ГОЛОВКА БУРИЛЬНАЯ

Полезная модель относится к устройствам для бурения скважин с отбором керна, к породоразрушающему инструменту, а именно к головкам бурильным, армированным поликристаллическими алмазными зубками (резцами) PDC (Polycrystalline Diamond Cutter) и предназначенным для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин с отбором керна.
Известны головки бурильные, содержащие корпус с промывочными каналами и лопастями, боковая поверхность которых оснащена калибрующими вставками, а профиль армирован резцами PDC, корпус имеет внутреннюю полость для установки кернорвателя, а также присоединительную резьбу для соединения с керноотборным снарядом (каталог продукции открытого акционерного общества «ВБМ-групп»: «Буровые долота, калибраторы, центраторы», с. 46, 2010 г.).
Недостатком указанных головок бурильных является их низкая износостойкость при бурении с отбором керна, вследствие того, что не реализована возможность размещения наибольшего количества резцов на лопастях, особенно при бурении твердых пород. Этим обусловлена низкая рейсовая/коммерческая скорость при бурении с отбором керна, и как следствие - низкая эффективность.
Известна бурильная головка, содержащая корпус с промывочными каналами и лопастями, боковая поверхность которых оснащена калибрующими вставками, а профиль армирован резцами PDC, таким образом, что на каждой лопасти расположено по два ряда резцов, корпус имеет внутреннюю полость для установки кернорвателя, а также присоединительную резьбу для соединения с керноотборным снарядом. При этом каждый резец второго ряда расположен между двумя резцами первого ряда (каталог продукции Совместного предприятия закрытого акционерного общества «УДОЛ»: «Инструмент для отбора керна», с. 13, 2010 г).
Недостатком этой бурильной головки является то, что при отборе такой бурильной головкой керна в твердых породах возникают вибрации, которые разрушают резцы PDC, снижая показатель стойкости бурильной головки, ее эффективности. Возникновение вибраций происходит за счет того, что головка бурильная не имеет элементов, играющих роль стабилизаторов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому техническому устройству является бурильная головка, содержащая корпус с промывочными каналами и лопастями равной толщины, расположенными вертикально, параллельно оси скважины и оснащенная калибрующими вставками, а профиль лопастей армирован резцами PDC таким образом, что на каждой лопасти расположено по два ряда резцов, корпус имеет внутреннюю полость для установки кернорвателя, а также присоединительную резьбу для соединения с керноотборным снарядом (Патент на полезную модель №RU 119012 от 10.08.2012). Принципиальным ее отличием является размещение на лопастях каждого резца второго ряда, играющего роль стабилизирующего элемента, строго за резцом первого ряда, а также его нахождение ниже относительно профиля головки бурильной или на одном уровне с соответствующим резцом первого ряда, или ниже на величину, выбираемую из интервала 0…0,15d, где d - диаметр резцов первого ряда, что позволяет ограничить внедрение резцов первого ряда в условиях смены литологии (с твердого на мягкий, с мягкого на твердый) в слоистом разрезе (и показателей буримости, физико-механических свойств), а также резцам второго ряда принять на себя режуще-скалывающую функцию резцов первого ряда при сработке или утрате резца первого ряда (стачивании, сломе, разрушении). Такая конструкция позволяет увеличить ресурс головки бурильной, но недостаточно эффективна, не обеспечивает резерва повышения рейсовой скорости в анизотропных карбонатных породах с резко различающимися свойствами горной породы (физико-механические свойства, проницаемость, буримость).
Общими недостатками всех вышеперечисленных бурильных головок, в том числе бурильной головки, выбранной в качестве прототипа, являются низкий резерв увеличения рейсовой скорости проходки с отбором керна в слоистых, анизотропных по физико-механическим свойствам и абразивности породах, таких как анизотропно-трещиноватые и неравномерно-окремнелые карбонаты (доломиты) венд-кембрия и рифея ЮТ НГКМ; низкий резерв гидравлических характеристик (недостаточно эффективная гидравлическая программа), не позволяющий обеспечить полный вынос шлама с забоя скважины при поглощении потока бурового раствора. В реальных условиях каждого открывшегося поглощения наблюдается резкое снижение скорости проходки за счет вторичного перемалывания, переизмельчения уже разрушенной горной породы, шлама на забое скважины, что приводит к дополнительным, неэффективным затратам энергии на разрушение горной породы и к снижению эффективности процесса углубки скважины с отбором керна). Следующим недостатком, подтвержденным практикой отбора керна, является то, что при увеличении количества лопастей (с 6 до 12) снижается агрессивность работы бурильной головки PDC модели CDD (прототип) с двумя рядами резцов на каждой лопасти и рейсовая скорость проходки. Также установлено, что одна из технологических проблем, нарушающих оптимальную работу бурильной головки - колебания величины крутящего момента, обусловлена природными геологическими условиями отбора керна.
