Буровое долото PDC с демпфером и разжимным пружинным стопором для вращающихся резцов Российский патент 2023 года по МПК E21B10/46 E21B10/573 

Предлагаемое изобретение относится к инструменту для бурения скважин.

В последние годы в глубоком бурении нашли широкое применение бесшарошечные долота PDC с алмазными породоразрушающими резцами. Режущая часть этих резцов оснащается поликристаллической алмазной пластиной, припаиваемой или привариваемой к твердосплавной цилиндрической подложке, одинаковой по диаметру с алмазной пластиной. Резец закрепляется в отверстии на лопасти корпуса долота и при его вращении под осевой нагрузкой оказывает режуще - скалывающее воздействие на породу забоя. Технология изготовления алмазных пластин необычайно сложна и трудоемка. Однако, получаемые в результате изготовления резцы PDC обладают уникальными прочностными свойствами и термостойкостью, позволяющими обеспечивать многократное увеличение показателей бурения бесшарошечных алмазных долот по сравнению с трехшарошечными долотами, что делает их применение рентабельным, даже несмотря на очень резкое увеличение их стоимости.

Известно буровое долото PDC с алмазными резцами [1] («Алмазное долото», «Линия FD», Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003, с.31 - 37), принятое в качестве аналога в нашей заявке. Внедрение таких долот позволило довести их применение до 70% всего объема глубокого бурения и получить очень большой экономический эффект. Однако и у этих относительно новых и высокопроизводительных долот имеются слабые стороны. Одна из них - недостаточно высокая стойкость алмазных пластин при высоких осевых нагрузках, при встрече с пропластками более твердых и крепких пород, при воздействии вибраций и колебаний бурильной колонны.

Известно другое долото PDC [2] («Алмазное долото PDC с механическим креплением резцов», Патент РФ № 2536901, кл. Е 21В 10/273, 10/573. 2014), принятое за другой аналог нашей заявки. В этом долоте повышение показателей бурения обеспечивается за счет ремонтопригодности и вторичного использования отремонтированного долота. Ремонт заключается в замене положения участка затупившейся или сколовшейся режущей кромки резца PDC другой частью этой же режущей кромки, не принимавшей участия в разрушении породы на забое. Такой ремонт возможен как в заводских условиях, так и непосредственно на буровой. Вместо традиционной пайки резцов в отверстиях на лопастях долота, предложено их механическое закрепление с помощью пары, вставляемых в отверстие вместе с резцом, конических втулок с ответными конусами. Забиваемые друг в друга конические втулки, выполненные из пластичной стали, создают необходимый натяги зажимают резец в отверстии. Для замены рабочего положения режущей кромки отработавшие резцы выбиваются из своих гнезд ударами по выколотке через отверстие со стороны нерабочего торца резца. После разворота вокруг его оси для замены рабочего положения режущей кромки, резец вновь фиксируется в отверстии с помощью пары забиваемых друг в друга пары зажимных втулок. Этот способ крепления резцов позволяет исключить вредный троекратный нагрев, неизбежный при традиционной запайке резцов при изготовлении и ремонте долота, что позволяет значительно повысить стойкость резцов.

Известно другое долото PDC [3], (Презентация компании «Смит Битс» корпорации «Шлюмберже» (США), «Новая революция в долговечности резцов PDC». 2013), также принятое за аналог для нашей заявки. В этой презентации сообщалось о применении вращающихся резцов в долотах PDC«ONIX - 360», с непрерывным вращением резцов вокруг своей оси на 360 градусов при использовании во время бурения полной длины режущей кромки резца. В презентации сообщалось о значительном увеличении стойкости такого резца, но ни каких конструктивных сведений, позволяющих осуществить это предложение на практике не имелось. Появление вращающегося резца PDC теоретически позволяло полнее использовать прочностные свойства режущей кромки.

