Буровое долото PDC с вращающимися резцами
PDC DRILL BIT WITH ROTATING CUTTERS

Предлагаемое изобретение относится к инструменту для бурения скважин на нефть и на газ.
2000 - е годы характеризуются началом широкого применения в глубоком бурении и в нашей стране и за рубежом бесшарошечных долот режущего типа PDC (Polycristalline Diamond Cutter). Эти долота оснащены круглыми алмазными режущими пластинами нового типа. Они состоят из единственного кристалла алмаза, искусственно выращенного из алмазного порошка, в поистине экстремальных условиях - давлении 1 млн. фунтов на квадратный дюйм, создаваемом на шестипозиционном прессе, при температуре до 3000 градусов по Фаренгейту, за период времени около суток. Эта суперсложная технология создавалась фирмой «Дженерал Электрик» (США) более 50 лет и стала известной в 1954 году.
В качестве исходного материала используются мелкозернистые порошки алмазов. Выращиваемый из них единственный кристалл обладает многократно более высокими прочностными свойствами и термостойкостью. Это связано с отсутствием в едином кристалле межкристаллических границ и цементирующего эти границы состава, постоянно присутствующих в природных и искусственных алмазах. Эти уникальные свойства кристаллов используются для изготовления алмазных резцов долот PDC. Оснащенные такими резцами долота PDC сегодня широко и успешно применяются в бурении глубоких скважин в породах от самых мягких до твердых малоабразивных.
Указанная выше технология выращивания отдельных алмазных кристаллов обеспечивает получение относительно небольших пластин, диаметрами от 8 до 24 мм. и толщиной 1,5-2,5 мм. Такие пластины с плоской режущей поверхностью привариваются или припаиваются на твердосплавные цилиндрические основания - подложки одинакового с пластинами диаметра. С помощью этой подложки готовые резцы PDC закрепляются в отверстиях на теле лопастей стальных или матричных корпусов долот. Обладая уникальными прочностными свойствами при истирании, алмазные пластины достаточно хрупки и плохо выносят ударные нагрузки. Поэтому к ним не применяется традиционный для шарошечных долот способ крепления в отверстия шарошек твердосплавных зубков метод запрессовки с большим прессовым усилием. Закрепление резцов PDC в отверстиях лопастей обеспечивается пайкой с щадящим температурным нагревом (до 650 градусов Цельсия) припоем ПСР на серебряной основе.
Известно 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 до десяти раз увеличить среднюю проходку на долото по сравнению с традиционными шарошечными долотами и довести их применение в глубоком бурении до 70% его объема и получить очень большой экономический эффект. Однако, и у этих высокопроизводительных долот имеются свои слабые стороны. Это малая стойкость алмазных пластин при встрече с пропластками твердых и крепких пород, необходимость потребления многократно большего крутящего момента при бурении, по сравнению с шарошечными долотами, трудность регулирования перегрева режущей кромки при разной глубине внедрения за один оборот. Эти проблемы продолжают требовать своего решения.
Известно другое долото PDC/Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой. Патент США №6298930, кл. Е21В 10/ 46. 2001./ [2], в котором увязывается глубина резания долотом за один оборот с контролируемой осевой нагрузкой на долото, принятое за второй аналог в нашей заявке. Широкого применения решения, предлагаемые в указанном патенте, в долотах PDC не получили, поскольку они не смогли обеспечить резкого увеличения показателей бурения.
Известно еще одно долото PDC /Богомолов P.M., Гринев A.M., Крылов С.М. и др. «Алмазное долото с механическим креплением резцов», патент РФ №2536901 кл. Е21В 10/573, F21C 35/197. 2014/. [3], принятое за следующий аналог в нашей заявке. В этом аналоге повышение показателей бурения обеспечивается за счет ремонтопригодности и вторичного использования отремонтированного долота после замены положения изношенной или затупившейся части режущей кромки резца PDC непосредственно в условиях буровой, при исключении неизбежного ранее трехкратного нагревания резцов PDC при замене положения их режущей кромки. В соответствии с этим патентом для крепления резцов PDC вместо пайки применяется механическое крепление установленных в нужное положение резцов с помощью пары вставленных друг в друга стопорных втулок с коническими ответными конусами, выполненными из пластичной стали. После подъема долота и подготовки его к ремонту, резцы PDC легко выбиваются из своих гнезд специальной выколоткой ударами со стороны нерабочего торца резца, рабочая кромка разворачивается в нужное положение и резец снова фиксируется забивкой пары конических втулок. При этом исключается вредный тройной нагрев припоя и алмазной пластины, неизбежный при закреплении резцов с помощью пайки.