Таким образом, наблюдается комплексное снижение эффективности работы бурголовки - прототипа, вплоть до невозможности продолжить отбор керна.
Требуется разработка технического решения, которое при сохранении положительных характеристик прототипа обеспечит эффективность работы головки бурильной через прирост рейсовой скорости в бурении с отбором керна в сложных (анизотропных, неравномерно окремненных) рифейских карбонатных коллекторах, за счет повышения эффективности гидравлической очистки забоя от шлама буровым раствором; оптимизирует величину рабочей нагрузки на резец при увеличении числа лопастей на головке бурильной, через сохранение общего количества работающих резцов на рабочей поверхности головки бурильной, и снижение амплитуды колебаний крутящего момента, следовательно, сохранит агрессивность резания неравномерно окремнелой карбонатной породы; обеспечит эффективность двойного рядного вооружения при переходе от доломитов глинистых к доломитам перекристаллизованным и особенно к доломитам неравномерно окремненным, что в итоге обеспечит комплексное повышение эффективности работы головки бурильной при отборе керна в сложных карбонатных коллекторах.
Технический результат заявляемой полезной модели - повышение эффективности процесса бурения с отбором керна в сложных анизотропных карбонатных коллекторах рифея через повышение рейсовой скорости в совокупности с эффективной очисткой забоя от шлама в переменных условиях от полной циркуляции до частичного поглощения, снижение крутящего момента при сохранении высокого процента выноса керна.
Технический результат достигается тем, что предлагаемая головка бурильная содержит корпус с промывочными каналами и лопастями, боковая поверхность которых оснащена калибрующими вставками, корпус имеет внутреннюю полость для установки кернорвателя, а также присоединительную резьбу для соединения с керноотборным снарядом (КОС), а профиль лопастей армирован рядами резцов, таким образом, что резцы первого ряда и резцы, расположенные за резцами первого ряда располагаются строго один за другим, в линии движения первого резца, и при этом бурильная головка включает два типа лопастей - ведущая и ведомая, причем лопасти ведущая и ведомая расположены попарно, последовательно к оси бурильной головки, профиль ведущей лопасти армирован одним рядом поликристаллических алмазных резцов PDC, а профиль ведомой лопасти армирован двумя рядами резцов, где первый ряд - резцы PDC, а второй - резцы, импрегнированные алмазной крошкой, при этом первый и второй резцы на ведомой лопасти расположены строго за резцом в ведущей лопасти, ведомая лопасть большей толщины на величину 1,6-1,8 от толщины ведущей лопасти, и боковая поверхность каждой лопасти наклонна к оси скважины под одинаковым углом, а межлопастное пространство сохранено одинаковым, при этом количество парных ведущая - основная, ведомая - вторичная лопастей равно двум, либо более двух (3, 4, 5, 6); все лопасти имеют боковой наклон от 20 до 40°.
Предлагаемое решение - применение парных, последовательно расположенных лопастей (ведущей и ведомой) разной толщины с однорядным расположением основных резцов PDC на ведущей лопасти, и двухрядным расположением гибридных вспомогательных резцов - PDC в первом ряду, и резцов с импрегнированными вставками (алмазами) во втором ряду на ведомой лопасти, которые располагаются в линии (окружности) движения (резания) первого резца, расположенными на одном уровне или ниже резца PDC первого ряда, по очередности, увеличивая стабильность вращательных движений бурильной головки, снижая вибрации и колебания момента, а также ограничивают глубину зарезки резца PDC. При этом межлопастное пространство одинаково.
