Настоящее изобретение относится к ударному буровому долоту для бурения подземной формации, имеющему центральную продольную ось и действующему при приложении повторяющихся осевых ударов в направлении, имеющем составляющую вдоль оси и составляющую вращательного движения вокруг оси относительно подземной формации.
Изобретение также относится к бурильной системе для бурения скважины в подземной формации, содержащей бурильную колонну, имеющую это ударное бурового долото, и к способу бурения скважины в подземной формации.
Ударное скалывающее буровое долото известно и описывается в патенте США №6,253,864. На фигуре 9 данного патента показано ударное буровое долото, имеющее куполообразные осевые режущие элементы для ударного проникновения в подземную формацию и скалывающие режущие элементы для скалывающего проникновения в формацию.
При осуществлении работы известное ударное скалывающее буровое долото поворачивается вокруг своей продольной оси и срезает породу. Молот одновременно выполняет удары по долоту, тем самым обеспечивая дополнительное ударное бурящее усилие.
Недостатком известного ударного скалывающего бурового долота является то, что несмотря на наличие осевых режущих элементов скалывающие режущие элементы все же подвергаются ударам, которые сокращают их срок службы и, следовательно, срок службы бурового долота.
Целью настоящего изобретения является увеличение срока службы бурового долота и бурильной системы.
Эта цель достигается тем, что ударное буровое долото для бурения подземной формации, имеющее центральную продольную ось и действующее при приложении повторяющихся осевых ударов по буровому долоту в направлении, имеющем составляющую вдоль оси, и при сообщении вращательного движения бурового долота вокруг оси относительно подземной формации, содержит по меньшей мере один осевой режущий элемент для выполнения преимущественно осевого срезания подземной формации под воздействием осевых ударов, скалывающие режущие элементы для выполнения преимущественно сдвигового срезания подземной формации под воздействием вращательного движения, имеющие первый скалывающий режущий элемент, при этом по меньшей мере один осевой режущий элемент расположен по отношению к по меньшей мере первому скалывающему режущему элементу с возможностью зацепления подземной формации ранее во время осевого удара по сравнению с по меньшей мере первым скалывающим режущим элементом.
По меньшей мере один осевой режущий элемент может быть расположен по отношению к первому скалывающему режущему элементу таким образом, что в среднем он проникает в подземную формацию при каждом осевом ударе глубже, чем первый скалывающий режущий элемент, предпочтительно по меньшей мере в 1,5 раза глубже и более предпочтительно по меньшей мере в 2 раза глубже.
Первый скалывающий режущий элемент и по меньшей мере один осевой режущий элемент могут быть расположены в первой кольцевой канавке вокруг центральной оси, имеющей радиальную ширину, соответствующую радиальной ширине первого скалывающего режущего элемента.
По меньшей мере один осевой режущий элемент и первый скалывающий режущий элемент, каждый, могут иметь точку удара, определяемую как часть режущего элемента, которая первой зацепляет подземную формацию при осевом ударе, причем по меньшей мере точка удара первого скалывающего режущего элемента заглублена на величину r по отношению к точке удара по меньшей мере одного осевого режущего элемента.
Ударное буровое долото может содержать второй скалывающий режущий элемент, расположенный во второй кольцевой канавке вокруг центральной оси, имеющей радиальную ширину, соответствующую радиальной ширине второго скалывающего режущего элемента, при этом по меньшей мере один осевой режущий элемент расположен во второй кольцевой канавке, и точка удара второго скалывающего режущего элемента заглублена по отношению к точкам удара по меньшей мере одного осевого режущего элемента во второй кольцевой канавке на величину больше r.
Вторая кольцевая канавка в радиальном направлении может проходить дальше по отношению к центральной оси, чем первая кольцевая канавка.
Величина заглубления может составлять r>0,25 мм и предпочтительно r≥0,50 мм.
Режущая поверхность по меньшей мере одного осевого режущего элемента может иметь по существу куполообразную форму или полусферическую форму.
