КАЛИБРАТОР-ЦЕНТРАТОР
CALIBRATOR-CENTRALISER

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для калибровки стенок скважины и центрации компоновки низа бурильной колонны.
Известен калибратор, содержащий корпус с последовательно установленными на нем шайбами с калибрующими элементами, образующими спиралеобразные лопасти. С целью исключения проворота шайб одной относительно другой каждая шайба выполнена с пазами для размещения торцевой части калибрующего элемента смежной с ней шайбы (см. авт. св. СССР №1002505, кл. E21B 10/30, 1983 г.).
Основным недостатком данного калибратора является сложность конструкции, связанная с необходимостью точного изготовления отдельных шайб, калибрующие элементы которых должны образовать плавную спираль, ибо в противном случае резко возрастет сопротивление движению промывочной жидкости между лопастями и тем самым снизится эффективность работы и самого долота.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является калибратор-центратор, включающий корпус с присоединительными резьбами и армированные твердосплавными элементами лопасти с цилиндрическими и наклонными участками (см. авт. св. СССР №1802064, кл. E21B 10/26, 1993 г.).
К недостаткам данного калибратора следует отнести низкую эффективность его работы при бурении в твердых и особенно крепких породах. Это связано с малой износостойкостью и низкой эффективностью работы породоразрушающих элементов, выполненных в виде твердосплавных резцов, при бурении по твердым породам и быстрым выходом их из строя в связи с высокой вероятностью скола. Последнее связано с тем, что резцы установлены с выступанием над рабочими поверхностями лопастей.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы калибратора при бурении, преимущественно, по твердым и крепким породам.
Указанный технический результат достигается тем, что в калибраторе-центраторе, включающем корпус с присоединительными резьбами и армированные твердосплавными элементами лопасти с цилиндрическими и наклонными участками, согласно изобретению зона перехода между нижним наклонным, образующим с осью корпуса угол в 15-30°, и цилиндрическим участками каждой лопасти дополнительно армирована тремя группами цилиндрических вставок с алмазосодержащим слоем, первая из которых расположена на наклонном участке лопасти и выполнена со стороны алмазосодержащего слоя со скосом под углом 10-15° к оси цилиндра, установленной в горизонтальной плоскости и образующей с плоскостью, касательной к цилиндрической поверхности лопасти, угол 15-30°, при этом поверхность скоса обращена в сторону стенки скважины, а режущая кромка алмазосодержащего слоя параллельна оси корпуса, вторая группа вставок расположена на нижнем участке у передней кромки цилиндрической поверхности лопастей по ходу вращения калибратора-центратора, ось вставок ориентирована перпендикулярно к оси корпуса, а алмазосодержащий слой вставок образован зернами природных или синтетических алмазов, закрепленных в износостойкой матрице, третья группа вставок установлена по ходу вращения калибратора-центратора позади вставок второй группы, ось вставок расположена перпендикулярно к оси корпуса, а алмазосодержащий слой вставок образован алмазным диском, при этом режущая кромка вставок первой группы смещена относительно цилиндрической поверхности лопастей в сторону оси корпуса, а алмазосодержащий слой вставок второй и третьей групп расположен заподлицо с цилиндрической поверхностью лопастей и с возможностью контакта рабочей кромки вставок с линией перехода цилиндрической поверхности лопасти с наклонным участком.
Достижению указанного технического результата способствует также и то, что:
- цилиндрическая поверхность лопастей выше алмазосодержащих вставок частично или полностью армирована наплавочным износостойким материалом;
- лопасти выполнены в поперечном сечении в виде трапеции.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид калибратора-центратора в разрезе, на фиг.2 и 3 представлены соответственно пример расположения цилиндрических алмазосодержащих вставок трех групп на лопастях и схема калибрования скважины вставками первой и второй групп, на фиг.4, 5 и 6 представлены виды применяемых для армировки лопастей алмазосодержащих вставок (на фиг.4 - режуще-скалывающего действия, на фиг.5 - режуще-истирающего действия, на фиг.6 - стабилизирующего действия).
