Буровое долото PDC с вращающимися резцами
PDC DRILL BIT WITH ROTATING CUTTERS

Предлагаемое изобретение относится к инструменту для бурения скважин на нефть и на газ.
2000-е годы характеризуются началом широкого применения в глубоком бурении и в нашей стране, и за рубежом бесшарошечных долот режущего типа PDC (Polycristalline Diamond Cutter). Эти долота оснащены круглыми алмазными режущими пластинами нового типа. Они состоят из единичного кристалла алмаза, искусственно выращенного из алмазного порошка, в поистине экстремальных условиях - давлении 1 млн. фунтов на квадратный дюйм, создаваемом на шестипозиционном прессе, при температуре до 3000 градусов по Фаренгейту, за период времени около суток. Эта очень сложная технология создавалась фирмой «Дженерал Электрик» (США) более 50 лет и стала известной в 1954 году.
В качестве исходного материала для выращивания единичного кристалла используются мелкозернистые порошки алмазов. Выращиваемый из них единичный кристалл обладает многократно более высокими прочностными свойствами и термостойкостью. Это связано с отсутствием в едином кристалле межкристаллических границ и цементирующего эти границы состава, постоянно присутствующих в природных и искусственных алмазах. Эти уникальные свойства кристаллов используются для изготовления алмазных резцов долот PDC. Оснащенные такими резцами долота PDC сегодня широко и успешно применяются в отечественном и зарубежном бурении глубоких скважин, в породах от самых мягких до твердых малоабразивных.
Указанная выше технология выращивания отдельных алмазных кристаллов обеспечивает получение относительно небольших по габаритам 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 воспринимают ударные нагрузки.
Поэтому к ним не применяется традиционный для шарошечных долот способ крепления в отверстия шарошек твердосплавных зубков запрессовкой с многотонным прессовым усилием. Закрепление резцов PDC в отверстиях лопастей обеспечивается пайкой со щадящим температурным нагревом (до 650 градусов Цельсия) припоем ПСР на серебряной основе.
Известно долото PDC с алмазными резцами [1], принятое в качестве аналога в нашей заявке. Внедрение таких долот позволило до десяти раз увеличить среднюю проходку на долото по сравнению с традиционными шарошечными долотами, довести их применение в глубоком бурении до 70% его объема и получить очень большой экономический эффект. Однако, и у этих высокопроизводительных долот имеются свои слабые стороны. Это хрупкость и относительно малая стойкость алмазных пластин при встрече с пропластками твердых и крепких пород. Замена трения качения шарошек по забою на резание при разрушении породы привело к необходимости закупки нового, более мощного бурового оборудования для обеспечения многократно большего крутящего момента при бурении. Появилась опасность перегрева режущей кромки при многочасовой непрерывной работе долот PDC на забое.
Известно долото PDC [2], в котором увязывается глубина резания долотом за один оборот с контролируемой осевой нагрузкой на долото, позволяющих снижать возникновение перегрева режущей кромки резцов. Это долото принято за второй аналог в нашей заявке. Широкого применения решения, предлагаемые в указанном патенте, в долотах PDC не получили, поскольку они были справедливы только для определенных по твердости образцов пород и не могли быть универсальными для множества различных по твердости пород, проходимых за один спуск долотами PDC.
Известно еще одно долото PDC [3], принятое за следующий аналог в нашей заявке. В этом аналоге повышение показателей бурения обеспечивается за счет ремонтопригодности и вторичного использования отремонтированного долота после замены положения изношенной или затупившейся части режущей кромки резца PDC непосредственно в условиях буровой, при исключении неизбежного ранее вредного влияния на снижение стойкости трехкратного нагревания резцов PDC при ремонтной замене 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. После выколотки резца из гнезда, рабочая кромка разворачивается в нужное положение ее еще не работавшей части и резец снова фиксируется забивкой пары конических втулок.
Ремонтопригодность долот PDC, осуществляемая и с помощью пайки, и без нее, позволяет использовать неоднократно эти очень дорогие изделия, стоимость которых исчисляется миллионами рублей, резко увеличивая эффективность их применения в бурении.
Но, прогресс в производстве бурового инструмента непрерывно идет вперед, появляются все новые и новые конструктивные решения, обеспечивающие еще более высокие достижения в области глубокого бурения.
Одна из ведущих мировых компаний, выпускающая буровой инструмент в 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 которой сообщалось о создании вращающегося резца PDC в долотах этой фирмы ONYX 360. Число 360 в обозначении долота соответствует возможности непрерывного поворота режущей кромки резца PDC во время бурения вокруг его оси на 360 градусов [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 значительных преимуществах вращения резца во время работы, при котором нагружению подвергается не отдельный ограниченный участок, а вся целиком длина режущей кромки, вместо отдельного ее участка, работающего в случае жесткого закрепления резца. Применение образцов долот ONYX 360 обеспечило повышение средней проходки на 57%.
Долото с вращающимся резцом ONYX 360 принято в нашей заявке в качестве прототипа.
Целью настоящего изобретения является повышение стойкости резцов, надежности и показателей работы долот PDC, а также упрощение технологии их изготовления.
