ОДНОШАРОШЕЧНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО
ONE-CUTTER DRILLING BIT

Изобретение касается бурения нефтяных и газовых скважин и может использоваться в качестве защитного средства от взаимных повреждений обсадных колонн и долот при их спуске на забой.
Известно буровое одношарошечное долото с протектором [1], принятое за аналог, в котором на шарошку устанавливают эластичный элемент при помощи крепления в виде стальной отожженной проволоки. Затем, в отверстия, выполненные в эластичном элементе, в которых расположены породоразрушающие зубки, вводят твердеющую массу из эпоксидных компаундов с износостойким наполнителем.
Такая защита вооружения долота должна позволить увеличить показатели работы, стойкость вооружения долот и снизить износ обсадных колонн.
К недостаткам аналога необходимо отнести следующее. Очень трудоемко выполнить из листового эластичного материала элемент с отверстиями, точно соответствующими по положению и мелким по диаметру размерам многочисленных породоразрушающих зубков. И тем более трудоемко заполнить каждое из этих отверстий быстротвердеющим эпоксидным компаундом.
Получившиеся после этого затвердевшие «столбики» эпоксидного компаунда, опирающиеся на остроугольную поверхность зубка будут или легко слетать с нее при ударах о стенки при малой адгезии, или наоборот, надолго задерживаться на поверхности зубков, мешая их работе, при большой адгезии. Определить оптимальный случай - надежную защиту зубков и колонны при скором освобождении вооружения от протектора, закрепленного на шарошке с помощью стальной проволоки, практически очень сложно.
Известно другое одношарошечное буровое долото, принятое за прототип [2], с защитным протектором в качестве защиты от взаимных повреждений долот и обсадных колонн.
Протектор имеет защитное покрытие, выполненное в виде узкого кольца на сферической шарошке, и стопорные штыри, закрепляющие неподвижно шарошку к корпусу долота. При спуске защитное покрытие предохраняет породоразрушающие элементы и обсадную колонну от взаимных повреждений.
На забое под действием нагрузки и крутящего момента, штыри, удерживающие неподвижную шарошку, срезаются, а защитное покрытие истирается и разбуривается. При наличии покрытия только узкой полосы в зоне диаметра шарошки, сокращается время на разбуривание протектора и расход материала на его изготовление.
К недостаткам прототипа следует отнести следующее. Для того чтобы защитное покрытие надежно защищало породоразрушающие зубки на все время спуска, его материал должен обладать достаточной твердостью, чтобы противостоять прорезанию его зубками при ударах, а также трению истирания о стенку обсадной трубы. Кроме того, кольцо из такого материала очень трудно натянуть с уменьшенного диаметра шарошки на максимальный, имея в виду сложность растяжения кольца и преодоления сопротивления достаточно высоко выступающих над телом шарошки многочисленных зубков, а в случаях внезапного срезания стопорных штырей, возможного при ударах спускаемого долота о стенку трубы во время спуска и изменения ориентирования шарошки, протектор, расположенный в узкой зоне на шарошке, уходит с диаметра долота, а значит, сразу теряет все защитные свойства.
В отличие от аналога и прототипа, в предлагаемом одношарошечном буровом долоте вышеуказанные недостатки отсутствуют. В долоте защита зубков и обсадной колонны осуществляется с помощью протектора из достаточно прочного защитного материала, полностью предохраняющего колонну и зубки во время спуска.
Защитный материал наносится на всю наружную поверхность шарошки, оснащенную породоразрушающими элементами, с толщиной слоя, превышающей высоту выступания элементов над телом шарошки. Предпочтительно при этом исключать покрытие гладких поверхностей промывочных каналов на поверхности шарошки. Это можно осуществить, например, используя при нанесении материала протектора временных защитных экранов, удаляемых после нанесения.
Нанесение защитного материала осуществляется с помощью напыляющей пушки, несколькими слоями, до достижения задаваемой проектной толщины.
