БУРОВОЕ ЛОПАСТНОЕ ДОЛОТО С КОМБИНИРОВАННЫМ КОРПУСОМ

Полезная модель относится к буровым долотам для бурения горных пород, которые содержат корпус долота, по меньшей мере, часть которого изготовлена из композитного, составного материала на основе матрицы, связующего материала, содержащей частицы другого материала.
Известно буровое долото для роторного бурения по патенту РФ на изобретение №2464403. Буровое долото для роторного бурения, имеющее корпус с частицами карбида бора в матричных материалах из алюминия или сплавов алюминия, и способ его изготовления. Группа изобретений относится к буровым долотам для роторного бурения и к способам изготовления таких буровых долот. Обеспечивает улучшенные физические свойства материала корпуса долота, улучшение рабочих характеристик долота. Долото для роторного бурения пород включает корпус долота, имеющий область коронки, преимущественно состоящую из композитного материала “матрица-частицы”, который включает множество частиц карбида бора, распределенных по матричному материалу из алюминия или сплава алюминия, и по меньшей мере одну режущую конструкцию, расположенную на торцевой поверхности корпуса долота. Матричный материал из алюминия или сплава алюминия содержит по меньшей мере 75 мас.% алюминия, по меньшей мере 3,5 мас.% меди и по меньшей мере следовое количество по меньшей мере одного элемента из группы, включающей железо, литий, магний, марганец, никель, скандий, кремний, олово, цирконий и цинк, причем упомянутое множество частиц карбида бора составляет примерно от 40 до 60 мас.% веса композитного материала “матрица-частицы”, а матричный материал из алюминия или алюминиевого сплава составляет соответственно примерно от 60 до 40 мас.% веса композитного материала “матрица-частицы”. Недостатком бурового долота для роторного бурения является высокая хрупкость композиционного покрытия.
Известен способ установки породоразрушающих элементов с РЭС в долотах режущего типа по заявке РФ на изобретение №2008125368. Способ установки породоразрушающих элементов с PDC в долотах режущего типа, включает токарную обработку заготовки, фрезерования пазов и формирование лопастей, выполнение каналов для подвода промывочной жидкости к пазам между лопастями и к забою скважины, выполнение гнезд для породоразрушающих элементов с PDC с направлением резания, совпадающим с осью гнезда, плотную установку в эти гнезда графитовых пробок, предварительный нагрев корпуса долота до температуры tн≈400°C, наплавку пространств между установленными пробками, а также с набегающей и сбегающей сторон лопастей износостойким твердым сплавом типа вольфрамокобальтового, ожидание остывания корпуса до комнатной температуры, удаление графитовых пробок, установку и пайку породоразрушающих элементов с PDC при температуре tп, не превышающей 650°C, низкий отпуск при температуре t0 ≈280°C, нанесение износостойкого защитного покрытия на поверхности корпуса между лопастями, отличающийся тем, что форму дна гнезда выполняют полусферической под аналогичную ответную форму нерабочего торца породоразрушающего элемента с помощью пальцевой режущей фрезы с полусферической рабочей головкой, имеющей диаметр, равный диаметру полусферы дна посадочного гнезда. Гнездо с полусферическим дном начинают обрабатывать со стороны устья поперечным врезанием пальцевой фрезы относительно его оси, затем продолжают обработку продольным врезанием при перемещении центра рабочей части фрезы по оси гнезда, заканчивают обработку поворотом оси фрезы в плоскости симметрии гнезда до образования на дне полусферы и затем отводят фрезу. Недостатком способа установки породоразрушающих элементов с РБС в долотах режущего типа является интенсивный абразивный износ корпуса долота.
Известно буровое долото по патенту РФ на изобретение №2374420. Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин, особенно для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин и пород, представленных чередованием пропластков различной твердости. Технический результат - улучшение управляемости с одновременным повышением виброустойчивости долота РЭС за счет применения специального композиционного покрытия и регулировки выступания резца над этим покрытием. Буровое лопастное долото включает корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом и выходными отверстиями для промывочной жидкости и лопастями, оснащенными поликристаллическими алмазными резцами РЭС. Поверхность лопастей снабжена композиционным покрытием, имеющим различную износостойкость по толщине, при этом стойкость композиционного покрытия к абразивному износу увеличивается в направлении от наружной поверхности к нижележащим слоям, а величина выступа резцов вблизи центра долота над поверхностью композиционного покрытия заведомо меньше необходимого для бурения самых твердых пород в данном геологическом разрезе. Недостатком бурового долота является высокая хрупкость композиционного покрытия.
