СТАБИЛИЗИРУЮЩЕЕ ДВУХЪЯРУСНОЕ ДОЛОТО РЕЖУЩЕГО ТИПА
STABILISING TWO-STAGE CUTTING BIT

Изобретение относится к области бурения скважин долотами режущего типа и может найти применение в горнодобывающей и нефтегазовой отраслях при бурении скважин различного назначения. Двухъярусное долото режущего типа предназначено для бурения с забойным двигателем в породах выше средней крепости и крепких.
Известно многоярусное долото режущего типа (см. патент на изобретение РФ №2310732. Многоярусное долото режущего типа / Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Заявка 2006100565/03(000634) от 16.01.2006; опубл. 20.11.2007; Бюл. №32), предназначенное для бурения скважин различного назначения в породах VI-VIII категорий по буримости.
Недостаток: короткие конусообразные ярусы при бурении перемежающихся (слоистых) пород неустойчивы на забое. Это вызывает вибрации режущих элементов и может привести к их поломкам.
Известно также долото стабилизирующее Speed Drill DPI (см. Patent US 5803196. Stabilizing drill bit / Coy M. Diamond Products International (Houston, TX). Appl. No.: 08/655988. Filed: May 31, 1996. Fielder September 8, 1998), принятое нами в качестве прототипа.
Недостаток: разные по величине скорости резания режущими элементами, закрепленными на разбуривающей и забуривающей частях долота, приводят к неравномерному их износу (преимущественный износ наиболее удаленных от оси режущих элементов разбуривающей части). Это ограничивает наработку долота из-за потери диаметра.
Задачей изобретения является увеличение износостойкости и наработки долота по перемежающимся породам при сохранении вертикальности ствола скважины за счет того, что стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа разделено на ярусы - разбуривающий с хвостовиков и стабилизатором и нижний забуривающий со стабилизатором, каждый из которых выполнен в виде независимых тел вращения, расположенных соосно, при этом скорости резания наиболее удаленных от продольной оси режущих элементов забуривающего и разбуривающего ярусов не превышают критических значений.
Сущность изобретения поясняется фиг.1 и 2.
На фиг.1 представлено стабилизирующее двухъярусное долото с планетарным редуктором (попутное вращение ярусов).
На фиг.2 представлено долото с планетарным редуктором (встречное вращение ярусов).
Для обеспечения привода независимых ярусов стабилизирующего двухъярусного долота режущего типа II над ним размещен планетарный редуктор I, который не является защищаемым элементом.
1
a
b
2
Стабилизирующее двухъярусное долото разделено на ярусы, выполненные в виде независимых тел вращения и расположенные соосно, - разбуривающий с хвостовиком 1 и стабилизатором 2 и забуривающий со стабилизатором 5. Хвостовик 1, имеющий замковую резьбу (не обозначена), сопрягается со стабилизатором 2 разбуривающего яруса. Режущие лопасти 3 этого яруса оснащены высокостойкими режущими элементами 4. Забуривающий ярус со стабилизатором 5 и режущими лопастями 6, оснащенными высокостойкими режущими элементами 7, вращается вправо с угловой скоростью ω, получая привод от забойного двигателя (не показан) через центральный вал редуктора 8. 10 - центральное колесо редуктора с количеством зубьев z; 11 - зубчатый венец с количеством зубьев z. Разбуривающий ярус вращается с угловой скоростью ω, получая привод от водила 9 через вращающиеся саттелиты 12 планетарного редуктора I.
Стабилизаторы 2 и 5 представляют собой спиральные калибрующие поверхности, оснащенные высокостойкими штырями (штабиками) 14. Стабилизаторы 2 и 5 увеличивают площадь контакта со стенками скважины.
Если оси вращающихся сателлитов 12 закреплены в неподвижном корпусе 13 планетарного редуктора, то разбуривающий ярус вращается влево с меньшей частотой. При этом
b
a
i=Z/z,
где i - передаточное число планетарного редуктора;
b
z - количество зубьев на зубчатом венце планетарного редуктора;
a
z - количество зубьев на центральном колесе планетарного редуктора.
Если же оси вращающихся сателлитов 12 закрепить во вращающейся части редуктора (на водиле 9), то ярусы долота будут вращаться попутно (вправо) с различной частотой. При этом
b
a
i=z/z+1,
где i - передаточное число планетарного редуктора;
b
z - количество зубьев на зубчатом венце планетарного редуктора;
a
z - количество зубьев на центральном колесе планетарного редуктора.