В качестве материалов для защитного протектора могут применяться, например, легкие композитные материалы на основе пористого алюминия или на основе компонентов полиуретанов и др. Защитный протектор наносится на шарошку после сборки долота и заправки полости опоры смазкой. Нанесение защитного протектора производят при условии, чтобы предельная температура разогрева шарошки после нанесения не превышала t=280°. При более высокой температуре начинается разупрочнение цементованных поверхностей во внутренней полости шарошки. Предпочтительным, и наиболее производительным, способом нанесения защитного протектора является детонационное напыление. Это процесс, при котором для разогрева и разгона порошкообразного материала используется энергия газового взрыва. В пушку, заполненную газовой смесью ацетилена и кислорода, впрыскивается напыляемый порошок, и электрической искрой возбуждается детонация. При температуре (до t=4000°C), со скоростью до 1000 м/с, разогретые до плавления частицы порошка попадают на поверхность детали. При этом за счет удара обеспечивается адгезия и порошок соединяется с поверхностью детали, образуя разовый слой. Увеличение толщины слоя армирования достигается серией пушечных выстрелов. Положение пушки в направлении радиуса шарошки достигается совместными перемещениями шарошки и пушки, обеспечиваемыми манипуляторами с программным управлением. Единичный цикл напыления производится очень быстро, в течение долей секунды. Поэтому производительность при нанесении заданной толщины достаточно велика, а шарошка успевает нагреться лишь на t=60÷80°C.
Нанесенный слой защитного материала протектора должен быть достаточно прочным для защиты колонны и долота при спуске, и в то же время, после достижения долотом забоя, многотонном нагружении долота и приложении к нему момента вращения, протектор должен достаточно быстро и легко разрушаться. С этой целью, для регулирования адгезии может применятся нанесение на тело шарошки промежуточного подслоя, толщиной несколько микронов, с малым коэффициентом трения, способствующим более полному отставанию всего сослужившего свою службу материала протектора от поверхности шарошки уже в первое время после начала бурения. В качестве материалов для подслоя могут применяться, например, порошки никеля, хрома, меди и др.
Техническим результатом применения предлагаемого долота, состоящего из корпуса с присоединительной к буровой колонне резьбой, с каналом для промывочной жидкости, с цапфой лапы и подвижно закрепленной на ней одной шарошкой с промывочными каналами и породоразрушающими элементами на ее поверхности, является временная защита долота и бурильной колонны с помощью протектора, нанесенного на всю поверхность шарошки, оснащенную породоразрушающими элементами, методом детонационного напыления, слоем, превышающим высоту выступания породоразрушающих элементов над поверхностью шарошки.
На чертеже представлено предлагаемое одношарошечное буровое долото. Позицией 1 обозначен корпус, позицией 2 - цапфа лапы, 3 - корпус шарошки, 4 и 5 - шариковый радиальный и шариковый упорный подшипники соответственно, 6 - подшипники скольжения, 7 - породоразрушающие элементы, 8 - промывочный канал в корпусе долота, 9 - присоединительная резьба к колонне труб, 10 - промывочные каналы в корпусе шарошки, 11 - защитный протектор, наносимой детонационным напылением, 12 - сопло пушки для детонационного напыления. Стрелками обозначены направления перемещения сопел и вращения шарошки.
Равномерная толщина проектора обеспечивается, после экранирования промывочных каналов на шарошке, на собранном долоте, корпус которого закреплен в манипуляторе, например, с помощью присоединительной резьбы, таким образом, чтобы разместить его на необходимом расстоянии, оптимальном для напыления пушкой. Манипулятор (не показан) обеспечивает одновременный поворот шарошки вокруг ее оси и перемещение сопел пушки вдоль образующей поверхности шарошки.
Эффективная зашита вооружения одношарошечных долот позволяет увеличить стойкость вооружения, снизить износ обсадных колонн.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №6436614, кл. E21B, 9/35 от 25.03.78. «Протектор бурового долота».
2. Авторское свидетельство №643614, кл. E21B, 9/35 от 25.03.79. «Протектор одношарошечного долота».