Резец для бурового долота Российский патент 2024 года по МПК E21B10/46 E21B10/56 E21B10/573 

Изобретение относится к инструменту для бурения глубоких скважин на нефть и газ, в частности, к PDC резцам для буровых долот.

Известно алмазное долото с механическим креплением резцов, содержащее корпус с присоединительной резьбой, промывочные узлы, резцы PDC, расположенные во втулках из пластичного металла в отверстиях на лопастях, крепление резца PDC осуществляется с помощью пары вставленных с усилием одна в другую конических стопорных втулок - одной с наружной цилиндрической поверхностью, ответной стенке отверстия в лопасти, и внутренней конической поверхностью, симметричной оси отверстия, вершиной конуса обращенной в сторону его дна, и другой втулки с внутренней цилиндрической поверхностью, ответной поверхности основания резца PDC, и наружной конической поверхностью, симметричной оси отверстия, вершиной конуса обращенной в сторону его входа, в дне отверстия под резец PDC предусмотрено соосное сквозное отверстие в лопасти, меньшее по диаметру, для введения в него и удаления из отверстия ремонтируемого или заменяемого резца PDC осевыми ударами или выпрессовыванием с помощью выколотки для обеспечения поворота изношенного участка и замены его на рабочей режущей кромке разворотом на нужный угол относительно оси или полной замены резца PDC на новый, (патент на изобретение RU 2536901, МПК Е21В 10/573, Е21С 35/197, заявлен 23.04.2013 г., 27.10.2014 опубликован г.). Недостатком изобретения является неподвижное закрепление резца PDC, при котором в непрерывном контакте с породой забоя находится незначительная часть кольцевой режущей кромки резца, она же воспринимает нагрузку в течение всего времени бурения, остальная часть режущей кромки не контактирует с породой, поэтому не изнашивается.

Наиболее близким по технической сущности является буровое долото PDC с демпферами 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. Между торцом резца PDC и дном отверстия под него установлен плоский демпфер механического типа толщиной «а» в разжатом состоянии, «в» в максимально сжатом состоянии, а также с амплитудой «с» максимально возможного осевого перемещения резца PDC при сжатии демпфера. На боковой поверхности каждой твердосплавной подложки резца PDC на расстоянии 1 от его торца выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения радиусом R3 и общей глубиной D2. На стенке каждого отверстия под резец PDC на расстоянии L1 от его дна выполнена кольцевая канавка шириной 11 полуовального поперечного сечения с радиусными скруглениями по бокам канавки R1 и R2, равными R3, и общей глубиной D1. Обе кольцевые канавки образуют совместную кольцевую полость, в которую через круглое монтажное отверстие снаружи лопасти введен по посадке с зазором плавающий кольцевой стальной стопор круглого поперечного сечения диаметром, соответствующим диаметру монтажного отверстия «d», заостренный с одного конца и плоский с другого, ограниченный по длине после установки центральным углом «е» относительно его оси. Постоянный момент вращения резцов PDC относительно их осей обеспечивается установкой плоскостей их режущих кромок под острым углом «з» относительно плоскости, проходящей через центр плоскости режущих кромок пластины и ось долота, по часовой стрелке или против нее. Границы расположения и габариты демпфера, кольцевых канавок полукруглого и полуовального поперечного сечения, монтажного отверстия, плавающего стального кольцевого стопора, связаны следующими соотношениями: R1=R2=R3; D1=D+2R1; D2=D-2R1; L1=1+a; L2=1+в; 11=2R1+с; с=а-в е=290-300 градусов; з=5-15 градусов, (патент на изобретение 2768306, МПК Е21В 10/54, Е21В 10/573, заявлен 09.06.2021 г., опубликован 23.03.2022 г.). Недостатком изобретения является выполнение плавающего стопора в виде кольцевого элемента с круглым поперечным сечением и размещение указанного стопора в кольцевой плоскости, образованной с одной стороны кольцевой канавкой полукруглого поперечного сечения, выполненной в резце, а с другой стороны, кольцевой канавкой полукруглого поперечного сечения, выполненной в отверстии под резец непосредственно в корпусе долота, что затрудняет монтаж резца.

При создании изобретения ставилась задача - упрощение процесса сборки вращающегося резца для бурового долота.