Скалывающие режущие элементы могут иметь гребковую поверхность, обращенную к проточному каналу, соединенному с ней под передним углом в тыльной плоскости, составляющим менее 90° и являющимся углом между проекцией линии, перпендикулярной к гребковой поверхности на плоскости, определяемой центральной продольной осью бурового долота, и касательным направлением вращательного движения, и плоскостью, перпендикулярной к продольной оси.
Скалывающие режущие элементы могут иметь предварительно режущую плоскую ударную поверхность, по существу параллельную плоскости, перпендикулярной к центральной продольной оси.
Ударное буровое долото может дополнительно содержать множество лопастей, выступающих из бурового долота, множество проточных каналов, проходящих вдоль бурового долота в по существу радиальном направлении, при этом между двумя соседними лопастями образованы последовательные проточные каналы, скалывающие режущие элементы расположены рядами на передних краях лопастей по отношению к направлению вращательного движения, и каждый ряд скалывающих режущих элементов имеет соответствующий ему проточный канал для прохождения по нему бурового раствора для удаления выбуренных обломков породы, скапливающихся перед каждым рядом скалывающих режущих элементов.
По меньшей мере один осевой режущий элемент может быть расположен по отношению к направлению вращательного движения в положении позади каждого ряда скалывающих режущих элементов и впереди последующего соседнего проточного канала, связанного со следующим рядом скалывающих режущих элементов следующей лопасти.
Соотношение количества осевых режущих элементов и скалывающих режущих элементов может составлять по меньшей мере 3:2.
Согласно изобретению создана бурильная система для бурения скважины в подземной формации, содержащая бурильную колонну, содержащую вышеописанное ударное буровое долото, первое приводное средство для вращения бурового долота в скважине для обеспечения скребущего движения скалывающих режущих элементов по забою скважины и второе приводное средство для выполнения повторяющихся осевых ударов по буровому долоту в направлении, имеющем составляющую по оси бурового долота в скважине, для воздействия по меньшей мере осевыми режущими элементами на забой скважины.
Согласно изобретению создан способ бурения скважины в подземной формации, включающий следующие этапы:
обеспечение вышеописанной бурильной системы;
размещение бурового долота на подземной формации, подлежащей бурению;
осуществление вращательного движения бурового долота вокруг оси при поддержании усилия на буровом долоте, направленного в осевом направлении в подземную формацию;
выполнение периодических ударов по буровому долоту.
Как описано выше, буровое долото согласно настоящему изобретению кроме скалывающих режущих элементов имеет осевые режущие элементы. Главная функция осевых режущих элементов заключается в соответствующем восприятии ударов между буровым долотом и подземной формацией, причем главная функция скалывающих режущих элементов заключается в удалении выбуренных обломков породы с забоя скважины.
Поскольку в соответствии с данным изобретением осевые режущие элементы выполнены с возможностью зацепления подземной формации во время ударов по меньшей мере перед первым скалывающим режущим элементом, то наиболее сильная часть осевых ударов, сопровождающих ударное движение, воспринимается осевыми режущими элементами. Ударная нагрузка по меньшей мере на первый скалывающий режущий элемент при этом снижается, и, следовательно, срок его службы увеличивается. Таким образом, осевые режущие элементы эффективно защищают скалывающие режущие элементы.
Осевые режущие элементы могут быть расположены с возможностью проникновения в подземную формацию по время ударов в большей степени, чем это осуществляет по меньшей мере первый скалывающий режущий элемент.
Поскольку срок службы известного бурового долота ограничивается сроком службы скалывающих режущих элементов, то увеличение срока службы скалывающих режущих элементов увеличивает срок службы бурового долота.
Кроме того, также обеспечивается эффективность скалывающих режущих элементов, т.к. скалывающие режущие элементы выполнены с возможностью зацепления подземной формации к окончанию удара. При этом скалывающие режущие элементы вступают в действие при вращательном движении бурового долота, когда они соскабливают выбуренные обломки с забоя скважины.
Дополнительное преимущество изобретения состоит в том, что осевые режущие элементы можно оптимизировать для осевого резания породы, и скалывающие режущие элементы можно независимо оптимизировать для скалывающего резания породы без необходимости учета осевого резания.
