БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 2005 года по МПК E21B10/18 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к схеме установки эжекционно-гидромониторных насадок, обеспечивающих эрозионное разрушение пород шламовой пульпой.

Известны буровые долота с различными схемами размещения гидромониторных насадок (Кириллин В.И. Выбор и оптимизация схемы промывочных устройств шарошечных долот. - ВНИИОЭНГ, 1991. - 126 с.; Макаров Н.Г. Анализ совершенствования промывочных систем буровых шарошечных долот / Н.Г.Макаров, В.Я.Ясашин, Д.Ю.Сериков // НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - ВНИИОЭНГ. - 2001. - Вып.12, - С.6-10).

Известны схемы размещения гидромониторных насадок:

- асимметричной промывки;

- использование эффекта эжекции;

- оснащение долот вихревыми камерами;

- применение пульсирующей промывки;

- использование насадок уменьшенного диаметра с приближением их к забою.

Известно долото, в котором используется одна насадка с большим поперечным сечением выходного канала, для размещения которой оси двух цапф смещают к третьей цапфе, а насадку размещают между смещенными цапфами, образующими расширенный проем. В этом случае буровой раствор подводится к забою и движется по нему к проемам, свободным от насадок (А.С. 625015 СССР, МКИ Е 21 В 10/18).

Недостатком такой схемы размещения промывочных насадок является одноточечное, только в центре, поражение забоя.

Известно долото, в котором для лучшего удаления шлама из затрубного пространства лапы долота выполнены с каналами, сообщающими надшарошечную полость с затрубным пространством. Эжектирующий канал соединен с полостью корпуса посредством патрубка или эжекционной насадки, образованной двумя концентрично установленными втулками, закрепленными в лапе долота. Кольцевая полость между втулками образует эжектирующий канал, сообщаемый с полостью долота через отверстие. Буровой раствор, подаваемый к насадке из ниппельной части долота, создает в канале лапы долота эффект эжекции, улучшающий вынос шлама из надшарошечной зоны (А.С. 599031 СССР, МКИ Е 21 В 10/18).

Эффективность удаления шлама у этих долот недостаточна, что обусловлено низким КПД эжекционной насадки несовершенной конструкции. Кроме того, эта насадка удалена от поверхности забоя и направлена вверх по потоку раствора и не может реализовать эрозионный эффект.

Известны эжекционно-гидромониторные насадки, выполненные в едином корпусе с камерой смешения и диффузно-разгонной трубой, обеспечивающие эрозионное разрушение породы за счет подсасывания шламовой пульпы, разгона ее до скорости истечения струи и создания на забое гидравлических ударов (патент RU 2117746).

Размещение эжекционно-гидромониторных насадок на долоте по известным схемам, например, симметричной, с расположением насадок по периферии над зубьями шарошек не обеспечивает эрозионного разрушения породы струей шламовой пульпы по всей поверхности забоя из-за периферийного их расположения, отсутствия проемов между зубьями шарошек, значительного удаления (120-150 мм) торцов насадок от поверхности забоя, в результате чего струя эффективно очищает периферийный ряд зубьев шарошки, но не достигает и не разрушает породы, затрудняя очистку остальных зубьев, выход потока раствора и вынос выбуренной породы из-под долота.

Известные технические решения не обеспечивают разрушение породы шламовой пульпой при бурении шарошечными и другими типами долот из-за конструктивных особенностей гидромониторных насадок и схем их размещения в долоте.

Во всех случаях при размещении гидромониторных насадок в долоте предусматривается интенсивная очистка забоя и околодолотного пространства от выбуренного шлама, в том числе за счет эжекции потока с помощью эжекционных насадок, направленных вверх от забоя. Эрозионный эффект частично имеет место при установке удлиненных насадок при большой скорости истечения, при этом абразивные свойства выбуренной породы не используются.

Наиболее близким к предлагаемому решению является буровое трехшарошечное долото, содержащее цилиндрический корпус с присоединительной резьбой на одном конце и цапфами на другом, наклонно расположенными к продольной оси долота, на которых посредством подшипников установлены шарошки с твердосплавными зубками, оснащенные тремя гидромониторными твердосплавными или минералокерамическими насадками, закрепленными в промывочных каналах корпуса посредством стопорного элемента. Насадки размещены в проемах между шарошками и расположены относительно шарошек симметрично.

Особенностью долота является установка насадок под острым углом к продольной оси долота в направлении вращения и одновременно по касательной к стенкам скважины и калибрующим твердосплавным зубкам впереди расположенной шарошки. После отражения от стенки скважины скоростной поток промывочной жидкости также по касательной направляется в поперечном направлении по поверхности забоя (Пат. SU 5029656 США, МПК Е 21 В 10/18).

К недостаткам следует отнести симметричное расположение насадок, струя которых поражает забой только по периферии долота, а угол их наклона обеспечивает только очистку зубцов шарошек и периферийную часть забоя, что не позволяет использовать эрозионно-гидромониторный эффект для разрушения породы на поверхности забоя.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении механической скорости бурения и эффективности работы долота за счет эффективного эрозионно-гидромониторного разрушения породы шламовой пульпой, очистки забоя и зубьев шарошки от шламовой пульпы, отраженной от забоя струей жидкости, уменьшении площади контакта долота с породой, устранении угнетающего дифференциального давления, ускорении адсорбционного разупрочнения породы.

