ДОЛОТО БУРОВОЕ

Полезная модель относится к буровой технике, а именно к буровым долотам, и может использоваться при бурении скважин.
В современной технологии бурения широкое применение получили долота PDC (Polycrystalline Diamond Cutter) - это породоразрушающий инструмент, сделанный из особо прочного материала, армированного алмазными поликристаллическими резцами. Долота PDC, в отличие от шарошечных, не имеют подвижных элементов, что существенно уменьшает риск потери их частей в скважине, помимо этого, они используют совершенно иной способ разрушения горной породы - резание. Разрушение горной породы путем ее резания намного эффективнее дробления, в связи с чем обеспечивается существенное увеличение, как механической скорости бурения, так и проходки на долото.
Из уровня техники известно долото PDC (патент РФ №2530960, МПК Е21В 10/60, опубликовано 20.10.2014 г.), содержащее сварной корпус, состоящий из двух частей - верхней, с присоединительной резьбой, пазами под ключ, с внутренней полостью, резьбой для сборки с нижней частью корпуса, внутреннюю полость, защитный стакан с плоским дном на дне этой полости, каналы для установки износостойких промежуточных втулок и гидромониторных насадок для прохода промывочной жидкости, лопасти с боковыми и торцевыми резцами PDC. Между плоским торцом в полости нижней части корпуса и защитным стаканом, по поверхности их контакта, установлена сжимаемая плоская круглая эластичная прокладка с отверстиями, ответными положению износостойких промежуточных втулок, при этом концы этих втулок со стороны гидромониторных сменных насадок имеют установочную базу в виде кольцевого упора большего диаметра, чем диаметр отверстия под эти втулки, с кольцевыми пазами с верхней и нижней стороны кольцевого упора под установку ответных пазам герметизирующих уплотнительных колец круглого сечения.
Недостатком данного долота является его сложное конструктивное выполнение, кроме того долото имеет торцевые резцы PDC в виде пластины, что не позволяет производить бурение особо твердых пород.
Известно гибридное долото с изменяемым выступом резцов (патент РФ №2521132, МПК Е21В 10/14, опубликовано 27.06.2014 г.), включающее корпус долота, имеющий носовую часть, часть перегиба и калибрующую часть; несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к корпусу и определяющих профиль фиксированных резцов; и шарошку, прикрепленную к корпусу с возможностью вращения, имеющую несколько режущих элементов шарошки, определяющих режущий профиль шарошки. Профиль фиксированных резцов выступает за пределы профиля шарошки в по меньшей мере одной из частей и профиль шарошки выступает за пределы профиля фиксированных резцов в по меньшей мере одной из частей.
Недостатком данного долота является его сложное конструктивное выполнение, так как оно содержит шарошечные режущие элементы и режущие элементы фиксированных лопастей.
Наиболее близким техническим решением является буровое долото (патент РФ №2332553, МПК Е21В 10/36, опубликовано 27.08.2008 г.), имеющее корпус с лопастями и расположенными между ними проточными каналами. Скалывающие режущие элементы расположены в ряду на передней кромке и вблизи передней кромки каждой из указанных лопастей. Осевые режущие элементы расположены относительно направления вращательного движения в заднем положении относительно ряда скалывающих режущих элементов.
Недостатком данного бурового долота является необходимость приложения ударных осевых нагрузок при бурении, так как режущие элементы имеют полусферическую или куполообразную форму рабочей части, а скалывающие режущие элементы имеют плоскую опорную площадку за режущей кромкой, препятствующую внедрению резца в породу.
Задачей полезной модели является создание долота, обеспечивающего эффективное бурение различных пород.
Техническим результатом является упрощение конструкции и повышение эффективности бурения за счет комбинированного расположения разрушающих и скалывающих резцов.
Технический результат достигается буровым долотом, содержащим корпус с внутренней полостью, с размещенными на нем лопастями, между которыми выполнены проточные каналы, соединенные с внутренней полостью, причем на передней кромке и вблизи передней кромки каждой из указанных лопастей расположены в ряд разрушающие и скалывающие режущие элементы, на боковых поверхностях лопастей расположены калибрующие вставки, а корпус имеет резьбу для присоединения к элементам бурильной колонны, на котором в отличие от прототипа разрушающие режущие элементы выполнены в виде конических резцов PDC (далее конических резцов), а скалывающие режущие элементы выполнены в виде цилиндрических резцов PDC (далее цилиндрических резцов), причем конические резцы расположены под углом обратного наклона α=0-45°, a цилиндрические резцы расположены под углом обратного наклона β=45-90°, а выходные отверстия промывочных каналов снабжены твердосплавными насадками.
Согласно полезной модели резцы на каждой лопасти расположены как минимум в один ряд, с чередованием конических и цилиндрических резцов.
Согласно полезной модели на каждой лопасти резцы установлены в несколько рядов, как на одном радиусе относительно оси долота, то есть друг за другом, так и на разных радиусах, то есть последующий резец установлен со смещением относительно предыдущего.
Согласно полезной модели конические резцы расположены перед цилиндрическими.
Согласно полезной модели цилиндрические резцы расположены перед коническими.
