Буровое долото PDC со стопорным цанговым устройством
PDC DRILL BIT WITH LOCKING COLLET

Предлагаемое изобретение относится к инструменту для глубокого бурения скважин.
Новый век характеризовался началом широкого применения в глубоком бурении бесшарошечных долот режущего типа PDC (Polycristalline Diamond Cutter). Эти долота оснащены круглыми режущими пластинами, содержащими единственный кристалл алмаза, искусственно выращенный из алмазного порошка, при огромном давлении в 1 млн. фунтов на квадратный дюйм, при температуре до 3000 градусов по Фаренгейту, за время около суток. Эта сложная технология опубликована известной фирмой «Дженерал Электрик» (США) в 1954 году.
В качестве исходного материала используются мелкозернистые порошки естественных или искусственных алмазов. Выращиваемый из них единственный кристалл обладает не только уникальными прочностными свойствами, но и высокой термостойкостью. В этом кристалле не существует межкристаллических границ и цементирующего эти границы состава, постоянно присутствующих между обычными кристаллами в природных и искусственных алмазах. Вот именно эти уникальные свойства создаются и используются при изготовлении алмазных резцов долот PDC. Оснащенные такими резцами долота PDC сегодня широко и успешно применяются во всем мире при бурении глубоких скважин в породах от самых мягких до твердых малоабразивных.
Указанная выше сложная технология выращивания отдельных алмазных кристаллов обеспечивает получение относительно небольших пластин, диаметрами от 8 до 24 мм и толщиной 1,5 - 2,5 мм. Такие пластины с плоской режущей поверхностью привариваются или припаиваются на твердосплавные цилиндрические основания - подложки, одинакового с пластинами диаметра. С помощью этой подложки готовые резцы PDC закрепляются в отверстиях на теле лопастей стальных или матричных корпусов долот. Обладая уникальными прочностными свойствами при истирании, алмазные пластины достаточно хрупки и плохо выносят ударные нагрузки. Поэтому к ним не возможно применять традиционный для шарошечных долот способ крепления твердосплавных зубков в теле шарошек методом запрессовки, с многотонным прессовым усилием. Закрепление резцов PDC в отверстиях лопастей обеспечивается в долотах PDC методом пайки со щадящим температурным нагревом (до 650 градусов Цельсия) с помощью припоя ПСР на серебряной основе.
Известно долото PDC с алмазными резцами /Алмазное долото PDC. Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003, г. Самара, с. 36/ [1] принятое в качестве аналога в нашей заявке. Внедрение таких долот позволило многократно увеличить среднюю проходку на долото PDC по сравнению с традиционными шарошечными долотами, довести их применение в глубоком бурении до 70% всего объема и получить очень большой экономический эффект. Однако и у этих новых высокопроизводительных долот имеются свои слабые стороны. Это малая стойкость алмазных пластин при встрече с пропластками твердых и крепких пород при возникновении ударных нагрузок, необходимость потребления значительно большего крутящего момента при бурении, по сравнению с шарошечными долотами, трудность регулирования перегрева режущей кромки при разной глубине внедрения за один оборот. Эти проблемы продолжают требовать своего решения.
Известно другое долото PDC /Буровое долото с контролируемой нагрузкой и глубиной резания. Патент США №6298930 кл. Е21В 10/46, 2001 г./ [2], в котором увязывается глубина резания долотом за один оборот с контролируемой осевой нагрузкой на долото. Это долото принято за второй аналог в нашей заявке. Широкого применения решения, предлагаемые в указанном патенте, в долотах PDC не получили, поскольку они не смогли обеспечить ожидаемого резкого увеличения показателей бурения.
Известно еще одно долото PDC /Богомолов P.M., Гринев A.M., Крылов С.М. и др. Алмазное долото с механическим креплением резцов PDC. Патент РФ №2536901 кл. Е21В 10/573, Е21С 35/ 197, 2014 г./ [3], принятое за следующий аналог в нашей заявке. В этом аналоге повышение показателей бурения обеспечивается за счет ремонтопригодности и вторичного использования отремонтированного долота. При ремонте обеспечивается замена положения изношенной или затупившейся части режущей кромки резца PDC в заводских условиях, или непосредственно в условиях буровой, при исключении неизбежного при ремонте ранее трехкратного нагревания резцов PDC для замены положения их режущей кромки. В соответствии с этим патентом, для крепления резцов PDC вместо пайки применяется механическое крепление, установленных в нужное положение резцов с помощью пары вставленных друг в друга стопорных втулок с коническими ответными конусами, выполненными из пластичной стали. После подъема долота и подготовки его к ремонту, резцы PDC легко выбиваются из своих гнезд специальной выколоткой ударами со стороны нерабочего торца резца, рабочая кромка разворачивается в нужное рабочее положение и резец снова фиксируется забивкой друг в друга пары конических втулок. Именно этим исключается вредный тройной нагрев припоя и алмазной пластины, неизбежный при закреплении резцов с помощью пайки.
