ШАРОШЕЧНОЕ ДОЛОТО ДЛЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО БУРЕНИЯ
ROLLER BIT FOR HORIZONTAL DRILLING

Изобретение относится к породоразрушающему буровому инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам для бурения горизонтальных и пологих наклонных скважин.
Особенностью бурения горизонтальных и пологих наклонных скважин является то, что в процессе бурения крупный шлам и обломки элементов вооружения шарошек и тел качения их опор отлагаются на нижней стенке скважины, попадают в зазор между спинкой лапы и стенкой скважины, вызывая повышенные износ спинок лап и сопротивление вращению долота. Кроме того, неосесимметричное напряженное состояние стенок горизонтальных и пологих скважин над долотом обусловливает деформацию сечения скважины, т.е. круглое сечение скважины, образованное долотом, становится эллиптическим и усугубляет названные выше процессы (Попов А.Н., Могучев А.И., Попов М.А. Деформирование стенок наклонной скважины и его влияние на работу и изнашивание буровых долот // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ОАО "ВНИИОЭНГ", 2008. - №3. - С.6-13).
Известно буровое шарошечное долото, содержащее шарошки, установленные на цапфах лап, набегающие грани и спинки которых армированы наплавкой твердого сплава и вставными твердосплавными зубками, в том числе и с алмазным покрытием (Буровые долота, Калибраторы. Центраторы. - Самара: Изд-во ОАО "Волгабурмаш", 2007. - С.31-32).
Недостатком долота является то, что спинки лап представляют собой гладкие цилиндрические поверхности. Поэтому, хотя армирование существенно повышает их износостойкость, но не обеспечивает активное удаление обломков шлама и металла, попадающего в зазор между спинкой лапы и стенкой скважины, и охлаждение поверхностей промывочной жидкостью, что приводит к образованию температурных трещин и к интенсивному изнашиванию спинок лапы.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является долото для высокооборотного бурения, состоящее из секций, включающих шарошки, установленные на цапфах лап с возможностью вращения, и лапы, боковые набегающие поверхности которых выполнены в виде наклонные лопастей (патент RU №2230875 C2, МПК E21B 10/20. Долото для высокооборотного бурения / Гавриленко М.В., Богомолов Р.М., Морозов Л.В., Мокроусов В.П. // Изобретения. - Опубл. 20.06.2004) (Прототип)). Поверхность лопастей выполнена прямолинейной с углом наклона α относительно плоскости, проходящей через ось цапфы и ось долота или параллельно последней, лежащим в пределах 28…32°.
Недостатком прототипа является то, что такое выполнение лопастей не решает задачу механического удаления крупного шлама и обломков элементов вооружения шарошек и тел качения их опор, отлагающихся на нижней стенке горизонтальных и пологих наклонных скважин, и улучшения охлаждения спинок лап.
Изобретение решает техническую задачу механического удаления крупных обломков шлама и металла, отлагающихся на нижней стенке пологой и горизонтальной скважин из зоны работы долота и соответствующего повышения износостойкости лап долота.
Указанная задача решается тем, что в известном долоте для высокооборотного бурения, состоящем из секций, включающих шарошки, установленные с возможностью вращения на цапфах лап, и лапы, на поверхности которых выполнены наклонные лопасти, согласно изобретения наклонные лопасти выполнены на спинках каждой из лап в виде двух или трех винтовых выступов трапецеидального профиля с углом β подъема винтовой линии от 20 до 25°. При этом нижние лопасти на лапах 1-й и 2-й секций выполнены на одинаковой высоте от нижнего торца долота так, что входные торцы лопастей находятся ниже верхнего уровня шарошек, нижняя лопасть 3-й секции выполнена так, что ее входной торец перекрывает выходные торцы нижних лопастей 1-й и 2-й секций, вторая снизу лопасть 1-й секции выполнена так, что ее входной торец перекрывает выходной торец нижней лопасти 3-й секции, вторая снизу лопасть 2-й секции выполнена так, что ее входной торец перекрывает выходной торец второй снизу лопасти 1-й секции, а вторая снизу лопасть 3-й секции выполнена так, что ее входной торец перекрывает выходной торец второй снизу лопасти 2-й секции и т.д.
Для предупреждения повреждения обсадных труб при подъеме долота из скважины на верхних торцах лопастей выполнены фаски. Поэтому перекрытие входных и выходных торцов лопастей выполнено с учетом фасок на выходных концах лопастей.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое долото отличается от него тем, что наклонные лопасти выполнены на спинках каждой из лап в виде двух или трех винтовых выступов трапецеидального профиля с углом β подъема винтовой линии от 20 до 25°. При этом нижние лопасти на лапах 1-й и 2-й секций выполнены на одинаковой высоте от нижнего торца долота так, что входные торцы лопастей находятся ниже верхнего уровня шарошек, нижняя лопасть 3-й секции выполнена так, что ее входной торец перекрывает выходные торцы нижних лопастей 1-й и 2-й секций, вторая снизу лопасть 1-й секции выполнена так, что ее входной торец перекрывает выходной торец нижней лопасти 3-й секции, вторая снизу лопасть 2-й секции выполнена так, что ее входной торец перекрывает выходной торец второй снизу лопасти 1-й секции, а вторая снизу лопасть 3-й секции выполнена так, что ее входной торец перекрывает выходной торец второй снизу лопасти 2-й секции и т.д.