Эта цель достигается тем, что предлагаемое долото 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 подложек резцов, на одинаковом расстоянии от дна отверстия и от торца резца, выполнена совместная кольцевая полость, имеющая в сечении криволинейную или прямолинейную форму, например овальную, в которую установлено стопорное эластичное кольцо с поперечным сечением, соответствующим поперечному сечению совместной кольцевой полости. При этом масса части кольца, заключенная в кольцевых полостях на стенках отверстий под резцы более массы части кольца, заключенной в кольцевых полостях на стенках подложек для резцов, а плоскости пластин резцов PDC, касающиеся забоя режущими кромками, для обеспечения принудительного их вращения при бурении могут быть наклонены относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом, с возможностью гарантированного образования момента вращения резцов относительно их осей и резания породы на забое последовательно всей длиной режущей кромки.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ.
Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает общий вид долота PDC, фиг. 2 вид долота снизу с сечением А - А корпуса с одним из резцов со стопорным устройством, фиг. 3 - увеличенный узел по продольному сечению А - А и место поперечного сечения резца Б - Б по стопорному кольцу, фиг. 4 - схема расположения и монтажа стопорного устройства, фиг. 5 - сечение Б - Б по стопорному эластичному кольцу и совместной кольцевой полости.
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, а также позициями обозначены: 8 - промывочные узлы, 9 - диаметральные поверхности долота, а также направление сечения А - А, проходящего через плоскость симметрии совместной кольцевой полости для одного из резцов PDC.
На фиг. 3 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1 и фиг. 2, а также позициями обозначены: 10 - стопорное эластичное кольцо, 11 - кольцевой полупаз на стенке отверстия 13 под установку резца PDC, 12 - кольцевой полупаз на стенке твердосплавной подложки резца 2; 13 - стенка отверстия под установку резца 2 в лопасти 4; 14 - дно отверстия под установку резца 2. Буквой «а» обозначено одинаковое расстояние от дна отверстия и от торца резца до совместной кольцевой полости.
На фиг. 4 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1 - 3, а также обозначено расстояние «а».
На фиг. 5, на которой представлено сечение Б - Б, теми же позициями обозначены элементы показанные на предыдущих фигурах 1 - 4, а также буквами обозначены Д1 - максимальный диаметр полупаза 11 в стенке отверстия и Д2 - минимальный диаметр полупаза 12 в стенке подложки резца.
Для исключения препятствий постоянному вращению резца PDC во время бурения и уменьшения трения при контакте элементов стопорного узла друг с другом, необходимо выполнить следующие условия. В качестве материала для изготовления необходимо применять эластичный и достаточно стойкий материал, например специальные сорта резин, позволяющих обеспечить сборку стопорного узла и его длительную работу на истирание. Для повышение износостойкости эластичный стопор может обрабатываться любыми известными антифрикционными покрытиями, например содержащими дисульфидмолибден. Для обеспечения гарантированного принудительного вращения резцов вокруг их осей во время бурения, режущие плоскости пластин резцов PDC, касающихся забоя, могут наклоняться относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом, в рекомендуемых пределах, например от 5 до 15 градусов по часовой стрелке или против нее. Силы трения, возникающие при проскальзывании кромок резцов по забою гарантированно обеспечивают образование необходимого момента вращения резцов относительно их осей и резания породы на забое, последовательно всей длиной режущей кромки алмазной пластины.
Установка кольцевого стопорного эластичного кольца 10 в совместную кольцевую полость, образованную полупазами 11 и 12, осуществляется следующим образом. В качестве исходного материала, как уже упоминалось выше, для изготовления стопорного эластичного кольца выбирается резина, например демпферного типа. В зависимости от габаритов резца, для которого проектируется и изготавливается спеканием стопорное кольцо, назначаются его размеры, а также необходимые размеры для выполнения полупазов 11 и 12.
Готовое стопорное эластичное кольцо помещается в полупаз 11. Затем резец 2 с заходной фаской, покрытой антифрикционной смазкой, выполненной в виде острого угла и со входным диаметром несколько меньшим внутреннего диаметра частично выступающего в полость отверстия под резец стопорного эластичного кольца, вставляется с усилием во внутрь отверстия под установку, как показано на фиг. 4. Поскольку масса стопорного эластичного кольца, выступающая внутрь отверстия под установку резца значительно меньше его общей эластичной массы, заключенной за пределами стенки отверстия, а значит обладающей большим запасом эластичности, поверхность фаски тела резца при его установке постепенно сдавливает выступающую часть эластичного стопорного кольца и временно задвигает ее за пределы стенки отверстия. Как только полупаз 12 на стенке подложки сравняется с полупазом 11 на стенке отверстия под резец, его полость за счет эластичных свойств материала кольца заполняется эластичным материалом, который становится замковым препятствием резца от его осевого перемещения, но не может препятствовать его вращению.
При бурении вся осевая нагрузка на каждый породоразрушающий резец воспринимается от торца резца дном отверстия в лопасти. Это значит, что на резец действуют исключительно силы задвигающие его вглубь отверстия и практически отсутствуют усилия, вырывающие его из гнезда, кроме силы его собственного веса, возникающей только при подъеме долота над забоем. Поэтому долговечность работы замкового устройства прямо зависит только от стойкости материала эластичного стопорного кольца на истирание и может исчисляться многими десятками часов.
Предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить показатели работы алмазных долот PDC и упростить технологию их изготовления.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. «Алмазное долото», «Линия FD». Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003. С 34-3.
2. «Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой», патент США №6298930, кл. Е21В 10/46. 2001.
3. Богомолов P.M., Гринев A.M., Крылов С.М. и др. «Алмазное долото с механическим креплением резцов», патент РФ №2536901 кл. Е21В 10/573, F21C 35/197.2014.
4. Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов. «Новая революция в долговечности резцов PDC», Компания «Смит Битс» (США), корпорации «Шлюмберже», 2013 г.