БУРОВОЕ ДОЛОТО PDC С РАЗЖИМНЫМ ПРУЖИННЫМ СТОПОРОМ ДЛЯ ВРАЩАЮЩИХСЯ РЕЗЦОВ
PDC DRILL BIT WITH EXPANDING SPRING LOCK FOR ROTATING CUTTERS

Предлагаемое изобретение относится к инструменту для бурения скважин.
Последнее десятилетие характеризуется началом широкого применения в глубоком бурении бесшарошечных долот режущего типа PDC (PolycristallineDiamondCutter) с искусственно выращенными из алмазного порошка единичными алмазными кристаллами. Единичный кристалл обладает поистине уникальными прочностными и термостойкими свойствами, что позволило многократно повысить показатели работы долот PDC по сравнению с показателями современных шарошечных долот при бурении пород от мягких до твердых малоабразивных.
Резцы долот PDC представлены упомянутым единичным кристаллом в виде малогабаритных пластин, которые припаиваются или привариваются к твердосплавной цилиндрической подложке диаметром равным диаметру пластины. Такие резцы закрепляются в отверстиях на поверхностях выступающих из корпуса долота лопастей с помощью пайки с низкотемпературным припоем, поскольку алмазная пластина плохо переносит ударные нагрузки и при закреплении резцов нежелательно применение традиционной запрессовки резцов в отверстия на лопастях.
Известно буровое долото PDC с алмазными резцами («Алмазное долото». Линия FD: каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003, С 34 - 37) [1], принятое в качестве аналога в нашей заявке. Внедрение таких долот позволило многократно увеличить среднюю проходку на долото PDC по сравнению с шарошечными долотами, довести их применение в глубоком бурении до 70 % всего объема и получить очень большой экономический эффект. Однако, и у этих, относительно новых, высокопроизводительных шарошечных долот имеются свои слабые стороны. Это недостаточно высокая стойкость алмазных пластин, при встрече с пропластками твердых и крепких пород, при возникновении ударных нагрузок во время бурения, возникает необходимость применения дорогостоящего бурового оборудования для создания значительно большего потребного крутящего момента при бурении по сравнению с шарошечными долотами; трудность регулирования перегрева режущей кромки пластин при непрерывном постоянном их контакте с породой. Указанные проблемы требуют своего решения.
Известно другое долото PDC («Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой», патент США № 6298930, кл. Е 21 В 10/46, 2001) [2], в котором сделана попытка увязать глубину внедрения в породу за один оборот долота с контролем осевой нагрузки. Это долото принято за второй аналог в нашей заявке. Решения, приведенные в этом патенте, в долотах PDC применения не получили, поскольку были малоприменимы для бурения чередующихся различных по твердости пород.
Известно еще одно долото PDC ( Богомолов Р.М., Гринев А.М., Крылов С.М. и др. «Алмазное долото с механическим креплением резцов». Патент РФ № 2536901 кл. Е 21 В 10/573; F21C 35/197, 2014) [3], принятое за другой аналог для нашей заявки. В этом долоте повышение показателей обеспечивается за счет ремонтопригодности и вторичного использования отремонтированного долота. При ремонте обеспечивается замена положения разрушенной или затупившейся части режущей кромки резца PDC другой её частью, в заводских условиях или непосредственно прямо на буровой, исключая неизбежный при обычном ремонте запаянных резцов троекратный нагрев резцов PDC для замены положения режущей кромки. В этом патенте вместо пайки резцов применено механическое их закрепление с помощью пары вставленных друг в друга стопорных втулок с ответными конусами, выполненными из пластичной стали. Для замены ориентации режущей кромки, отработавшие резцы легко выбиваются из гнезд ударами выколотки через отверстия со стороны нерабочего торца резца, затем они разворачиваются на нужный угол вокруг своей оси и снова фиксируются в рабочее положение забивкой друг в друга с помощью пары конических втулок, причем без применения пайки.