Поскольку один или несколько осевых режущих элементов расположены по отношению к первому скалывающему режущему элементу с возможностью проникновения, в среднем, глубже в подземную формацию, чем это выполняет первый скалывающий режущий элемент при каждом ударном движении, то осевые режущие элементы эффективным образом предварительно дробят породу, и при этом также долото замедляется в ударном движении. Степень желательного более глубокого проникновения зависит от твердости и типа подземной формации, в которой выполняется бурение скважины. Чем тверже будет порода, тем большей будет степень проникновения осевых режущих элементов относительно степени проникновения первого скалывающего режущего элемента.
Поскольку по меньшей мере точка удара первого скалывающего режущего элемента заглублена на величину r по отношению к точкам удара одного или нескольких осевых режущих элементов, последние сначала будут зацеплять породу и тем самым защищать скалывающий режущий элемент от самой сильной части удара.
Первый скалывающий режущий элемент предпочтительно защищается одним или несколькими осевыми режущими элементами в относительной близости первого скалывающего режущего элемента, предпочтительно - соседними осевыми режущими элементами.
В предпочтительном осуществлении первый скалывающий режущий элемент и по меньшей мере осевой режущий элемент расположены в первой кольцевой канавке вокруг центральной оси, которая имеет радиальную ширину, соответствующую радиальной ширине первого скалывающего режущего элемента. В этом осуществлении первый скалывающий режущий элемент защищен оптимально, поскольку эти осевые режущие элементы дробят породу в том же участке, когда первый скалывающий режущий элемент начинает действовать после вращения бурового долота.
Как указано выше во второй кольцевой канавке вокруг центральной оси можно расположить второй скалывающий режущий элемент и один или несколько осевых режущих элементов. Для обеспечения постоянного показателя проникновения бурового долота в обеих канавках количество породы, удаляемой из расчета на один режущий элемент в каждой канавке, может изменяться от канавки к канавке в зависимости от площади, занимаемой данной канавкой, и от количества режущих элементов в данной канавке.
Количество осевых режущих элементов по отношению к количеству скалывающих режущих элементов может быть оптимальным в зависимости от типа подземной формации, в которой выполняется бурение. Формации с относительно твердой породой, такой как гранит, можно бурить относительно меньшим количеством скалывающих режущих элементов и с большим общим количеством режущих элементов, тем самым распределяя удар по большему количеству осевых режущих элементов.
Более мягкую формацию, такую как известняк или песчаник, лучше всего бурить долотом с относительно большим количеством скалывающих режущих элементов, т.к. ударные усилия в этом случае меньше, а вероятность скругления долота больше.
Согласно предпочтительному осуществлению настоящего изобретения скалывающие режущие элементы имеют предварительно режущую плоскую ударную поверхность, по существу параллельную плоскости, перпендикулярной к продольной оси. Несмотря на наличие осевых режущих элементов для восприятия осевой ударяющей силы скалывающие режущие элементы тоже воспринимают часть удара. Благодаря присутствию предварительно режущей плоской ударной поверхности концентрация ударного напряжения на скалывающих режущих элементах снижается, и поэтому они не разрушаются так скоро, как скалывающие режущие элементы, у которых нет предварительно режущей плоской ударной поверхности. Обнаружено, что плоскостность естественного износа не является достаточно плоской для действенного уменьшения концентрации ударного напряжения, т.к. во время ударяющего действия бурового долота скалывающие режущие элементы нарушаются грубо, а не образуют нужную плоскостность износа.
Благодаря наличию вышеописанного множества лопастей устраняется так называемое округление долота, при котором пыль и крошка породы, образующиеся перед скалывающими режущими элементами, смешиваются с буровым раствором, таким как вода, масло или глина, и формируют пасту в забое скважины, поскольку по существу радиальный проточный канал очень действенно удаляет выбуренные обломки, скапливающиеся перед рядом скалывающих режущих элементов. Скругление долота нежелательно, т.к. паста вместо находящейся под ней породы воспринимает вес долота.
Скругление долота устраняется еще эффективнее в варианте осуществления, согласно которому осевые режущие элементы расположены по отношению к направлению вращательного движения в положении позади каждого ряда скалывающих режущих элементов и впереди последующего соседнего проточного канала, относящегося к следующему ряду скалывающих режущих элементов следующей лопасти. Скругления долота, сформированные под осевыми режущими элементами, будут оканчиваться в последующем проточном канале.
