БУРОВОЕ АЛМАЗНОЕ ДОЛОТО Российский патент 1999 года по МПК E21B10/46 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к буровым алмазным долотам.

Известно буровое алмазное долото, содержащее корпус с промывочными каналами, рабочую головку с установленными в ней породоразрушающими элементами типа "Stratapax" для мягких и мягких с пропластками средних пород, в котором угол установки породоразрушающих элементов отрицательный. Рекомендуемое значение этого угла (-10) - (-15)^o (до - 25^o), причем величина угла одинакова на всей поверхности рабочей головки [1]. Однако применение этого долота в твердых и крепких породах неэффективно.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является буровое долото, содержащее корпус с промывочными каналами, рабочую головку и установленные в ней породоразрушающие элементы в виде закрепленных на державках алмазотвердосплавных режущих пластин, установленных с возможностью поворота вокруг продольной оси державки на угол 180^oC и фиксации в конечном положении. Углы установки режущих пластин определяются углами наклона продольных осей державок к плоскостям резания, углами между продольными осями державок и передними гранями режущих пластин и значениями углов установки режущих элементов, принятыми для разбуривания твердых и мягких пород [2].

Недостатком конструкций долот [1,2] является неучет механизма разрушения твердых и крепких пород, а именно, что при разбуривании твердых и крепких пород разрушение носит хрупкий объемный характер, и это создает разные условия для работы породоразрушающих элементов на участках забоя, находящихся на разных расстояниях от оси скважины. По мере приближения к центру забоя угол спирали, по которому происходит реальное углубление резца в породу, неуклонно увеличивается. В результате, реальный угол атаки породы, определяющий ее разрушение, фактически уменьшается от периферии к центру и практически не совпадает с конструктивно заданным одинаковым на всей рабочей поверхности долота углом установки. Следовательно, при углах установки элементов, одинаковых на всей рабочей поверхности алмазного долота, даже выбранных наиболее эффективными для данной породы и условий сохранения прочности режущих пластин, большинство режущих элементов будут разрушать породу неэффективно и прочность их будет снижаться. Все это снижает эффективность работы бурового алмазного долота.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы долота в твердых и крепких породах за счет учета влияния на разрушение этих пород зависимости между радиусом кругового движения породоразрушающего элемента при вращении долота и углом его установки.

Поставленная задача достигается тем, что в буровом алмазном долоте, содержащем корпус с промывочными каналами, рабочую головку и установленные в ней породоразрушающие элементы в виде закрепленных на державках алмазотвердосплавных режущих пластин с отрицательным углом установки, углы установки изменяются по модулю при изменении расстояния от оси долота до точки режущей пластины, лежащей на образующей поверхности рабочей головки, так, что на периферии они равны углам установки, принятым для пород разбуриваемой твердости, а по мере приближения к оси долота увеличиваются по модулю соответственно уменьшению радиуса.

На фиг.1 изображено долото в разрезе. На фиг. 2 - сечение A-A на фиг. 1, на фиг. 3 - сечение B-B на фиг. 1, на фиг. 4 - сечение C-C на фиг. 1, на фиг. 5 - сечение D-D на фиг. 1, на фиг. 6 - сечение E-E на фиг. 1. На фиг. 7-11 представлены соответствующие разрезы фиг.1 при другом варианте реализации изменения угла установки породоразрушающих элементов.

Долото содержит корпус 1 с промывочными каналами 2, рабочую головку 3 с установленными в ней породоразрушающими элементами 4 в виде алмазно-твердосплавных режущих пластин 5, закрепленных в державках 6 (фиг. 1). Режущие поверхности пластин расположены под разными углами установки α(α₁-α₅ на фиг. 2-11) к прямой, перпендикулярной образующей поверхности 7 рабочей головки 3, соответственно разному расстоянию P от оси долота 8 до точки 9 пластины 5, лежащей на образующей поверхности рабочей головки. Угол установки α₅ периферийных элементов равен углу установки α_п, имеющему конкретное значение в зависимости от твердости разбуриваемых пород, а при приближении к оси долота угол установки увеличивается по модулю. На фиг. 2-6 породоразрушающий элемент 4 с режущей пластиной 5, закрепленный в державке 6, установленный под углом α(α₁> α₂> α₃> α₄> α₅= α_п) к прямой, перпендикулярной образующей поверхности 7 рабочей головки 3, движется в направлении 10 по наклонной спиральной поверхности забоя 11, образованной проходом предыдущего элемента. Наклон поверхности забоя 11 к образующей поверхности 7 определяется углом γ, тем большим, чем меньше расстояние p(γ₁> γ₂> γ₃> γ₄> γ₅). В этом варианте реализации изменение угла установки осуществляется за счет изменения наклона оси державки (12) к образующей поверхности 7 рабочей головки. В варианте, представленном на фиг. 7-11, изменение угла установки осуществляется за счет изменения угла наклона режущих пластин 5 к оси державки 12.

