ДОЛОТО PDC ДЛЯ БУРЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН
PDC BIT FOR HORIZONTAL WELL DRILLING

Предлагаемое изобретение относится к инструменту для строительства глубоких нефтяных и газовых скважин, преимущественно горизонтальных боковых стволов.
Известен конический винтовой бур для бурения горных пород [1]. Этот бур, принятый за аналог, имеет центральный сменный наконечник заостренной формы, играющий роль пилотного направления при начале бурения, а также винтовое лезвие, закрепленное на центральной штанге. Следуя за заостренным наконечником, винтовое лезвие с постоянным шагом имеет коническую форму с углом конуса в пределах от 15° до 20°. При вращении бура заостренный наконечник вдавливается в породу, а коническое винтовое лезвие постепенно расширяет диаметр скважины, врезаясь в ее стенку, одновременно заставляя разрушенную породу смещаться по непрерывному криволинейному винтовому пространству между штангой и винтовой кромкой лезвия в сторону устья скважины.
Достоинством такого винтового бура является то, что его наружная рабочая поверхность выполнена конической с винтовыми лопастями. Форма этих лопастей позволяет буру подобно "шурупу-саморезу" ввинчиваться в породу. И как "шуруп-саморез" требует значительного осевого усилия только в начале работы до углубления скважины на несколько ниток винтовых лопастей в породу. Затем винтовое лезвие, врезаясь в стенку скважины по винтовой поверхности, позволяет значительно снизить потребную осевую нагрузку за счет разложения прилагаемого усилия от крутящего момента на две составляющие, направленные одна вдоль поверхности врезающегося винтового лезвия, а другая - вдоль оси бура. При этом осевое перемещение - внедрение бура в породу возможно практически без применения осевой нагрузки, лишь только с приложением увеличивающегося крутящего момента от привода бура.
Другим достоинством конического бура с винтовым расположением непрерывного лезвия является то, что при осевом внедрении минимальны вибрации и биение о стенку скважины, присущие шарошечным долотам, когда диаметр получаемой при бурении скважины больше диаметра долота. В последнем случае неизбежны поперечное биение и вибрации, преждевременно разрушающие инструмент.
К недостаткам данного аналога следует отнести то, что как и в любом долоте режущего типа, линейная скорость движения режущих элементов, а значит интенсивность разрушения породы, в значительной мере зависит от расстояния их от вертикальной оси долота. На периферии забоя скорость разрушения максимальна, а непосредственно на оси линейная скорость резцов равна нулю и интенсивность разрушения породы минимальна. Кроме того, по мере затупления центральных резцов требуется все возрастающее осевое усилие для поддавливания их, позволяющее создавать необходимое удельное давление большее, чем предел сопротивления породы разрушению.
При интенсивном разрушении породы в периферийной зоне долото «зависает» на венцах центральной зоны, где интенсивность разрушения отстает от периферийной зоны.
Известно также алмазное долото [2], также принятое за аналог. В этом долоте предложено в качестве одного из вариантов вооружение, включающее многозаходное винтовое расположение лопастей. Периферийная поверхность лопастей, обращенная к стенке скважины, а также торцевая их поверхность, вооружены закрепленными алмазами.
Достоинством этого аналога является винтовое расположение лопастей, горизонтальная проекция которых благодаря наклону образующих на поверхности корпуса, в совокупности полностью перекрывает всю длину окружности долота по его наибольшему диаметру. Это значительно снижает возможность радиального биения долота и частично способствует эффекту ввинчивания его в породу при вращении.
Недостатком рассматриваемого аналога, как и предыдущего, является перегруженность вооружением в центральной зоне, способствующая снижению механической скорости и «зависанию» долота на забое скважины.
Известно также алмазное долото [3], принятое за прототип. Это долото имеет корпус с присоединительной резьбой, породоразрушающие элементы, промывочные каналы, кернолом с отбойными штырями в наклонном промывочном канале. Вооружение долота выполнено в виде режущих рядов последовательно размещенных породоразрушающих зубьев из поликристаллических алмазов, или непрерывных венцов, расположенных на однозаходных, двух- или более заходных конических винтовых лопастях, разделенных коническими винтовыми канавками для выхода с забоя промывочной жидкости и частиц выбуренной породы.
Долото снабжено коническими винтовыми лопастями, отверстием под керн. Несколько промывочных каналов с насадками или без них для очистки забоя от выбуренной породы направлены из центрального канала в наружные винтовые канавки. Часть промывочной жидкости направлена в зазор между стенкой отверстия под керн и образующимся столбиком керна. Этот зазор обеспечивают породоразрушающие элементы на торце долота, обуривающие керн.
Элементы вооружения, расположенные снаружи долота по спиральным винтовым линиям, обеспечивают механическую скорость бурения при минимальном радиальном биении долота. Эффект ввинчивания наружного вооружения в породу при этом обеспечивает снижение потребной для бурения осевой нагрузки от веса колонны бурильных труб.
К недостаткам прототипа следует отнести низкую стойкость ряда самых нижних зубьев PDC, обуриваюших основание керна, а также то, что столбик керна в значительной мере препятствует выходу промывочной жидкости, подводимой по центральному каналу к забою.
