трубы. Под нижним торцом корпуса расположен породоразрушающий инструмент в виде шарошек, две из которых расположены не периферии окружности бура. Над породоразрушающим инструментом расположен калибратор.

Недостатками известного устройства являются опасность прилипания корпуса бура к стенке скважины, высокий момент вращения бура, малая механическая скорость бурения, эффект поршневая при спуске в скважину, затрудненный вынос шлама в процессе бурения, большой вес и длина бура, некачественное формирование ствола скважины, невозможность использования жестких компоновок, расположенных выше бура и приложения дополнительных осевых нагрузок на бур со стороны этих компоновок.

Технической задачей изобретения является повышение проходки на долото, механической скорости бурения и снижение момента вращения бура за счет устранения прилипания корпуса к стенке скважины, улучшения выноса шлама с забоя скважины, уменьшения веса и длины бура за счет появляющейся возможности нагружения бура со стороны вышерасположенных утяжеленных жестких компоновок, а также является качественное формирование ствола скважины за счет уменьшения прогиба корпуса бура под действием осевой нагрузки, а также проработки стенки скважины и центральной части забоя.

Долотный бур, содержащий корпус в виде набора утяжеленных элементов, не менее двух расположенных в одной плоскости и проходящих через корпус утяжеленных бурильных труб, расположенный под нижним торцом корпуса породоразрушающий инструмент и установленный над породоразрушающим инструментом калибратор, отличающийся тем, что корпус в поперечном сечении выполнен в виде овала или прямоугольника со скругленными углами, или ромба, части круга, ограниченного параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси сечения, а породоразрушающий инструмент выполнен в виде установленных на цапфах шарошек, сфероконической формы, вершины конусов которых расположены в сторону центральной части бура на осях цапф, расположенных в осевой плоскости под углом к оси бура, находящимся в пределах 30 90^o, при этом калибратор, выполненный двухлопастным, закреплен на корпусе и расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения большой оси поперечного сечения корпуса и периферийных шарошек, причем наибольший размер поперечного сечения корпуса по отношению к диаметру бура находится в следующих соотношениях
0,87≅ a/D ≅ 0,97,
где a наибольший размер поперечного сечения корпуса, мм;
D диаметр бура, мм.

Кроме того, плоскости расположения периферийных шарошек в буре размещены под острым углом к плоскости расположения большей оси поперечного сечения корпуса.

Техническим результатом поставленной технической задачи является получение жесткого корпуса бура наряду с обеспечением необходимых просветов между корпусом и стенками скважины, что устраняет прилипание к стенке скважины, прихват в процессе бурения, сальникообразование, улучшение выноса шлама с забоя, уменьшение веса и длины бура, а также лучшая проработка, калибрование стенки скважины и повышение производительности процесса бурения стволов большого диаметра.

На фиг. 1 показан общий вид долотного бура, на фиг. 2 разрез по А-А (овал); на фиг. 1 на фиг. 3 разрез по А-А (прямоугольник с закругленными углами на фиг. 1; на фиг. 4 разрез по А-А (ромб) на фиг. 1, на фиг. 5 - разрез по А-А (часть круга, ограниченная параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси сечения) на фиг. 1; на фиг. 6 разрез по Б-Б на фиг. 1.

Долотный бур имеет корпус 1, который состоит из набора утяжеленных элементов 2, скрепленных между собой стяжками 3. Через элементы 2 проходят утяжеленные бурильные трубы 4. Бурильных труб 4 может быть больше двух и они расположены в одной осевой плоскости, проходящей через большую ось поперечного сечения корпуса (фиг. 2). Со стороны нижнего торца корпуса 1 расположен породоразрушающий инструмент в виде шарошек 5. Шарошки 5 выполнены сфероконическими, вершины конусов которых расположены на осях цапф 6 в сторону центральной части бура. Шарошки 5 имеют вооружение 7. В непосредственной близости от шарошек 5 расположен калибратор 8. Калибратор 8 выполнен двухлопастным. Лопасти 8 расположены в плоскости, которая перпендикулярна плоскости расположения шарошек 5. Корпус 1 имеет в поперечном сечении форму овала или прямоугольника со скругленными углами, или ромба, или части круга, ограниченной параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси сечения. Большая ось расположена в осевой плоскости. Оси цапф 6 могут быть расположены в осевой плоскости под углом к оси бура, находящимся в пределах 30 90^o. Наибольший размер поперечного сечения корпуса 1 по отношению к диаметру бура находится в соотношениях
0,87≅a/D≅0,97.