Согласно полезной модели корпус долота может быть цельным или составным.
Согласно полезной модели лопасти выполнены как одно целое с корпусом или связанными с ним разъемным или неразъемным соединением.
Согласно полезной модели внутренняя полость корпуса покрыта износостойким материалом.
Согласно полезной модели твердосплавные насадки выполнены сменными и (или) несменными.
Согласно полезной модели в промывочные каналы установлены втулки из износостойкого материала.
Согласно полезной модели корпус имеет покрытие из одного или нескольких слоев износостойкого материала.
Сущность технического решения поясняется изображением долота с пятью лопастями, где на фиг. 1 изображен общий вид долота в аксонометрии, на фиг. 2 - осевой разрез долота, на фиг. 3 - процесс разрушения породы коническими резцами, на фиг. 4 - процесс разрушения породы цилиндрическими резцами.
Буровое долото (фиг. 1, 2) содержит корпус 1 с внутренней полостью 2, на котором размещены лопасти 3, между которыми выполнены проточные каналы 4, соединенные с внутренней полостью 2 для подачи буровой промывочной жидкости в зону разрушения горной породы. На передней кромке 5 лопастей и вблизи нее расположены в ряд разрушающие 6 и скалывающие 7 режущие элементы, а на боковых поверхностях 8 лопастей расположены калибрующие вставки 9. Корпус 1 имеет резьбу 10 для присоединения к элементам бурильной колонны (на чертеже не показана). В отличие от прототипа разрушающие режущие элементы 6 выполнены в виде конических резцов, а скалывающие режущие элементы 7 выполнены в виде цилиндрических резцов, причем конические резцы расположены под углом обратного наклона α=0-45°, а цилиндрические резцы расположены под углом обратного наклона β=45-90° (фиг. 3, 4). Выходные отверстия 11 проточных каналов 4 снабжены твердосплавными насадками 12 для предохранения корпуса от эрозии, обусловленной воздействием на них промывочной жидкости.
Резцы на каждой лопасти 3 расположены в два ряда, с чередованием конических 6 и цилиндрических 7 резцов, как на одном радиусе относительно оси долота, то есть друг за другом, так и на разных радиусах, то есть последующий резец установлен со смещением относительно предыдущего. Конические резцы 6 могут быть расположены, как перед, так и после цилиндрических резцов 7. Корпус 1 долота может быть цельным или составным, а лопасти 3 выполнены как одно целое с корпусом или связанными с ним разъемным или неразъемным соединением (на чертеже не показано). Внутренняя полость 2 корпуса покрыта износостойким материалом. Твердосплавные насадки 12 выполнены сменными и (или) несменными. В проточные каналы установлены втулки из износостойкого материала (на чертеже не показаны). Корпус 1 имеет покрытие из одного или нескольких слоев износостойкого материала.
Буровое долото работает следующим образом.
От бурильной колонны на корпус 1 долота передаются осевая нагрузка и вращающий момент. Под действием этих сил долото коническими 6 и цилиндрическими резцами 7 внедряется в породу и разрушает ее. Поток буровой промывочной жидкости, выходя через твердосплавную насадку 12, омывает забой и удаляет частицы разрушенной породы из призабойной зоны, одновременно с этим охлаждая резцы. Долото углубляется в породу, формируя ствол скважины посредством калибрующих вставок. Конические резцы глубже внедряются в горную породу, создавая вокруг себя большую область 13 (фиг. 3) предварительной деформации. За счет этого следующий цилиндрический резец легко скалывает такую ослабленную породу 14 (фиг. 4). При этом происходит скалывание более крупных частиц выбуриваемой породы, т.е. энергия не тратится на измельчение всей выбуриваемой породы, и эффективность бурения возрастает.
Долото может иметь от 3 до 12 лопастей, которые могут оснащаться как одним, так и несколькими рядами резцов. При многорядном исполнении на одной лопасти резцы одного или разного типов могут быть установлены как на одном радиусе относительно оси долота (друг за другом), так и на разных радиусах (со смещением). При комбинировании резцов различного типа конические резцы могут устанавливаться как перед цилиндрическими (то есть в первом ряду), так и позади них. За счет такого расположения резцов достигается три цели:
- конический резец продолжает выполнять предварительное разрушение породы и при этом защищает впереди стоящий цилиндрический резец от разрушения из-за скачков осевой нагрузки;
- при бурении твердых пород конический резец выполняет предварительное разрушение породы, а при попадании на прослойку более мягких пород основная работа приходится на цилиндрический резец, что повышает скорость бурения;
- так как цилиндрический резец выбуривает большее количество породы по сравнению с коническим, то его расположение на передней кромки лопасти позволяет произвести более качественную очистку области резания от выбуренной породы промывочной жидкостью.
Также резцы могут комбинироваться по другому принципу, исходя из условия достижения наибольшей эффективности бурения долотом в конкретных геологических или технологических условиях.
Таким образом, комбинированное расположение разрушающих конических и скалывающих цилиндрических резцов, расположенных под углами α и β, позволяет упростить конструкцию долота и повысить эффективность бурения твердых пород.