АНТИВИБРАЦИОННОЕ ДВУХЪЯРУСНОЕ ДОЛОТО
ANTIVIBRATIONAL TWO-LEVEL BIT

Настоящее изобретение относится к области бурения скважин долотами режуще-скалывающего типа и может найти применение в горнодобывающей и нефтегазовой отраслях при бурении скважин различного назначения. Двухъярусное долото режуще-скалывающего типа предназначено для бурения с помощью ротора бурового станка и с забойным двигателем в породах ниже средней, средней крепости и крепких.
Из существующего уровня техники известно многоярусное долото режущего типа (см. патент на изобретение РФ №2310732, МПК Е21В10/00 Многоярусное долото режущего типа / Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф., Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Заявка 2006100565/03 от 16.01.2006; опубл. 20.11.2007; Бюл. №32). Долото предназначено для бурения скважин различного назначения в породах VI-VIII категории по буримости.
Долото включает корпус, состоящий из конусообразных ярусов, количеством не менее двух, выполненных в виде независимых тел вращения, расположенных соосно. Режущие перья ярусов, имеющие наклонные передние грани, оснащены высокостойкими режущими элементами, образующими в проекции на продольную плоскость ломаные линии.
Недостаток: короткие конусообразные ярусы при бурении перемежающихся (слоистых) пород не устойчивы на забое. Это вызывает вибрации режущих элементов и может привести к их поломкам.
Известно также долото стабилизирующее SpeedDrillDPI (см. US Patent 5803196, МПК Е21В10/42). Stabilizing drill bit / Coy M. Diamond Products International (Houston, TX). Appl. Mo.: 08/655988. Filed: May 31, 1996. Fielder Septembers, 1998.
Буровое долото включает корпус бурового долота, образующий режущую поверхность, расположенную вокруг продольной оси; множество режущих элементов, неподвижно расположенных и выступающих с лицевой части и расположенных на некотором расстоянии друг от друга; один или несколько стабилизирующих элементов, расположенных на поверхности резания.
Недостаток: разные по величине скорости резания режущими элементами, закрепленными удаленных друг от друга частях долота, приводят к неравномерному их износу (преимущественный износ наиболее удаленных от оси режущих элементов разбуривающей части). Это ограничивает наработку на долото из-за потери диаметра.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа (см. патент на изобретение РФ №2445433, МПК Е21В 10/00 Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа / Третьяк А.Я., Литкевич Ю.Ф., Третьяк А.А., Бурда М.Л., Онофриенко С.А. Заявка 2010129126/03 от 13.07.2010; опубл. 20.03.2012; Бюл. №8), принятое нами в качестве аналога.
Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа, включающее хвостовик, внутренний канал, нижнюю забуривающую и верхнюю разбуривающую со стабилизаторами части, которые состоят из ряда симметрично расположенных режущих лопастей, которые, в свою очередь, включают радиально расположенные режущие элементы, долото разделено на ярусы, каждый из которых выполнен в виде независимых тел вращения, расположенных соосно, при этом скорости резания наиболее удаленных от продольной оси режущих элементов забуривающего и разбуривающего ярусов не превышают критических значений, причем стабилизаторы, оснащенные высокостойкими штырями, обладают калибрующим действием.
Недостаток этого долота - возникновение больших крутильных колебаний при бурении переслаивающихся пород, которые приводят к вибрации и, как результат, поломкам режущих элементов долота.
Наиболее близким к заявленному решению является стабилизирующее двухъярусное долото режуще-скалывающего типа (см. патент на изобретение РФ №2695726 МПК У21В 10/42 / Борисов К.А. Заявка подана 13.04.2018; опубл. 25.07.2019; Бюл. №21 взятое за прототип.
Недостаток этого долота - возникновение больших продольных колебаний при бурении переслаивающихся горных пород от I до IX категории по буримости, что приводит к повышенному уровню вибрации долота и, как результат, к поломкам режущих элементов.
Задачей изобретения является увеличение наработки на долото по перемежающимся горным породам от I до IX категории по буримости при сохранении вертикальности ствола скважины, а также уменьшения степени вибрации долота на забое.
Техническим результатом изобретения является уменьшение крутящего момента на буровом ставе и предупреждение возможности возникновения крутильных и продольных колебаний при бурении, вызывающих износ и поломки режущих элементов.