Калибратор-центратор включает корпус 1 (см. фиг.1) с присоединительными резьбами 2 и армированные твердосплавными элементами 3 лопасти 4 с цилиндрическими 5 и наклонными 6 участками. Лопасти 4 могут быть выполнены прямолинейной или спиральной формы. В предложенном калибраторе зона перехода между нижним наклонным 6 и цилиндрическим 5 участками каждой лопасти 4 армирована тремя группами цилиндрических алмазосодержащих вставок. Количество вставок каждой группы увеличивается с увеличением твердости горной породы. Первая группа вставок 7 (см. фиг.4) относится к породоразрушающим элементам режуще-скалывающего действия и расположена на наклонном участке 6 лопасти 4 (см. фиг.1, 2 и 3). Каждая вставка 7 представляет собой двухслойный цилиндр, выполненный со стороны алмазного слоя 8 со скосом 9 под углом 10-15° к оси цилиндра, которая расположена в горизонтальной плоскости и образует с плоскостью, касательной к цилиндрической поверхности лопасти 4, угол, равный 15-30°. При этом поверхность скоса 9 обращена в сторону стенки скважины, алмазный слой 8 обращен в сторону вращения калибратора-центратора, а калибрующая кромка 10 алмазного слоя, имеющая вид линии, расположена параллельно оси корпуса (см. фиг.2 и 3). Вставки 7 с целью предохранения их режущих кромок от разрушения при спуске и подъеме инструмента в обсадной колонне, располагаются со смещением относительно цилиндрической поверхности лопастей в сторону оси корпуса, при этом величина смещения составляет доли миллиметра. В месте установки резцов режуще-скалывающего действия угол наклонного участка 6 лопастей 4 должен быть 15-30° к оси корпуса 1, чтобы обеспечить срезание неровностей стенок скважины до 4-5 мм по радиусу (или до 8-10 мм по диаметру) за счет выступания округлых кромок алмазного слоя резцов над наклонной поверхностью. Вторая группа вставок 11 (см. фиг.5) относится к породоразрушающим элементам режуще-истирающего типа и расположена на нижнем участке цилиндрической поверхности 5 у передней кромки 12 лопастей 4 по ходу вращения калибратора-центратора (см. фиг.1, 2 и 3). Ось этих вставок расположена перпендикулярно к оси корпуса 1, а рабочая головка их оснащена зернами природных или синтетических алмазов 13, закрепленными в износостойкой матрице 14, при этом разрушающие вершинки зерен алмазов находятся заподлицо с цилиндрической поверхностью 5 лопастей 4. Третья группа вставок 15 (см. фиг.6) относится к элементам стабилизирующего действия с большими опорными поверхностями и расположена по ходу вращения калибратора-центратора позади вставок 11. Вставки 15 выполнены в виде двухслойного цилиндра с алмазным рабочим диском 16, а оси их расположены перпендикулярно к оси корпуса 1. Алмазные диски 16 вставок 15 расположены заподлицо с цилиндрической поверхностью 5 лопастей 4 и с возможностью контакта рабочей кромки вставок с линией перехода цилиндрической 5 поверхности лопасти 4 с наклонным 6 участком (см. фиг.1, 2 и 3). Цилиндрическая поверхность 5 лопастей 4 выше алмазосодержащих вставок частично или полностью армирована наплавочным износостойким материалом. Лопасти 4 выполняются с поперечным сечением в виде трапеции, что обеспечит максимальное приближение вставок 11 к передней по ходу вращения калибратора кромке 12 лопасти 4 при одновременном обеспечении надежности их крепления (см. фиг.1, 2).
Предлагаемый калибратор-центратор работает следующим образом. Перед началом работы калибратор-стабилизатор соединяют с буровым долотом и на колонне бурильных труб спускают в скважину. В процессе бурения долотом калибратор-центратор формирует номинальный размер ствола скважины и центрирует компоновку низа бурильной колонны по оси скважины. При этом функцию калибрования скважины выполняют алмазосодержащие вставки 7, расположенные на наклонном участке 6 лопасти 4, и породоразрушающие вставки 11, закрепленные в нижней части цилиндрических поверхностей 5 лопастей 4 (см. фиг.3), а стабилизацию низа бурильной колонны осуществляют вставки 15 совместно с твердосплавными резцами 3 и наплавочным материалом при минимальных удельных давлениях за счет больших площадей контакта со стенкой скважины. При вращении калибратора-центратора режущие кромки алмазосодержащих вставок 7 режуще-скалывающего действия режут и скалывают неровности 17 горной породы 18 (см. фиг.3) и калибруют ствол скважины до номинального диаметра бурового долота. После этого в работу вступают породоразрушающие вставки режуще-истирающего действия 11, которые окончательно доводят ствол скважины до заданного диаметра. При этом процесс калибровки стенок скважины осуществляется при минимальных осевых нагрузках и энергозатратах и небольшой интенсивности износа благодаря высокой износостойкости алмазосодержащих вставок, меньшему коэффициенту трения и более высокой теплопроводности алмазного слоя (поз.8, 13 и 16 на фиг.4, 5 и 6) по сравнению с твердосплавными элементами прототипа. Стабилизирующие вставки 15 контактируют с поверхностью стенки уже откалиброванной породоразрушающими элементами режуще-скалывающего 7 и режуще-истирающего 11 действия. Они первыми из всех стабилизирующих элементов вступают в работу и благодаря высокой износостойкости, минимальному коэффициенту трения и большой поверхности контакта обеспечивают хорошую стабилизацию бурового снаряда в течение всего времени работы бурового долота. Твердосплавные элементы 3, расположенные на цилиндрической поверхности 5 лопастей 4, не участвуют в калибровке и расширении скважины и выполняют только функцию стабилизации инструмента за счет больших площадей контакта, не воспринимая осевую нагрузку, что способствует работе инструмента без зависания его на калибраторе. Для увеличения площади контакта цилиндрических поверхностей 5 лопастей 4 с поверхностью стенок скважин, уменьшения удельных нагрузок на стабилизирующие элементы и уменьшения энергозатрат на вращение калибратора в скважине твердосплавные элементы 3 на цилиндрической поверхности 5 лопастей 4 частично или полностью могут быть заменены наплавочным износостойким материалом, последние могут использоваться и совместно с твердосплавными элементами 3.
Применение предложенного калибратора-центратора позволит повысить эффективность его работы при бурении по твердым и крепким породам и исключить случаи зависания бурового инструмента на калибраторе.