Поставленная задача решается за счет того, что резец для бурового долота, содержит твердосплавную подложку с PDC покрытием, на боковой поверхности которой выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения, при этом твердосплавная подложка с PDC покрытием содержит выполненный на боковой поверхности выступ, а резец дополнительно содержит твердосплавный корпус, представляющий собой полый заглушенный с нижнего торца элемент, содержащий выполненную на внутренней боковой поверхности кольцевую канавку полукруглого поперечного сечения и сквозное монтажное отверстие круглого поперечного сечения, выполненное в корпусе резца под острым углом относительно плоскости заглушенного торца корпуса с возможностью перекрытия на входе посредством припоя, а на выходе переходящее в кольцевую канавку корпуса, причем твердосплавный корпус выполнен с возможностью размещения в своей внутренней полости твердосплавной подложки с PDC покрытием с упором верхнего открытого торца корпуса в выступ подложки, при этом кольцевая канавка подложки и кольцевая канавка корпуса, расположенные напротив друг друга, образуют кольцевую полость круглого поперечного сечения, а резец дополнительно содержит крепление в виде множества стальных фиксирующих шариков, выполненных с возможностью ввода в упомянутую кольцевую полость через монтажное отверстие корпуса и размещения в данной полости вплотную друг к другу.

Желательно для не изменения технологии пайки резца, твердосплавную подложку с PDC покрытием и твердосплавный корпус выполнять в виде цилиндрической формы.

Целесообразно для не изменения технологии пайки резца, твердосплавную подложку с PDC покрытием и твердосплавный корпус выполнять в виде конической формы.

Диаметр кольцевой полости резца круглого поперечного сечения равен диаметру монтажного отверстия для отсутствия перегрева при пайке резца.

Целесообразно для вращения режущей кромки без заклиниваний множество стальных фиксирующих шариков выполнять одинакового диаметра.

В качестве удобства и простоты сборки резца диаметр каждого из множества стальных фиксирующих шариков выполнять меньше величины диаметров монтажного отверстия и кольцевой полости резца.

На фигуре 1 показан разрез резца цилиндрического для бурового долота с цилиндрической посадкой с использованием следующих обозначений:

1 - твердосплавный корпус;

2 - твердосплавная подложка;

3 - PDC покрытие;

4 - стальной фиксирующий шарик;

5 - монтажное отверстие;

6 - лопасть долота.

На фигуре 2 показан разрез резца цилиндрического для бурового долота с конической посадкой с использованием следующих обозначений:

1 - твердосплавный корпус;

2 - твердосплавная подложка;

3 - PDC покрытие;

4 - стальной фиксирующий шарик;

5 - монтажное отверстие;

6 - лопасть долота.

На фигуре 3 показан разрез резца конического для бурового долота с цилиндрической посадкой с использованием следующих обозначений:

1 - твердосплавный корпус;

2 - твердосплавная подложка;

3 - PDC покрытие;

4 - стальной фиксирующий шарик;

5 - монтажное отверстие;

6 - лопасть долота.

На фигуре 4 показано шариковое крепление.

Приведенный на фигуре 1 резец для бурового долота с цилиндрической посадкой содержит твердосплавный корпус 1, выполненный с возможностью установки в отверстии лопасти долота 6, твердосплавную подложку 2 с PDC покрытием 3, множество стальных фиксирующих шариков 4, а также выполненное в твердосплавном корпусе 1 резца для бурового долота монтажное отверстие 5. Твердосплавный корпус 1 резца для бурового долота представляет собой полый элемент цилиндрической формы, заглушенный с нижнего торца, на внутренней боковой поверхности, которого выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения. Также твердосплавный корпус 1 резца для бурового долота содержит сквозное монтажное отверстие 5 круглого поперечного сечения, выполненное под острым углом к плоскости глухого торца твердосплавного корпуса 1 резца для бурового долота. Монтажное отверстие 5 выполнено с возможностью перекрытия на входе посредством припоя, а на выходе переходит в упомянутую кольцевую канавку полукруглого поперечного сечения твердосплавного корпуса 1 резца для бурового долота. Твердосплавная подложка 2 с PDC покрытием 3 представляет собой цилиндрический элемент, на боковой поверхности которого выполнен выступ. Так же на боковой поверхности твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения. Твердосплавная подложка 2 с PDC покрытием 3 выполнена с возможностью размещения в твердосплавном корпусе 1 резца для бурового долота с упором верхнего открытого торца твердосплавного корпуса 1 в выступ твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3. При размещении твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 в твердосплавном корпусе 1 резца для бурового долота кольцевые канавки твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 и твердосплавного корпуса 1, каждая из которых выполнена полукруглого поперечного сечения, образуют кольцевую полость резца круглого поперечного сечения. Диаметр образованной таким образом кольцевой полости резца преимущественно равен диаметру монтажного отверстия 6.

