Долото для забуривания нового направления ствола скважины с искусственного забоя

Полезная модель относится к области направленного бурения в твердых породах, в частности к конструкции долот, предназначенных для забуривания нового направления ствола скважины с искусственных мостов, преимущественно таких, буримость которых выше буримости горных пород, слагающих стенки скважины.
Известно долото для направленного бурения (А.с. №1756530, E21B 10, E21B 12), которое содержит цилиндрический корпус и породоразрушающую матрицу, внутреннюю шарошку с промывочными окнами, которая имеет возможность продольного перемещения шарошки внутри корпуса. Шарошка, установленная внутри корпуса, подпружинена и при поступлении керна вовнутрь корпуса долота происходит сжатие пружины, что позволяет компенсировать действие осевого усилия при забуривании нового направления ствола скважины с искусственного забоя и, ограничивая скорость бурения, интенсифицировать процесс забуривания нового направления ствола скважины.
Недостатком данного долота является низкая эффективность забуривания. Предложенное долото позволяет добиться снижения скорости бурения за счет снижения осевой нагрузки только на интервале продольного перемещения внутренней шарошки, который очень незначителен, а значит надежного забуривания нового направления ствола скважины достаточной протяженности добиться будет крайне сложно.
За прототип принято шарошечное долото с покрытием породоразрушающих элементов на торцевой части шарошек пластичным легко изнашиваемым материалом (см. В.В. Нескоромных Направленное бурение и основы кернометрии / Учебник: «Инфра-М», Москва, 2015 г., стр. 281-282).
Породоразрушающие элементы у прототипа на торце шарошек покрываются латунным или оловянным припоем и по высоте, и по площади торцевой части, что снижает эффект дробления и скалывания материала искусственного забоя и снижает скорость его разрушения. В то же время скорость фрезерования стенки скважины остается высокой, что интенсифицирует процесс забуривания нового направления ствола скважины с искусственного забоя.
Недостатком прототипа является низкая эффективность по забуриванию нового направления ствола скважины с искусственного моста из-за невозможности прогнозировать и регулировать скорость бурения, что влияет на параметры формируемой при забуривании нового направления ствола скважины интенсивности искривления.
Задачей полезной модели является повышение эффективности забуривания нового направления ствола скважины с искусственного моста в горных породах, твердость которых выше твердости материала искусственного моста.
Достигается тем, что долото для забуривания нового направления ствола скважины с искусственного забоя, включающее корпус с резьбой и шарошки, установленные на опорах качения, оснащенные породоразрушающими элементами, располагаемыми на поверхности шарошек венцами, покрытые наплавляемым материалом, при этом, на каждой шарошке породоразрушающего элемента среднего венца нанесено покрытие наплавляемым материалом, высоту которого определяют из соотношения: К=H-N⋅h,
где К - высота покрытия, м;
Н - высота породоразрушающего элемента долота на среднем венце шарошки, м;
з
з
N=h/h - требуемое соотношение глубин внедрения в породу породоразрушающих элементов долота без покрытия - h и после покрытия h.
Покрытие нанесено с чередованием между породоразрушающими элементами,
В качестве покрытия используют термостойкие керамические или металлокерамические материалы.
Наплавляемое между породоразрушающими элементами покрытие, в данном случае, ограничивает глубину внедрения породоразрушающих элементов (частично или полностью в зависимости от высоты покрытия), снижает механическую скорость бурения в требуемых пределах, при этом удается точно установить ограничение механической скорости и определить вероятное значение интенсивности искривления. Кроме этого достигается повышение эффективности работы долота за счет минимизации покрытия на шарошках и таким образом достигается эффект более точного обнажения породоразрушающих элементов вследствие износа покрытия при переходе долота в процессе забуривания с искусственного забоя в горную породу.