Долото работает следующим образом.

В процессе бурения на корпус 1 и рабочую головку 3 долота передается осевая нагрузка и крутящий момент, под действием которых установленные в рабочей головке породоразрушающие элементы 4 посредством закрепленных на державках 6 режущих пластин 5 разрушают породу, которая буровым раствором, подаваемым по промывочным каналам 2, выносится в затрубное пространство.

Под кромкой режущей пластины 5 и впереди нее развивается механизм разрушения, характерный для процесса резания твердых пород.

Под контактной площадкой пластины с породой расположено ядро всестороннего сжатия со значительными касательными напряжениями. При увеличении нагрузки часть ядра сжатия превращается в ядро предразрушения со множеством локальных трещин. Объем ядра увеличивается и оно начинает оказывать распирающее действие на целик неразрушенной породы. В результате от границы ядра распространяется в разные стороны множество разрывных трещин. Наличие, кроме нормальной нагрузки на пластину, еще сил резания сдвигает всю картину вперед по ходу движения. В зависимости от угла установки пластины, величин сил и свойств породы та или иная трещина может получить развитие или затормозиться. Наиболее благоприятным для развития процесса резания является случай, когда доминирующая магистральная трещина направлена параллельно поверхности породы, опережая движение режущего элемента. Предлагаемое изобретение направлено на реализацию этого механизма резания.

Управляющим фактором для достижения эффективного резания является выбор оптимального для данного типа породы угла наклона передней грани режущей пластины к разрушаемой поверхности. Этот угол определяется углом установки пластины и траекторией внедрения в породу породоразрушающего элемента при его круговом движении по поверхности забоя. Установлено, что траектория состоит из трех участков: она начинается участком врезания и завершается участком стабилизации с постоянной глубиной резания. Эти два участка соединяются достаточно длинным и во многих случаях прямолинейным участком углубления. Породоразрушающий элемент, следующий за этим, уже идет по наклонной поверхности и также образует борозду для прохода последующего элемента. Экспериментально установлено, что при движении режущих элементов, следующих друг за другом на одном расстоянии от оси долота, устанавливается спиральная траектория с постоянной толщиной снимаемого слоя породы, но различными углами, зависящими от p:tgγ = δ/p, где δ интенсивность углубления породоразрушающего элемента. Величина γ наибольшая вблизи центра забоя и наименьшая на периферии (см. таблицу 1). При этом реальный угол наклона передней грани режущей пластины к разрушаемой спиральной поверхности по модулю меньше угла установки приблизительно на величину γ.
Учет этого фактора и составляет сущность данного изобретения. Для того, чтобы достичь наиболее эффективного резания, величины углов установки увеличиваются по модулю от периферии к центру так, чтобы реальный угол между передней режущей алмазной гранью элемента и спиральной разрушаемой поверхностью породы был оптимальным для данного типа породы.

Применение этого долота позволит повысить эффективность разрушения твердых и крепких пород алмазными буровыми долотами, что приведет к значительному увеличению скорости бурения (см. таблицу).

Источники информации:
1. Boutet J.P., Dumay P., Jacobs A., Leveque O. Outils Stratapax. - Forages, 1982, N 94, pp. 107 - 141 (аналог).

2. Авторское свидетельство СССР N 1366628 A1, кл. E 21 B 10/46, 1984 (прототип).

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин. Буровое алмазное долото содержит корпус с промывочными каналами, рабочую головку с установленными в ней породоразрушающими элементами в виде алмазно-твердосплавных пластин с отрицательным углом установки, закрепленных в державках. Новым в устройстве является то, что углы установки α изменяются по модулю при изменении расстояния от оси долота до точки режущей пластины, лежащей на образующей поверхности рабочей головки так, что на периферии они равны углам установки, имеющим конкретные значения в зависимости от твердости разбуриваемых пород, а по мере приближения к оси долота увеличиваются по модулю соответственно уменьшению радиуса. Повышается эффективность работы долота в твердых и крепких породах за счет учета влияния на разрушение этих пород зависимости между радиусом кругового движения породоразрушающего элемента при вращении долота и углом его установки. 11 ил., 1 табл.

Буровое алмазное долото, содержащее корпус с промывочными каналами, рабочую головку и установленные в ней породоразрушающие элементы в виде закрепленных на державках алмазотвердосплавных режущих пластин с отрицательным углом установки, отличающееся тем, что углы установки изменяются по модулю при изменении расстояния от оси долота до точки режущей пластины, лежащей на образующей поверхности рабочей головки, так, что на периферии они равны углам установки, имеющим конкретные значения в зависимости от твердости разбуриваемых пород, а по мере приближения к оси долота увеличиваются по модулю соответственно уменьшению радиуса.