Заявляемое техническое решение позволяет сохранить эффективность и, следовательно, высокую рейсовую скорость в условиях бурения с отбором керна по древним карбонатным породам и увеличить ее по сравнению с прототипом благодаря сочетанию двухрядных и однорядных лопастей, где однорядные являются основными (ведущими лопастями), а двухрядные - ведомыми, играя функцию дорезания, доуглубления борозды и увеличения стабильности. Ведущий резец (на ведущей лопасти) удаляет основную часть, до 70-80% объема породы из борозды, ведомый (на ведомой лопасти) - дочищает борозду, импрегнированный резец за ним - ограничивает глубину зарезания. По схеме - ведущий (основной) - ведомый (дочищающий, стабилизирующий).
Сочетание ведущих и ведомых лопастей позволяет создать бурильную головку с высокой скоростью проходки по неравномерно-чередующейся слоистой толще древне-осадочных анизотропных карбонатных горных пород, в разной степени окремнелых (5-80%), различающихся по физико-механическим свойствам и по буримости.
Импрегнированный резец как ограничитель зарезки на ведомой лопасти обеспечивает сохранение равномерности осевой нагрузки на резец PDC первого ряда в условиях изменяющихся по буримости слоев или участков горных пород.
Чередование широкой с двухрядным вооружением и узкой, однорядной лопастей увеличивает площадь межлопастного пространства, чем улучшает отвод шлама, количество которого резко возрастает в единицу времени при увеличении скорости проходки в более мягких или в более трещиноватых горных породах.
Дополнительным техническим решением, создающим условия для более эффективного удаления шлама, как в условиях 100% циркуляции, так в условиях частичного (до 40%) поглощения, улучшающим гидравлическую программу промывки забоя и охлаждение резцов, служит изменение наклона боковых граней лопастей на угол от 20 до 40° к оси скважины. При вращении бурильной головки на забое за счет наклона лопастей создается турбулентность потока бурового раствора и дополнительная подъемная сила, которая улучшает гидравлические условия промывки забоя, и способствует улучшению очистки забоя от выбуренной породы.
При работе заявляемого инструмента, резец первого ряда на ведущей лопасти выполняет основную работу по разрушению породы, формированию борозды, в то время как резец первого ряда на ведомой лопасти выполняет вспомогательную функцию - дочищает борозду, сформированную первым резцом, не снижая механической скорости по сравнению с двойными резцами на каждой лопасти прототипа, и ограничивает внедрение первого резца в твердую породу с окремнением разной степени, которое приводит к резкому увеличению осевой силы, либо к возникновению осевых вибраций. Эту же роль ограничения зарезки играет импрегнированный резец второго ряда на ведомой лопасти, который расположен за резцом PDC. Таким образом, улучшаются условия работы резца первого ряда, снижаются контактные напряжения на границе «резец-порода», и увеличивается износостойкость ведущего резца.
В случае износа породоразрушающего резца первого ряда на ведущей лопасти, часть работы по разрушению породы выполняет резец первого ряда на ведомой лопасти, далее импрегнированный резец второго ряда на ведомой лопасти. В этом случае резец второго ряда и расположенный в створе за ним импрегнированный резец также ограничивают внедрение резца первого ряда в породу в случае резкого увеличения осевой силы при смене механических свойств горной породы (окремнение, трещиноватость), либо при возникновении осевых вибраций.
Таким образом, достигается технический результат - обеспечение более высокой рейсовой скорости проходки при бурении с отбором керна бурильной головки по сравнению с прототипом в карбонатных породах с неравномерным окремнением в совокупности с более эффективной очисткой забоя от шлама выбуренной породы в условиях частичного поглощения. Также минимизируется одна из главных проблем, нарушающих оптимальную работу бурильной головки при отборе керна в анизотропных высокоабразивных породах с переменной категорией буримости - колебания величины крутящего момента, обусловленные геологическими условиями отбора керна в анизотропных карбонатных породах с переменной степенью окремнения (5-80%). При этом новое техническое решение сохраняет главное положительное качество прототипа - сниженные вибрации головки бурильной при отборе керна, и, следовательно, обеспечивается комплексное решение задачи, на выполнение которой направлено заявляемое техническое устройство, а именно, повышается эффективность работы головки бурильной при бурении с отбором керна в анизотропном по физико-механическим свойствам с разной степенью окремнения карбонатном геологическом разрезе.
