БУРОВОЕ ДОЛОТО PDC ДЛЯ БУРЕНИЯ ЗОНЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ
PDC DRILL BIT FOR FLUID ABSORPTION ZONE DRILLING

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к области производства буровых долот с вооружением, представленным резцами PDC (Polycrystalline Diamond Compact, что в переводе на русский язык означает поликристаллический алмазный композит).
Известно буровое алмазное долото [1], содержащее корпус с промывочными каналами, рабочую головку и установленные в ней породоразрушающие элементы в виде закрепленных на державках алмазотвердосплавных режущих пластин с отрицательным углом установки, при этом углы установки изменяются по модулю при изменении расстояния от оси долота до точки режущей пластины, лежащей на образующей поверхности рабочей головки, так, что на периферии они равны углам установки, имеющим конкретные значения в зависимости от твердости разбуриваемых пород, а по мере приближения к оси долота увеличиваются по модулю соответственно уменьшению радиуса.
Недостатком данного долота является невозможность его применения при бурении зон поглощения промывочной жидкости ввиду его низкой стойкости и ограниченных функциональных возможностей.
В качестве прототипа выбрано буровое алмазное долото для бурения зоны поглощения промывочной жидкости [2], которое содержит цилиндрический корпус с резьбой для присоединения к колонне бурильных труб, лопасти с алмазными резцами для разрушения породы, внутренние полости и каналы для подачи промывочной жидкости к забою, твердосплавные насадки, установленные на выходе из этих каналов, при этом в данном долоте используются термостойкие алмазные резцы двойного прессования с минимальным количеством кобальта в верхнем слое, которые установлены на лопастях с углом резания в пределах 15-20°, а каналы для подачи промывочной жидкости и твердосплавные насадки имеют проходной диаметр не менее 16 мм.
Недостатком данного долота является низкая стойкость при бурении зоны поглощения промывочной жидкости, а также ограниченная функциональность ввиду невозможности прокачки через него крупно фракционного наполнителя.
Технический результат настоящего изобретения заключается в повышении стойкости долот PDC, в расширении функциональных возможностей долот PDC при бурении зон поглощения промывочной жидкости, а также в упрощении конструкции и удешевлении процесса изготовления бурового долота PDC.
Технический результат достигается тем, что буровое долото PDC для бурения зоны поглощения промывочной жидкости, содержащее цилиндрический корпус с резьбой для присоединения к колонне бурильных труб, лопасти с резцами PDC для разрушения породы, внутренние полости и каналы для подачи промывочной жидкости к забою, при этом используются резцы PDC с прессованием при давлении выше 7 ГПа с полным отсутствием металлических включений в поверхностном поликристаллическом алмазном слое, которые установлены на лопастях с отрицательными передними углами в пределах 21-24° в плечевой части и в пределах 10-14° в центральной и калибрующей частях лопасти долота, а каналы для подачи промывочной жидкости имеют цилиндрическую бесступенчатую форму, на внутренний диаметр которых нанесено твердосплавное износостойкое покрытие.
При бурении скважин в интервалах высокопроницаемых и трещиноватых пород (Серпуховский, Фаменский и другие ярусы и горизонты) в Приволжском и других федеральных округах, в большинстве случаев возникают осложнения, связанные с поглощением промывочной жидкости, от частичного поглощения (порядка 10 кубов) до полной отсутствии циркуляции. Такие зоны поглощения бурятся с пониженной подачей промывочной жидкости в пределах 16-22 л/с., т.к. в большинстве случаев в качестве промывочной жидкости используется дорогостоящий буровой раствор, который, если не снижать подачу промывочной жидкости, очень быстро расходуется путем его ухода в трещиноватые стенки скважины.
В результате сниженной подачи бурового раствора ограничено охлаждение резцов PDC, которые состоят из двух частей - поликристаллического алмазного слоя PCD (polycrystalline diamond) и твердосплавной подложки из карбида вольфрама. В результате этого в зоне контакта режущей алмазной кромки резца и породы, возникает высокая температура, которая приводит к постепенному разрушению режущей кромки резца PDC. Это происходит в связи с наличием в поверхностном поликристаллическом алмазном слое резца PDC металлических включений, а именно кобальта и вольфрама, которые необходимы при синтезе поликристаллических алмазов и твердосплавной подложки под воздействием высокого давления и высокой температуры. К примеру, коэффициент термического расширения кобальта - 13 мкм/(м⋅К), а коэффициент термического расширения алмаза - 1 мкм/(м⋅К)). В связи с этим обстоятельством расширение кобальта приводит к разрушению поликристаллической режущей кромки.
