Буровое долото
DRILL BIT

Изобретение относится к области применения породоразрушающего инструмента для бурения скважин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые, а именно к буровым лопастным долотам, армированным алмазно-твердосплавными пластинами (АТП) или, как принято обозначать за рубежом, PDC.
Известна конструкция долота (патент WO 2008/100455, опубликовано 21.08.2008, МПК Е21В 47/12; Е21В 47/26), содержащая корпус с размещенными на лопастях режущими элементами PDC. Недостатком данной конструкции является отсутствие системного, схематического расположения режущих элементов PDC и, как результат - низкий ресурс и эффективность работы при бурении горных пород.
Известна конструкция долота (патент РФ на полезную модель №119012, опубликованный 10.08.2012, МПК Е21В 10/43), содержащая корпус с размещенным на лопастях режущими элементами PDC. Недостатком этого изобретения является то, что эта конструкция представляет собой колонковую бурильную головку, а не долото, следовательно, разместить на лопастях этого устройства PDC по логарифмической спирали не представляется возможным вообще, из-за узкого диапазона применимости.
Известно лопастное буровое долото, содержащие корпус с размещенными на лопастях PDC (патент WO 2008/091654 опубликовано 31.07.2008, МПК Е21В 47/12; Е21В 47/26). Недостатками данной конструкции является то, что пластины PDC расположены не по логарифмической спирали в диаметральной плоскости рабочей части долота и не под отрицательным передним углом от минус 30 градусов до минус 10 градусов. А это приводит к снижению ресурса и эффективности работы долота в целом.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, принятое автором за прототип, является лопастное долото, содержащее корпус с размещенными на лопастях с плоскими резцами PDC (патент №2694872, опубликованный 17.07.2019, бюл. №20). Недостатком данной конструкции является то, что расположение плоских резцов PDC не способствует гашению вибраций от крутильных и продольных колебаний долота, вызывающих их поломки, а также не способствуют, в достаточной степени, увеличению эффективности и ресурса его работы, за счет повышенной энергоемкости процесса разрушения горных пород.
Техническая задача предлагаемого изобретения - это создание такого долота, которое эффективно бы разрушало горные породы от 5 до 9 категорий по буримости, при этом предлагаемая конструкция долота способствовала бы устранению вышеперечисленных недостатков.
Поставленная задача решается за счет того, что буровое долото, включающее корпус с выполненными на нем лопастями, на которых смонтированы плоские резцы PDC, закрепленные на лопастях от центра к периферии по двум симметричным спиралям с отрицательными передними углами, изменяющимися от минус 30 градусов в центре до минус 10 градусов на периферии долота с интервалом в один градус в виде 2-х заходной «резьбы» дополнительно содержит второй ряд плоских резцов PDC, расположенных в линиях резания, между плоскими резцами PDC, а в центре долота устанавливается конусный резец PDC с опережением конусных резцов по высоте от 1 мм до 5 мм, в зависимости от категории горных пород по буримости.
Высота превышения конусных резцов PDC (h) выставляется на корпусе долота в зависимости от категории горных пород: мягкие (5-4 мм), средние (4-3 мм), крепкие (3-2 мм), очень крепкие (2-1 мм).
Высоту превышения конусных резцов PDC над плоскими резцами PDC можно определить по формуле:
h=(V/N)/n,
где h - высота превышения, мм;
V - механическая скорость бурения мм/мин;
N - частота вращения долота, об/мин;
n - количество плоских резцов PDC в линии резания.
Установка во втором ряду конусных резцов PDC, расположенных в линиях резания, между плоскими резцами PDC на лопастях долота и конусного резца PDC в центре долота с опережением их по высоте от 1 мм до 5 мм, в зависимости от категории горных пород, позволит добиться гашения вибрации, возникающей от крутильных и продольных колебаний долота, вызывающих поломки резцов, а также увеличения эффективности и его ресурса.
Установка конусных резцов PDC, так называемых индентеров, во втором ряду, за плоскими резцами PDC, по логарифмической спирали, с опережением по высоте от 1 мм до 5 мм обеспечит при бурении горных пород локальное воздействие на горные породы, принимая на себя все основные начальные нагрузки по разрушению забоя скважины. Тем самым, плоские режущие резцы PDC частично высвобождаются от активной фазы разрушения горных пород. При этом значительно уменьшается энергоемкость процесса разрушения горных горной пород, так как ступенчатая форма формирования забоя в скважине является менее энергозатратной, способствует уменьшению вибрации и, как результат, механическая скорость бурения будет выше. В связи с этим, можно сделать вывод о наличии в предполагаемом долоте «существенных отличий» и соответствие патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 изображен общий вид бурового долота.
На фиг. 2 показана схема установки PDC на лопастях долота второго ряда, где под номером 1 показаны конусные резцы PDC, под номером 2 показаны плоские резцы PDC, под номером 3 показан центральный конусный PDC, под номером 4 показаны промывочные отверстия.
Буровое долото (фиг. 1), включает в себя корпус 1 с выполненными на нем лопастями 2, в которых размещены режущие пластины PDC 3 закрепленные на лопастях 2 от центра к периферии по двум симметричным логарифмическим спиралям с отрицательными передними углами, изменяющимися от минус 30 градусов в центре до минус 10 градусов на периферии с интервалом один градус в виде 2-х заходной «резьбы». В корпусе 1 для прохода промывочной жидкости выполнены промывочные отверстия 4. Второй ряд конусных резцов PDC показан под номерами 6. Конусный резец PDC в центре долота показан под номером 5.