1
При вращении забуривающего яруса с угловой скоростью ω и осевом перемещении долота режущие лопасти 6 забуриваются в забой, расширяя по мере продвижения скважину до диаметра d, определяемого положением крайних режущих элементов 7, расположенных в верхних частях режущих лопастей 6. Поскольку режущие лопасти 6 состоят из нескольких режущих элементов 7 забуривающего яруса, а режущие лопасти 3 состоят из нескольких режущих элементов 4 разбуривающего яруса, расположенных на разных расстояниях от оси вращения, их скорости резания по мере удаления от оси возрастают, приближаясь к своим критическим значениям, зависящим от крепости пород и износостойкости вооружения. Режущими элементами 4 и 7 могут быть алмазно-твердосплавные пластины (АТП), Polycrystalline Diamond Cutter (PDC) или подобные.
мб
Мгновенная скорость бурения стабилизирующего двухъярусного долота V, мм/с, определяется возможной мгновенной скоростью бурения забуривающего яруса ,
мб
где V - мгновенная скорость бурения, мм/с;
з
S - интенсивность внедрения (подача) забуривающего яруса, мм/об;
з
n - частота вращения забуривающего яруса, об/с;
з
T - время одного оборота забуривающего яруса, с.
з
з
з
мб
За время T все долото совершает осевое перемещение S, а каждая лопасть разбуривающего яруса за это же время проходит часть своего оборота, срезая стружку толщиной h=S с мгновенной скоростью бурения V.
Равенство мгновенных скоростей бурения различных ярусов долота
мб
з
з
p
p
V=S·n=S·n=const,
мб
где V - мгновенная скорость бурения, мм/с;
з
S - интенсивность внедрения (подача) забуривающего яруса, мм/об;
з
n - частота вращения забуривающего яруса, об/с;
p
S - интенсивность внедрения (подача) разбуривающего яруса, мм/об;
р
n - частота вращения разбуривающего яруса, об/мин, обеспечивается варьированием частоты и интенсивности внедрения, что делает возможным согласовать скорости бурения быстровращающейся внутренней части долота и медленновращающейся наружной части.
p
p
При таких частотах вращения за один оборот забуривающего яруса долото переместится вдоль оси вращения на величину S, мм/об, а разбуривающий ярус провернется всего на часть оборота, и для того, чтобы при этом забой был обработан полностью, необходимо на разбуривающем ярусе иметь число лопастей z, определяемое зависимостью
,
р
где z - число режущих лопастей разбуривающего яруса;
з
z - число режущих лопастей забуривающего яруса;
з
n - частота вращения забуривающего яруса, об/с;
р
n - частота вращения разбуривающего яруса, об/мин.
кр
з
Величина критической скорости резания V - основное ограничение области применения долот режущего типа на породах выше средней крепости и крепких. Диаметр долота, на котором режущий элемент достигает критической скорости резания при частоте вращения n, называют предельным (диаметр d).
Частота вращения разбуривающего яруса, имеющего наибольший диаметр D,
,
р
где n - частота вращения разбуривающего яруса, об/мин;
D - предельный диаметр разбуривающего яруса, мм;
d - предельный диаметр забуривающего яруса, мм;
з
n - частота вращения забуривающего яруса, об/мин.
Режущие элементы забуривающего яруса, расположенные на больших радиусах, будут иметь скорость резания, определяемую зависимостью
,
рез1
где V - скорость резания элементов забуривающего яруса, м/с;
π - математическая константа;
d - предельный диаметр забуривающего яруса, мм;
з
n - частота вращения забуривающего яруса, об/мин.
Ее величина не превышает критического значения скорости резания.
b
a
b
a
При передаточном отношении i=z/z (i=z/z+1) скорость резания режущими элементами разбуривающего яруса, наиболее удаленными от оси вращения, значительно меньше критического значения
рез2
где V - скорость резания элементов разбуривающего яруса, м/с;
π - математическая константа;
D - предельный диаметр разбуривающего яруса, мм;
з
n - частота вращения забуривающего яруса, об/мин.
Таким образом, долото не имеет износа режущих элементов, наиболее удаленных от оси вращения. Режущие элементы забуривающего и разбуривающего ярусов изнашиваются с одинаковой интенсивностью, за счет чего увеличивается общая наработка долота.