Обнаружено, что буровое долото или бурильная система со скалывающими режущими элементами, имеющими предварительно режущую плоскую ударную поверхность, обусловливают меньшие застревающие-пробуксовывающие крутящие формы колебаний в бурильной системе, при которых долото вколачивается неподвижно в формацию, когда при этом бурильная колонна подвергается кручению от расположенного на поверхности вращательного привода до тех пор, пока она резко не освободится с относительно высокой скоростью вращения. Это застревающее-пробуксовывающее колебание повторяется периодически, и высокая скорость вращения, связанная с застревающим-пробуксовывающим крутящим колебанием, может серьезно повредить режущие элементы на буровом долоте.
Поскольку буровое долото имеет повышенный срок службы, оно не требует своей частой замены, и поэтому для вышеописнного способа согласно изобретению требуется меньшее количество спуско-подъемных операций из расчета на одну выполняемую скважину.
Изобретение поясняется в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1а изображает в перспективе 6-дюймовое 3-лопастное ударное буровое долото согласно настоящему изобретению;
фиг.1b - горизонтальную проекцию сверху поверхности долота в ударном буровом долоте, показанном на фиг.1а;
фиг.2 - схематическое поперечное сечение расположения режущих элементов;
фиг.3а - вид в перспективе 6-дюймового 3-лопастного ударного бурового долота в другом осуществлении изобретения;
фиг.3b - горизонтальную проекцию сверху поверхности долота в ударном буровом долоте, показанном на фиг.3а;
фиг.4 - график изменения углубления на последовательных канавках на 6-дюймовой поверхности долота;
фиг.5 - горизонтальную проекцию сверху 8-дюймовой поверхности 8-лопастного долота согласно еще одному варианту осуществлению изобретения;
фиг.6 схематически показывает разные скалывающие режущие элементы с предварительно режущими плоскими ударными поверхностями.
На чертежах аналогичные компоненты имеют одни и те же ссылочные обозначения.
Вид в перспективе 3-лопастного ударного бурового долота согласно изобретению показан на фиг.1а. Буровое долото имеет хвостовик 1, проходящий продольно по центральной продольной оси бурового долота. Хвостовик можно специально выполнить с возможностью его посадки внутри бурильной колонны. Задний конец хвостовика соединен с ударной поверхностью 2, чтобы воспринимать удары от ударного молота, который предпочтительно является возвратно-поступательным поршневым молотом (не показан). Передний конец хвостовика соединен с бурильной головкой 3. Хвостовик 1 имеет множество пазов 4, проходящих по существу вдоль хвостовика 1. Пазы 4 соединяют с возможностью вращения бурильную колонну и хвостовик 1, в результате чего на буровое долото прилагаются направленные по оси удары, и буровому долоту сообщается вращательное движение вокруг центральной продольной оси.
Как показано на фиг.1а и 1b, бурильная головка 3 имеет три лопасти 61, 62 и 63, выступающие из бурового долота. Участки между лопастями 61, 62, 63 заглублены по отношению к лопастям, и поэтому формируют проточные каналы 71, 72, 73. Проточные каналы 71, 72, 73 по существу проходят радиально вдоль бурильной головки 3.
Центральный проход 8 выполнен в бурильной головке 3 для прохождения промывочной жидкости. В дополнение к или вместо центрального прохода 8 проходы 81, 82, 83 можно выполнить в проточных каналах 71, 72, 73 между лопастями 61, 62, 63. Все проходы соединены с центральным продольным каналом (не показан), проходящим через хвостовик 1.
При бурении скважин для добычи углеводородов бурильную колонну обычно вращают по часовой стрелке. Стрелки 5 на фиг.1а и 1b показывают направление вращательного движения, которое сообщается буровому долоту.