Предлагаемое буровое долото работает следующим образом. Промывочная жидкость, предназначенная для охлаждения долота и транспортировки продуктов разрушения на поверхность скважины, двигаясь через вращающуюся колону бурильных труб, корпус 1 бурового лопастного долота и промывочные отверстия 4, попадает на забой скважины. При этом за счет осевых нагрузок передаваемых долоту через колонну бурильных труб, плоские резцы PDC 3, установленные на лопастях от центра к периферии по двум симметричным логарифмическим спиралям с отрицательными передними углами, изменяющимися от минус 30 градусов до минус 10 на периферии с интервалом один градус в виде 2-х заходной «резьбы», плавно заходя в линию резания, исключая динамические нагрузки (вибрацию), разрушают забой скважины при бурении трещиноватых и перемежающихся по крепости горных пород. При этом уменьшению вибрации способствует второй ряд конусных резцов PDC, расположенных в линиях резания между плоскими резцами PDC, и конусный резец PDC в центре долота. Регулирование конусных резцов по высоте от 1 до 5 мм осуществляется в зависимости от категории горных пород по буримости. При этом промывочная жидкость, попадая под наклонную плоскость плоских резцов PDC 3, размещенных на лопастях 2, во время вращения снаряда вдавливается в разрушаемую горную породу и за счет гидродинамического эффекта (отрицательный передний угол от минус 30 градусов до минус 10 градусов создает эффект - вязкий клин, то есть разупрочняет ее, создавая активную зону разрушения и предразрушения, снижая, тем самым, энергоемкость процесса разрушения. Своей спиралевидной формой расстановки на торце инструмента плоские резцы PDC 3 активно способствуют выносу продуктов разрушения из-под рабочего торца долота. Промывочная жидкость, подхватив эти продукты разрушения, транспортирует их к устью скважины через промывочные отверстия 4 на поверхность в турбулентном режиме. Турбулентный режим очистки забоя не позволяет шламу повторно попадать под плоский резец PDC. Второй ряд конусных резцов расположен ступенчато, выше основных плоских резцов PDC, что способствует формированию ступенчатого забоя скважины. Такая конструкция долота, в совокупности с конусным резцом в центре долота способствует уменьшению степени вибрации, уменьшению энергоемкости процесса разрушения горных пород и повышению механической скорости бурения.
Применение предлагаемой конструкции позволит разрушать горные породы от 5 до 9 категории по буримости и бурить в сложных геологических условиях, увеличить механическую скорость, а также повысить технико-экономические показатели сооружения скважин.
Установка на лопастях бурового долота пластин PDC под отрицательным передним, углом, от минус 30° до минус 10 по двум симметричным логарифмическим спиралям в диаметральной плоскости с интервалом один градус в виде 2х-заходной «резьбы», значительно повышает работоспособность долота, а также его ресурс за счет исключения не перекрытых режущими элементами зон.
Спиралевидная расстановка плоских резцов PDC способствует активному удалению продуктов разрушения из-под рабочего торца инструмента. Установка плоских резцов с наибольшим углом в центре долота способствует плавному захождению в линию резания, снижая динамические нагрузки (вибрацию), что увеличивает ресурс работы долота.
При заглублении долота за один оборот на глубину, режущие элементы, расположены на разных радиусах и вращаясь, проходят путь резания по траекториям разной длины и с разными углами наклона. Поэтому для обеспечения равных условий внедрения режущих элементов в породу необходимо чтобы у каждого плоского резца (PDC), были одинаковые задние углы. Для этого необходимо, чтобы режущий элемент лопасти, расположенные на разных радиусах имели в продольной плоскости свои углы наклона.
Расстановка плоских резцов PDC в диаметральной плоскости по двум симметричным логарифмическим спиралям обеспечивает полное покрытие забоя линиями резания и способствует созданию турбулентности бурового раствора, что улучшает качество очистки забоя скважины от выбуренной породы. Таким образом, турбулентный режим промывки образуется уже непосредственно на забое скважины, что способствует повышению механической скорости бурения.
Применение предлагаемой конструкции долота позволит разрушать перемежающиеся по твердости горные породы от 5 до 9 категории буримости и бурить в сложных условиях трещиноватости горных пород, увеличить механическую скорость бурения и ресурс работы инструмента, повысить технико-экономические показатели производства буровых работ и эффективность при бурении глубоких и сверхглубоких скважин на нефть и газ.
Для повышения надежности работы долота, забуривающие и скважинообразующие режущие элементы кратно продублированы. Преимущество технологии «ввинчивания» в забой, осуществляется за счет снижения осевой нагрузки.
Оценивая все выше сказанное, можно сделать вывод: предлагаемое долото по конструкции соединило в себе, в виде комбинации, все известные в мире инновационные идеи в одном изделии, следовательно, имеет более высокий качественный показатель работы и коэффициент полезного действия (КПД), (таблица 1) и позволит добиться увеличения механической скорости бурения горных пород на 20 и более процентов.
То есть, заявленное решение на предполагаемое изобретение «Буровое долото» удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень» и представляет собой качественно новое долото.