Еще одним недостатком прототипа является то, что на эффект самозавинчивания влияло слишком большое число витков, одновременно находившихся в контакте с поверхностью забоя.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание бурового долота с вооружением, например, из поликристаллических алмазов (PDC), имеющего высокую механическую скорость при глубоком бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, лишенного недостатков аналогов и прототипа с использованием их преимуществ.
Технический результат достигается тем, что в долоте PDC для бурения горизонтальных скважин, имеющем корпус с присоединительной резьбой, породоразрушающими элементами PDC любой известной формы, последовательно размещенными на одно- или более заходных конических винтовых лопастях с различной величиной угла их наклона, разделенных коническими винтовыми канавками с отверстиями для насадок и прохода промывочной жидкости, вершина долота выполнена в виде удлиненного выступа с диаметром основания, равным d=(0,6÷0,7)D, и высотой h=(0,4÷0,6)D от наружного диаметра долота D, оснащенного PDC-элементами, расположенными в плоскостях, близких к параллельным оси долота, на двух или более лопастях и промывочными отверстиями с насадками, образующего при бурении предварительную нишу, начиная с которой конические винтовые лопасти разрушают оставшуюся породу на стенке скважины с увеличенным эффектом самозавинчивания.
Перечень и описание фигур чертежей.
На фиг.1 показан общий вид бурового долота по настоящему изобретению.
На фиг.2 изображен вид снизу (с торца) предлагаемого долота.
На фиг.3 показано сечение долота вдоль оси корпуса.
Долото 1 (фиг.1, 2 и 3) имеет корпус с конической присоединительной резьбой 2, шейкой 3, пазами 4 для закрепления и дальнейшего раскрепления на колонне бурильных труб, пояса 5, предназначенного для размещения калибрующих износостойких зубков 6, PDC или твердосплавных. Корпус имеет также наклонные винтовые лопасти 7 для размещения породоразрушающих элементов в виде зубьев из поликристаллических алмазов PDC - 8, наклонные винтовые канавки-пазы 9 для отвода восходящего потока промывочной жидкости с забоя. На удлиненном выступе 10 долота диаметром d расположены две или более лопасти 11 с зубьями 15, расположенными в плоскостях, близких к параллельным оси долота. Зубья PDC 8 на каждой винтовой лопасти 7 расположены друг за другом так, чтобы они, по возможности, полностью перекрывали всю их длину. Углы наклона режущих поверхностей зубьев по отношению к поверхности забоя выбираются экспериментально, в зависимости от твердости предназначаемых для разбуривания пород. Позицией 12 обозначены боковые промывочные отверстия с насадками, буквой h обозначена высота вершины удлиненного выступа 10.
На фиг.3 позицией 13 обозначен внутренний канал для направления к забою промывочной жидкости, позицией 14 обозначены промывочные каналы с насадкой на их выходе в удлиненном выступе 10. Эти насадки также могут иметь любую известную форму и способ крепления. Внутренняя стенка центрального канала и стенки каналов, подводящих промывочную жидкость к насадкам, могут армироваться, например, кластерным алмазосодержащим покрытием. Наружная поверхность долота, включая удлиненный выступ 10, может иметь матричный защитный слой (не показано). Разумеется, что форма размещаемого бокового винтового 8, а также вооружения вершины 15, может быть не только в виде элементов с таблетками из поликристаллических алмазов, но и в другом известном исполнении, например в виде сплошных клиновидных винтовых венцов, армированных износостойким материалом или твердосплавными зубками, установленными на венцах и на торце долота.
Способность самоввинчивания долота в породу зависит от угла α  подъема конических винтовых лопастей к оси долота. В зависимости от твердости разбуриваемых пород этот угол подбирается экспериментально; оптимальная величина его может колебаться, как и в прототипе, в пределах α=48°÷75°.
Для повышения интенсивности подъема промывочной жидкости и частиц выбуренной породы с забоя боковые промывочные каналы 12, соединяющие внутренний центральный канал 13 с наружными винтовыми пазами-канавками 9, предпочтительно могут быть выполнены под острым углом к их поверхности в сторону направления восходящего потока промывочной жидкости.
Долото работает следующим образом. При забуривании и углублении в породу долота центральная часть породы забоя в виде ниши оказывается разбуренной в первую очередь вооружением вершиной удлиненного выступа. При входе в эту нишу зубья PDC на боковых конических винтовых лопастях вступают в работу и разрушают оставшуюся породу на стенке скважины с увеличенным эффектом самозавинчивания.
Наличие вооружения долота в виде режущих рядов на однозаходных, двух- или более заходных конических винтовых лопастях способствует созданию эффекта самозавинчивания долота в породу и снижению потребной для бурения осевой нагрузки, которую трудно обеспечить при проводке горизонтальных скважин и их вторых стволов.
Наличие эффекта самозавинчивания долота сводит на нет возможность биения долота и стабилизирует работу вооружения. Предложенное расположение промывочных каналов способствует интенсификации очистки забоя от выбуренной породы. При работе в мягких и средних породах, для которых долото, в основном, предназначено, значительно возрастают проходка и механическая скорость бурения, что подтверждается испытанием опытных образцов непосредственно в промысловых условиях.
Источники информации
1. Патент США №3537537 от 03.11.1970 г., МПК E21C 13/04.
2. Патент США №5004057 от 23.04.1987 г., МПК E21C 10/46.
3. Патент РФ №2360096 от 27.06.2009 г., МПК E21B 10/00.