Буровое долото PDC с демпферами для вращающихся резцов
PDC DRILL BIT WITH DAMPERS FOR ROTARY CUTTERS

В последние годы широкое применение во всем мире получили бесшарошечные долота режущего типа PDC (POLYCRISTALLINE DIAMOND CUTTER), оснащенные пластинами, выращенными из мелкого алмазного порошка при нагреве до 3000 градусов по Фаренгейту и шестиосном давлении прессов усилием порядка 1 млн. фунтов на квадратный дюйм за время около одних суток. Получаемый в итоге единичный кристалл не имеет межкристаллических внутренних границ между отдельными кристаллами алмаза, наличие которых резко снижало прочностные свойства обычных алмазных пластин в резцах алмазных долот.
Оснащенные режущими алмазными пластинами, резцы PDC получили уникальные породоразрушающие свойства, многократно повысившие показатели бурения различных типов долот, применяемых для бурения малоабразивных пород, от самых мягких до твердых. Уникальные по сложности технологические условия получения единичных кристаллов алмаза, значительно ограничивают их геометрические размеры. Применяемые для изготовления буровых долот PDC алмазные режущие пластины ограничены по диаметрам (от 8 до 24 мм) и по толщине (1,5 до 2,5 мм). Такие пластины привариваются или припаиваются на твердосплавные цилиндрические основания - подложки, одинакового диаметра с алмазными пластинами, вместе с которыми готовые резцы PDC закрепляются в отверстиях на теле выступающих лопастей корпуса долота.
Алмазные пластины для резцов PDC, как и твердосплавная подложка, могут выдерживать очень большую сжимающую нагрузку, а также значительный перегрев (порядка 1000 градусов Цельсия) во время бурения. Однако, гораздо хуже они воспринимают непрерывные циклические ударные нагрузки. Поэтому для крепления резцов PDC в отверстиях лопастей не применяют традиционный способ запрессовки твердосплавных зубков с помощью многотонного прессового усилия, а закрепляют их с помощью пайки при щадящей алмазную пластину температуре (не более 650 градусов Цельсия), на припое ПСР на серебряной основе.
Известно долото с алмазными резцами [1] («Алмазное долото», линия «FD». КАТАЛОГ буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003, С 34 -37), принятое в качестве аналога в нашей заявке. Внедрение долот такого типа в мировую практику бурения обеспечило получение очень большого экономического эффекта.
Однако, у этого аналога имеются слабые стороны. Замена трения качения шарошек по забою на трение резания при разрушении породы, потребовало прменения многократно большего крутящего момента для вращения долота, а значит необходимости закупки более мощного бурового оборудования. Зубья шарошек при их перекатывании по забою, успевают между циклами внедрения в породу охладиться и «отдохнуть», а резцы долота PDC работают при непрерывном, постоянном контакте с породой, перегреваясь от абразивного контакта резания.
Известно другое долото PDC [2] («Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой», патент США №6298930, кл Е21B 10/46, 2001.), принятое за второй аналог нашей заявки.
В этом долоте сделана попытка увязать глубину резания за один оборот долота при работе на забое с параметрами бурения - осевой нагрузкой, числом оборотов и контактной поверхностью резцов PDC.
Решения, предлагаемые в этом патенте, применимы только для определенных, конкретных по твердости пород и не стали универсальными для большого количества различных по твердости пород, проходимых за один спуск долотами PDC.
Известно другое долото PDC [3] («Алмазное долото с механическим креплением резцов», патент РФ №2536901 кл. Е21В 10/573, кл. F21С 35/197, 2014), принятое за третий аналог нашей заявки.
В этом аналоге повышение показателей работы долота достигается за счет ремонтопригодности и последующих применений отремонтированных долот после замены положения изношенного или сколовшегося участка режущей кромки резца PDC в условиях непосредственно на буровой, при исключении их сбора и доставки на завод - изготовитель и при исключении дополнительных циклов нагрева при распайке и новой запайке при замене резца. Это позволяет повысить общую стойкость режущей кромки резца PDC и показатели работы долота.
Однако, во всех трех вышеуказанных аналогах нашей заявки предусмотрены варианты неподвижного закрепления резцов PDC, при которых в контакте с породой забоя непрерывно находится только небольшая часть длины кольцевой режущей кромки (порядка 10-15%), воспринимающая нагрузку в течение всего времени бурения долотом, а остальная часть режущей кромки (порядка 85%) в разрушении породы не участвует, а поэтому не изнашивается.
В 2013 году, фирма «Смит Битс», входящая в состав корпорации «Шлюмберже», США, опубликовала на русском языке рекламную презентацию для российских буровиков. Один из ее разделов - [4] («Новая революция в долговечности резцов PDC». Компания «Смит Битс», США, корпорация «Шлюмберже», 2013 г.)
