Двухъярусное долото для бурения скважин Российский патент 2025 года по МПК E21B10/54 E21B10/60 

Изобретение относится к породоразрушающим инструментам (долотам) и может быть использовано при бурении скважин различного назначения при механическом вращательном бурении, а именно при роторном бурении, бурении с применением системы верхнего привода, гидравлическими забойными двигателями в породах средней крепости, выше средней крепости и крепких породах.

Известно многоярусное долото для бурения скважин в породах VI-VIII категории по буримости [патент РФ №2310732, опубл. 20.11.2007; Бюл. №32]. Многоярусное 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.

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

Известно долото Speed Drill DPI [US Patent 5803196. Appl.No.: 08/655988. Filed: May 31, 1996], которое включает:

- корпус с режущей поверхностью, расположенной вокруг продольной оси;

- множество режущих элементов, неподвижно закреплённых и выступающих с лицевой части и расположенных на некотором расстоянии друг от друга;

- один или несколько стабилизирующих элементов, расположенных на поверхности режущей.

Недостатками указанного устройства являются разные по величине скорости резания режущими элементами, закрепленными в удаленных друг от друга частях долота, что приводить к неравномерному их износу (преимущественный износ наиболее удаленных частей от режущих элементов разбуривающей части). Это ограничивает наработку на долото из-за потери диаметра и приводит к снижению эффекта стабилизации ствола скважины. Кроме этого, не обеспечивается эффективная очистка забоя от выбуренной породы. Недостаточная же очистка забоя скважин является основной причиной снижения технико-экономических показателей бурения, а также возникновения осложнений и аварий.

Известен также калибратор-интенсификатор, устанавливаемый над долотом [а.с. СССР №1694849, опубл. 30.11.1991; Бюл. №44]. Указанное устройство включает корпус с жестко закрепленными на его наружной поверхности калибрующими винтовыми лопастями (ребрами), выполненными в виде спиралей, причем угол наклона спиралей к оси корпуса изменяется от 15 в нижней его части до 60° в верхней части равномерно по их длине, а площади поперечных сечений лопастей выполнены равномерно по их длине увеличивающимися снизу вверх, причем в верхней части площади поперечных сечений лопастей превышают площади поперечных сечений этих же лопастей в нижней их части в 1,45-1,55 раза. Улучшение очистки забоя скважины от выбуренной породы обеспечивается тем, что при вращении устройства в процессе бурения скважины калибратор-интенсификатор работает как винтовой насос, и буровой раствор с выбуренной породой получает ускорение при движении между винтовыми лопастями (ребрами) снизу вверх, что улучшает вынос выбуренной породы с забоя скважины. Помимо этого обеспечивается стабилизация направления ствола скважины, ликвидация уступов и повышение качества подготовки скважины к спуску обсадной колонны, что также приводит к улучшению технико-экономических показателей строительства скважин в целом (как при бурении, так и при креплении скважин).

Недостатками указанного устройства являются отсутствие прямого гидродинамического взаимодействия, неминуемый перекос резьбовых окончаний из-за технологических допусков по точности изготовления и появление непрогнозируемого искривления ствола скважины, появление дополнительных вибраций.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является долото с винтовыми ребрами на цилиндрическом корпусе, которое включает нижний породоразрушающий элемент с промывочными отверстиями для прокачки бурового раствора, прямолинейные каналы для истечение бурового раствора, верхний калибрующий элемент с винтовыми каналами для истечения бурового раствора, винтовыми ребрами [О влиянии конфигурации боковой цилиндрической части долота типа ИСМ на снижение его поперечных вибраций / Н.Г. Федорова, Д.Н. Коврижкин, Э.В. Кулаев // Инновационные технологии в нефтегазовой отрасли. Проблемы устойчивого развития территорий: Материалы IV Международной научно-практической конференции, посвященной 30-летию факультета нефтегазовой инженерии СКФУ, Ставрополь, 07-08 декабря 2023 года. - С. 357-362.]. Для гашения поперечных колебаний долота эффективным является размещение на цилиндрической части корпуса долота винтовых лопастей (ребер) с винтовыми каналами равного поперечного сечения для течения бурового раствора. Использование этого решения приводит также к улучшению качества ствола скважины: конфигурация поперечного сечения ствола приближается по форме к окружности; снижается коэффициент кавернозности.

Недостаток прототипа: недостаточная очистка забоя скважин от выбуренной породы, это является основной причиной снижения технико-экономических показателей бурения, а также возникновения осложнений и аварий.