Каждая лопасть 61, 62, 63 имеет передний конец 91, 92, 93 по отношению к направлению вращательного движения 5. Скалывающие режущие элементы 9 расположены в ряду на переднем крае 91, 92, 93 каждой соответствующей лопасти 61, 62, 63. Каждый ряд скалывающих режущих элементов 9 имеет проточный канал, связанный с ним, непосредственно перед рядом скалывающих режущих элементов 9 по отношению к направлению вращательного движения 5.
За каждым рядом скалывающих режущих элементов 9, т.е. в последующем положении по отношению к каждому ряду скалывающих режущих элементов 9 на лопастях 61, 62, 63 размещены осевые режущие элементы 10, 11.
Скалывающие режущие элементы 9 заглублены по отношению к осевым режущим элементам 10, 11, и в результате этого осевые режущие элементы 10, 11 соударяются с породой в забое скважины во время выполнения ударов раньше, чем это делают скалывающие режущие элементы 9. В частности, скалывающие режущие элементы, расположенные на определенном радиальном расстоянии от центральной продольной оси, заглублены по отношению к осевым режущим элементам, расположенным приблизительно на том же радиальном расстоянии.
Фиг.2 схематически показывает расположение режущих элементов согласно настоящему изобретению. Как и на предыдущих чертежах, стрелка 5 показывает направление вращательного движения, которое прилагается к буровому долоту. На чертеже видна одна из лопастей 6 и ее передний край 91 по отношению к направлению вращательного движения. Лопасть выступает вниз от бурильной головки и содержит режущие элементы 9 и 10. Скалывающий режущий элемент 9 установлен на переднем крае 91 или вблизи него. Позади скалывающего режущего элемента 9 по отношению к направлению вращательного движения 5 находится осевой режущий элемент 10.
Форма скалывающих режущих элементов 9 оптимизирована для скобления забоя скважины и тем самым скалывания кусков подземной формации с забоя скважины. Форма осевых режущих элементов 10, 11 оптимизирована для выполнения выбоин подземной формации в осевом направлении в забое скважины, чтобы обеспечивать возможность дробления подземной формации.
В результате осевых ударов формация 13 под осевым режущим элементом 10 подвергается дроблению. Осевой режущий элемент 10 проникает в подземную формацию 13 на глубину d1. Скалывающий режущий элемент 9 заглублен по отношению к осевому режущему элементу 10, и поэтому глубина его проникновения в подземную формацию d2 меньше глубины проникновения осевого режущего элемента 10 на величину r. В результате этого заглубленного выполнения скалывающего режущего элемента 9 по отношению к осевому режущему элементу 10 при использовании осевой режущий элемент сначала зацепляет новую часть забоя скважины при направленном вниз ударном перемещении бурового долота. Скалывающий режущий элемент 9 не зацепляет подземную формацию до тех пор, пока осевой режущий элемент 10 не сделает выбоину в подземной формации на глубину r. При этом сильнейшая часть удара уже будет воспринята осевым режущим элементом 10, и поэтому скалывающий режущий элемент 9 подвергается воздействию более слабых усилий удара, чем это было бы в том случае, если бы он зацепил подземную формацию одновременно или ранее, чем осевой режущий элемент 10. При этом срок службы режущих элементов будет увеличиваться.
К концу удара осевые режущие элементы 10, 11 и также скалывающие режущие элементы 9 будут контактировать с подземной формацией 13, и поэтому скалывающие режущие элементы 9 смогут эффективно скалывать подземную формацию и удалять выбуренные обломки 20. При вращении долота скалывающие режущие элементы 9 скребут поверхность забоя и создают пыль и мелочь из выбуренных обломков и бурового раствора. Пыль и мелочь породы выталкиваются перед скалывающими режущими элементами 9, где предпочтительно находится проточный канал 7, по которому течет промывочная жидкость по существу в направленном наружу радиальном направлении. Оттуда соскобленные выбуренные обломки промываются в затрубное пространство и удаляются с забоя.
Фиг.3а показывает вид в перспективе, а фиг.3b показывает горизонтальную проекцию сверху варианта бурового долота согласно настоящему изобретению, имеющего четыре лопасти 6 и, следовательно, четыре проточных канала 7. В других аспектах этот вариант аналогичен варианту согласно фиг.1а и 1b. В частности, заглубленное расположение скалывающих режущих элементов 9 на передних краях лопастей по отношению к осевым режущим элементам 10, 11, находящимся позади по отношению к рядам скалывающих режущих элементов 9, аналогично первому поясняемому варианту осуществления.