Указанные соотношения приняты из условий: повышения качества формирования ствола в процессе бурения скважины, предупреждения искривления, прихватов колонн, исключения сальникообразования, гидроразрыва пород, улучшения промывки призабойной зоны и выноса шлама в затрубном пространстве. Причем верхние значения соотношений приняты из конструктивных параметров РТБ и опыта его применения (0,97 0,98, с. 10 РД 39 0148052-514-86. Инструкция по предупреждению искривления вертикальных скважин М. Миннефтепром, 1986), а нижние из опыта применения наддолотно-стабилизирующих устройств (HCY) и жестких компановок низа бурильной колонны с двумя центраторами для роторного способа бурения (там же, с. 13 и 34 36).

Работа долотного бура. При работе долотного бура корпус 1 получает вращение от ротора. В процессе бурения корпус 1 не будет прилипать к стенке скважины по большой оси поперечного сечения, т.к. в этой плоскости расположены шарошки 5. Также корпус 1 не будет касаться стенки скважины поверхностью по малой оси сечения, т.к. в этой плоскости расположены лопасти калибратора 8. За счет того, что большая ось сечения по размеру близка к диаметру бура, корпус 1 имеет большую жесткость. Это дает возможность выполнить его укороченным и, следовательно, более легким по сравнению с известной конструкцией. За счет того, что корпус 1 по меньшей оси сечения наиболее удален от стенки скважины, эффективно удаляется шлам с забоя со стороны этой поверхности корпуса 1 бура. За счет расположения большой оси сечения и лопастей калибратора во взаимно перпендикулярных плоскостях изгиб корпуса 1 будет происходить через каждые 90^o, поскольку изгибающая сила будет также меняться через каждые 90^o.

Указанное сочетание позволяет обеспечивать надежное центрирование бура в скважине при одновременном исключении вероятности прилипания корпуса к стенкам скважины, прихвата в процессе бурения, сальникообразования, обеспечивая при этом турбулизацию восходящего потока со шламом. Восходящий поток со шламом разделен на два канала корпусом бура и находится в постоянном перемещении за счет вращения корпуса бура. Смена условий взаимодействия восходящего потока промывочной жидкости со шламом и корпуса бура при повороте на каждые 90^o исключает сальникообразование на поверхности корпуса.

Например, разработанная конструкция бура диаметром 393,7 мм, поперечное сечение которого выполнено в форме эллипса (фиг. 2), имеет максимальный размер поперечного сечения, равный 360 мм, а соотношение а/D 0,914. При этом площадь затрубного пространства составляет 368,9 см², что в 2,15 раза больше, чем при использовании РТБ диаметром 393,7 мм, имеющего наибольший поперечный размер равный 384 мм. При бурении РТБ-394 с расходом бурового раствора 70 л/с скорость восходящего потока бурового раствора со шламом в кольцевом пространстве между стенками скважины и корпуса РТБ будет равна 4,08 м/с, что приводит, как показал опыт применения РТБ, к осложнениям (размыв стенок скважины, гидроразрыв пород и т.д.). При бурении долотным буром 393,7 мм с той же производительностью, равной 70 л/с, скорость восходящего потока бурового раствора будет равна 1,90 м/с, что в 2,15 раза ниже аналогичного показателя для РТБ, и позволяет избежать осложнений, связанных со стенками скважины.

Применение долотного бура диаметром 480 мм осуществлялось в сверхглубокой скважине N1 Утвинская (проектная глубина 8500 м.) ПГО "Уральскнефтегазгеология" при расширении интервала 1298 2112 м (814 м.) (коэффициент расширения K_р 1,22). Расширение произвели за пять долблений. Средняя проходка за одно долбление составила 162,8 м. в течение 25,7 ч. при механической скорости 6,33 м/ч.

Расширение интервала 510 1362 м (852 м.) (K_р 1,66) серийными трехшарошечными долотами диаметром 490 мм в глубокой (проектная глубина 5500 м) скважине N2 Ордовик треста "Оренбург-бургаз" произвели за 22 долбления. Средняя проходка за долблением составила 38,7 м, при механической скорости расширения 0,81 м/ч и стойкости долота 47,7 ч.

Сравнение показателей долотного бура и серийных шарошечных долот показывает, что средняя проходка на долотный бур и средняя механическая скорость за одно долбление превышают аналогичные показатели трехшарошечных долот в 4,21 раза и соответственно в 7,81 раза.