В качестве прототипа для нашей заявки принята («Презентация компании «Смит Битс» (США) корпорации «Шлюмберже» для российских буровиков«Новая революция в долговечности резцов PDC», 2013) [ 4 ], в которой сообщалось о создании вращающегося резца PDC в алмазных долотах этой фирмы - ONYX 360. Число 360 в обозначении долота соответствует возможности поворота режущей кромки резца во время бурения вокруг своей оси на 360 градусов. В презентации отсутствуют конкретные конструктивные признаки, позволяющие осуществить такое вращение резца, хотя в ней представлена компьютерная модель контактного нагружения породы под режущей кромкой резца, работающего последовательно всей длиной рабочей кромки. По данным презентации это предложение обеспечило повышение средней проходки на долото до 57%.
Целью настоящего изобретения является создание бурового долота PDC с повышенными стойкостью вращающихся резцов, проходкой, механической скоростью бурения и упрощение технологии его изготовления.
Техническим результатом изобретения является повышение стойкости вращающихся резцов бурового долота, проходки и механической скорости бурения, а также упрощение технологии изготовления бурового долота повышенной надежности и производительности.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое долото PDC с вращающимися резцами включает стальной корпус с выступающими лопастями, промывочными узлами, расположенными в пазах между лопастями, ниппельной частью с резьбой для присоединения к бурильной колонне, отверстиями на поверхностях лопастей с размещенными в них вращающимися алмазными резцами, при этом на стенках отверстий под резцы PDC и на стенках твердосплавных подложек резцов PDC, на одинаковом расстоянии от дна отверстия и от торца резца PDC, выполнена совместная кольцевая полость, образованная полупазом в виде кольцевой полости на стенке отверстия под резец PDC и полупазом в виде кольцевой полости на стенке твердосплавной подложки резца PDC; в совместную полость установлен разжимной пружинный стопор со сквозным продольным пазом на боковой стенке и остроугольной заходной фаской, с возможностью сдавливания наружной поверхности разжимного пружинного стопора стенкой отверстия во время установки за счет уменьшения ширины сквозного продольного паза и последующего её восстановления за счет пружинного разжатия разжимного пружинного стопора внутри совместной кольцевой полости после установки, при этом разница в длине максимальной наружной окружности разжимного пружинного стопора Lразж. в разжатом состоянии и длиной минимальной наружной окружности разжимного пружинного стопора Lсжат. в сжатом состоянии, должна быть меньше ширины сквозного продольного паза, т.е. должно соблюдаться условие неравенства: Lразж. - Lсжат. < а, (πd1 - πd6 < а), где π - известное в математике транстендентное число, равное отношению длины окружности к длине её диаметра π = 3, 1415…, а - ширина сквозного продольного паза; при этом режущие плоскости пластин резцов должны быть наклонены относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом с возможностью гарантированного образования момента вращения резцов относительно их осей и резания породы на забое последовательно всей длиной режущей кромки.
Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает вид сбоку разжимного пружинного стопора со сквозным продольным пазом на боковой стенке, фиг. 2 - вид сверху разжимного пружинного стопора со сквозным продольным пазом на боковой стенке, фиг. 3 - вид резца PDC c установленным на нём разжимным пружинным стопором перед монтажом резца в отверстие под резец PDC, фиг. 4 - фрагмент положения разжимного пружинного стопора во время монтажа и сдавливания его стенкой отверстия под резец PDC, фиг. 5 - фрагмент разжатого положения разжимного пружинного стопора, вошедшего внутрь совместной кольцевой полости.
На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - разжимной пружинный стопор, 2 - утолщенная (основная) разжимная пружинная часть разжимного пружинного стопора, 3 - утонченная (вспомогательная) заходная часть разжимного пружинного стопора, b - высота разжимного пружинного стопора.
1
2
На фиг. 2 обозначены: 1 - разжимной пружинный стопор, a -ширина сквозного продольного паза разжимного пружинного стопора, d - наружный диаметр разжимного пружинного стопора в разжатом состоянии, d - внутренний диаметр разжимного пружинного стопора в разжатом состоянии.