Также при бурении трещиноватых пород в 100% случаев происходят провалы, что в свою очередь приводит к серьезным ударным нагрузкам, которые принимают на себя резцы PDC. Под воздействием таких ударов резцы PDC очень быстро скалываются и теряют свою функциональность.
Вышеописанные обстоятельства приводит к невозможности использования традиционных резцов PDC при бурении зоны поглощения.
Применение резцов PDC двойного прессования с минимальным количеством кобальта в поверхностном слое также ограничено, в связи с их низкой стойкости при бурении продолжительных зон поглощения, порядка 400-600 м.
Для решения данной проблемы обеспечения высокой стойкости резцов PDC в условиях ограниченного охлаждения и высоких ударных нагрузок в конструкции заявленного бурового долота PDC предлагается использовать PDC резцы, в которых синтез поликристалла и твердосплавной подложки происходит при давлении выше 7 Гпа. Только при таком высоком давлении появляется возможность получить резец PDC высокого качества, который имеет высокую стойкость к ударным нагрузкам, сохранив при этом высокую стойкость к абразивному износу.
Также у применяемых в предлагаемом долоте PDC резцов в поверхностном поликристаллическом алмазном слое на глубине 300-400 мкм полностью отсутствуют металлические включения, что существенно повышает их стойкость при бурении в условиях ограниченной промывки.
Удаление кобальта, а также вольфрама, которые образовались в поликристаллическом алмазном слое резца PDC во время синтеза, возможно с использованием воздействия агрессивных кислот, таких как соляная, плавиковая и другие виды кислот. Кислота выщелачивает весь внедренный кобальт и вольфрам из поверхностного алмазного слоя на требуемой глубине.
Как уже было сказано выше, при бурении продолжительных интервалов зоны поглощения от резца PDC и от долота в целом требуется высокая стойкость, так как внеплановые спуско-подъемные операции в связи с преждевременным износом режущих элементов долота приводят к серьезным штрафам со стороны заказчика.
Также на стойкость резцов PDC 1 и всего бурового долота влияет передний отрицательный угол его установки на лопасти 2 (фиг. 1). Поэтому в предложенном долоте предлагается использовать передние отрицательные углы резцов PDC в диапазоне 10-14° в центральной части А лопасти, углы в диапазоне 21-24° в плечевой части Б лопасти и углы в диапазоне 10-14° в калибрующей части В лопасти.
Вышеупомянутые решения обосновывается тем фактом, что с увеличением угла установки уменьшается сила резания и повышается стойкость резца PDC и наоборот. Таким образом, самые большие значения передних отрицательных углов используются в самой нагруженной части лопасти долота PDC - плечевой части. В данной части лопасти долота резцы всегда имеют опережающий износ в виде сколов по сравнению с резцами в других частях лопасти долота. Также плечевая часть больше всего принимает на себя ударные нагрузки.
При вскрытии и дальнейшем углублении по зоне поглощения производятся неоднократные прокачки пачек вязкоупругого состава (ВУС) с разнофракционным наполнителем для восстановления циркуляции. В ряде случаев перед вскрытием возможной зоны поглощения производится обработка всего объема циркулирующего бурового раствора крупно- и мелкодисперсным наполнителем (кордное волокно, резиновая крошка, ореховая скорлупа, опилки и т.д.) для мгновенного проникновения в зону поглощения при ее вскрытии. Нити кордного волокна достигают в длину от 30 до 50 мм, диаметр частиц резины может достигать 7-10 мм. При приготовлении пачки ВУС содержание кордного волокна может достигать 70 кг/м3.
Долото PDC со сменными и несменными насадками (втулками) в гидромониторных каналах не дает возможности прокачивать крупные фракции наполнителя в больших объемах, так как это приведет к застреванию наполнителя в насадках, росту давления и незапланированной спуско-подъемной операции, а в некоторых случаях и к аварийной ситуации и дорогостоящему ремонту буровой техники (например, бурового насоса).