Причем перекрытие входных и выходных торцов лопастей выполнено с учетом фасок на выходных концах лопастей.
При обосновании параметров заявляемого долота была решена задача о взаимодействии наклонной поверхности лопасти с крупным обломком горной породы или металла, лежащим на нижней стенке скважины. На фиг.1 показана наклонная лопасть 1 и взаимодействующий с ней обломок 2 в горизонтальной скважине, на фиг.2 показан случай, когда обломок 2 лежит на нижней стенке скважины и взаимодействует только с поверхностью лопасти 1 и стенкой скважины 3, а на фиг.2 показан случай, когда обломок дополнительно защемлен между стенкой скважины 3 и корпусом долота 4 (лапы). Принятый при решении угол β=90-α. Т.е. у прототипа (патент №2230875) угол β=58…62°. Угол β будет рассматриваться как аналог угла подъема винтовой линии.
m
Первый случай. Под действием силы тяжести F при движении лопасти с окружной скоростью v возникает сила трения F (см. фиг.2). Эта сила трения препятствует как окружному движению обломка относительно стенки скважины, так и его движению, параллельному оси вращения долота (см. фиг.1). Следовательно, в зависимости от угла наклона β обломок может скользить по лопасти и соответственно перемещаться в направлении образующей скважины или вращаться вместе с долотом. Определим предельный угол β, при котором обломок перестанет скользить по лопасти, а начнет вращаться вместе с лопастью. Принимаем, что сила . Спроектировав силы на поверхность лопасти и выполнив необходимые преобразования с учетом трения обломка о лопасть, получили уравнение
где f - коэффициент трения между обломком и металлом лопасти. Отсюда предельная величина угла β равна
Результаты расчета по формуле (2) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Величины предельных углов β в зависимости от коэффициента трения f
f
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
β, градус
45
39
34
28
23
18
Из таблицы 1 следует, что предельная величина угла β существенно зависит от коэффициента трения, но не превышает 45°.
з
гп
гп
гп
Второй случай. Обломок защемлен между корпусом долота и стенкой скважины, т.е. на него действуют силы F (см. фиг.3). Величиной силы тяжести пренебрегаем. Из фиг.3 следует, что скольжение обломка по лопасти возможно только в случае, когда коэффициент трения f обломка о горную породу больше коэффициента трения f обломка о металл лопасти и корпуса долота. Это условие, как правило, соблюдается, т.к. величина f складывается из непосредственно коэффициента трения о стенку скважины и преодоления весьма большой шероховатости стенки, в том числе обломок может быть частично внедрен в стенку скважины. Поэтому величина f фактически представляет собой коэффициент сопротивления движению обломка относительно стенки скважины. Определим предельный угол β, при котором обломок перестанет скользить по лопасти. Спроектировав силы на поверхность лопасти и выполнив необходимые преобразования с учетом трения обломка о металл лопасти и корпуса долота и о стенку скважины, получили уравнение
гп
где f - коэффициент сопротивления движению обломка относительно стенки скважины. Отсюда предельная величина угла β равна
гп
гп
При бурении пологих и горизонтальных скважин для промывки применяют промывочные жидкости с высокой смазывающей способностью, которые обеспечивают коэффициент трения между поверхностями металла и горной породы от 0,05 до 0,10 (Иогансен К.В. Спутник буровика: справочник. - М.: «Недра», 1990. - С.72). Шероховатость стенки скважины может существенно увеличить коэффициент f. Например, коэффициент трения стандартного индентора из твердого сплава по поверхности стали У8А, обработанной грубым точением, возрастает от 2,7 до 3,6 раза по сравнению с коэффициентом трения по шлифованной поверхности стали (Костецкий Б.И., Колесниченко Н.Ф. Качество поверхности и трение в машинах. - Киев: «Техника», 1969. - С.177). Для рассматриваемой задачи принимаем кратность увеличения коэффициента f по сравнению с коэффициентом f равной трем. Соответствующий расчет по формуле (4) приведен в таблице 2.
