Стабилизирующее двухъярусное долото режуще-скалывающего типа Российский патент 2019 года по МПК E21B10/42 

Настоящее изобретение к области бурения скважин долотами режуще-скалывающего типа и может найти применение в горнодобывающей и нефтегазовой отраслях при бурении скважин различного назначения. Двухъярусное долото режуще-скалывающего типа предназначено для бурения с забойным двигателем в породах выше средней крепости и крепких.

Из существующего уровня техники известно многоярусное долото режущего типа (см. патент на изобретение РФ №2310732, МПК Е21В 10/00 Многоярусное долото режущего типа / Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Заявка 2006100565/03 от 16.01.2006; опубл. 20.11.2007; Бюл. №32). Долото предназначено для бурения скважин различного назначения в породах VI-VIII категории по буримости.

Долото включает корпус, состоящий из конусообразных ярусов, количеством не менее двух, выполненных в виде независимых тел вращения, расположенных соосно. Режущие перья ярусов, имеющие наклонные передние грани, оснащены высокостойкими режущими элементами, образующими в проекции на продольную плоскость ломаные линии.

Недостаток: короткие конусообразные ярусы при бурении перемежающихся (слоистых) пород не устойчивы на забое. Это вызывает вибрации режущих элементов и может привести к их поломкам.

Известно также долото стабилизирующее SpeedDrillDPI (см. US Patent 5803196, МПК Е21В 10/42. Stabilizing drill bit / Coy M. Diamond Products International (Houston, TX). Appl.No.: 08/655988. Filed: May 31, 1996. Fielder September 8, 1998), принятое нами в качестве аналога.

Буровое долото включает корпус бурового долота, образующий режущую поверхность, расположенную вокруг продольной оси; множество режущих элементов, неподвижно расположенных и выступающих с лицевой части и расположенных на некотором расстоянии друг от друга; один или несколько стабилизирующих элементов, расположенных на поверхности резания.

Недостаток: разные по величине скорости резания режущими элементами, закрепленными удаленных друг от друга частях долота, приводят к неравномерному их износу (преимущественный износ наиболее удаленных от оси режущих элементов разбуривающей части). Это ограничивает наработку на долото из-за потери диаметра.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа (см. патент на изобретение РФ №2445433, МПК Е21В 10/00 Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа / Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Третьяк А.А., Бурда М.Л., Онофриенко С.А. Заявка 2010129126/03 от 13.07.2010; опубл. 20.03.2012; Бюл. №8) взятое за прототип.

Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа, включающее хвостовик, внутренний канал, нижнюю забуривающую и верхнюю разбуривающую со стабилизаторами части, которые состоят из ряда симметрично расположенных режущих лопастей, которые, в свою очередь, включают радиально расположенные режущие элементы, долото разделено на ярусы, каждый из которых выполнен в виде независимых тел вращения, расположенных соосно, при этом скорости резания наиболее удаленных от продольной оси режущих элементов забуривающего и разбуривающего ярусов не превышают критических значений, причем стабилизаторы, оснащенные высокостойкими штырями, обладают калибрующим действием.

Недостаток этого долота - невозможность омагничивания бурового раствора, что приводит к ухудшению выносной способности раствора. А также возникновение больших крутильных колебаний при бурении переслаивающихся пород, которые приводят к поломка режущих элементов долота.

Задачей изобретения является увеличение наработки на долото по перемежающимся горным породам от I до IX категории по буримости при сохранении вертикальности ствола скважины и улучшение качества бурового раствора за счет его омагничивания.

Техническим результатом изобретения является уменьшение крутящего момента на буровом ставе и предупреждение возможности возникновения крутильных колебаний при бурении, вызывающих поломки режущих элементов, улучшение параметров промывочной жидкости, экономия химических реагентов.