Известна буровая головка для бурения скважин в подземных породах и способ бурения буровой скважины по патенту РФ на изобретение №2092671. Использование: бурение геологоразведочных скважин и добыча углеводородов. Сущность: в буровой головке для бурения скважин в подземных породах калибрующая часть имеет опорную зону. Опорная зона расположена смежно режущей области и выполнена с гладкой износостойкой поверхностью. Породоразрушающие элементы на калибрующей поверхности размещены с переменными усилиями наклона для создания в сторону опорной зоны результирующего усилия с удельной нагрузкой, меньшей сопротивления породы на раздавливание. Гладкая износостойкая поверхность может быть оснащена алмазами. Корпус имеет массу, расположенную неравномерно. Центр тяжести этой массы смещен к гладкой износостойкой поверхности калибрующей части. Породоразрушающие элементы могут быть выполнены из прессованного поликристаллического алмаза. Породоразрушающие элементы концевой части могут быть размещены под различными углами с образованием результирующего усилия, направленного радиально в сторону опорной поверхности, с удельной нагрузкой, меньшей сопротивления породы на раздавливание. При бурении буровой скважины к буровой головке дополнительно прикладывают радиальную силу в сторону опорной зоны, которая расположена в результирующей точке векторов суммы сил породоразрушающих элементов и усилия в осевом направлении. Недостатком буровой головки для бурения скважин является отсутствие защиты корпуса долота от абразивного износа.
Известен способ и система для уплотнения порошковых материалов при формовке бурового инструмента по патенту на изобретение №2466826. Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к формированию корпусов буровых долот и другого инструмента. Выполняют помол множества твердых частиц и множества частиц, включающих матричный материал. Полученные частицы порошка разделяют на несколько гранулометрических фракций и смешивают, по меньшей мере, часть по меньшей мере двух гранулометрических фракций и по меньшей мере одну добавку, выбранную из группы, включающей связующее вещество, пластификатор, смазывающую добавку и уплотняющую добавку, для получения порошковой смеси. Порошковую смесь размещают в деформируемом контейнере и прикладывают давление по меньшей мере к одной наружной поверхности контейнера для формирования неспеченного корпуса долота. Из деформируемого контейнера отводят жидкость, содержащую по меньшей мере одну добавку. Неспеченный корпус долота частично спекают. Устройство для формирования содержит камеру давления; деформируемый контейнер для помещения в него порошковой смеси, расположенный в камере давления, по меньшей мере один трубопровод, обеспечивающий канал для прохождения текучей среды между внутренней полостью деформируемого контейнера и пространством снаружи камеры давления. Обеспечивается получение инструмента с высокими рабочими характеристиками и долговечностью. Недостатком способа и системы для уплотнения порошковых материалов при формовке бурового инструмента является уменьшенный проход для шлама, связанный с необходимостью увеличивать размеры корпуса и лопастей долота из-за высокой хрупкости матричного корпуса.
Известно модульное буровое долото с неподвижными режущими элементами, корпус данного модульного бурового долота и способы их изготовления по патенту РФ на изобретение №2432445. Изобретение относится к усовершенствованию модульного бурового долота с неподвижными режущими элементами и его корпуса и способам их изготовления. Технический результат - повышение прочности, сопротивления износу и ударной вязкости корпусов. Корпус модульного бурового долота с неподвижными режущими элементами, содержащий держатель лопастей, содержащий первый цементированный карбид с твердостью от 85 до 90 единиц твердости по шкале А Роквелла, и, по меньшей мере, одну лопасть, закрепленную в держателе лопастей и содержащую второй цементированный карбид с твердостью от 90 до 94 единиц твердости по шкале А Роквелла. Также предложено модульное буровое долото с неподвижными режущими элементами и способы изготовления корпуса модульного бурового долота и самого бурового долота. Недостатком модульного бурового долота с неподвижными режущими элементами является отсутствие защиты корпуса долота от абразивного износа.
Известно буровое долото для роторного бурения и способ изготовления бурового долота с корпусом из композита из связующего материала с другими частицами по патенту РФ на изобретение №2429104. Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу изготовления буровых долот для роторного бурения. Формируют составные элементы из “неспеченного” порошка, при этом по меньшей мере одному из составных элементов придают форму, пригодную для изготовления одной области корпуса долота. Собирают составные элементы с образованием единой детали и спекают до достижения заданной конечной плотности для формирования корпуса долота. К корпусу долота прикрепляют расширение, к которому прикрепляют хвостовик, приспособленный для прикрепления к колонне бурильных труб. Буровые долота содержат единую деталь, по существу изготовленную из составного связующего материала с другими частицами и имеющую первую область, конструкция которой позволяет закреплять на ней резцы, и хвостовик, присоединенный к корпусу долота. Способ обеспечивает получение бурильного долота, корпус которого имеет высокую прочность и трещиностойкость, из композиционного материала без использования литейной технологии. Недостатком бурового долота для роторного бурения является уменьшенный проход для шлама, связанный с необходимостью увеличивать размеры корпуса и лопастей долота из-за высокой хрупкости матричного корпуса.