3
4
На фиг. 3 позициями обозначены: 4 - кольцевой полупаз на стенке твердосплавной подложки резца, d - наружный диаметр резца PDC, d - внутренний диаметр полупаза на стенке твердосплавной подложки резца PDC, α - острый угол заходной фаски (скос) на наружной поверхности разжимного пружинного стопора, с - высота полупаза на стенке твердосплавной подложки резца PDC.
5
6
На фиг. 4 обозначены: 5 - полупаз на стенке отверстия под установку резца PDC, d - диаметр отверстия под установку резца PDC, d - внутренний диаметр полупаза на стенке отверстия под установку резца PDC, f - высота полупаза на стенке отверстия под установку резца PDC.
7
1
7
На фиг. 5 обозначено: d - наружный диаметр разжимного пружинного стопора после его установки во вновь разжатом рабочем положении (d ≥d).
Для снижения коэффициента трения и повышения износостойкости во время работы поверхность разжимного пружинного стопора может дополнительно покрываться любыми известными антифрикционными покрытиями, например дисульфидмолибденом.
Установка разжимного пружинного стопора начинается с надвигания его вспомогательной (утонченной) части со стороны твердосплавного торца резца PDC в кольцевой полупаз на стенке твердосплавной подложки резца 4 в положение, показанное на фиг. 3. Затем резец PDC с установленным на нём разжимным пружинным стопором 1 начинает вдвигаться, с достаточным осевым усилием, в отверстие под установку резца PDC, до упора торцом в дно отверстия. Это положение позволяет разжимному пружинному стопору 1 вновь разжаться в совместной кольцевой полости и обеспечить замок от возможности осевого перемещения, при беспрепятственном кольцевом вращении резца PDC.
1
6
Для исключения препятствий постоянному вращению резца PDC во время бурения, необходимо выполнять следующие условия. Разжимной пружинный стопор должен изготавливаться из пружинной стали, например, из ст. 65, а его размеры и размеры совместной кольцевой полости на стенке отверстия под установку резца PDC и на стенке твердосплавной подложки должны обеспечить зазоры, необходимые для вращения резца PDC во время бурения, например по посадке скольжения. Разница между длиной окружности по наружной поверхности разжимного пружинного стопора в разжатом состоянии равной Lразж. и длиной окружности его же в сжатом состоянии, равной Lсжат., должна быть меньше ширины сквозного продольного паза разжимного пружинного стопора - а, то есть, чтобы соблюдалось условие неравенства: Lразж. - Lсжат. < а, (πd - πd < а), где π - известное в математике транстендентное число, равное отношению длины окружности к длине её диаметра π = 3, 1415…), при этом режущие плоскости алмазных пластин резцов PDC должны быть наклонены относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом с возможностью гарантированного образования момента вращения резцов PDC относительно их осей и резания породы на забое последовательно всей длиной режущей кромки.
Разжимной пружинный стопор может иметь в поперечном сечении и другую пружинящую конфигурацию, с условиями выполнения конструктивных признаков и конфигурации поперечного сечения совместной кольцевой полости, обозначенных выше.
При работе на забое на вращающийся резец PDC действуют только задвигающие его силы, и практически отсутствуют силы выдвигающие его из отверстия. Вся осевая нагрузка от забоя на каждый породоразрушающий резец PDC воспринимается дном отверстия в лопасти, через торец твердосплавной подложки, что практически защищает от критической осевой нагрузки разжимной пружинный стопор, поскольку он установлен в полупазе непосредственно на теле твердосплавной подложки. Это обеспечивает его высокую долговечность при трении во время вращения резца PDC вокруг своей оси, которая может исчисляться многими сотнями часов.
Поэтому изобретение позволяет значительно повысить показатели работы алмазных долот PDC с вращающимися резцами при значительном упрощении технологии их изготовления.
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. Богомолов Р.М., Гринев А.М., Крылов С.М. и др. «Алмазное долото с механическим креплением резцов», патент РФ № 2536901 кл. Е21В 10/573, F21С 35/197, 2014.
4. Презентация компании «Смит Битс» (США) корпорации «Шлюмберже», «Новая революция в долговечности резцов PDC», 2013.