Ремонтопригодность долот PDC, осуществляемая и с помощью пайки, и без нее, позволяет использовать неоднократно эти очень дорогие изделия, резко увеличивая эффект их применения в бурении.
Но, прогресс в долотостроении непрерывно идет вперед, появляются все новые и новые конструктивные решения, обеспечивающие новые достижения в области глубокого бурения.
Одна из ведущих мировых компаний по производству долот США, «Смит Битс», входящая в корпорацию «Шлюмберже», опубликовала рекламную презентацию для российских буровиков на русском языке, один из разделов которой озаглавлен как «Новая революция в долговечности резцов PDC», в котором сообщалось о создании вращающегося резца PDC в долотах этой фирмы - ONYX 360. Число 360 в обозначении долота соответствует возможности поворота режущей кромки резца PDC во время бурения вокруг его оси на 360 градусов / Буровая компания «Смит Битс», Корпорация «Шлюмберже». Презентация на русском языке. 2013 г. «Создание и применение в различных районах бурения «Новой революции в долговечности резцов PDC» / [4]. В этой презентации практически отсутствуют конкретные конструктивные признаки, позволяющие осуществлять круговое вращение резца PDC во время бурения, но в ней представлена компьютерная модель контактного нагружения породы под режущей кромкой резца PDC и упомянуто о преимуществах вращения резца во время работы, при котором нагружению подвергается вся целиком длина режущей кромки вместо отдельного ее участка, задействуемого при неподвижном креплении пайкой. Применение образцов долот ONYX 360, по данным упомянутой презентации, обеспечило повышение средней проходки на долото до 57%.
Долото с вращающимся резцом ONYX 360 принято в нашей заявке в качестве прототипа.
На эскизе прототипа подложка корпуса резца представлена с кольцевым пазом на цилиндрической поверхности, без расшифровки остальной формы замкового устройства, препятствующего возможности вылета резца из гнезда.
Техническим результатом изобретения является повышение стойкости резцов PDC, проходки на долото, механической скорости бурения.
Целью настоящего изобретения является создание бурового долота с вращающимися резцами PDC и повышение надежности его работы.
Эта цель достигается тем, что предлагаемое долото со стопорным цанговым устройством 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, для которых на стенках отверстий под резцы и на стенках твердосплавных подложек резцов, на одинаковом расстоянии от дна отверстия и от упорного торца резца, выполнены части совместной кольцевой полости, имеющей в сечении криволинейную форму, с торцовыми уступами по бокам на стенке отверстия и на подложке резца, перпендикулярными их осям; внутри совместной кольцевой полости установлено стопорное цанговое коническое пружинное кольцо, упирающееся малым основанием в торцевой уступ на твердосплавной подложке резца, а большим основанием в торцевой уступ на стенке отверстия под резец; для обеспечения постоянного вращения резцов PDC во время бурения, их режущие плоскости, касающиеся забоя режущими кромками, наклонены относительно плоскости, проходящей через центр плоскости пластины и ось долота под острым углом, например, в пределах от 5 до 15 градусов, по часовой стрелке или против нее.
При этом размеры длины и глубины в сечении паза с торцевыми уступами на подложке резца, а также размеры длины и глубины в сечении паза с торцевыми уступами на стенке отверстия под резец, должны обеспечивать необходимые зазоры для беспрепятственной установки стопорного цангового конического пружинного кольца в совместно образованную кольцевую полость при монтаже резца PDC в отверстие на лопасти и при вращении его во время бурения.
Установка резца начинается с монтажа стопорного цангового пружинного кольца в паз с уступами на подложке резца, подобно вначале растягивающемуся, а затем сжимающемуся пружинному браслету для ручных часов. При этом малое основание стопорного цангового конического пружинного кольца вначале надвигается на цилиндрическую поверхность твердосплавной подложки до момента, когда он спрячется внутрь паза, а большое основание останется за цилиндрическим габаритом твердосплавной подложки в виде выступающего конуса. Далее, твердосплавная подложка с надвинутым в ее паз стопорным цанговым коническим пружинным кольцом, начинает вдвигаться, с небольшим осевым усилием, в отверстие под резец на лопасти. Стенка этого отверстия при этом постепенно сжимает выступающую за ее габариты коническую поверхность стопорного цангового конического пружинного кольца до тех пор, пока его большое основание не раскроется полностью по уступу внутрь пространства паза на стенке отверстия и «защелкнет», зафиксировав осевое рабочее положение резца PDC, оставляя ему единственную возможность движения - вращения вокруг этой оси.