Испытания указанных долот, проведенные в нашей стране, показали, что наряду с положительными свойствами возникли и новые отрицательные. В частности, значительно снизилась ударная стойкость режущей пластины резца. Если ранее при неподвижном креплении резцов в отверстиях при помощи пайки, полностью исключались зазоры между стенками отверстия и резцом, а значит и возможность ударного контакта между ними. Вращающийся вариант резца возможен только при наличии зазора, что неизбежно влечет за собой огромное количество мгновенных ударных контактов при выборке этих зазоров во время непрерывных продольных и поперечных колебаний бурильной колонны, работе долота по забойной рейке или при встрече более твердых пропластков породы. Поэтому возникла насущная необходимость решения проблемы повышения прочностных свойств алмазной пластины резца.

Известно другое долото PDC [4] («Буровое долото PDC сдемпферами для вращающихся резцов», Патент РФ № 2768306, кл. Е 21 В10/54, 10/573. 2022), принятое в качестве прототипа для нашей заявки. В этом долоте между торцом резца и дном отверстия под него установлен плоский механический демпфер с толщиной «а» в разжатом состоянии, толщиной «в» в сжатом состоянии и с амплитудой «с» максимально возможного осевого перемещения резца PDC при сжатии демпфера. Для обеспечения возможности осевого перемещения резца PDC и стопора на его пути, на боковой поверхности каждой твердосплавной подложки резца PDC на выбранном расстоянии L от его торца, а также на стенке каждого отверстия под установку резца PDС на расстоянии L2, выполнены две кольцевых канавки, образующие общую совместную полость, в которую через круглое монтажное отверстие снаружи лопасти, введен по посадке скольжения плавающий кольцевой стальной стопор круглого поперечного сечения, позволяющий беспрепятственно вращаться резцу во время его осевого перемещения с созданием демпфирующего эффекта, поглощающего до 70% величины осевого удара на резец PDC. Наличие демпфера значительно снижает хрупкий износ резца. К недостатку прототипа следует отнести сложность выполнения монтажного отверстия малого диаметра, соединяющего совместную полость под плавающий кольцевой стопор с наружной поверхностью лопасти долота в условиях различного положения и ориентации резцов на криволинейных поверхностях лопастей.

Целью настоящего изобретения является создание бурового долота PDC с демпфером и стопором для вращающихся резцов, лишенного вышеуказанных недостатков.

Техническим результатом изобретения является повышение стойкости алмазных долот PDC с вращающимися резцами, их проходки, механической скорости бурения, получение большого экономического эффекта.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое долото PDC содержит стальной корпус с выступающими лопастями, промывочными узлами, расположенными в пазах между лопастями, ниппельной частью с резьбой для присоединения ее к бурильной колонне, отверстиями на поверхности лопастей с размещенными в них вращающимися резцами PDC, в котором на стенках отверстий под резцы и на стенках твердосплавных подложек резцов, выполнена совместная кольцевая полость, образованная полупазом в виде кольцевой канавки на стенке отверстия под резец и полупазом в виде кольцевой канавки на стенке твердосплавной подложки резца, в эту совместную кольцевую полость установлен кольцевой разжимной пружинный стопор со сквозным пазом на боковой поверхности и кольцевой остроугольной заходной фаской, с возможностью сдавливания наружной поверхности корпуса стенкой отверстия за счет уменьшения ширины сквозного паза во время монтажа и последующего ее восстановления при разжатии пружинного стопора внутри совместной кольцевой полости, при этом разница в длине максимальной наружной окружности разжимного пружинного стопора Lразж. в разжатом состоянии (D1) и длиной минимальной наружной окружности Lcжат. в сжатом состоянии (D6), соответствует неравенству: L_разж. - L_сжат.<а, π (D1-D6)<а, где π - известное в математике трансдентное число, равное отношению длины любой окружности к ее диаметру, π= 3,1415…); «а» - ширина сквозной продольной прорези на боковой поверхности корпуса, между торцом резца PDC и дном отверстия под него, установлен плоский демпфер механического типа, толщиной «е» в разжатом состоянии, толщиной «и» в сжатом состоянии и толщиной «д» - максимальной амплитудой возможного осевого перемещения резца при сжатии и разжатии демпфера, на боковой поверхности каждой твердосплавной подложки выполнена кольцевая канавка, глубиной, ограниченной диаметрами D и D2 и длиной L1, начинающейся на расстоянии L от торца резца, а на стенке каждого отверстия под установку резца, выполнена ответная кольцевая канавка, глубиной, ограниченной диаметрами D1 и D и длиной L3, начинающейся на расстоянии L2 от дна отверстия; границы расположения и габариты демпфера, обеих кольцевых канавок и разжимного пружинного стопора связаны следующими соотношениями:

L1 = б + д; L2 = L+ е; L3 = L1 + д; L4 = L2+ L3; е - и = д.

ПЕРЕЧЕНЬЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг.1 изображает вид долота PDC снизу, с сечениемА - А, проходящим через осевое сечение одного из резцов PDC, фиг.2 - общий вид разжимного пружинного стопора, фиг.3 - вид резца PDC с установленным на нем разжимным пружинным стопором перед монтажом и сдавливанием его стенкой отверстия под резец, фиг.4 - фрагмент положения разрезного пружинного стопора во время монтажа и сдавливания его стенкой отверстия под резец, фиг.5 - фрагмент верхнего разжатого положения разрезного пружинного стопора, вошедшего внутрь совместной кольцевой полости при разжатом положении разрезного пружинного демпфера, фиг.6 - фрагмент сжатого положения демпфера при нижнем положении разрезного пружинного стопора.

На фиг.1 позициями обозначены: 1 - корпус долота, 2 - резцы PDC, 3 - лопасти корпуса долота, 4 - полости для обеспечения промывки забоя от шлама, 5 - промывочные узлы.

На фиг.2 дополнительно к вышеуказанным позициямфиг.1, обозначены: 6 - корпус разрезного пружинного стопора, 7 - утолщенная (основная) разжимная пружинная часть корпуса 6, 8 - утонченная (вспомогательная) часть корпуса, а - ширина сквозной продольной прорези на боковой поверхности корпуса 6, б - высота корпуса, «α» (альфа) градусов - угол заходной фаски, D1 -наружный диаметр корпуса разрезного пружинного стопора, D3 -его внутренний диаметр.

На фиг.3, дополнительно к вышеуказанным позициям, обозначены: 9 - кольцевой полупаз на стенке твердосплавной подложки резца, D - диаметр резца PDC, D1 -внутренний диаметр полупаза на стенке отверстия под установку резца, D2- внутренний диаметр полупаза 9, «б» -ширина кольцевой канавки полупаза 9.

На фиг.4, дополнительно к вышеуказанным позициям, обозначены: 10 - полупаз на стенке отверстия под установку резца, «г» - ширина кольцевой канавки полупаза 10.

На фиг.5, дополнительно к вышеуказанным позициям, обозначены: 11 - дно резца PDC, 12 - дно отверстия под установку резца PDC, 13 - демпфер в разжатом состоянии.

На фиг.6, дополнительно к вышеуказанным позициям, обозначен 13 - демпфер в сжатом состоянии.

Установка резцов PDC начинается с надвигания утонченной (вспомогательной) части разжимного пружинного стопора в кольцевой полупаз на стенке твердосплавной подложки в положение, показанное на фиг.3. Затем на дно отверстия под установку резца PDC помещается плоский демпфер механического типа, как показано на фиг.5. Затем резец с установленным на нем разжимным пружинным стопором начинает вдвигаться с достаточным осевым усилием в отверстие под установку резца в сторону поверхности разжатого демпфера, как показано на фиг.4, до положения, когда кольцевой полупаз на стенке отверстия под установку резца позволит разжимному пружинному стопору полностью разжаться и занять положение, показанное на фиг.5, обеспечивая при этом замок от возможности осевого перемещения, при беспрепятственном вращении резца PDC вокруг своей оси, а при возникновении внезапной ударной нагрузки во время бурения дополнительно возможность перемещаться вдоль оси и сжимать механический демпфер, снижающий мгновенные ударные и вибрационные нагрузки.

В качестве демпфера механического типа плоской формы, предлагается использовать любой известный эластичный материал, например резину, или кнопочную стальную пружину, способный воспринимать и демпфировать ударную нагрузку.