Ремонтопригодность долот PDC, осуществляемая и с помощью пайки, и без нее, позволяет использовать неоднократно эти очень дорогие изделия, резко увеличивая эффект их применения в бурении.
Но, прогресс в долотостроении непрерывно идет вперед, появляются все новые и новые конструктивные решения, обеспечивающие новые достижения в области глубокого бурения.
Одна из ведущих мировых компаний в долотостроении США, «Смит Битс», входящая в корпорацию «Шлюмберже», опубликовала рекламную презентацию для российских буровиков н русско языке, один из разделов которой озаглавлен как «Новая революция долговечности резцов PDC», в котором сообщалось о создании вращающегося резца PDC в долотах этой фирмы ONYX 360. Число 360 в обозначении долота соответствует возможности поворота режущей кромки резца PDC во время бурения вокруг оси на 360 градусов /Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов. «Новая революция в долговечности резцов PDC»/ [4]. В этой презентации практически отсутствуют конкретные конструктивные признаки, позволяющие осуществлять круговое вращение резца PDC во время бурения, но в ней представлена компьютерная модель контактного нагружения породы под режущей кромкой резца PDC и упомянуто о преимуществах вращения резца во время работы, при котором нагружению подвергается вся целиком длина режущей кромки вместо отдельного ее участка. Применение образцов долот ONYX 360 обеспечило повышение средней проходки на 57%.
Долото с вращающимся резцом ONYX 360 принято в нашей заявке в качестве прототипа.
На эскизе прототипа подложка корпуса резца представлена с кольцевым пазом на цилиндрической поверхности, без расшифровки остальной формы замкового устройства, препятствующего возможности вылета резца из гнезда.
Техническим результатом изобретения является повышение стойкости резцов PDC, проходки на долото и механической скорости бурения.
Задачей настоящего изобретения является создание бурового долота с вращающимися резцами и повышение надежности его работы.
Эта задача достигается тем, что предлагаемое долото 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 размещенными в них вращающимися алмазными резцами PDC для которых на стенках отверстий под резцы и на стенках подложек резцов, на одинаковом расстоянии от дна отверстия и от торца резца, выполнена совместная кольцевая полость, имеющая в сечении круглую форму, которая соединена с наружной поверхностью лопасти круглым отверстием диаметром не менее диаметра сечения кольцевой полости, в которую установлен по посадке движения стопорный стальной стержень круглого сечения, заостренный с одного конца и плоский с другого, длина стопорного стержня внутри окружности кольцевой полости от заостренной части до торцевой ограничена центральным углом α=290-300 градусов, при этом плоскости пластин резцов PDC, касающиеся забоя режущими кромками, наклонены относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом, в пределах от 5 до 15 градусов, по часовой стрелке или против нее. Для предотвращения попадания шлама в зону контакта вращающегося резца со стопорным стержнем или стенкой кольцевой полости, круглое входное отверстие после установки стопорного стержня должно быть закрыто любым известным способом, например с помощью пробки и сварки.
ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ.
Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает общий вид долота PDC, фиг. 2 - вид долота снизу с сечением А-А корпуса с одним из резцов со стопорным устройством, фиг. 3 - увеличенный узел с продольным сечением А-А и местом поперечного сечения резца Б-Б по стопорному стержню, фиг. 4 - схема расположения и монтажа стопорного устройства, фиг. 5 - схема варианта установки крышки входного отверстия под стопорный стержень.
На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - корпус долота, 2 - резцы PDC, разрушающие породу на забое, 3 - резцы PDC, защищающие корпус долота от потери диаметра при бурении скважины, 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 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 фиг. 2, а также позициями обозначены: 10 - кольцевой стопорный стержень, 11 - кольцевой полупаз на стенке отверстия 13 под установку резца PDC, 12 - кольцевой полупаз на стенке твердосплавной подложки резца 2; 13 - стенка отверстия под установку резца 2 в лопасти 4; 14 - дно отверстия под установку резца 2.
На фиг. 4 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1-3, а также позициями обозначены: 15 - оправка для монтажа кольцевого стопорного стержня 10, 16 - отверстие для введения оправки 15; 17 - крышка для отверстия 16. 18 - вариант крепления сваркой крышки 17.