Сфероконические шарошки 5 периферийной сферической частью формируют периферийную часть забоя и калибруют стенку скважины. Коническая часть шарошек 5 формирует центральную часть забоя. За счет расположения лопастей калибратора 8 в непосредственной близости от шарошек 5 происходит качественное формирование ствола скважины за счет улучшения ее геометрии в поперечном сечении. Также это дает возможность иметь корпус 1 бура более короткой длины. Улучшению геометрии скважины в поперечном сечении также способствует угол расположения цапфы 6 в пределах 30 90^o.

При расположении плоскостей, содержащих оси шарошек 5 под острым углом к плоскости расположения большей оси сечения корпуса 1, увеличивается скольжение вооружения 7 шарошек 5, что также способствует улучшению геометрии ствола скважины в его поперечном сечении и выравниванию поверхности стенки скважины.

За счет того, что корпус 1 по малой оси поперечного сечения наиболее удален от стенки скважины, исключается эффект поршневания при спуске бура на забой скважины и его подъеме, что как следствие предотвращает гидроразрыв пластов, обвалы и размывы стенок скважин. Центрирование бура в скважине, в т. ч. в призабойной зоне, обеспечение заданной траектории и качества ствола, а также повышение производительности бурения достигаются за счет: расположения шарошек породоразрушающего инструмента в плоскости максимальной жесткости бура, а в плоскости наименьшей жесткости двухлопастного калибратора, установленного в непосредственной близости от породоразрушающего инструмента; установки опорно-центрирующих устройств (центраторов, калибраторов) в компоновке (утяжеленных бурильных труб), низа бурильной колонны над буром в соответствии с расчетом; нагружения бура со стороны выше расположенной компоновки низа бурильной колонны до значений, необходимых по условиям эффективного разрушения разбуриваемых пород в сочетании с другими режимными параметрами.

Использование: изобретение относится к бурению глубоких скважин большого диаметра и может быть использовано в компоновках долотных буров с шарошечными породоразрушающими инструментами. Сущность изобретения: долотный бур содержит корпус в виде набора утяжеленных элементов, расположенный под нижним торцом корпуса породоразрушающий инструмент и установленный над породоразрушающим инструментом калибратор. Он снабжен проходящими через корпус утяжеленными бурильными трубами, оси которых расположены в одной плоскости. Корпус в поперечном сечении выполнен в виде овала или прямоугольника со скругленными углами, или ромба, или части круга, ограниченного параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси сечения. Породоразрушающий инструмент выполнен в виде установленных на цапфах шарошек сфероконической формы, вершины конусов которых расположены в сторону центральной части бура на осях цапф, расположенных в осевой плоскости под углом к оси бура, находящимся в пределах 30 - 90^o. Калибратор выполнен двухлопастным, закреплен на корпусе и расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения большой оси поперечного сечения корпуса и шарошек. Наибольший размер поперечного сечения корпуса по отношению к диаметру бура находится в следующих соотношениях:
0,87 ≅ a/D ≅ 0,97,
где a - наибольший размер поперечного сечения корпуса, мм;
D - диаметр бура, мм.

Плоскости расположения шарошек размещены под острым углом и плоскости расположения большой оси поперечного сечения корпуса. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Долотный бур, содержащий корпус в виде набора утяжеленных элементов, расположенный под нижним торцом корпуса породоразрушающий инструмент и установленный над породоразрушающим инструментом калибратор, отличающийся тем, что он снабжен проходящими через корпус утяжеленными бурильными тубами, оси которых расположены в одной плоскости, причем корпус в поперечном сечении выполнен в виде овала или прямоугольника со скругленными углами, или ромба, или части круга, ограниченного параллельными хордами, симметрично расположенными относительно большой оси сечения, а породоразрушающий инструмент выполнен в виде установленных на цапфах шарошек сфероконической формы, вершины конусов которых расположены в сторону центральной части бура на осях цапф, расположенных в осевой плоскости под углом к оси бура, находящимся в пределах 30 90^o, при этом калибратор выполнен двухлопастным, закреплен на корпусе и расположен в плоскости, перпендикулярной плоскости расположения большой оси поперечного сечения корпуса и шарошек, причем наибольший размер поперечного сечения корпуса по отношению к диаметру бура находится в следующих соотношениях 0,87≅а/D≅0,97, где а наибольший размер поперечного сечения корпуса, мм, D диаметр бура, мм.