б
Выражение для расчета скорости бурения ν, находящейся в обратно пропорциональной зависимости от высоты покрытия, можно аналитически записать в виде выражения:
ш
-1
где ω - частота вращения шарошки долота, мин;
б
h - глубина внедрения в породу породоразрушающего элемента на среднем венце шарошки долота, м;
N - число шарошек у долота;
- число породоразрушающих элементов в среднем венце шарошки долота.
ф
Скорость фрезерования ν можно определить по аналогичной формуле
ф
где h - глубина внедрения в породу породоразрушающего элемента на боковом фрезерующем венце шарошки долота, м;
- число породоразрушающих элементов на боковой фрезерующем венце шарошки долота.
Из соотношения скоростей следует, какие параметры влияют на величины скоростей фрезерования стенки скважины и разрушения забоя и как можно получить наиболее благоприятное соотношение скоростей фрезерования и бурения.
Таким образом, ограничивая глубину внедрения породоразрушающих элементов в горную породу и число активно работающих породоразрушающих элементов  можно регулировать скорость бурения при забуривании нового направления ствола скважины с искусственного моста. Это следует из формул (2, 3 и 4).
Для более эффективного регулирования скорости бурения предлагается легко изнашиваемый материал наносить между породоразрушающими элементами, чередуя с теми породоразрушающими элементами, между которыми покрытие из легко изнашиваемого материала не выполняется.
Данное решение позволяет исключать из работы по разрушению забоя не все породоразрушающие элементы, а только те, между которыми нанесено легко изнашиваемое покрытие, что повышает возможность регулирования скорости бурения долотом по материалу, из которого изготовлена искусственная пробка.
В то же время, отмечая, что наносимый металлический припой характеризуется достаточно высокой износостойкостью и адгезией, для расширения возможностей предлагаемого долота по пункту 3 формулы предлагается в качестве легко изнашиваемого материала использовать термостойкое керамическое или металлокерамическое покрытие, отличающиеся меньшей стойкостью к изнашиванию.
На фиг. 1 показана торцевая часть трехшарошечного долота с легко изнашиваемым материалом на среднем венце каждой из шарошек.
На фиг. 2 показана шарошка долота с покрытием из легко изнашиваемого материала в разрезе.
На фиг. 3 показана шарошка в соответствии с определением толщины покрытия легко изнашиваемым материалом.
Предлагаемое в качестве полезной модели долото включает шарошки 1, породоразрушающие элементы 2 и легко изнашиваемый материал 3, который размещается между породоразрушающими элементами 2, ограничивая их породоразрушающее действие частично или полностью в зависимости от высоты наплавки
К=H-N⋅h,
где К - высота покрытия 3, м;
Н - высота породоразрушающего элемента 2 долота на среднем венце шарошки 1, м;
з
з
N=h/h - требуемое соотношение глубин внедрения в породу породоразрушающих элементов 2 долота без покрытия 3 - h и после покрытия 3 - h.
Предлагаемое долото работает следующим образом. Долото с покрытием 3 между породоразрушающими элементами 2 устанавливается на валу отклонителя фрезерующего типа для забуривания нового направления ствола скважины с искусственного моста. Покрытие наносится между породоразрушающими элементами 2 долота таким образом, чтобы ограничить скорость разрушения материала искусственного моста и создать благоприятные условия для забуривания нового направления ствола скважины за счет ограничения скорости бурения по материалу, из которого изготовлен мост в скважине. В процессе бурения происходит ограничение скорости бурения за счет снижения глубины внедрения породоразрушающих элементов 2 долота в материал искусственного забоя и активное фрезерование горной породы долотом, что позволяет достаточно эффективно производить забуривание нового направления ствола скважины. По мере бурения пластичный легко изнашиваемый (в сравнению с износом породоразрушающих элементов 2 и шарошек 1) материал изнашивается и породоразрушающие элементы 2 дополнительно обнажаются, что позволяет после забуривания нового направления ствола скважины, при разрушении горной породы обеспечить необходимую скорость бурения.
Технический результат от применения предлагаемого долота заключается в повышении оперативности и надежности забуривания новых направлений стволов скважин с искусственных мостов в твердых горных породах.