Данная задача решается за счет того, что антивибрационное двухъярусное долото, включающее нижний забуривающий ярус, включающий стабилизаторы нижнего забуривающего яруса и режущие лопасти нижнего забуривающего яруса, верхний разбуривающий ярус, включающий хвостовик, внутренний канал долота, стабилизаторы верхнего забуривающего яруса и режущие лопасти верхнего забуривающего яруса, режущие лопасти нижнего забуривающего и верхнего забуривающего ярусов выполнены симметрично с радиально расположенными режущими элементами, стабилизаторы верхнего разбуривающего яруса оснащены штырями, обладающими калибрующим действием, количество режущих элементов на лопастях нижнего забуривающего яруса равно количеству режущих элементов на лопастях верхнего разбуривающего яруса. Лопасти верхнего и нижнего ярусов долота расположены под углом от 10 до 20° к продольной оси долота и расположены по прямой линии. Режущие элементы лопастей ярусов выполнены в виде резцов PDC, резцы PDC с плоской передней гранью установлены под отрицательным углом резания от 10 до 20 градусов, за резцами PDC с плоской передней гранью установлен второй ряд резцов PDC с выпуклой конусообразной формой, расположенных в линиях резания между резцами PDC с плоской передней гранью.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где представлено: антивибрационное двухъярусное долото, включающее нижний забуривающий ярус 1, стабилизаторы 7 нижнего забуривающего яруса 1 и режущие лопасти 3 нижнего забуривающего яруса 1, верхний разбуривающий ярус 2, включающий хвостовик 10, внутренний канал долота 12, стабилизаторы 8 верхнего разбуривающего яруса 2 и режущие лопасти 5 верхнего разбуривающего яруса 2, режущие лопасти 3 нижнего забуривающего яруса 1 и режущие лопасти 5 верхнего разбуривающего яруса 2 выполнены симметрично с радиально расположенными режущими элементами 4 нижнего забуривающего яруса 1 и режущими элементами 6 верхнего разбуривающего яруса 2, стабилизаторы 7 нижнего забуривающего яруса 1 и стабилизаторы 8 верхнего разбуривающего яруса 2 представляют собой цилиндрические калибрующие поверхности, стабилизаторы 8 верхнего разбуривающего яруса 2 оснащены штырями 9, обладающими калибрующим действием, промывочные отверстия 11 расположены в нижнем забуривающем ярусе 1 долота. Количество режущих элементов 4 на лопастях 7 нижнего забуривающего яруса 1 равно количеству режущих элементов 6 на лопастях 5 верхнего разбуривающего яруса 2. Режущие лопасти нижнего забуривающего яруса и режущие лопасти верхнего разбуривающего яруса выполнены по прямой линии под углом от 10 до 20 градусов к продольной оси долота. Режущие элементы 4,6 лопастей ярусов выполнены в виде резцов PDC, резцы PDC с плоской передней гранью установлены под отрицательным углом резания от 10 до 20 градусов, за резцами PDC с плоской передней гранью установлен второй ряд резцов PDC с выпуклой конусообразной формой, расположенных в линиях резания между резцами PDC с плоской передней гранью. Схема установки резцов PDC показана на фиг. 2 и фиг. 3 (вид снизу).
Работает долото следующим образом. При вращении лопасти 3 нижнего забуривающего яруса 1 забуриваются в забой, расширяя по мере продвижения скважину до диаметра d, определяемого положением крайних режущих элементов 4 нижнего забуривающего яруса 1, расположенных в верхних частях режущих лопастей 3 нижнего забуривающего яруса 1, а режущие лопасти 5 верхнего разбуривающего яруса 2 с режущими элементами 6 верхнего разбуривающего яруса 2, расширяют скважину по мере продвижения до диаметра D, определяемого положением крайних режущих элементов 6 верхнего разбуривающего яруса 2, стабилизаторы 7 нижнего забуривающего яруса 1 и стабилизаторы 8 верхнего разбуривающего яруса 2 увеличивают площадь контакта со стенками скважины. Это позволит предупредить возникновение крутильных колебаний, которые являются одной из основных причин возникновения поломок PDC.
Буровой раствор, двигаясь по внутреннему каналу долота 12 в верхнем разбуривающем ярусе 2, служащем для перемещения бурового раствора, ведущему от хвостовика 10 в верхнем разбуривающем ярусе 2 к промывочным отверстиям 11 в нижнем забуривающем ярусе 1, протекая по внутреннему каналу долота 12, при этом промывочные отверстия направлены на режущие лопасти, с целью улучшения качества очистки.
Применение PDC выпуклой конусообразной формы 13, выполняющих роль амортизаторов, значительно повышает ударную прочность долота и скорость проходки. Конусообразная форма резца PDC повышает эффективность режущей силы и теплоотдачу при более высоком сопротивлении фронтальным нагрузкам на резец, что обеспечивает более эффективную работу его по сравнению с стандартным резцом PDC. Уменьшение усилия на резец для достижения той же скорости проходки ведет к более стабильному и меньшему крутящему моменту, и улучшенному контролю ориентации долота при наклонно-направленном бурении. Это преимущество позволяет увеличивать интенсивность набора зенитного угла при более высокой механической скорости проходки, тем самым увеличивая интервал продуктивной зоны и минимизирует непродуктивное время, выдерживая более точную траекторию скважины.
Применение именно такой конструкции долота, когда резцы типа PDC конусообразной формы располагаются во втором ряду между основными режущими резцами плоской формы в линиях резания горной породы, позволяет уменьшить степень вибрации, крутящий момент на буровом ставе, предупредить возможность возникновения крутильных и продольных колебаний, вызывающих интенсивный износ и поломки режущих резцов.
Такое расположение резцов PDC способствует уникальному способу разрушения горной породы - то есть происходит сочетание срезающего и дробящего механизма. При этом глубина проникновения резца в породу повышается. Благодаря этому удаляется большее количество шлама с забоя скважины, что ведет к повышению мгновенной механической скорости бурения, при этом обеспечивается более высокое сопротивление фронтальным нагрузкам на резец PDC и, как результат, уменьшается износ и уровень вибрации.
Предлагаемое расположение резцов PDC позволяет значительно повысить проходку и механическую скорость бурения, при использовании таких долот в сложных геологических условиях бурения, включая бурение твердых, переслаивающихся конгломератных пород и пород с про-пластками крепких пород.
Такая конструкция долота позволяет повысить ударную прочность и износостойкость, а ультравысокая концентрация силы на единицу площади забоя скважины способствует более эффективному разрушению породы с высокой прочностью на сжатие.