Технической задачей заявляемого изобретения является совершенствование породоразрушающих инструментов в направлении интенсификации очистки забоев скважин от выбуренной породы для повышения технико-экономических показателей бурения скважин.

Техническим результатом заявляемого изобретения являются:

- повышение скорости проходки при бурении горных пород;

- снижение количества спуско-подъемных операций;

- гашение поперечных колебаний породоразрушающего элемента и снижение уровня вибраций при бурении, вызывающих поломки режущих элементов;

- увеличение срока службы и эксплуатационной надежности режущих элементов;

- достижение калибровки ствола скважины для получения его цилиндрического сечения;

- сокращение времени бурения скважин до проектной глубины;

- снижение времени подготовки ствола скважины к спуску обсадных колонн;

- улучшение технико-экономических показателей строительства скважин в целом.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое двухъярусное долото для бурения скважин включает нижний породоразрушающий и верхний калибрующий элементы, составляющие единое целое, и содержит на наружной поверхности верхнего калибрующего элемента винтовые калибрующие ребра винтовые каналы между ними для истечения бурового раствора, при этом угол наклона винтовых калибрующих ребер оснащенные твердосплавными вкраплениями к плоскости перпендикулярной к оси двухъярусного долота и поперечное сечение винтовых калибрующих ребер равномерно увеличиваются от породоразрушающего элемента к верхней части калибрующего элемента, а каналы между лопастями нижнего породоразрушающего элемента и между винтовых калибрующих ребер верхнего калибрующего элемента расположены так, чтобы обеспечивать непрерывный ток бурового раствора, подаваемого через внутренний центральный канал, промывочные отверстия и каналы между лопастями нижнего элемента вверх по каналам между винтовых калибрующих ребер верхнего элемента, причем нижний породоразрушающий и верхний калибрующий элементы имеют одну общую ось и общий внутренний центральный канал для прохода бурового раствора, а отношение площади поперечного сечения внутреннего центрального канала долота к общей площади поперечного сечения каналов между винтовых калибрующих ребер в верхней части калибрующего элемента больше единицы.

За счет увеличения площади поперечных сечений винтовых калибрующих ребер обеспечивается сужение поперечного сечения каналов между винтовых калибрующих ребер, что способствует принудительному удалению выбуренной породы из зоны контакта долота с породой за счет ускорения течения бурового раствора.

Помимо этого, наличие общего удлиненного корпуса, включающего нижний породоразрушающий и верхний калибрующий элементы с расположенными на его поверхности винтовыми калибрующими ребрами, способствует снижению вибрации долота при вращении и достижению калибровки ствола скважины для получения его цилиндрического сечения. Снижение вибрации долота будет также способствовать снижению усталостного разрушения бурильной колонны и поломок режущих элементов долот, увеличению срока службы и эксплуатационной надежности его режущих элементов.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого двухъярусного долота.

Двухъярусное долото включает нижний породоразрушающий элемент А с промывочными отверстиями 1 для прокачки бурового раствора, каналами 2 между лопастями 3, оснащенными зубьями 4, и верхний калибрующий элемент Б с винтовыми каналами 5 для истечения бурового раствора между винтовыми калибрующими ребрами 6, на поверхности которых расположены твердосплавные вкрапления 7. В верхней части калибрующего элемента Б расположено резьбовое окончание 8 для соединения с бурильной колонной, причем нижний породоразрушающий элемент А и верхний калибрующий элемент Б имеют общий внутренний центральный канал 9 для прокачки бурового раствора, проходящий вдоль оси двухярусного долота.

Заявленное двухъярусное долото работает следующим образом.

С помощью резьбового окончания 8 двухъярусное долото (фиг. 1) соединяют с нижней частью бурильной колонны или забойного двигателя (не показано) и спускают до забоя скважины. Двухъярусное долото приводят во вращение. При этом двухъярусное долото взаимодействует лопастями 3 с зубьями 4 с породой, что приводит к ее разрушению и углублению скважины. Одновременно происходит прокачка бурового раствора по внутреннему центральному каналу 9. Буровой раствор выходит через промывочные отверстия 1 в породоразрушающем элементе А, осуществляет промывку зоны разрушения горной породы и выносит разрушенную породу из зоны бурения по каналам 2 между лопастями нижнего породоразрушающего элемента. Затем буровой раствор направляется к каналам 5 между винтовых калибрующих ребер 6 верхнего калибрующего элемента Б, причем за счет плавного изменения изгиба винтовых калибрующих ребер 6 и уменьшения площади поперечного сечения каналов 5 происходит разгон частиц выбуренной породы с выбросом их в заколонное пространство бурильной колонны (не показано). Уменьшение поперечного сечения каналов 5 для прохода бурового раствора между винтовыми калибрующими ребрами 6 снизу вверх калибрующего элемента Б способствует увеличению скорости восхождения потока, что улучшает вынос частиц выбуренной породы из зоны контакта двухъярусного долота с разрушаемой горной породой. Кроме улучшения выноса твердых частиц, твердосплавные вкрапление 7, расположенные на поверхности винтовых калибрующих ребер 6, служат для придания им стойкости против механического износа в процессе бурения в твердых породах.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет улучшить технико-экономические показатели бурения скважин в целом за счет комплексного решения проблем, а именно:

- снижения поперечных колебаний и вибраций, вызывающих поломки режущих элементов;

- увеличения срока службы и эксплуатационной надежности режущих элементов;

- снижения количества спуско-подъемных операций и, следовательно, снижения вероятности образования «желобов» в стенках скважин с большими углами искривления стволов;

- калибровки ствола скважины для получения его цилиндрического сечения;

- эффективного удаления выбуренной породы из контактной зоны долота с породой, эффективной очистки забоя скважины и исключения вторичного перемалывания шлама выбуренной породы;

- повышения скорости проходки при бурении горных пород.

Изобретение относится к породоразрушающим инструментам и может быть использовано при бурении скважин различного назначения при механическом вращательном бурении, а именно при роторном бурении, бурении с применением системы верхнего привода, гидравлическими забойными двигателями в породах средней крепости, выше средней крепости и крепких породах. Техническим результатом является повышение эффективности работы долота. Двухъярусное долото включает нижний породоразрушающий элемент с лопастями для разрушения горных пород, оснащенными зубьями, промывочные отверстия и каналы между лопастями для прокачки бурового раствора, и верхний калибрующий элемент, содержащий винтовые калибрующие ребра на его наружной поверхности, внутренний центральный канал для прохода бурового раствора и резьбовое окончание для соединения с бурильной колонной. Угол наклона винтовых калибрующих ребер, оснащенных твердосплавными вкраплениями, к плоскости, перпендикулярной к оси двухъярусного долота, и поперечное сечение винтовых калибрующих ребер равномерно увеличиваются от породоразрушающего элемента к верхней части калибрующего элемента, с уменьшением поперечного сечения каналов между винтовыми калибрующими ребрами верхнего калибрующего элемента снизу вверх. Каналы между лопастями нижнего породоразрушающего элемента и между винтовыми калибрующими ребрами верхнего калибрующего элемента расположены так, чтобы обеспечивать непрерывный ток бурового раствора, подаваемого через внутренний центральный канал, промывочные отверстия и каналы между лопастями нижнего элемента вверх по каналам между винтовыми калибрующими ребрами верхнего элемента. Нижний породоразрушающий и верхний калибрующий элементы имеют одну общую ось и общий внутренний центральный канал для прохода бурового раствора, а отношение площади поперечного сечения внутреннего центрального канала долота к общей площади поперечного сечения каналов между винтовыми калибрующими ребрами в верхней части калибрующего элемента больше единицы. 1 ил.

Двухъярусное долото, включающее нижний породоразрушающий элемент с лопастями для разрушения горных пород, оснащенными зубьями, промывочные отверстия и каналы между лопастями для прокачки бурового раствора, и верхний калибрующий элемент, содержащий винтовые калибрующие ребра на его наружной поверхности, внутренний центральный канал для прохода бурового раствора и резьбовое окончание для соединения с бурильной колонной, отличающееся тем, что угол наклона винтовых калибрующих ребер, оснащенных твердосплавными вкраплениями, к плоскости, перпендикулярной к оси двухъярусного долота, и поперечное сечение винтовых калибрующих ребер равномерно увеличиваются от породоразрушающего элемента к верхней части калибрующего элемента, с уменьшением поперечного сечения каналов между винтовыми калибрующими ребрами верхнего калибрующего элемента снизу вверх, а каналы между лопастями нижнего породоразрушающего элемента и между винтовыми калибрующими ребрами верхнего калибрующего элемента расположены так, чтобы обеспечивать непрерывный ток бурового раствора, подаваемого через внутренний центральный канал, промывочные отверстия и каналы между лопастями нижнего элемента вверх по каналам между винтовыми калибрующими ребрами верхнего элемента, причем нижний породоразрушающий и верхний калибрующий элементы имеют одну общую ось и общий внутренний центральный канал для прохода бурового раствора, а отношение площади поперечного сечения внутреннего центрального канала долота к общей площади поперечного сечения каналов между винтовыми калибрующими ребрами в верхней части калибрующего элемента больше единицы.