СТУПЕНЧАТЫЙ ЛОПАСТНОЙ PDC-ИНСТРУМЕНТ
STEPPED BLADED PDC-TOOL

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту режущего типа, применяемому в бурении скважин, а именно к PDC-инструменту: бурголовкам, расширителям, стабилизаторам и долотам.
Известен буровой инструмент, в частности, так называемые импрегнированные долота режущего и истирающе-режущего типа, например ИСМ (Институт сверхтвердых материалов АН УССР), включающие корпус и лопасти со вставками из сверхтвердого материала со сферической рабочей поверхностью, направленными, как правило, на забой, выполняющими функцию вооружения бурового инструмента в разрушении горных пород [1] (аналог). В известном инструменте при его работе разрушение разбуриваемых горных пород осуществляется резанием и истиранием, при этом истирается и вооружение долота, а из-за большой площади контакта с забоем для эффективной работы инструмент требует повышенной нагрузки и крутящего момента.
Указанные недостатки устранены в алмазных долотах, где применено более износостойкое вооружение в виде резцов типа PDC (Polycrystalline Diamond Compact), направленных по касательной в отношении забоя, причем рабочая поверхность инструмента, на которой размещено это вооружение, выполнена в форме тора [2] (прототип).
В известном инструменте резцами, размещенными на поверхности инструмента в форме тора, лишь частично применяется способ разрушения разбуриваемых горных пород на разрыв, скол, наиболее эффективный в сравнении с иными, например разрушением сжатием и даже сдвигом.
Целью изобретения является увеличение показателей работы инструмента путем использования наиболее эффективного способа разрушения разбуриваемых горных пород сколом и на разрыв за счет формирования открытой ступенчатой поверхности со ступеньками, полностью разрушаемыми в процессе их образования с минимальными энергетическими затратами.
Указанная цель достигается тем, что в известном лопастном многоступенчатом буровом инструменте вооружение размещено на лопастях таким образом, что при работе инструмента на забое скважины формируется последовательная ступенчатая поверхность, начиная от оси инструмента (долота) к периферии со ступеньками шириной а=(0,2÷0,4)D+0,5d и высотой b=(0,4÷0,6)D, где D - диаметр долота, d - диаметр резцов PDC.
Эффективное ступенчатое разрушение горной породы соблюдается и в горизонтальной плоскости, для чего каждый последующий резец PDC при дублировании на одной лопасти, начиная от оси долота к периферии, размещается от впереди идущего на расстоянии (0,4÷0,6)D.
Ступенчатая поверхность в 1/3 от оси долота к периферии может быть обращена внутрь долота для улучшения промывки забоя с обязательным дублированием резцов PDC в области перегиба этой поверхности, как работающих в наиболее напряженных условиях.
На фиг.1 изображен фронтальный вид заявленного ступенчатого лопастного PDC-инструмента в диаметре D: 1 - резцы PDC; 2 - лопасти долота; 3 - прилив на лопасти долота; 4 - корпус инструмента (долота).
На фиг.2 показан вид сверху заявленного ступенчатого лопастного PDC-инструмента: 1 - резцы PDC; 2 - лопасти долота; 3 - прилив на лопасти долота; 4 - корпус инструмента (долота).
На фиг.3 представлен фрагмент лопасти долота: 1 - резцы PDC; 2 - лопасти долота; 3 - прилив на лопасти долота с размерами размещения на ступенчатой поверхности резцов PDC диаметра d, шириной а и высотой b.
На фиг.4 изображен профиль скважины с размещенным в ней долотом диаметром D и размещенным в этом профиле вооружением в виде резцов PDC диаметром d, а также формируемым забоем: 1 - резцы PDC; 4 - корпус инструмента (долота); 5 - стенка скважины; 6 - забой скважины. Ширина закладываемой в конструкцию PDC-инструмента ступеньки а, b - высота ее.
На фиг.5 показан профиль скважины со ступенчатой поверхностью в 1/3 от оси долота к периферии, обращенной внутрь долота для улучшения промывки забоя, с теми же обозначениями, что и на фиг.4.
На фиг.6 фотография натурного долота ДАБ 152,4 МС, выполненного в соответствии заявленному изобретению.
Как видно из фиг.1, фиг.2 и фиг.3, долото 4 содержит лопасти 2 с приливами 3, в которых монтируются PDC-резцы 1. Размещаются приливы 3 с PDC-резцами 1 на лопастях 2 и корпусе долота таким образом, что на забое формируются ступеньки шириной a=(0,2÷0,4)D+0,5d и высотой b=(0,4÷0,6)D, где D - диаметр долота, d - диаметр резцов PDC.
Эти ступеньки шириной a и высотой b, образованные долотом 4 на фиг.4 в скважине со стенками 5, разрушаются при незначительной нагрузке на долото в процессе их формирования с образованием бесступенчатого забоя 6. Так же формируется и забой 6 на фиг.5.
Таким образом, для увеличения показателей работы инструмента путем использования наиболее эффективного способа разрушения разбуриваемых горных пород сколом и на разрыв за счет формирования открытой ступенчатой поверхности со ступеньками, полностью разрушаемыми в процессе их образования с минимальными энергетическими затратами: вооружение размещено на лопастях так, что при работе инструмента на забое скважины формируется последовательная ступенчатая поверхность, начиная от оси инструмента (долота) к периферии со ступеньками шириной a=(0,2÷0,4)D+0,5d и высотой b=(0,4÷0,6)D, где D - диаметр долота, d - диаметр резцов PDC; каждый последующий резец PDC при дублировании на одной лопасти, начиная от оси долота к периферии, размещается от впереди идущего на расстоянии (0,4÷0,6)D; ступенчатая поверхность в 1/3 от оси долота к периферии может быть обращена внутрь долота для улучшения промывки забоя с обязательным дублированием резцов PDC в области перегиба этой поверхности, как работающих в наиболее напряженных условиях.
Разрушение ступеньки указанных размеров по энергозатратам в два раза ниже, чем разрушение плоского забоя. На единицу затраченной энергии при таком разрушении приходится значительно больший объем разрушенной породы, что установлено автором аналитически и экспериментально.
Большей глубине скважины соответствует большая величина коэффициента при D, для неглубоких скважин требуются меньшие соотношения.
Ступенчатым лопастным PDC-инструментом может быть бурголовка, расширитель, стабилизатор, долото.
Многоступенчатые долота на фиг.6 показывают увеличение скорости бурения на 300%.
Источники информации
1. Масленников И.К. Буровой инструмент. Справочник. - М.: Недра, 1989. - 430 с. (См. стр.205-206).
2. Каталог Буровые долота. Калибраторы. Центраторы. - Самара: ОАО «Волгабурмаш», 2009, 52 с. (См. стр.37-44).