Различные концентрические точечно-пунктирные линии на фиг.3b соединяют группы осевых режущих элементов и скалывающих режущих элементов, которые считаются расположенными на соответствующих канавках. Канавки пронумерованы как tr1-tr6, начиная с самой дальней от центральной оси канавки.
Степень заглубленности скалывающих режущих элементов предпочтительно изменяется от канавки к канавке в зависимости от количества породы, удаляемой из расчета на один режущий элемент в каждой канавке. Как правило, ближе к калибру долота (соответствуя меньшему количеству каналов) режущему элементу приходится удалять большее количество формации из расчета на один режущий элемент, т.к. площадь каждой канавки возрастает с расстоянием от центральной оси, и при этом число режущих элементов в данной канавке во многих конструкциях не увеличивается в такой же степени. Заглубление скалывающих режущих элементов можно увеличить соответственно, и поэтому усредненное по времени проникновение скалывающих режущих элементов будет одинаковым в каждой канавке как в абсолютном значении d1, так и относительно d2 - в зависимости от того, что именно желательно.
Типичное распределение заглубления для показываемого на фиг.3 6-дюймового долота показано на фиг.4 для случая, когда скорость проникновения составляет 12 м/час и частота ударов - 26 Гц. Скалывающие режущие элементы на самой внешней канавке №1 заглублены на 0,6 мм по сравнению с 0,40 мм в шестой канавке.
Как правило, это распределение значений заглубления канавок может основываться на средних оценках проникновения осевого режущего элемента, которые делаются следующим образом. Для определенной скорости проникновения бурового долота количество породы, удаляемой в каждой канавке, известно. В связи с тем, что количество осевых режущих элементов известно, также известно количество удаляемой породы из расчета на один осевой режущий элемент. Поэтому предполагается, что порода большей частью удаляется ударами известной частоты.
Диаметр наружной окружности ударных буровых долот, описываемых выше со ссылкой на фиг.1а и 1b и фиг.3а и 3b, равен 6 дюймам - около 15 см. Пример 8-дюймовой (около 20 см наружного диаметра) поверхности показан на фиг.5.
Различные концентрические точечно-пунктирные линии на фиг.5 соединяют группы осевых режущих элементов и скалывающих режущих элементов, расположенных на соответствующих канавках.
Осуществление согласно фиг.5 основано на восьми лопастях 6 и на соответствующем числе проточных каналов 7. Каждый проточный канал 7 имеет проход 81 для входа промывочной жидкости в соответствующий проточный канал. Поскольку эта поверхность долота согласно фиг.5 имеет больший диаметр, чем диаметры согласно фиг.2 и 3, то поэтому можно обеспечить большее число скалывающих режущих элементов 9 и осевых режущих элементов 10, 11.
В излагаемых выше ударных буровых долотах согласно фиг.3а, 3b и фиг.5 скалывающие режущие элементы в первом ряду скалывающих режущих элементов расположены во взаимно разных радиальных положениях, по сравнению со скалывающими режущими элементами во втором упомянутом ряду скалывающих режущих элементов на другой лопасти. Таким образом, зазоры, остающиеся между прилегающими скалывающими режущими элементами в одном ряду, закрываются скалывающими режущими элементами в следующем ряду на другой лопасти при вращении бурового долота. В идеальном случае круговые траектории совокупности скалывающих режущих элементов немного налагаются друг на друга, и поэтому непрерывная полоса скалывающей резки обеспечивается на большей части площади поверхности забоя скважины.
В излагаемых выше осуществлениях осевые режущие элементы 10 все имеют хвостовик 16, который по меньшей мере на одной стороне имеет полусферическую или куполообразную режущую поверхность 17. Режущий элемент выполнен из твердого материала, но предпочтительным является хлорид вольфрама. Либо режущий элемент может иметь слой поликристаллического алмаза, таким образом формируя коронку, армированную поликристаллическими синтетическими алмазами.