Таблица 2
Величины предельных углов β в зависимости от коэффициентов трения f и f<sub>гп</sub>
f
f<sub>гп</sub>
Угол β, градус
0,1
0,3
23
0,10
0,40
27
0,05
0,15
25
0,05
0,30
33
Из таблиц 1 и 2 видно, что с увеличением коэффициента трения f величины предельных углов β уменьшаются. Сопоставление результатов расчетов, приведенных в таблицах 1 и 2, показывает, что предельное значение угла β во втором случае существенно меньше, чем в первом случае. Следовательно, условие защемления обломка является основным при выборе угла β.
Из таблицы 2 следует, что для наклонной лопасти угол β не должен превышать 25°, тогда как у прототипа минимальное значение угла β равно 58°. Поэтому механическое удаление лопастью обломков шлама и металла, отлагающихся на нижней стенке пологой и горизонтальной скважин, из зоны работы долота невозможно.
Предлагаемое долото в случае выполнения на спинках лап по две наклонных лопасти показано на фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8 и фиг.9. На фиг.4 показана 1-я секция долота. На фиг.5 показана развертка спинки лапы 1-й секции долота с выполненными на ней лопастями. На фиг.6 показана 2-я секция долота. На фиг.7 показана развертка спинки лапы 2-й секции долота с выполненными на ней лопастями. На фиг.8 показана 3-я секция долота. На фиг.9 показана развертка спинки лапы 3-й секции долота с выполненными на ней лопастями. Количество винтовых лопастей зависит от соотношения длины и ширины спинки лапы.
Долото состоит из секций, каждая из которых содержит шарошки 1 и лапы 2. На спинках лап выполнены нижняя лопасть 3 и верхняя лопасть 4 в виде винтовых выступов трапецеидального профиля с углом подъема β винтовой линии от 20 до 25°. Входные торцы 5 и 6 нижних лопастей 3 на лапах 1-й и 2-й секций (фиг.5 и фиг.7) выполнены ниже верхнего уровня шарошек (показан первой снизу пунктирной линией). Входной торец 7 нижней лопасти 3 на лапе 3-й секции (фиг.9) выполнен с перекрытием выходных торцов 8 и 9 на лапах 1-й и 2-й секций с учетом фаски 10 на выходных концах лопастей (показано второй снизу пунктирной линией). Входной торец 11 верхней лопасти 4 на лапе 1-й секции (фиг.5) выполнен с перекрытием выходного торца 12 нижней лопасти на лапе 3-й секций с учетом фаски 10 на выходном конце лопасти (показано третьей снизу пунктирной линией). Входной торец 13 верхней лопасти 4 на лапе 2-й секции (фиг.7) выполнен с перекрытием выходного торца 14 верхней лопасти на лапе 1-й секций с учетом фаски 10 на выходном конце лопасти (показано четвертой снизу пунктирной линией). Входной торец 15 верхней лопасти 4 на лапе 3-й секции (фиг.9) выполнен с перекрытием выходного торца 16 верхней лопасти на лапе 2-й секции с учетом фаски 10 на выходном конце лопасти (показано пятой снизу пунктирной линией).
Долото работает следующим образом. При вращении долота в пологой наклонной или горизонтальной скважине крупный шлам и обломки горной породы и металла, осаждающиеся на нижней стенке скважины, захватываются нижними лопастями 3 на лапах 1-й и 2-й секций долота и за счет воздействия винтовых поверхностей лопастей перемещаются вдоль стенки скважины до момента достижения обломками выходных торцов 8 или 9 лопастей. Обломки вновь оказываются свободными на стенке скважины до подхода нижней лопасти 3 на лапе 3-й секции. Лопасть 3 лапы 3-й секции захватывает обломки и перемещает их дальше вдоль стенки скважины до момента достижения обломками выходного торца 12 лопасти. Далее обломки захватываются и перемещаются последовательно верхними лопастями 4 на лапах 1-й, 2-й и 3-й секций до момента выноса их в пространство над долотом. Последовательность движения обломка показана штриховыми линиями со стрелками.
Защемленные обломки горной породы и металла создают весьма высокое сопротивление их перемещению вдоль стенки скважины. Реакция этого сопротивления передается долоту в виде дополнительной осевой нагрузки. Кроме того, в пологих наклонных и горизонтальных скважинах может иметь место значительная деформация сечения ствола скважины с образованием эллипсности сечения и соответствующее уменьшение вертикального размера поперечного сечения скважины. Армированные лопасти на лапах восстанавливают вертикальный размер поперечного сечения скважины. Реакция, возникающая при работе лопастей по стенке, также создает дополнительную осевую нагрузку на долото. Таким образом, винтовые лопасти на спинках лап долота создают эффект самонагружения долота, что весьма важно при бурении пологих наклонных и горизонтальных скважин.
Выполнение шарошечных долот с винтовыми лопастями на спинках лап в соответствии с предложенным техническим решением позволит существенно улучшить удаление шлама и обломков металла из зоны работы долота и создать эффект самонагружения долота, что делает такие долота весьма перспективными при бурении пологих наклонных и горизонтальных скважин.