В презентации сообщалось о создании вращающегося резца PDC в долотах, представляемых этой фирмой - ONIX 360. Число 360 в обозначении долота соответствует возможности непрерывного поворота режущей кромки резца PDC вокруг своей оси - на все 360 градусов. В презентации практически отсутствуют конкретные конструктивные признаки, обеспечивающие осуществление такого вращения резца во время бурения, но в ней упомянуто о значительных преимуществах схемы, при которой нагружению подвергается не отдельный ограниченный участок длины режущей кромки резца, а вся целиком кромка. В презентации сообщается, что применение долот ONIX - 360, обеспечило значительное повышение средней проходки. Это долото принято в нашей заявке в качестве прототипа.
Однако, наряду со значительным повышением общих показателей работы долота с вращающимися резцами, в бурении выявилось новое отрицательное свойство - снизилась ударная вязкость алмазных пластин и твердосплавных подложек. Это явление связано с тем, что при ранее применявшемся способе неподвижного закрепления резцов PDC с помощью пайки, зазоры между стенками отверстий под резец и самим резцом отсутствовали. Зазоры были заполнены припоем. Это исключало ударный контакт между ними.
При креплении вращающегося варианта резца наличие зазоров между стенками и дном отверстий и боковыми поверхностями и торцами резцов PDC неизбежно. Наличие этих зазоров также неизбежно приводит к огромному количеству мгновенных тяжелых ударных контактов при выборке этих зазоров при непрерывных продольных и поперечных колебаниях бурильной колонны, при встречах кромок резцов с крупными выступами забойной рейки, при встрече с более крепкими пропластками пород.
Возникшее снижение ударной вязкости резцов значительно сдерживает на практике внедрение в бурение в нашей стране и за рубежом долот PDC с вращающимися резцами.
Целью настоящего изобретения является повышение стойкости резцов и показателей работы долот PDC с вращающимися резцами.
Эта цель достигается тем, что предлагаемое долото включает стальной корпус с выступающими лопастями, промывочными узлами, расположенными между лопастями, ниппельной частью с резьбой для присоединения к бурильной колонне, отверстиями на поверхностях лопастей с размещенными в них алмазными резцами PDC диаметром D; между торцом резца PDC и дном отверстия под него установлен плоский демпфер механического типа, толщиной «а» в разжатом состоянии, «в» в максимально сжатом состоянии, и «с» - с максимальной амплитудой возможного осевого перемещения резца при сжатии демпфера; на боковой поверхности каждой твердосплавной подложки резца на расстоянии 1 от его торца выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения радиусом R3 и общей глубиной D2, а на стенке каждого отверстия под резец на расстоянии L1 от дна отверстия, выполнена кольцевая канавка полуовального поперечного сечения глубиной и с радиусными скруглениями R1 и R2 по бокам канавки, равными по величине радиусу R3, шириной канавки 1 1 = 2R1 + «с» и общей глубиной D1; обе кольцевые канавки - и на твердосплавной подложке резца PDC и на стенке отверстия под него, образуют совместную кольцевую полость, в которую через круглое монтажное отверстие диаметром «d» снаружи лопасти введен, по посадке с зазором, плавающий кольцевой стальной стопор круглого поперечного сечения диаметром, соответствующим диаметру монтажного отверстия «d», заостренный с одного конца и плоский с другого, ограниченный по длине после установки центральным углом «е»; постоянный момент вращения резцов PDC относительно их осей обеспечивается установкой плоскости их режущих кромок, касающихся породы на забое, под наклоном относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом «з» по часовой стрелке или против нее; на входе монтажного отверстия для установки стального кольцевого стопора может устанавливаться защитная крышка; границы расположения и габариты демпфера, кольцевых канавок полукруглого и полуовального поперечного сечения, монтажного отверстия, плавающего стального кольцевого стопора, связаны следующими соотношениями: R 1 = R 2 = R3; D1 = D + 2R1; D2 = D - 2R1; L1 = l + a; L2 = 1 + в; 1 1 = 2R1 + с; с = а - в е = 290 - 300 градусов; з = 5 - 15 градусов
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает общий вид долота PDC, фиг. 2 - вид долота снизу, фиг. 3 - увеличенный узел с поперечным сечением Б - Б со схемой установки стопорного стержня, фиг. 4 -тот же узел с вариантом установки крышки входного отверстия под плавающий кольцевой стальной стопорный стержень, фиг. 5 - схему положения демпфера и стопорного стержня в разжатом состоянии, фиг. 6 - схему положения демпфера и стопорного стержня в сжатом состоянии.