Данная задача решается за счет того, что стабилизирующее двухъярусное долото режуще-скалывающего типа, включающее нижний забуривающий ярус, включающий стабилизаторы нижнего забуривающего яруса и режущие лопасти нижнего забуривающего яруса, верхний разбуривающий ярус, включающий хвостовик, внутренний канал долота, стабилизаторы верхнего забуривающего яруса и режущие лопасти верхнего забуривающего яруса, режущие лопасти нижнего забуривающего и верхнего забуривающего ярусов выполнены симметрично с радиально расположенными режущими элементами, стабилизаторы верхнего разбуривающего яруса оснащены высокостойкими штырями, обладающими калибрующим действием, количество режущих элементов на лопастях нижнего забуривающего яруса равно количеству режущих элементов на лопастях верхнего разбуривающего яруса, в котором соосно оси долота, внутри его, расположен постоянный кольцевой магнит. Режущие элементы на лопастях нижнего забуривающего и верхнего разбуривающего ярусов могут быть выполнены в виде режущих элементов PDC гребнеобразной формы под отрицательным углом от 10° до 35°.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлено: стабилизирующее двухъярусное долото режуще-скалывающего типа, включающее нижний забуривающий ярус 1, включающий стабилизаторы 7 нижнего забуривающего яруса 1 и режущие лопасти 3 нижнего забуривающего яруса 1, верхний разбуривающий ярус 2, включающий хвостовик 10, внутренний канал долота 13, стабилизаторы 8 верхнего разбуривающего яруса 2 и режущие лопасти 5 верхнего разбуривающего яруса 2, режущие лопасти 3 нижнего забуривающего яруса 1 и режущие лопасти 5 верхнего разбуривающего яруса 2 выполнены симметрично с радиально расположенными режущими элементами 4 нижнего забуривающего яруса 1 и режущими элементами 6 верхнего разбуривающего яруса 2, стабилизаторы 7 нижнего забуривающего яруса 1 и стабилизаторы 8 верхнего разбуривающего яруса 2 представляют собой спиральные калибрующие поверхности, стабилизаторы 8 верхнего разбуривающего яруса 2 оснащены высокостойкими штырями 9, обладающими калибрующим действием, промывочные отверстия 11 расположены в нижнем забуривающем ярусе 1 долота, количество режущих элементов 4 на лопастях 7 нижнего забуривающего яруса 1 равно количеству режущих элементов 6 на лопастях 5 верхнего разбуривающего яруса 2, в котором соосно оси долота внутри его расположен постоянный кольцевой магнит 12. Частным случаем выполнения режущих элементов 4 и 6 могут быть алмазно-твердосплавные пластины (АТП), Polycrystalline Diamond Compact (PDC) гребнеобразной формы или подобные им установленные под отрицательным углом от 10 до 35.

Для работы предлагаемого долота используют известные забойный двигатель и планетарный редуктор передающие встречное вращение на нижний забуривающий ярус с угловой скоростью ω₁ и верхний разбуривающий ярус с угловой скоростью ω₂.

Работает долото следующим образом: При вращении нижнего забуривающего яруса 1 с угловой скоростью ω₁ и верхнего разбуривающего яруса 2 с угловой скорость ω₂, при осевом перемещении долота режущие лопасти 3 нижнего забуривающего яруса 1 забуриваются в забой, расширяя по мере продвижения скважину до диаметра d, определяемого положением крайних режущих элементов 4 нижнего забуривающего яруса 1, расположенных в верхних частях режущих лопастей 3 нижнего забуривающего яруса 1, а режущие лопасти 5 верхнего разбуривающего яруса 2 с режущими элементами 6 верхнего разбуривающего яруса 2, расширяют скважину по мере продвижения до диаметра D, определяемого положением крайних режущих элементов 6 верхнего разбуривающего яруса 2, стабилизаторы 7 нижнего забуривающего яруса 1 и стабилизаторы 8 верхнего разбуривающего яруса 2 увеличивают площадь контакта со стенками скважины. Крутящие моменты на нижнем забуривающем и верхнем разбуривающем ярусах направлены встречно и равны по модулю. Это позволит предупредить возникновение крутильных колебаний, которые являются одной из основных причин возникновения поломок PDC.

Буровой раствор двигаясь по внутреннему каналу долота 13 в верхнем разбуривающем ярусе 2, служащем для перемещения бурового раствора, ведущему от хвостовика 10 в верхнем разбуривающем ярусе 2 к промывочным отверстиям 11 в нижнем забуривающем ярусе 1 долота, протекая по внутреннему каналу долота 13 через установленный в верхнем разбуривающем ярусе 2 кольцевой постоянный магнит 12, омагничивается им, что приводит к улучшению качества бурового раствора, то есть его основных параметров (вязкость, плотность, водоотдача, статическое напряжение сдвига).

Для предупреждения возникновения крутильных колебаний необходимо освободить буровой став от передачи крутящего момента от долота. Это возможно если крутящий момент на нижнем забуривающем ярусе и на верхнем разбуривающем ярусе будут равны по модулю, но противоположно направленны, для этого количество режущих элементов на нижнем забуривающем ярусе должно быть равно количеству режущих элементов на верхнем разбуривающем ярусе. Приближая по модулю значения крутящих моментов на забуривающем и разбуривающем ярусах можно предупредить возникновение крутильных колебаний на буровом ставе и уменьшить количество поломок PDC от ударов, возникающих при крутильных колебаниях.

Внешнее магнитное поле изменяет распределение электронных облаков ионов и поляризует электронные облака молекул воды. При этом изменяются энергии взаимодействия ионов с ближайшими молекулами воды и поляризация ионами близлежащих объемов воды, что приводит к изменению структуры раствора. Макромолекулы применяемых полимеров являются высокомолекулярными соединениями и имеют линейную структуру. При обработке раствора магнитным полем происходит увеличение длинны макромолекулы. В результате адсорбируется большее количество свободной воды, за счет чего происходит повышение вязкости и снижение водоотдачи, увеличивается плотность и статическое напряжение сдвига, то есть улучшается качество бурового раствора.

