СПОСОБ БАЛАНСИРОВКИ НАГРУЗОК В ДОЛОТЕ С ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИМ АЛМАЗНЫМ ВООРУЖЕНИЕМ
METHOD FOR BALANCING LOADS IN BIT WITH POLYCRYSTALLINE DIAMOND EQUIPMENT

Изобретение относится к способу проектирования вооружения буровых долот с поликристаллическими алмазными элементами (PDC).
Известен способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическими алмазными элементами [1], принятый за аналог.
Недостатком этого способа балансировки нагрузок является то, что он ограничен балансировкой только крутящего момента на валу гидравлического забойного двигателя за счет подбора глубины резания породы резцами PDC, которая обеспечивается установкой дополнительных опорных элементов, ограничивающих внедрение резцов PDC.
При этом реакции забоя на резцы PDC и дополнительные опорные элементы создают силы и моменты относительно двух осей координат, перпендикулярных оси долота, вследствие чего возникают несбалансированные силы и моменты относительно этих осей, отклоняющие долото при его вращении к стенке скважины, что приводит к дополнительному фрезерованию и увеличению диаметра скважины, отклонению долота при бурении от заданной проектной траектории, увеличению износа вооружения и, как следствие, снижению механической скорости бурения.
Другим недостатком этого способа является существенное повышение потребного крутящего момента за счет трения при взаимодействии дополнительных опорных элементов с породой.
Известен другой способ балансировки нагрузок в долоте PDC [2], принятый за прототип.
Недостатком этого способа балансировки нагрузок является то, что часть опорных элементов расположена на значительном расстоянии от оси долота, что увеличивает потребный крутящий момент и, следовательно, затраты энергии при бурении, а также ускоренный износ вооружения самого долота.
Техническим результатом настоящего изобретения является снижение энергоемкости бурения долотом с поликристаллическими алмазными элементами и повышение долговечности его вооружения.
max
Технический результат достигается тем, что в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением, имеющим лопасти с закрепленными на них резцами PDC и дополнительные опорные элементы для ограничения глубины резания, резцы PDC и дополнительные опорные элементы располагаются в процессе проектирования на лопастях таким образом, чтобы максимум расстояний от упорных элементов до оси долота L удовлетворял неравенству
max
L<0,4⋅R,
где R - радиус долота.
В предлагаемом способе балансировки нагрузок в долоте PDC дополнительные опорные элементы (резцы PDC, поверхности лопастей, наплавленные твердым сплавом и (или) другие опорные элементы) установлены на лопастях так, чтобы минимизировать суммарный момент относительно оси долота и тем самым затраты энергии на бурение скважины.
Это достигается за счет размещения опорных элементов на расстоянии от оси долота, меньшем 0,4 от его радиуса. При этом уменьшается плечо силы трения, возникающей при бурении, а также величина силы, поскольку наиболее нагруженной является плечевая область лопасти, расположенная на расстоянии от оси долота, большем 0,4R, как показано на фиг. 1 и 2 [3].
Например, если резец №6, показанный на фиг. 2 будет иметь тот же радиус, что и резец №4, то только за счет снижения силы на резец с 2250 до 1600 фунт-силы крутящий момент уменьшится на
.
Таким образом, размещение опорных элементов долота PDC в диапазоне от 0 до 0,4R позволяет снижать величину крутящего момента, необходимого для бурения скважины, т.е. энергоемкость бурения.
Результаты полевых испытаний образцов долот с предлагаемым способом размещения на лопастях опорных элементов подтвердили снижение энергоемкости бурения долотом с поликристаллическими алмазными элементами и повышения долговечности его вооружения.
Перечень чертежей. Согласно принятой практике геометрические параметры чертежей приведены не в масштабе.
На фиг. 1 показана лопасть долота PDC с закрепленными на ней опорными элементами.
На фиг. 2 показан график зависимости силы на резец от удаления его от оси долота (номера резца). Здесь большему номеру резца соответствует большее расстояние до оси долота.
На фиг. 1 цифрами обозначены: 1 - лопасть долота PDC, 2 - опорные элементы на лопасти; буквой R обозначен радиус долота.
Источники информации
1. Патент США №6298930 от 9.10.2001 г., кл. E21B 10/46 "Буровые долота с управляемыми нагружением резца и глубиной резания".
2. Патент РФ №2498038 от 10.04.2012 г., кл. E21B 10/43 «Способ балансировки нагрузок в долоте с поликристаллическим алмазным вооружением».
3. Drill Bits Catalog. Baker Hughes, 2013.