В отечественной и зарубежной практике бурения освоены и успешно применяются наддолотные амортизаторы (забойные демпферы), устанавливаемые всоставе бурильной колонны между долотом и УБТ для гашения продольных и поперечных колебаний, возникающих на забое скважины [5] (А.Г. Калинин «Бурение нефтяных и газовых скважин», учебник для Высшей школы. ЦентрЛитНефтеГаз, М. 2008, с.116, 266-267). В этом источнике имеются данные о том, что некоторые сорта технической резины за цикл могут поглощать 40 - 70 % энергии удара.

Материал, толщина и диаметральные размеры рекомендуемых плоских демпферов для различных по размерам резцов долот PDC и для бурения различных по твердости пород, должны подбираться индивидуально. В качестве материала для изготовления корпуса разжимного пружинного стопора может применяться пружинная сталь, например. Ст.65. Все размеры узла крепления для вращающихся резцов должны обеспечивать зазоры, необходимые для беспрепятственного вращения резца и работы демпфера, например, по посадке скольжения. Разрезной пружинный стопор может иметь в поперечном сечении и другую пружинящую конфигурацию, но с условием выполнения вышеуказанных конструктивных признаков. Для обеспечения принудительного момента вращения резца PDC вокруг своей оси при бурении, режущие плоскости алмазных пластин резцов PDC должны быть наклонены относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом к поверхности забоя и резания породы, последовательно всей длиной режущей кромки.

Для снижения воздействия истирающего трения при вращении и контакте, детали узла крепления резца могут обрабатываться любыми известными антифрикционными покрытиями и смазками.

Поскольку при бурении вся основная нагрузка на породоразрушающий резец PDC воздействует через торец твердосплавной подложки непосредственно на дно отверстия в лопасти, а на резец действуют только, относительно легкие, осевые задвигающие и выдвигающие нагрузки от демпфера, долговечность разжимного пружинного стопора и демпфера может исчисляться многими десятками часов. Это позволяет значительно повысить показатели работы алмазных долот PDC с вращающимися резцами, значительно упростить технологию их изготовления и сборки, получить большой экономический эффект.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. «Алмазное долото». «Линия FD». Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003. С.34 - 37.

2. Богомолов Р.М., Гринев А.М., Крылов С.М. и др. «Алмазное долото с механическим креплением резцов». Патент РФ № 2536901, кл. Е 21 В10/573; F 21 С35/197. 2014.

3. Презентация компании «Смит Битс» (США) корпорации «Шлюмберже», «Новая революция в долговечности резцов PDC», 2013.

4. Богомолов Р.М. «Буровое долото PDC c демпферами для вращающихся резцов». Патент РФ № 276 8306, кл. У 21 В 10/34, 2022.

5. Калинин А.Г. «Бурение нефтяных и газовых скважин». Учебник Высшей школы. ЦентрЛитНефтеГаз. М. 2008. С.116, 266 - 267.