Задачами создания полезной модели являются: повышение ресурса работы бурового долота за счет улучшения адгезии матричной наружной части корпуса и внутренней стальной.
Решение указанных задач достигнуто за счет того, что буровое лопастное долото с комбинированным корпусом, включающее корпус с присоединительной резьбой, центральным каналом с выходными отверстиями для промывочной жидкости, и лопастями, оснащенными поликристаллическими алмазными резцами PDC, причем внутренняя часть корпуса, включая ниппель с присоединительной резьбой выполнена стальной, а наружная часть корпуса матричной, причем толщина матричной части корпуса составляет не менее 0,2…0,5 толщины стальной части корпуса, при этом для повышения прочности соединения наружной части корпуса с внутренней на внутренней части корпуса и на поверхности лопастей нанесены осевые и радиальные углубления. Наружная поверхность корпуса выполнена в виде однослойного или многослойного покрытия. Наружная поверхность корпуса выполнена из спеченного твердого сплава на основе карбида вольфрама. Наружная поверхность корпуса выполнена с частицами карбида бора в матричных материалах из алюминия или сплавов алюминия.
Предложенное техническое решение обладает новизной и промышленной применимостью, т.е. всеми критериями полезной модели. Новизна технического решения подтверждается проведенными патентными исследованиями. Промышленная применимость обусловлена тем, что при изготовлении бурового лопастного долота с комбинированным корпусом применяются недефицитные материалы и известные технологии.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1…4, где:
На фиг. 1 приведено буровое лопастное долото с комбинированным корпусом.
На фиг. 2 внутренняя стальная часть корпуса.
На фиг. 3 приведен разрез А-А с радиальными углублениями.
На фиг. 4 приведен разрез Б-Б с осевыми углублениями.
Буровое лопастное долото с комбинированным корпусом состоит из корпуса 1 с присоединительной резьбой 2, центральным каналом 3 с выходными отверстиями 4 для промывочной жидкости, и лопастями 5, оснащенными поликристаллическими алмазными резцами PDC 6, причем внутренняя часть корпуса 7 включая ниппель с присоединительной резьбой 2 выполнена стальной, а наружная часть корпуса 8 матричной, причем толщина матричной части корпуса 8 составляет не менее 0,2…0,5 толщины стальной части корпуса 7, при этом для повышения прочности соединения наружной части корпуса 8 с внутренней на внутренней части корпуса 7 и на поверхности лопастей 5 нанесены осевые 9 и радиальные углубления 10. Наружная поверхность корпуса 8 выполнена в виде однослойного или многослойного покрытия. Наружная поверхность корпуса 8 выполнена из спеченного твердого сплава на основе карбида вольфрама. Наружная поверхность корпуса 8 выполнена с частицами карбида бора в матричных материалах из алюминия или сплавов алюминия.
Буровое лопастное долото с комбинированным корпусом работает следующим образом. Внутренняя часть корпуса 7 присоединительной резьбой 2 крепится к буровой колонне или забойному двигателю. Буровое лопастное долото спускается на колонне труб в скважину. Включается промывка. Долото приводится во вращение и подается на забой. Зубья долота взаимодействуют с породой и разрушают ее. При уменьшении толщины наружной части корпуса 8 меньше 0,2 толщины внутренней стальной части корпуса 7, повышается вероятность скалывания наружного корпуса 8 при ударных нагрузках. При значительном увеличении толщины наружной части корпуса 8 более 0,5 толщины внутренней стальной части корпуса 7 снижаются промежутки между лопастями, что приводит к ухудшению промывки забоя скважины. Для улучшения адгезии материала наружной части корпуса 8 к материалу внутренней части корпуса на внутренней части корпуса 7 и на поверхности лопастей 5 нанесены осевые 9 и радиальные 10 углубления. Осевые углубления 9 передают момент на внешнюю часть корпуса 8, а радиальные углубления 10 осевую нагрузку.
Применение полезной модели позволило:
1. Обеспечить бурение с высокой производительностью.
2. Увеличить ресурс работы долота.
3. Повысить стойкость корпуса долота абразивному износу.
4. Снизить количество спускоподъемных операций.
5. Повысить стойкость корпуса долота к механическому разрушению.
6. Повысить скорость бурения.
7. Уменьшить время строительства скважины.
8. Снизить затраты на буровое оборудование.
9. Сократить время строительства скважины.