Алмазное лопастное буровое долото
DIAMOND BLADE DRILL BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения глубоких нефтяных и газовых скважин.
Алмазные лопастные долота для бурения работают в тяжелых условиях, характеризующихся высокими температурами и нагрузками в зоне контакта породоразрушающих элементов с породой. Производительность процесса бурения зависит от многих факторов, в частности от износа алмазных режущих элементов и посадочных гнезд, в которых крепятся режущие элементы. В настоящее время для оснащения лопастных долот применяются преимущественно алмазные режущие элементы - цилиндрические вставки, содержащие поликристаллический алмазный слой, закрепленный на твердосплавной основе. Высокие температуры, возникающие в зоне резания, вызывают термодеструкцию поликристаллического алмазного слоя, а скапливающийся выбуренный шлам между алмазными режущими элементами и в промывочной системе долота вызывает износ посадочных гнезд. При определенной степени изношенности алмазного режущего элемента и отсутствии необходимой целостности посадочного гнезда алмазные режущие элементы под действием сил резания вырываются. При этом ухудшается перекрытие забоя скважины резцами, необходимое для успешного бурения. Значительно сократить износ алмазных режущих элементов лопастного долота для бурения может правильное функционирование промывочной системы, которая должна обеспечить не только своевременное удаление выбуренного шлама из забоя скважины, но и своевременное и эффективное охлаждение режущих элементов, желательно объемное охлаждение непосредственно алмазных режущих элементов и, при возможности, каждого режущего элемента, и удаление из под них шлама.
Известно алмазное лопастное долото для бурения, содержащее корпус с центральной полостью для промывочной жидкости, снабженный лопастями, образующими межлопастные промывочные каналы. Вдоль лопастей у передней поверхности установлены алмазные режущие элементы, содержащие вставки, несущие двухслойную пластину, содержащую поликристаллический алмазный слой на твердосплавной подложке. Алмазные режущие элементы снабжены осевым отверстием, сообщающимся с центральной полостью корпуса алмазного бурового долота (US №4606418, кл. Е21В 10/56, 1986 г.). Алмазные режущие элементы с осевым отверстием характеризуются постоянной толщиной стенки по периметру. Однако на практике наблюдается повышенный износ алмазных режущих элементов на периферии, находящейся ближе к забою, что связано с тем, что наиболее удаленная от оси вращения часть режущих элементов испытывает большую нагрузку при резании и в результате подвергается большему износу. Кроме того, отверстия, выполненные по оси алмазных режущих элементов, недостаточно эффективно способствуют отводу шлама и транспортировке шлама по межлопастным промывочным каналам.
Известны породоразрушающие элементы, устанавливаемые на буровой коронке, выполненные в виде твердосплавных вставок с отверстием, сообщающимся с центральной полостью коронки, у которых отверстие выполнено со смещением относительно оси вставки, при этом твердосплавные вставки установлены в коронке таким образом, чтобы толстые части были обращены к периферии коронки - в сторону забоя (RU2160816, кл. Е21В 10/56, 1999 г.). Это дает возможность обеспечить равномерный износ твердосплавных вставок за счет усиления периферийной части вставки. Однако при установке таких режущих элементов на лопастном долоте не всегда может быть получен ожидаемый эффект, т.к. режущие элементы на различных участках рабочей поверхности бурового долота испытывают различные нагрузки, при этом смещение отверстия в сторону промывочной системы не обеспечит эффективное охлаждение режущей поверхности алмазных режущих элементов.
Известно буровое долото, содержащее корпус с режущими вставками, в которых выполнено со смещением от оси вставки отверстие, сообщающееся с центральной полостью долота (RU 2567260, Е21В 10/43, 2014 г.). Вставки на корпусе долота ориентированы тонкой стенкой навстречу потоку промывочной жидкости. В промывочных каналах долота установлены перегородки, разделяющие поток промывочной жидкости на шламоотводящий и промывочный. Недостаток бурового долота заключается в сложности конструкции, и, кроме того, из-за разделения промывочного канала на две зоны может быть существенно уменьшено общее количество промывочной жидкости, необходимое для охлаждения буровой коронки и выноса шлама из зоны резания.