Инновационные резцы PDC нового поколения гребнеобразной формы значительно повышают ударную прочность долота и механическую скорость проходки. Гребнеобразная форма резца PDC повышает эффективность режущей силы и теплоотдачу при более высоком сопротивлении фронтальным нагрузкам на резец, что обеспечивается за счет увеличения на 70% толщины алмазного слоя на гребне, по сравнению с стандартным резцом PDC. Уменьшение усилия на резец для достижения той же скорости проходки ведет к более стабильному и меньшему крутящему моменту, и улучшенному контролю ориентации долота при наклонно-направленном бурении. Это преимущество позволяет увеличивать интенсивность набора зенитного угла при более высокой механической скорости проходки, тем самым увеличивая интервал продуктивной зоны и минимизирует непродуктивное время, выдерживая более точную траекторию скважины.

Испытания долот, армированных PDC гребнеобразной формы, позволило достичь увеличения механической скорости проходки по сравнению с долотами, армированными стандартными PDC при одинаковых конструкциях долота, что позволяет сократить время бурения и снизить расходы на строительство скважин.

Необходимо отметить, что коэффициент полезного действия, предлагаемого стабилизирующего двухъярусного долота режуще-скалывающего типа, выше взятого за прототип стабилизирующего двухъярусного долота режущего типа (см. патент на изобретение РФ №2445433, МПК Е21В 10/00 Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа / Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Третьяк А.А., Бурда М.Л., Онофриенко С.А. Заявка 2010129126/03 от 13.07.2010; опубл. 20.03.2012; Бюл. №8). КПД долота по предлагаемой заявке на изобретение рассчитывается как среднее арифметическое по основным технологическим параметрам - скорости бурения, наработки на долото до полного износа, стоимости долота, износу PDC, износу долота по диаметру, потере PDC.

Изобретение относится к области бурения скважин долотами режуще-скалывающего типа и может найти применение в горнодобывающей и нефтегазовой отраслях при бурении скважин различного назначения. Техническим результатом изобретения является уменьшение крутящего момента на буровом ставе и предупреждение возможности возникновения крутильных колебаний при бурении, вызывающих поломки режущих элементов, улучшение параметров промывочной жидкости, экономия химических реагентов. Стабилизирующее двухъярусное долото режуще-скалывающего типа включает нижний забуривающий ярус, включающий стабилизаторы нижнего забуривающего яруса и режущие лопасти нижнего забуривающего яруса, верхний разбуривающий ярус, включающий хвостовик, внутренний канал долота, стабилизаторы верхнего разбуривающего яруса и режущие лопасти верхнего разбуривающего яруса. Режущие лопасти нижнего забуривающего яруса и режущие лопасти верхнего разбуривающего яруса выполнены симметрично с радиально расположенными режущими элементами нижнего забуривающего яруса и режущими элементами верхнего разбуривающего яруса. Стабилизаторы нижнего забуривающего яруса и стабилизаторы верхнего разбуривающего яруса представляют собой спиральные калибрующие поверхности. Стабилизаторы верхнего разбуривающего яруса оснащены высокостойкими штырями, обладающими калибрующим действием. Промывочные отверстия расположены в нижнем забуривающем ярусе долота. Количество режущих элементов на лопастях нижнего забуривающего яруса равно количеству режущих элементов на лопастях верхнего разбуривающего яруса, в котором соосно оси долота внутри его расположен постоянный кольцевой магнит. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Стабилизирующее двухъярусное долото режуще-скалывающего типа, включающее нижний забуривающий ярус, включающий стабилизаторы нижнего забуривающего яруса и режущие лопасти нижнего забуривающего яруса, верхний разбуривающий ярус, включающий хвостовик, внутренний канал долота, стабилизаторы верхнего разбуривающего яруса и режущие лопасти верхнего разбуривающего яруса, режущие лопасти нижнего забуривающего яруса и режущие лопасти верхнего разбуривающего яруса выполнены симметрично с радиально расположенными режущими элементами нижнего забуривающего яруса и режущими элементами верхнего разбуривающего яруса, стабилизаторы нижнего забуривающего яруса и стабилизаторы верхнего разбуривающего яруса представляют собой спиральные калибрующие поверхности, стабилизаторы верхнего разбуривающего яруса оснащены высокостойкими штырями, обладающими калибрующим действием, промывочные отверстия расположены в нижнем забуривающем ярусе долота, отличающееся тем, что количество режущих элементов на лопастях нижнего забуривающего яруса равно количеству режущих элементов на лопастях верхнего разбуривающего яруса, в котором соосно оси долота внутри его расположен постоянный кольцевой магнит.

2. Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа по п. 1, отличающееся тем, что режущие элементы, смонтированные на нижнем забуривающем и верхнем разбуривающем ярусах, выполнены в виде режущих элементов PDC гребнеобразной формы под отрицательным углом от 10 до 35°.