Сравнение предлагаемого устройства с прототипом выявляет наличие нескольких отличительных признаков:
- иное, попарное последовательное расположение лопастей (ведущая, ведомая) и разная их толщина - ведущей лопасти и ведомой лопасти; вторичная, ведомая лопасть большей толщины (1,6-1,8 от толщины тонкой лопасти);
- иное расположение резцов на лопастях ведущей (один ряд PDC) и ведомой (два ряда, где первый ряд PDC и второй ряд - резцы с импрегнированными вставками (алмазами); а лопасти располагаются попарно последовательно, причем на ведомой лопасти оба резца - резец PDC, импрегнированный резец, располагают в линии резания первого резца PDC ведущей лопасти;
- увеличение межлопастного пространства за счет уменьшения толщины каждой ведущей лопасти, поднимающее эффективность удаления шлама с забоя при резком увеличении скорости проходки в прослоях слабых по буримости пород, либо в зонах дробления, повышенной трещиноватости и в условиях бурения с частичным поглощением промывочной жидкости;
- наличие наклона боковой части лопасти, от 20° до 40°, создает условия для активного квазитурбинного движения потока промывочной жидкости, улучшая гидравлическую программу промывки забоя и позволяет продолжить бурение с отбором керна в условиях частичного (до 40%) поглощения, а также увеличивает ресурс головки бурильной.
Наличие данных признаков свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
В заявке приведены все средства, с помощью которых возможно осуществление полезной модели, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность технического решения поясняется чертежами.
На фиг. 1 и 2 изображены аксонометрический вид и осевой разрез заявляемой головки бурильной с восемью лопастями, где четыре ведущих и четыре ведомых лопасти расположены попарно; на фиг. 3 и 4 - схематично изображено расположение резцов в лопастях головки бурильной, где на фиг. 3 изображена в разрезе ведомая лопасть; на фиг. 4 изображена в разрезе ведущая лопасть; на фиг. 5 - изображена головка бурильная в действии; на фиг. 6 - изображен процесс разрушения породы еще не изношенными резцами, на фиг. 7 - изображен процесс разрушения породы частично изношенными резцами.
Устройство (фиг. 1) состоит из корпуса бурильной головки 1, лопастей ведущей 2 и ведомой 3, расположенных попарно, профиль которых армирован резцами PDC 4 и резцами с импрегнированными вставками (алмазами) - 5, где их детализация показывает: резец PDC первого ряда - 4, на ведущей лопасти (фиг. 4), резец PDC первого ряда - 4 и импрегнированный резец второго ряда - 5, а также разновысотность резцов первого и второго ряда - Δ на ведомой лопасти (фиг. 3); Боковые поверхности лопастей наклонные с углом 20-40°. На боковых поверхностях лопастей расположены калибрующие вставки 6. Для вывода буровой промывочной жидкости в корпусе бурильной головки (фиг. 2) предусмотрены промывочные каналы 7. Для предохранения корпуса от эрозии, в месте выхода промывочного отверстия расположены твердосплавные насадки 8. В корпусе бурильной головки выполнена расточка 9 для расположения кернорвателя. Бурильная головка присоединяется к корпусу керноотборного снаряда с помощью резьбы 10, которая, как правило, является конической.
Устройство работает следующим образом:
От корпуса керноотборного снаряда (КОС) 11 (фиг. 5) бурильной головке 1, которая соединена с корпусом КОС резьбой 10, передаются осевая сила и вращающий момент. Под действием этих сил бурильная головка резцами 4, 5 внедряется в породу 12, и разрушает ее. Поток буровой промывочной жидкости 13, выходя через твердосплавную насадку 8, омывает забой, и удаляет частицы разрушенной породы из призабойной зоны, одновременно с этим охлаждая резцы. Таким образом, бурильная головка углубляется в породу, формируя в центральной части фрагмент породы цилиндрической формы - керн 14, который, минуя кернорватель 15, заходит в полость керноприемной трубы 16, в которой керн впоследствии доставляется на поверхность.