Резец для бурового долота также содержит множество стальных фиксирующих шариков 4 одинакового диаметра. Величина диаметра каждого из множества стальных фиксирующих шариков 4 меньше величины диаметров кольцевой полости резца и монтажного отверстия 5. Каждый из множества стальных фиксирующих шариков 4 выполнен с возможностью ввода в кольцевую полость резца через монтажное отверстие 5 и размещения в упомянутой полости вплотную друг к другу с заполнением упомянутой полости.

При этом выполнение монтажного отверстия 5 под острым углом к плоскости глухого торца твердосплавного корпуса 1 резца для бурового долота облегчает перемещение каждого из множества стальных фиксирующих шариков 4 по монтажному отверстию 5 и их размещение в кольцевой полости резца. Диаметр каждого из множества стальных фиксирующих шариков 4, величина которого меньше величины диаметров монтажного отверстия 5 и кольцевой полости резца, обеспечивает необходимый зазор при посадке движения при монтаже и при расположении внутри кольцевого пространства полости во время вращения резца при эксплуатации.

Плоскости режущих кромок PDC покрытия 3, касающиеся забоя, выполнены наклоненными относительно плоскости, проходящей через центр покрытия 3 и ось долота под острым углом, в рекомендуемых пределах от 15 до 19 градусов по часовой стрелке или против нее. Силы трения, возникающие при проскальзывании наклоненных кромок резцов по забою, обеспечивают необходимый принудительный момент для вращения резцов относительно их осей, а значит и резание породы на забое всей длиной режущей кромки PDC покрытия 3.

Наличие совместной кольцевой полости, образованной кольцевыми канавками полукруглого поперечного сечения твердосплавного корпуса 1 и твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 при размещенном в указанной полости множества стальных фиксирующих шариков 4, позволяет твердосплавной подложке 2 с PDC покрытием 3 свободно вращаться вокруг своей оси.

Установка множества стальных фиксирующих шариков 4 в кольцевую плоскость круглого поперечного сечения, образованную обеими кольцевыми канавками твердосплавного корпуса 1 и твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3, осуществляется следующим образом.

В зависимости от габаритов резца для бурового долота, для которого изготавливаются стальные фиксирующие шарики 4, назначаются их размеры, а также необходимые размеры для выполнения обоих кольцевых канавок твердосплавного корпуса 1 и твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 и монтажного отверстия 5. Для удобства монтажа стальных фиксирующих шариков 4, монтажное отверстие 5 выполнено под острым углом к плоскости глухого торца корпуса 1, обеспечивающим скатывание стальных фиксирующих шариков 4 по каналу монтажного отверстия 5 в кольцевую полость между твердосплавным корпусом 1 и твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 и дальнейшее их перемещение в данной полости.

Для снижения тормозного эффекта трения, мешающего вращению и осевому перемещению резца для бурового долота во время бурения, наружные контактные поверхности стальных фиксирующих шариков 4 могут покрываться любыми известными высокотемпературными графитовыми смазками, медными смазками, силиконовыми смазками. Обработанные перед монтажом стальные фиксирующие шарики 4 вставляются в монтажное отверстие 5 и под действием силы тяжести перемещаются по наклонному монтажному отверстию 5 в кольцевую полость между твердосплавным корпусом 1 и твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 до положения, при котором весь объем кольцевой полости полностью заполняется стальными фиксирующими шариками 4 с обеспечением их прилегания друг к другу. Таким образом, размещенное множество стальных фиксирующих шариков 4 становится стопором, ограничивающим осевое перемещение твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 резца для бурового долота в сторону выхода из твердосплавного корпуса 1. При этом множество стальных фиксирующих шариков 4 не препятствует вращению твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 вокруг своей оси при эксплуатации резца.

Упрощение процесса сборки вращающегося резца для бурового долота достигается за счет выполнения на боковой поверхности твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 выступа и кольцевой канавки полукруглого поперечного сечения, при этом резец дополнительно содержит твердосплавный корпус 1, представляющий собой полый заглушенный с нижнего торца элемент, в котором размещается твердосплавная подложка 2 с PDC покрытием 3 с упором верхнего открытого торца твердосплавного корпуса 1 в выступ твердосплавной подложки 2, при этом твердосплавный корпус 1 содержит выполненную на внутренней боковой поверхности кольцевую канавку полукруглого поперечного сечения и сквозное монтажное отверстие 5 круглого поперечного сечения, выполненное в твердосплавном корпусе 1 резца для бурового долота под острым углом относительно плоскости заглушенного торца твердосплавного корпуса 1 с возможностью перекрытия на входе посредством припоя, а на выходе переходящее в кольцевую канавку твердосплавного корпуса 1, при этом кольцевая канавка твердосплавной подложки 2 с PDC покрытием 3 и кольцевая канавка твердосплавного корпуса 1 образуют кольцевую полость круглого поперечного сечения, которая заполнена множеством стальных фиксирующих шариков 4, выполненных с возможностью ввода в упомянутую кольцевую полость через монтажное отверстие 5 твердосплавного корпуса 1 и размещения в данной полости вплотную друг к другу.