На фиг. 5 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1-4, а также позициями обозначены: 19 - заостренный заходной конец стопорного стержня, имеющий плавную антизадирную форму; 20 - противоположный плоский конец, обеспечивающий максимальную площадь упора оправки при установке кольцевого стопорного стержня 10 в кольцевой канал.
Для исключения препятствий постоянному вращению резца PDC во время бурения и уменьшения трения при контакте элементов узла друг с другом, необходимо выполнить следующие условия. В качестве материала для изготовления стопорного стержня необходимо применять пластичную сталь с минимальным содержанием углерода. Такой пластичный материал облегчает вхождение стержня в торовидное пространство, образованное кольцевыми полупазами: кольцевым полупазом на стенке отверстия 11 и кольцевым полупазом на стенке твердосплавной подложки резца 12, а также обеспечивает постоянство сохранения его в виде изогнутой части круга, контакт которой возможен только с поверхностями полупазов 11 и 12, для этого стопорный стержень должен иметь длину, ограниченную центральным углом в пределах 290-300 градусов, форму, заостренную с входного конца и плоскую с другого конца, размер его по диаметру должен обеспечивать зазор для посадки движения при монтаже во входном отверстии и при расположении внутри кольцевого торовидного пространства во время вращения резца PDC; этот зазор может заполняться антифрикционной смазкой; для обеспечения принудительного вращения резцов вокруг их осей во время бурения, режущие плоскости пластин резцов PDC, касающиеся забоя, должны быть наклонены относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом, в рекомендуемых пределах от 5 до 15 градусов по часовой стрелке или против нее. Силы трения, возникающие при проскальзывании кромок резцов по забою гарантированно обеспечивают необходимый момент вращения резцов относительно их осей и резания породы на забое последовательно всей длиной режущей кромки алмазной пластины. Для защиты полости стопорного замкового устройства от попадания шлама может использоваться любой известный вариант выполнения крышки для входного отверстия и ее крепления, например, как показано на фиг. 5.
Установка кольцевого стопорного стержня 10 в кольцевой торовидный канал, образованный полупространствами кольцевого полупаза на стенке отверстия 11 и кольцевого полупаза на стенке твердосплавной подложки резца 12, осуществляется следующим образом. В качестве исходного материала для изготовления кольцевого стопорного стержня 10 выбирается малоуглеродистая сталь, например ст. 10. В зависимости от габаритов резца, для которого проектируется и изготавливается кольцевой стопорный стержень, назначаются его размеры, а также необходимые размеры для выполнения полупазов и входных отверстий для монтажа кольцевого стопорного стержня 10. Его заходной конец должен иметь плавную антизадирную форму, а противоположный конец - плоскую форму, обеспечивающую максимальный упор торцу оправки 15 во время монтажа стопорного стержня. Пластичный стальной материал облегчает возможность изгиба стержня поверхностью торовидного паза при монтаже, а также постоянство сохранения изогнутой круглой формы, полученной при его изгибе, в течение всего времени работы резца.
Для снижения тормозного эффекта трения наружной поверхности подложки резца и стопорного стержня о внутреннюю поверхность торовидного канала, предусматривается создание посадочных зазоров, обеспечивающих, например посадку движения. Обработанный прямолинейный стержень вставляется в отверстие 16 и с помощью оправки 15, тарированной по длине, ударами досылается до положения, ограниченного длиной оправки, показанного на фиг. 4. При этом весь объем стержня полностью находится внутри кольцевого торовидного пространства и становится стопором, препятствующим осевому перемещению резца и непрепятствующим его вращению относительно оси даже при минимальном моменте вращения, создаваемого при проскальзывании кромки резца по поверхности забоя. Смазка может вводиться в торовидное пространство любым известным способом, например нанесением на поверхность стержня, с помощью тавотницы, или не вводиться совсем. Вход в отверстие 16, как уже отмечалось выше, может закрываться любым известным способом, например сваркой.
Предлагаемое изобретение позволяет значительно повысить показатели работы алмазных долот 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. Богомолов P.M., Гринев A.M., Крылов С.М. и др. «Алмазное долото с механическим креплением резцов», патент РФ №2536901 кл. Е21В 10/573, F21C 35/197.2014.
4. Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов. «Новая революция в долговечности резцов PDC».