На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - корпус долота, 2 - резцы PDC, 3 -резцы, защищающие долото от потери диаметра, 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 новыми позициями обозначены: 8 - промывочные узлы, 9 - крышки монтажных отверстий для установки стопорных устройств для резцов PDC, 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 2, а также новыми позициями обозначены: 10 - плавающий кольцевой стальной стопорный стержень, 11 - радиальная кольцевая канавка полуовального поперечного сечения на стенке отверстия под установку резца PDC, 12 - радиальная кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения на твердосплавной подложке резца 2., 13 - оправка для монтажа плавающего кольцевого стального стопорного стержня 10, 14 - заостренный заходной конец стержня 10, а 15 - плоский торец этого стопорного стерня, D 1 - наружный диаметр кольцевой канавки полуовального поперечного сечения на стенке отверстия в лопасти 4 под резец PDC, D2 - внутренний диаметр кольцевой канавки полукруглого поперечного сечения на стенке твердосплавной подложки.
На фиг. 4 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1, 2, 3, а также позициями обозначены: 16 - отверстия для установки стопорного стержня 10, 17 - зазор между цилиндрическими поверхностями резца PDC и стенкой отверстия под него, 18 - упорная ступенька на крышке 9, угол «е», ограничивающий длину дуги, созданной установленным плавающим кольцевым стальным стопорным стержнем 10.
На фиг. 5 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1, 2, 3, 4, а также позициями обозначены: 19 - полуовальное поперечное сечение радиальной канавки 11, 20 - дно отверстия под резец 2, 21 - торец резца 2, 22 - наружная поверхность твердосплавной подложки, 23 - боковая поверхность отверстия под резец, 24 - демпфер в ненагруженном состоянии, буквой 1 обозначено расстояние от плоскости симметрии по сечению Б - Б радиальной кольцевой канавки 12 радиусом R3 полукруглого поперечного сечения до торца 21 резца 2, буквой L 1 обозначено расстояние от плоскости симметрии по сечению Б - Б радиальной кольцевой канавки полукруглого поперечного сечения 12 до дна отверстия 20 под резец 2, буквой «а» обозначена толщина демпфера в ненагруженном состоянии, буквой «с» обозначена величина возможного осевого перемещения резца 2 при максимально сжатом состоянии демпфера, буквой D обозначен диаметр резца 2 PDC, буквой D 1 обозначен внутренний диаметр по глубине кольцевой канавки полуовального поперечного сечения, буквами R1 и R2 обозначены боковые радиусы скругления полуовального поперечного сечения 19, а буквой «d» обозначен диаметр плавающего кольцевого стального стопорного стержня 10.
На фиг. 6 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1, 2, 3, 4, 5, а также позициями обозначены: 25 - демпфер в максимально сжатом состоянии, буквой D2 обозначен внутренний диаметр по глубине кольцевой канавки полукруглого поперечного сечения на твердосплавной подложке резца 2 PDC, буквой «в» обозначена толщина демпфера в максимально сжатом состоянии, l 1 - ширина кольцевой канавки 11 полуовального поперечного сечения.
Для исключения препятствий постоянному вращению плавающего резца PDC во время бурения и уменьшения трения при контакте элементов узла друг с другом, необходимо выполнить следующие условия. В качестве материала для изготовления плавающего кольцевого стального стопорного стержня необходимо применять пластичную сталь с минимальным содержанием углерода, например ст. 10. Такой пластичный материал облегчает вхождение стержня в торовидное кольцевое пространство, образованное обеими кольцевыми канавками 11 и 12, а также обеспечивает постоянство сохранения его в виде изогнутой части кольца в течение всего времени бурения. Чтобы исключить возможность контакта плавающего кольцевого стального стопорного стержня с монтажной оправкой, его длина не должна превышать длину, ограниченную центральным углом в пределах е = 290 - 300 градусов. Для беспрепятственного вхождения в монтажное отверстие со стороны поверхности лопасти, плавающий кольцевой стальной стопорный стержень должен быть с одной стороны заостренным, а с другой плоским, удобным для упора в него монтажной оправки. Его размер по диаметру должен обеспечивать необходимый зазор для посадки движения при монтаже и при расположении внутри кольцевого пространства во время вращения резца PDC. Плоскости режущих кромок алмазных пластин резцов PDC, касающиеся забоя, должны быть наклонены относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом «з», в рекомендуемых пределах, например от 5 до 15 градусов по часовой стрелке или против нее. Силы трения, возникающие при проскальзывании наклоненных кромок резцов по забою, обеспечивают необходимый принудительный момент для вращения резцов относительно их осей, а значит и резание породы на забое всей длиной режущей кромки алмазной пластины. Для защиты полости плавающего кольцевого стального стопорного замкового устройства от попадания шлама, может использоваться любой известный вариант выполнения защитной крышки для входного отверстия и ее крепления, например со ступенчатым козырьком с применением сварки, как показано на фиг. 4.