В вариантах согласно фиг.1a, 1b, фиг.5 самые наружные осевые режущие элементы 11 являются режущими элементами с коронкой, армированной поликристаллическими синтетическими алмазами, и другие осевые режущие элементы 10 являются осевыми режущими элементами из карбида вольфрама. Следовательно, в этих поверхностях долота самые наружные осевые режущие элементы 11 тверже остальных осевых режущих элементов 10.
Скалывающие режущие элементы 9 являются режущими элементами, армированными поликристаллическими синтетическими алмазами, с хвостовиком 14 из твердого материала, для которого целесообразен карбид вольфрама. Гребковая поверхность, обращенная к соответствующему проточному каналу 71, покрыта слоем 15 поликристаллического алмаза. Этот скалывающий режущий элемент с режущей поверхностью из поликристаллического алмаза известен под названием компактного режущего элемента, армированного поликристаллическими синтетическими алмазами. Помимо гребковой поверхности скалывающий режущий элемент имеет предварительно режущую ударную плоскую поверхность, проходящую по существу перпендикулярно к центральной продольной оси бурового долота и по существу параллельно поверхности забоя подземной формации 13.
Для уменьшения концентрации напряжения удара, воздействующего на скалывающие режущие элементы, скалывающие режущие элементы 9 в описываемых выше вариантах имеют предварительно режущие ударные поверхности. Эти предварительно режущие ударные поверхности можно рассматривать как предварительно режущие плоскости износа, и они также снижают тенденцию создания так называемых застревающих-пробуксовывающих крутящих колебаний в бурильной системе.
Фиг.6 схематически показывает предварительно режущую плоскую ударную поверхность 19 на этих скалывающих режущих элементах для разной глубины предварительного срезания: 1, 2 и 3 мм. Глубина предварительного срезания соответствует вертикальному расстоянию между предварительно режущей ударной поверхностью 19 и верхней точкой 18, где сходятся внешний корпус хвостовика скалывающего режущего элемента и гребковая поверхность. Передний угол в тыльной плоскости каждого скалывающего режущего элемента равен 40°, например, но можно использовать любой угол меньше 90°. Ударная поверхность имеет передний угол в тыльной плоскости ударной поверхности, который превышает передний угол в тыльной плоскости гребковой поверхности. Наилучший результат обеспечивается, когда передний угол в тыльной плоскости ударной поверхности равен по существу 90°.
На чертеже видно, что площадь предварительно режущей плоской ударной поверхности 19 увеличивается с увеличением глубины предварительного срезания. Глубина предварительного срезания предпочтительно составляет 1-3 мм.
При использовании ударное буровое долото входит в состав бурильной системы, и поэтому ударное буровое долото установлено в бурильной колонне. Бурильная система также содержит первое приводное средство, которое вращает буровое долото в скважине для осуществления скоблящего движения скалывающих режущих элементов на забое скважины, и второе приводное средство, которое осуществляет продольное возвратно-поступательное движение бурового долота в скважине, в результате которого по меньшей мере осевые режущие элементы прилагают ударное усилие к забою скважины, причем первое и второе средства действуют одновременно. Второе приводное средство предпочтительно представляет собой молот, более предпочтительно возвратно-поступательный поршневой молот. Во время бурения буровой раствор закачивают по бурильной колонне, которая сообщается с проходами 8, 81, 82, 83. Соответствующими буровыми растворами являются глина, вода, масло или пена, и они могут быть разными в зависимости от типа формации, в которой выполняют бурение.
Для содействия смыву выбуренных обломков породы по проточным каналам гребковая поверхность каждого скалывающего режущего элемента может иметь вторичный наклон относительно радиального направления бурового долота, причем вторичный наклон выполнен таким образом, что гребковая поверхность выталкивает выбуренные обломки радиально в направлении наружу или радиально в направлении внутрь.
Типичными целесообразными рабочими условиями для описываемых выше буровых долот являются следующие: вес, действующий на долото, составляет от 3 до 6 тонн, количество ударной энергии, прилагаемой к буровому долоту из расчета на один удар, составляет от 0,3 кДж до 5 кДж. Обычно бурильная система в работе использует энергию удара, равную 10-50 кВт, с частотой ударов 9 и 30 Гц.