Наиболее близким техническим решением является буровое долото, содержащее корпус с центральной полостью, на поверхности которого на лопастях, образующих межлопастные пространства, являющиеся основными промывочными каналами, установлены алмазные режущие элементы, содержащие вставку, несущую двухслойную пластину из поликристаллического алмазного слоя на твердосплавной подложке. В теле вставки, подложки и поликристаллического алмазного слоя выполнен открытый на периферии алмазного режущего элемента V-образный вырез. V-образный вырез соединен через наклонный канал с центральной полостью корпуса долота (US 4852671, Е21B 10/567, 1989 г.). По мнению автора изобретения, V-образный вырез образует две режущие кромки, сосредотачивая силы резания на этих двух кромках, создавая более короткую периферийную режущую кромку и, таким образом, генерируя меньшее количество тепла. Кроме того, промывочная жидкость попадает через V-образный вырез к режущим кромкам поликристаллического алмазного слоя двухслойной пластины, обеспечивая охлаждение непосредственно режущих кромок поликристаллического алмазного слоя. Недостаток бурового долота заключается в том, что поток промывочной жидкости, поступающий в открытый по периферии алмазного режущего элемента V-образный вырез, будет иметь направление в сторону от алмазного режущего элемента, не обеспечивая очистку от шлама его режущей поверхности, пространств между алмазными режущими поверхностями, и не будет способствовать повышению эффективности удаления шлама из промывочной системы долота в целом. Кроме того, в процессе бурения алмазные режущие элементы стороной, на которую выходит канал, упираются в забой, который перекрывает канал. В результате охлаждение и очистка алмазных режущих элементов от шлама не будет эффективной, так же как и удаление выбуренного шлама из основных промывочных каналов долота.
Задачей технического решения является повышение ресурса работы алмазного лопастного бурового долота за счет улучшенного охлаждения и очистки алмазных режущих элементов и повышения эффективности удаления шлама основным потоком промывочной жидкости.
Для решения поставленной задачи в алмазном лопастном долоте для бурения, содержащем корпус, снабженный центральной полостью, лопасти, образующие основные промывочные каналы, и установленные на лопастях алмазные режущие элементы с наклонным каналом, сообщающимся с центральной полостью корпуса, наклонный канал выполнен с выходом на рабочую поверхность алмазного режущего элемента со смещением относительно оси алмазного режущего элемента, образуя утолщенную и утоненную части, причем ось канала имеет наклон в сторону утолщенной части, при этом алмазные режущие элементы установлены на лопастях утоненной частью в сторону основных промывочных каналов.
Алмазное лопастное долото для бурения дополнительно содержит алмазные режущие элементы, ось канала у которых имеет наклон в сторону утоненной части, при этом основные и дополнительные алмазные режущие элементы установлены на лопастях поочередно.
Сущность изобретения заключается в том, что смещение выхода канала на рабочей поверхности алмазного режущего элемента образует у режущего элемента утоненную и утолщенную части. При установке алмазного режущего элемента утоненной частью в сторону межлопастных пространств возникающие при бурении наибольшие нагрузки со стороны стенок скважины воспринимаются утолщенной усиленной рабочей частью алмазного режущего элемента. Наклон канала создает усиленный направленный поток промывочной жидкости. При наклоне канала в алмазном режущем элементе в сторону утолщенной части алмазного режущего элемента, т.е. в направлении к стенке скважины, обеспечивается эффективное охлаждение и очистка алмазного режущего элемента, и кроме того, создаваемый отверстием поток промывочной жидкости способствует более эффективному вымыванию выбуриваемого шлама из пространств между рабочей поверхностью долота и стенкой скважины. При бурении скважин в некоторых породах имеет место забивание межлопастных пространств уплотненной породой. За счет установки алмазного режущего элемента с каналом, имеющим наклон в сторону утоненной части алмазного режущего элемента, т.е. в сторону межлопастных пространств, направленный поток промывочной жидкости усиливает турбулизацию основного потока, создавая мини гидроудары, которые разбивают уплотненную выбуренную породу, способствуя эффективному ее удалению из межлопастных пространств. Размещение на лопастях алмазных режущих элементов с разнонаправленными каналами в чередующемся порядке, в частности, при чередующихся видах буримой породы (при бурении твердых и абразивных пород) создает улучшенные условия для эффективного охлаждения алмазных режущих элементов, очистки пространств между алмазными режущими элементами и стенкой скважины и выноса выбуренного шлама из межлопастных пространств основным потоком промывочной жидкости, особенно при бурении глинистых пород.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показано алмазное буровое долото.
На фиг. 2 показан вид на лопасть алмазного лопастного долота со стороны основного промывочного канала.
На фиг. 3 показан осевой разрез алмазного режущего элемента с отверстием, смещенным относительно оси алмазного режущего элемента.
На фиг. 4 показан вид на режущую поверхность алмазного режущего элемента с отверстием, смещенным относительно оси алмазного режущего элемента.
На фиг. 5 показан алмазный режущий элемент, закрепленный в гнезде на лопасти алмазного лопастного долота.
На фиг. 6 показан осевой разрез дополнительного алмазного режущего элемента с отверстием, смещенным относительно оси алмазного режущего элемента.
На фиг. 7 показан вид на режущую поверхность дополнительного алмазного режущего элемента с отверстием, смещенным относительно оси алмазного режущего элемента.
На фиг. 8 показан дополнительный алмазный режущий элемент, закрепленный в гнезде на лопасти алмазного лопастного долота.