Резец цилиндрический с конической посадкой и резец конический с цилиндрической посадкой функционируют по аналогии с резцом цилиндрическим с цилиндрической посадкой.

Таким образом, вращающийся резец увеличивает срок службы PDC долота за счет вращения режущей кромки на 360 градусов, по сравнению с фиксированными резцами, так же вращающиеся резцы сохраняют режущую кромку целой дольше и увеличивают продолжительность работы резца, за счет вращения увеличивается проходка долота на 40-60%, что позволяет снизить затраты на бурение.

Изобретение относится к инструменту для бурения глубоких скважин на нефть и газ, в частности к PDC-резцам для буровых долот. Резец для бурового долота содержит твердосплавную подложку с PDC-покрытием, на боковой поверхности которой выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения. Твердосплавная подложка с покрытием PDC содержит выполненный на боковой поверхности выступ. Резец дополнительно содержит твердосплавный корпус, представляющий собой полый заглушенный с нижнего торца элемент, содержащий выполненную на внутренней боковой поверхности кольцевую канавку полукруглого поперечного сечения и сквозное монтажное отверстие круглого поперечного сечения, выполненное в корпусе резца под острым углом относительно плоскости заглушенного торца корпуса с возможностью перекрытия на входе посредством припоя, а на выходе переходящее в кольцевую канавку корпуса. Твердосплавный корпус выполнен с возможностью размещения в своей внутренней полости твердосплавной подложки с PDC-покрытием с упором верхнего открытого торца корпуса в выступ подложки. Кольцевая канавка подложки и кольцевая канавка корпуса расположены напротив друг друга и образуют кольцевую полость круглого поперечного сечения. Резец содержит крепление в виде множества стальных фиксирующих шариков, выполненных с возможностью ввода в упомянутую кольцевую полость через монтажное отверстие корпуса и размещения в данной полости вплотную друг к другу. За счет вращения режущей кромки на 360 градусов обеспечивается увеличение срока службы PDC-долота, по сравнению с фиксированными резцами, также вращающиеся резцы сохраняют режущую кромку целой дольше и увеличивают продолжительность работы резца. За счет вращения увеличивается проходка долота на 40-60%. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Резец для бурового долота, содержащий твердосплавную подложку с PDC-покрытием, на боковой поверхности которой выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения, отличающийся тем, что твердосплавная подложка с PDC-покрытием содержит выполненный на боковой поверхности выступ, а резец дополнительно содержит твердосплавный корпус, представляющий собой полый заглушенный с нижнего торца элемент, содержащий выполненную на внутренней боковой поверхности кольцевую канавку полукруглого поперечного сечения и сквозное монтажное отверстие круглого поперечного сечения, выполненное в корпусе резца под острым углом относительно плоскости заглушенного торца корпуса с возможностью перекрытия на входе посредством припоя, а на выходе переходящее в кольцевую канавку корпуса, причем твердосплавный корпус выполнен с возможностью размещения в своей внутренней полости твердосплавной подложки с PDC-покрытием с упором верхнего открытого торца корпуса в выступ подложки, при этом кольцевая канавка подложки и кольцевая канавка корпуса, расположенные напротив друг друга, образуют кольцевую полость круглого поперечного сечения, а резец дополнительно содержит крепление в виде множества стальных фиксирующих шариков, выполненных с возможностью ввода в упомянутую кольцевую полость через монтажное отверстие корпуса и размещения в данной полости вплотную друг к другу.

2. Резец по п. 1, отличающийся тем, что твердосплавная подложка с PDC-покрытием и твердосплавный корпус выполнены цилиндрической формы.

3. Резец по п. 1, отличающийся тем, что твердосплавная подложка с PDC-покрытием и твердосплавный корпус выполнены конической формы.

4. Резец по п. 1, отличающийся тем, что диаметр кольцевой полости резца круглого поперечного сечения равен диаметру монтажного отверстия.

5. Резец по п. 1, отличающийся тем, что множество стальных фиксирующих шариков выполнены одинакового диаметра.

6. Резец по п. 1, отличающийся тем, что диаметр каждого из множества стальных фиксирующих шариков выполнен меньше величины диаметров монтажного отверстия и кольцевой полости резца.