Изобретение относится к инструменту для бурения нефтяных и газовых скважин. Буровое долото PDC с демпфером и разжимным пружинным стопором для вращающихся резцов включает стальной корпус с выступающими лопастями, промывочными узлами, расположенными в пазах между лопастями, ниппельной частью с резьбой для присоединения к бурильной колонне, отверстиями на поверхностях лопастей с размещенными в них вращающимися алмазными резцами PDC. На стенках отверстий под резцы и на стенках твердосплавных подложек резцов выполнена совместная кольцевая полость. Совместная кольцевая полость образована полупазом в виде кольцевой канавки на стенке отверстия под резец и полупазом в виде кольцевой канавки на стенке твердосплавной подложки резца. В эту совместную кольцевую полость установлен кольцевой разжимной пружинный стопор со сквозным пазом на боковой поверхности и кольцевой остроугольной заходной фаской с возможностью сдавливания наружной поверхности корпуса стенкой отверстия за счет уменьшения ширины сквозного паза во время монтажа и последующего её восстановления при разжатии пружинного стопора внутри совместной кольцевой полости. При этом разница в длине максимальной наружной окружности разжимного пружинного стопора L_разж. в разжатом состоянии (D1) и длиной максимальной наружной окружности L_сжат. разжимного пружинного стопора в сжатом состоянии (D6) соответствует неравенствам: L_разж. – L_сжат. < «a»; π * (D₁ – D₆) < «a», где π - известное из математики трансдентное число, равное отношению длины любой окружности к её диаметру, π = 3,1415, «a» - ширина сквозной продольной прорези на боковой поверхности корпуса разрезного пружинного стопора, между торцом резца PDC и дном отверстия под него, установлен плоский демпфер механического типа, толщиной «е» в разжатом состоянии, толщиной «и» в сжатом состоянии, максимальной амплитудой возможного перемещения резца при сжатии и разжатии демпфера – «д». На боковой поверхности каждой твердосплавной подложки выполнена кольцевая канавка глубиной, ограниченной диаметрами D и D₂ и длиной L₁, начинающейся на расстоянии L от торца. На стенке каждого отверстия под установку резца выполнена ответная кольцевая канавка глубиной, ограниченной диаметрами D₁ и D и длиной L₃, начинающейся на расстоянии L₂ от дна отверстия. Границы расположения и габариты демпфера, обеих кольцевых канавок и разжимного пружинного стопора должны быть связаны следующими соотношениями: L₁ = б + д; где «б» - высота корпуса разрезного пружинного стопора, ширина кольцевой канавки полупаза на стенке твердосплавной подложки резца; L₂ = L+ е; L₃ = L₁ + д; L₄ = L₂+ L₃; е – и = д. Обеспечивается повышение стойкости алмазных долот PDC с вращающимися резцами, их проходки, механической скорости бурения, получение большого экономического эффекта. 6 ил.

Буровое долото PDC с демпфером и разжимным пружинным стопором для вращающихся резцов, включающее стальной корпус с выступающими лопастями, промывочными узлами, расположенными в пазах между лопастями, ниппельной частью с резьбой для присоединения к бурильной колонне, отверстиями на поверхностях лопастей с размещенными в них вращающимися алмазными резцами PDC, отличающееся тем, что на стенках отверстий под резцы и на стенках твердосплавных подложек резцов выполнена совместная кольцевая полость, образованная полупазом в виде кольцевой канавки на стенке отверстия под резец и полупазом в виде кольцевой канавки на стенке твердосплавной подложки резца, в эту совместную кольцевую полость установлен кольцевой разжимной пружинный стопор со сквозным пазом на боковой поверхности и кольцевой остроугольной заходной фаской с возможностью сдавливания наружной поверхности корпуса стенкой отверстия за счет уменьшения ширины сквозного паза во время монтажа и последующего её восстановления при разжатии пружинного стопора внутри совместной кольцевой полости, при этом разница в длине максимальной наружной окружности разжимного пружинного стопора L_разж. в разжатом состоянии (D1) и длиной максимальной наружной окружности L_сжат. разжимного пружинного стопора в сжатом состоянии (D6) соответствует неравенствам:

L_разж. – L_сжат. < «a»

π * (D₁ – D₆) < «a»

где π - известное из математики трансдентное число, равное отношению длины любой окружности к её диаметру, π = 3,1415,

«a» - ширина сквозной продольной прорези на боковой поверхности корпуса разрезного пружинного стопора,

между торцом резца PDC и дном отверстия под него, установлен плоский демпфер механического типа, толщиной «е» в разжатом состоянии, толщиной «и» в сжатом состоянии, максимальной амплитудой возможного перемещения резца при сжатии и разжатии демпфера – «д», на боковой поверхности каждой твердосплавной подложки выполнена кольцевая канавка глубиной, ограниченной диаметрами D и D₂ и длиной L₁, начинающейся на расстоянии L от торца, а на стенке каждого отверстия под установку резца выполнена ответная кольцевая канавка глубиной, ограниченной диаметрами D₁ и D и длиной L₃, начинающейся на расстоянии L₂ от дна отверстия; границы расположения и габариты демпфера, обеих кольцевых канавок и разжимного пружинного стопора должны быть связаны следующими соотношениями:

L₁ = б + д;

где «б» - высота корпуса разрезного пружинного стопора, ширина кольцевой канавки полупаза на стенке твердосплавной подложки резца;

L₂ = L+ е;

L₃ = L₁ + д;

L₄ = L₂+ L₃;

е – и = д.