Наличие совместного кольцевого пространства, образованного кольцевыми канавками полуовального и полукруглого поперечного сечения при установленном кольцевом стальном стопорном замковом стержне позволяет резцу PDC свободно вращаться вокруг своей оси, а при возникновении внезапной ударной нагрузки на него во время бурения дополнительно переместиться вдоль этой оси и сжать механический демпфер, снижающий мгновенные ударные и вибрационные нагрузки.
В качестве такого механического демпфера, предлагается использовать, например, плоскую форму в виде «таблетки», умещающейся в пространстве между торцом 21 резца 2 и дном 20 отверстия под резец, выполненной из любого эластичного материала, (например резины), способного воспринимать и демпфировать ударную нагрузку.
В отечественной и зарубежной практике бурения освоены и успешно используются наддолотные амортизаторы (забойные демпферы), устанавливаемые в составе бурильной колонны между долотом и УБТ для гашения продольных и поперечных колебаний, возникающих при работе долота на забое скважины [5] (А.Г.Калинин, «Бурение нефтяных и газовых скважин», учебник для Высшей школы, ЦентрЛитНефтеГаз. М., 2008, с. 116, 266-267.
Энергоемкость демпфирующего устройства определяется наибольшим количеством потенциальной энергии, которую может аккумулировать упругий элемент демпфера, Под демпфирующей способностью понимается доля необратимо поглощенной энергии. Некоторые сорта технической резины за цикл могут поглощать 40 - 70 процентов энергии. Материал, толщина и диаметральные размеры рекомендуемых плоских демпферов для различных по диаметру резцов долот PDC для бурения различных по твердости пород, должны подбираться индивидуально.
Установка плавающего кольцевого стального стопорного стержня 10 в кольцевой торовидный канал, образованный обеими кольцевыми канавками 11 и 12, осуществляется следующим образом. Как уже упоминалось выше, для изготовления стержня 10 выбирается малоуглеродистая сталь. В зависимости от габаритов резца PDC, для которого изготавливается стопорный стержень, назначаются его размеры, а также необходимые размеры для выполнения обоих кольцевых канавок 11, 12 и входного отверстия для монтажа стопорного стержня 10. Для удобства монтажа стержня 10, его заходный конец должен иметь плавную антизадирную форму, а противоположный конец - плоскую форму, обеспечивающую максимальный упор торцу монтажной оправки 13, при ударах по которой происходит процесс изгиба стержня 10. При этом свойства выбранного материала обеспечивают постоянство сохранения полученной изогнутой круглой формы в течение всего времени работы резца.
Для снижения тормозного эффекта трения, мешающего вращению и осевому перемещению резца PDC во время бурения, наружные контактные поверхности твердосплавной подложки резца 2 и стопорного стержня 10 могут покрываться любыми известными антифрикционными покрытиями, или смазками. Обработанный перед монтажом прямолинейный стопорный стержень 10, вставляется в отверстие 16 и с помощью оправки 13, тарированной по длине, ударами досылается до положения, показанного на фиг. 3, при котором весь объем стержня 10 полностью устанавливается внутри кольцевого совместного торовидного пространства и становится стопором, ограничивающим осевое перемещение резца PDC в сторону выхода из отверстия под резец. При этом стопор 10 не препятствует его вращению вокруг своей оси, даже при относительно небольшом моменте вращения, создаваемом вышеупомянутым проскальзыванием кромок резцов по поверхности забоя, а также не препятствует осевому перемещению резца при внезапном сжатии демпфера, частично поглощающего энергию ударов, воспринимаемых резцами во время бурения.
В качестве смазки может использоваться и промывочная жидкость. При необходимости, вход в монтажное отверстие 16, как уже отмечалось выше, может закрываться любым известным способом, например с помощью крышки 9 и местной сварки 18.
Предлагаемое изобретение позволяет решить поставленную задачу и значительно повысить показатели работы алмазных долот с вращающимися резцами PDC.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Алмазное долото», «Линия FD». Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003. С. 34 - 37.
2. «Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой». Патент США №6298930, кл. Е21В 10/46. 2001.
3. «Алмазное долото с механическим креплением резцов», Патент РФ №2536901, кл. Е21В 10/573, кл. F21С 35/197. 2014.
4. Презентация «Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов». «Новая революция в долговечности резцов PDC». Компания «Смит Битс» (США), корпорация «Шлюмберже ». 2013.
5. А.Г. Калинин. «Бурение нефтяных и газовых скважин». Учебник Высшей школы. ЦентрЛитНефтеГаз, М. 2008. С 116, 266 - 267.