Полевое испытание 1
С помощью бурового долота, имеющего схему расположения режущих элементов согласно схеме, показываемой на фиг.5, была пробурена скважина глубиной 3,6 км в черном гнейсе, являющемся очень твердой и абразивной породой. Согласно счету в радиальном направлении внутрь расположение буров долот сведено в следующую таблицу, где канавки tr1-tr13 соответствуют круговым канавкам, участки которых представлены на фиг.5 как пунктирные круговые участки.
Скалывающие режущие элементы в канавках 1-5 и 8-10 не были заглублены по отношению к осевым режущим элементам в этих канавках. Скалывающие режущие элементы в канавке 6 были заглублены на значение r=0,25 мм по отношению к осевым режущим элементам в этой канавке. Скалывающие режущие элементы в канавке 7 были заглублены на значение r=0,50 мм по отношению к осевым режущим элементам в этой канавке.
После двух часов бурения скалывающие режущие элементы в канавке 7 были в основном неповрежденными, но имели значительное повреждение в остальных канавках. Скалывающие режущие элементы в канавке 6 имели менее тяжелое повреждение, чем режущие элементы в остальных канавках, но худшее состояние было в канавке 7.
Оказалось, что не только скалывающие режущие элементы, но и осевые режущие элементы в канавке 7 были менее изношены, чем осевые режущие элементы в других канавках.
Поясняемые и описываемые выше выполнения ударного бурового долота имеют, например, 6- и 8-дюймовые диаметры. Разумеется, аналогичным же образом можно применять и другие диаметры. Также изобретение не ограничивается упоминаемым числом лопастей. Можно предусмотреть любое число лопастей.
Предложенная группа изобретений относится к породоразрушающему инструменту и способу бурения скважины. Техническим результатом является повышение срока службы бурового долота за счет повышения эффективности работы скалывающих режущих элементов. Ударное буровое долото для бурения подземной формации имеет центральную продольную ось и действует за счет приложения повторяющихся осевых ударов к буровому долоту при сообщении вращательного движения вокруг оси относительно подземной формации. При этом буровое долото содержит, по меньшей мере, один осевой режущий элемент для разрушения породы под воздействием осевых ударов, скалывающие режущие элементы для выполнения срезания разбуриваемой породы под воздействием вращательного движения, имеющие первый скалывающий режущий элемент. При этом, по меньшей мере, один осевой режущий элемент расположен по отношению к первому скалывающему режущему элементу с возможностью зацепления разбуриваемой породы ранее во время удара, чем первый скалывающий режущий элемент. Бурильная система содержит бурильную колонну, ударное буровое долото, первое приводное средство для вращения бурового долота в скважине и второе приводное средство для выполнения повторяющихся осевых ударов по буровому долоту. Способ бурения скважины в подземной формации включает следующие этапы: обеспечение указанной бурильной системы; размещение бурового долота на подземной формации, подлежащей бурению; осуществление вращательного движения бурового долота вокруг оси при поддержании усилия на буровом долоте, направленного в осевом направлении в подземную формацию; выполнение периодических ударов по буровому долоту. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 1 табл., 6 ил.
обеспечение бурильной системы согласно п.14;
размещение бурового долота на подземной формации, подлежащей бурению;
осуществление вращательного движения бурового долота вокруг оси при поддержании усилия на буровом долоте, направленного в осевом направлении в подземную формацию;
выполнение периодических ударов по буровому долоту.
| US 6253864 B1, 03.07.2001 | |||
| Долото для ударно-вращательного бурения | 1988 |
|
SU1652503A1 |
| Коронка для ударно-вращательного бурения | 1989 |
|
SU1696667A1 |
| Предохранительное приспособление при пескоструйном аппарате | 1925 |
|
SU19082A1 |
| US 4602691, 29.07.1986 | |||
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАНУЛИРОВАНИЯ ПАСТООБРАЗНЫХМАТЕРИАЛОВ | 1970 |
|
SU434009A1 |
| US 5595252 A, 21.01.1997 | |||
| US 4296825, 27.10.1981. | |||