Данное обстоятельство очень сильно ограничивает функциональность данного долота PDC при бурении зоны поглощения, особенно при бурении зоны катастрофического (полного) поглощения (без выхода циркуляции). Это ограничение связано с конструктивными особенностями долот PDC, а именно в связи с небольшими межлопастными пространствами, в которых находятся гидромониторные каналы. Чем больше количество лопастей в долоте и толще сами лопасти (это условие необходимо для размещения второго ряда резцов на лопасти) тем меньше остается места под насадки с большими проходными диаметрами.
Для решения данной проблемы в конструкции заявленного бурового долота PDC предлагается применять гидромониторные каналы 3 (фиг. 2), которые имеют бесступенчатую цилиндрическую форму. На внутренний диаметр данных каналов для предотвращения абразивного износа нанесен слой твердосплавной износостойкой наплавки 4. Данное защитное покрытие наносится путем газотермической порошковой наплавки твердого сплава (карбида вольфрама). Данная форма каналов позволяет использовать каналы больших диаметров, порядка 24-28 мм, что исключает засорение каналов наполнителями крупной фракции.
Такое решение существенно упростит конструкцию буровых долот PDC и удешевит его изготовление в связи с исключением из конструкции дорогостоящих твердосплавных насадок, а также в связи с исключением из технологического процесса изготовления долота дополнительных операций, связанных с изготовлением многоступенчатого гидромониторного канала под твердосплавную насадку.
Такие конструктивные особенности могут применяться в долотах PDC с различным количеством лопастей (4-х, 5-ти, 6-ти, 7-ми, 8-ми, 9-ти лопастные долота и т.д.), с различным количеством режущих рядов на лопастях долот PDC (однорядные, двухрядные, трехрядные и т.д.), а также с резцами PDC любых диаметров (10 мм, 13 мм, 16 мм, 19 мм и т.д.) в зависимости от твердости разбуриваемых пород при бурении зон поглощения на различных месторождениях.
Все указанные выше конструктивные особенности заявленного бурового долота PDC позволяют повысить стойкость буровых долот PDC, расширить функциональные возможности долот PDC при бурении зон поглощения промывочной жидкости различной интенсивности, а также позволяют упростить конструкцию бурового долота PDC и удешевить его изготовление.
3
3
Пример. Изготовили пятилопастное двухрядное долото PDC ∅215,9 мм с использованием резцов PDC с прессованием при давлении выше 7 ГПа с полным отсутствием металлических включений в поверхностном поликристаллическом алмазном слое диаметром равным 16 мм, с отрицательным передним углом на лопастях равным 21° в плечевой части и 14° в центральной и калибрующей частях долота, с семью бесступенчатыми каналами для подачи промывочной жидкости и с проходным диаметром 24 мм. На внутренний диаметр каналов нанесено твердосплавное (карбид вольфрамовое) износостойкое покрытие. Данное долото применяли при бурении зоны поглощения в интервалах высокопроницаемых и трещиноватых пород Серпуховского яруса и Окского надгоризонта на скважине Судьбадаровского месторождения Оренбургской области. При вскрытии зоны поглощения циркуляция бурового раствора была снижена с 32 л/сек до 20 л/сек. Интенсивность поглощения составила 20 м/час. При бурении наблюдались постоянные провалы в связи с трещиноватостью разбуриваемых пород (трещиноватые известняки). В результате бурения заявленным долотом PDC были получены положительные результаты, связанные с восстановлением циркуляции при бурении в зоне поглощения путем ввода в раствор крупнофракционного наполнителя (кордного волокна и резиновой крошки) в объеме 50 кг/м. После подъема и осмотра долота PDC сколы на резцах отсутствовали, что подтверждает его высокую стойкость и функциональность при бурении интервала зоны поглощения промывочной жидкости.
На фиг. 1 представлена схема распределения резцов PDC на лопасти долота.
На фиг. 2. показана схема гидромониторного канала заявленного долота PDC для бурения зоны поглощения промывочной жидкости.
Используемая литература
1. Патент РФ №2129646. Буровое алмазное долото / Гусман A.M., Барский И.Л., Левина А.Б., Мессер А.Г. Опубл. 27.04.1999.
2. Патент РФ №2601709. Буровое алмазное долото для бурения зоны поглощения промывочной жидкости / Гладков В.П., Шохин М.Г., Журавлев А.Н., Саенко С.А. Опубл. 10.11.2016, бюл. №31.