Чтобы обеспечить постоянное усилие для непрерывного вращения резцов PDC во время бурения за счет изменения направления сил трения, возникающих при их контакте с забоем, плоскости режущих пластин PDC установлены наклонно относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота, под острым углом, например, порядка от 5 до 15 градусов по часовой стрелке, или против нее.
Стопорное цанговое пружинное кольцо может быть выполнено из любого известного пружинного материала, например методом штамповки на прессе листовой пружинной стали.
Размеры по длине и глубине в сечении паза с торцевыми уступами на твердосплавной подложке резца, а также размеры в сечении паза с торцевыми уступами на стенке отверстия под резец, выполнены с зазорами для беспрепятственной установки стопорного цангового конического пружинного кольца в совместно образованную кольцевую полость перед монтажом резца PDC и при постоянном вращении его во время бурен
Поскольку основное осевое усилие, возникающее при работе долота и стремящееся задвинуть резец вглубь отверстия на лопасти долота, передается через плоский торец твердосплавной подложки на дно отверстия под резец, выталкивающее его усилие из отверстия практически отсутствует, а значит и износ стопорного цангового конического пружинного кольца от истирания во время бурения минимальный. Поэтому в качестве смазки и охлаждающей жидкости в зонах трения вращающегося резца PDC, достаточно промывочной жидкости.
Предлагаемый вариант бурового долота PDC со стопорным цанговым устройством позволяет при бурении, использовать всю длину вращающейся алмазной режущей кромки резца вместо ограниченной ее длины в варианте крепления резца с помощью пайки. За счет этого кратно увеличивается стойкость резца, и обеспечивается получение большого экономического эффекта.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает общий вид долота PDC, фиг. 2 вид долота снизу с сечением А - А корпуса по одному из резцов со стопорным устройством, фиг. 3 - увеличенный продольный разрез по сечению А - А стопорного цангового конического пружинного кольца, фиг. 4 - увеличенный узел I продольного разреза по сечению А - А.
На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - корпус долота, 2 - резцы PDC, разрушающие породу на забое, 3 - резцы PDC, защищающие корпус долота от потери диаметра при бурении скважины, 4 - лопасть корпуса, 5 - полости для обеспечения промывки забоя от шлама, 6 - пазы на корпусе для «свинчивания - развинчивания» долота при его креплении, 7 - коническая резьба для присоединения долота к бурильной колонне.
На фиг. 2 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1 и 8 - промывочные узлы, а также направление сечения А - А, проходящего через плоскость симметрии одного из резцов PDC.
На фиг. 3 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1 и фиг. 2, а также позициями обозначены: 9 - стопорное цанговое пружинное коническое кольцо с двумя плоско - параллельными основаниями: малым основанием 10 и большим основанием 11, набором конических окон - прорезей 12 со стороны малого основания 10 и другим набором конических окон - прорезей 13 со стороны большего основания 11. На конической поверхности стопорного цангового пружинного конического кольца 9 вблизи большего и меньшего основания, для увеличения контакта с поверхностями выступов на стенке отверстия и резца, могут располагаться утолщения, обозначенные позициями 14 и 15.
На фиг. 4 позициями обозначены: торец резца 21, стенка отверстия 16 с дном 17, на стенке отверстия 16 выполнен кольцевой паз 20 с двумя торцевыми уступами на стенке отверстия под резец 18 и 19. На цилиндрической поверхности подложки резца PDC 2 выполнен ответный кольцевой паз 24 с двумя торцевыми уступами на твердосплавной подложке резца 22 и 23.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Алмазное долото PDC. Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003, г. Самара, с 36.
2. Буровое долото с контролируемой нагрузкой и глубиной резания. Патент США №6298930 кл. Е21В 10/46, 2001 г.
3. Богомолов Р.М., Гринев А.М., Крылов С.М. и др. Алмазное долото с механическим креплением резцов PDC. Патент РФ №2536901 кл. Е21В 10/ 573, Е21С 35/ 197, 2014 г.
4. Буровая компания «Смит Битс», Корпорация «Шлюмберже». Презентация на русском языке. 2013 г. «Создание и применение в различных районах бурения «Новой революции в долговечности резцов PDC».