Поставленная цель достигается тем, что в буровом долоте, содержащем корпус с присоединительной резьбой, шарошки, установленные на цапфах лап наклонно к продольной оси долота посредством подшипников, твердосплавные гидромониторные насадки выполнены эжекционными и приближены к забою на расстояние δ, равное трем-четырем калиброванным диаметрам насадки, но не ниже высоты рядом расположенного зуба шарошки, и размещены в промывочных каналах долота по схеме: первая - по радиусу на периферии долота с углом наклона 5-7° к продольной оси долота, вторая - на середине радиуса долота, третья - в центре, со смещением оси эжекционной гидромониторной насадки относительно продольной оси долота на величину a калиброванного диаметра насадки.

Повышение механической скорости бурения и эффективности работы долота достигается за счет изменения поверхности забоя в результате эрозионного разрушения породы гидромониторной струей жидкости, содержащей шламовую пульпу, и образования кольцевых выемок.

На фиг.1 изображено буровое долото по разрезу А-А, на фиг.2 вид снизу. На фиг.3-4 схема работы гидромониторных насадок в скважине, расположенных по предлагаемой схеме. На фиг.5 выноска из фиг.3.

Буровое трехшарошечное долото содержит корпус 1, шарошки 2, эжекционно-гидромониторные насадки: 3 - периферийная, 4 - промежуточная, 5 - центральная, которые размещены в промывочных каналах долота по схеме: по радиусу на периферии долота с углом наклона 5-7° к продольной оси долота (3), на середине радиуса долота (4), в центре, со смещением оси эжекционно-гидромониторной насадки относительно оси долота на величину калиброванного диаметра насадки a=d_н (5), так чтобы их торцы отстояли от поверхности забоя (10) (фиг.4) на расстоянии δ, равном трем-четырем калиброванным диаметрам насадки (фиг.1). В процессе промывки при истечении жидкости из калиброванного отверстия насадки возникает вакуумное пространство, в которое через боковые отверстия в корпусе насадки засасывается раствор, насыщенный шламовой пульпой 7. Шламовая пульпа (7) разгоняется до скорости истечения струи, приобретая огромную динамическую силу, до 14 раз превышающую силу без шлама. Микроудары шлама интенсивно разрушают породу, создавая углубления, кольцевую выемку (9) и целики породы (8) при вращении долота (фиг.3).

В результате площадь контакта долота с поверхностью забоя (10) (фиг.4) уменьшается на 30-40%, а на боковой поверхности целика (8) забойное давление Р_з переориентируется из вертикального угнетающего в горизонтальное по напластованию пород в плоскости действия пластового давления Р_пл.

Так как Р_з больше Р_пл, то под разницей ΔР=Р_з-Р_пл давление в целике (8) будет выравниваться до Р_з. Таким образом, угнетающее давление ΔР будет нейтрализовано. Под перепадом давления ΔР фильтрат раствора будет быстрее проникать в целик (8) по напластованию пород, расклинивая слои (11) и создавая благоприятные условия для абсорбционного разупрочнения (фиг.3).

Зубья шарошек очищаются в трех точках по радиусу на периферии (3), в середине (4) и в вершине шарошек (5) струей раствора, отраженной от забоя под углом 120° (фиг.3). При этом часть потока раствора и шламовая пульпа (7) выносится из-под долота, направляясь, в свободные от насадок проемы между шарошками (2), а другая вместе со шламовой пульпой (7) эжектируется в насадки (3, 4, 5) и с большой скоростью струей направляется на поверхность забоя (10).

В совокупности это создает условия для интенсивного разрушения породы по всему забою и росту в 2-3 раза механической скорости бурения.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к схеме установки эжекционно-гидромониторных насадок, обеспечивающих эрозионное разрушение пород шламовой пульпой. Буровое долото содержит корпус с присоединительной резьбой, шарошки, установленные на цапфах лап наклонно к продольной оси долота посредством подшипников, твердосплавные гидромониторные насадки, которые выполнены эжекционными и приближены к забою на расстояние δ, равное трем-четырем калиброванным диаметрам насадки, но не ниже высоты рядом расположенного зуба шарошки, и размещены в промывочных каналах долота по схеме: первая - по радиусу на периферии долота с углом наклона 5-7° к продольной оси долота, вторая - на середине радиуса долота, третья - в центре, со смещением оси эжекционной гидромониторной насадки относительно продольной оси долота на величину калиброванного диаметра насадки. Повышается механическая скорость бурения и эффективность работы долота. 5 ил.

Буровое долото, содержащее корпус с присоединительной резьбой, шарошки, установленные на цапфах лап наклонно к продольной оси долота посредством подшипников, твердосплавные гидромониторные насадки, отличающееся тем, что гидромониторные насадки выполнены эжекционными и приближены к забою на расстояние δ, равное трем-четырем калиброванным диаметрам насадки, но не ниже высоты рядом расположенного зуба шарошки, и размещены в промывочных каналах долота по схеме: первая - по радиусу на периферии долота с углом наклона 5-7° к продольной оси долота, вторая - на середине радиуса долота, третья - в центре, со смещением оси эжекционной гидромониторной насадки относительно продольной оси долота на величину α калиброванного диаметра насадки.