Алмазное буровое долото содержит корпус 1 с присоединительной резьбой 2 для соединения корпуса долота с колонной бурильных труб. Корпус снабжен центральной полостью 3 с выходными каналами 4. На корпусе долота выполнены лопасти 5. Лопасти подняты над корпусом долота, образуя межлопастные пространства, служащие основными промывочными каналами 6. Основные промывочные каналы соединены с центральной полостью 3 в корпусе долота через выходные каналы 4. На наружной поверхности лопастей закреплены алмазные режущие элементы 7. Алмазные режущие элементы ориентированы так, чтобы их режущие поверхности 8 были наклонены под некоторым углом к направлению вращения бурового долота либо были установлены рабочей поверхностью перпендикулярно направлению вращения долота. Алмазные режущие элементы выступают над наружными поверхностями лопастей и образуют режущую часть долота с проходами 9 для промывочной жидкости и выноса шлама в призабойную зону либо в межлопастные пространства. В качестве алмазных режущих элементов в алмазных лопастных долотах преимущественно используются алмазные вставки, содержащие слой из поликристаллического алмазного материала 10, соединенного с твердосплавной подложкой 11. Алмазный режущий элемент крепится в соответствующем гнезде на лопасти долота преимущественно с помощью твердой пайки. В алмазном режущем элементе выполнено наклонное отверстие 12 с выходом на режущую поверхность 8 элемента. Выход наклонного канала на режущей поверхности смещен относительно оси 13 алмазного режущего элемента с образованием эксцентриситета 14, разделяя режущую поверхность алмазного режущего элемента на утоненную 15 и утолщенную 16 части. Угол α между осью отверстия 17 алмазного режущего элемента и режущей поверхностью со стороны утолщенной части алмазного режущего элемента меньше 90°. Алмазные режущие элементы 7 установлены на лопасти 5 утоненной частью в сторону межлопастного пространства 6 и соответственно утолщенной частью 16 в сторону стенки скважины 18. Отверстие 12 через систему каналов 19 соединено с центральной полостью 3 корпуса долота. Дополнительные алмазные режущие элементы 20 также содержат слой из поликристаллического алмазного материала 21, соединенного с твердосплавной подложкой 22. В алмазном режущем элементе выполнено наклонное отверстие 23 с выходом на режущую поверхность 24 алмазного режущего элемента со смещением оси 25 относительно оси 26 алмазного режущего элемента с эксцентриситетом 27, разделяя режущую поверхность алмазного режущего элемента на утоненную 28 и утолщенную 29 части. Угол β между осью 25 отверстия алмазного режущего элемента и режущей поверхностью 24 со стороны утоненной части алмазного режущего элемента меньше 90°. Отверстие 23 через систему каналов 30 соединено с центральной полостью 3 корпуса долота. Алмазные режущие элементы 20 установлены на лопастях утоненной частью 28 в сторону основных промывочных каналов 6.
Алмазные режущие элементы 7 и 20 установлены на лопастях 5 поочередно. Элементы с различным расположением отверстий могут чередоваться в различной последовательности, например: один алмазный режущий элемент установлен отверстием, направленным в сторону утолщенной части, следующий - отверстием, направленным в сторону утоненной части; два алмазных режущих элемента установлены отверстием, направленным в сторону утолщенной части, следующий - с отверстием, направленным в сторону утоненной части; два алмазных режущих элемента установлены отверстием, направленным в сторону утолщенной частим, один - отверстием, направленным в сторону утоненной части, и т.д. Расстановка алмазных режущих элементов определяется требованиями, предъявляемыми к долоту, конструкцией и размерами лопастного долота, буримой породой и т.п.
Алмазное лопастное долото для бурения работает следующим образом.
Под действием осевой нагрузки и крутящего момента алмазные режущие элементы внедряются в породу и разрушают ее. Промывочная жидкость поступает в центральную полость долота и через выходные каналы 4 поступает в основные промывочные каналы 6. Большая часть промывочной жидкости через отверстия 12 направляется наклонным отверстием на режущую поверхность 8 алмазных режущих элементов 7, омывает ее и через проходы 9 между режущими элементами направляется в призабойную зону и частично в основные промывочные каналы.
При оснащении алмазного лопастного долота дополнительными алмазными режущими элементами 20 большая часть промывочной жидкости направляется в основные промывочные каналы 6 и частично в проходы 9. При чередовании алмазных режущих элементов с разнонаправленными отверстиями промывочная жидкость будет иметь веерообразное направление потока промывочной жидкости, способствуя очистке режущих поверхностей алмазных режущих элементов, проходов между алмазными режущими элементами и усилению турбулизации основного промывочного потока.
В целом отверстия в режущих элементах, расположенных и ориентированных на лопастях, в соответствии с изобретением, позволяют за счет дополнительной жидкости увеличить скорость потока основной промывочной жидкости, обеспечить эффективное охлаждение и очистку алмазных режущих элементов, обеспечить более длительную их работоспособность, создать условия для более эффективной очистки промывочных каналов и транспортировки выбуренного шлама к устью скважины восходящим потоком промывочной жидкости.