ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ

Полезная модель относится к нефтяной и газовой промышленности в частности к породоразрушающему инструменту для бурения горных пород.
Известно долото для бурения горизонтальных скважин включает корпус с присоединительной резьбой, породоразрушающие элементы, промывочные каналы, в том числе центральный наклонный промывочный канал, выполненный со стороны забоя, армированный износостойким покрытием или оснащенный керноломом с отбойными штырями. Вооружение долота выполнено в виде режущих рядов последовательно размещенных друг за другом породоразрушающих зубьев, расположенных на однозаходных, двух- или более заходных конических винтовых лопастях, разделенных коническими винтовыми канавками для выхода с забоя промывочной жидкости и частиц выбуренной породы. При этом оптимальная величина угла подъема конических винтовых лопастей находится в пределах 48°÷75°. Оптимальным углом наклона отверстия под керн к оси долота является его величина в пределах 15°÷23°. Оптимальная величина диаметра отверстия под керн составляет 12%÷18% от наружного диаметра долота. Промывочные каналы для очистки забоя от выбуренной породы направлены из центрального канала в наружные винтовые канавки с наклоном под острым углом к их поверхности в сторону направления восходящего потока промывочной жидкости.
При забуривании и углублении в породу долота центральная часть породы забоя в виде керна оказывается внутри наклоненного к оси долота канала. Износостойкие зубки-керноломы, или армированная износостойким материалом наклонная поверхность стенки в этом канале, встречают керн и легко его разрушают в процессе бурения. Долото в основном предназначено при работе в мягких и средних породах. (пат. РФ №2360096 МПК Е21В 10/00, опуб. 27.06.09 г.)
Выше описанное изобретение взято в качестве прототипа для предлагаемого устройства.
Недостатки устройства-прототипа недостаточная эффективность и надежность бурения скважин в крепких и в очень крепких породах, в особенности при наклонно-направленном бурении.
Проблема, решаемая полезной моделью - создание простой и надежной конструкции породоразрушающего инструмента, свободной от недостатков прототипа.
Вышеуказанная проблема решается, и достигается технический результат с помощью указанных в формуле полезной модели существенных признаков, таких как породоразрушающий инструмент характеризуется тем, что содержит кольцевой полый корпус 1 с наружными 2 и торцевыми 3 лопастями, в которых закреплены скважинно- и кернообразующие резцы 4, 5, при этом наружные лопасти 2 выполнены под наклоном к оси инструмента предпочтительно под углом 5-30°, и центральное кернообразующее отверстие 6, выполненное в нижней части корпуса 1, промывочную систему для его охлаждения и очистки забоя от шлама потоком жидкости, в верхней части корпуса выполнена резьба 7 для соединения винтовым забойным двигателем или буровыми трубами, внутренняя часть корпуса снабжена неосесимметричной поверхностью 8, наклоненной относительно оси породоразрушающего инструмента предпочтительно под углом 5-30°, в которой выполнено отверстия 9, промывочной системы, при этом полость центрального кернообразующего отверстия 6 корпуса 1 в верхней части выполнено диаметром 10 больше на 10-20% диаметра 11 кернообразующего отверстия в нижней части корпуса.
Согласно п. 2 формулы полезной модели резцы 4, 5, выполнены из алмазного РДС материала и/или снабжены твердосплавным покрытием, импрегнированным алмазной крошкой 12.
Согласно п. 3 формулы полезной модели в отверстия 9 промывочной системы установлены гидромониторные насадки 13 из износостойкого материала.
Выше перечисленная совокупность существенных признаков породоразрушающего инструмента позволяет получить следующий технический результат - повышение эффективности разрушения полученного керна и ускорение процесса бурения в целом, особенно в крепких и очень крепких породах.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где приведена на фиг. 1 - конструкция породоразрушающего инструмента, общий вид. На фиг. 2 - разрез нижней части корпуса фиг. 1.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) содержит кольцевой полый корпус 1 с наружными 2 и торцевыми 3 лопастями, в которых закреплены скважинно-и кернообразующие резцы 4, 5 при этом наружные лопасти 2 выполнены под наклоном к оси инструмента предпочтительно под углом 5-30°, и центральное кернообразующее отверстие 6, выполненное в нижней части корпуса 1. Инструмент снабжен промывочной системой для его охлаждения и очистки забоя от шлама потоком жидкости. В верхней части корпуса выполнена резьба 7 для соединения с винтовым забойным двигателем или буровыми трубами. Внутренняя часть корпуса снабжена неосесимметричной поверхностью 8, (фиг. 2) наклоненной относительно оси породоразрушающего инструмента под углом 5-30° (угол является оптимальным, подобран экспериментальным путем), в которой выполнены отверстия 9 промывочной системы. Полость центрального кернообразующего отверстия 6 корпуса 1 в верхней части выполнено диаметром 10 на 10-20% (соотношение размеров является оптимальным, подобрано экспериментальным путем), больше диаметра 11 кернообразующего отверстия в нижней части корпуса.
Резцы 4,5 выполнены из алмазного РДС материала и/или снабжены твердосплавным покрытием, импрегнированным алмазной крошкой 12. Наружные лопасти 2 выполнены под наклоном к оси инструмента предпочтительно под углом 5-30° (угол является оптимальным, подобран экспериментальным путем), а в отверстия 9 промывочной системы установлены гидромониторные насадки 13 из износостойкого материала. Насадки создают гидромониторный эффект (увеличивают скорость струи промывочной жидкости, что способствует появлению эффекта размыва породы и увеличивает эффективность выноса шлама из зоны резанья), а также уменьшают (исключают) размыв самого инструмента промывочной жидкостью.
Предлагаемый инструмент используется в следующей последовательности.
Способ бурения горных пород, включает бурение кольцевым забоем, вращением выше описанного породоразрушающего инструмента и очисткой забоя от шлама потоком промывочной жидкости через породоразрушающий инструмент посредством бурового насоса. В процессе вращения долота, породоразрушающим инструментом осуществляют двухэтапное разрушение породы, на первом этапе выступающей частью инструмента осуществляют бурение кольцевым забоем и нарезание керна, с одновременной калибровкой стенок скважины На втором - разрушение полученного керна дроблением, и/или резаньем, и/или прикладыванием циклической боковой нагрузки с целью получения циклических напряжений в основании керна приводящих к появлению трещин и разрушению породы или комбинацией этих приемов, и выносом шлама промывочной жидкостью из забоя. Особенность прикладываения боковой циклической нагрузки приведена ниже. После формирования короткого керна торцевой частью инструмента, керн «проходит» внутрь инструмента и упирается в заглубленный торец инструмента. Торец представляет собой неосесимметричную поверхность (в наиболее простом виде - плоскость наклоненную к оси вращения инструмента под углом 5-30°). Так как плоскость наклонена, сила реакции соприкосновения керна и плоскости так же наклонена к оси вращения инструмента. Таким образом появляется две составляющих силы реакции: осевая (может быть использована для резанья или дробления) и радиальная, которая вращается вместе с инструментом вокруг оси инструмента и создающей циклическую боковую нагрузку. Для создания эффекта деформации керна под действием боковой силы в инструменте предусмотрено расширение внутреннего диаметра.
Таким образом в процессе вращения с подачей промывочной жидкости породоразрушающий инструмент осуществляет двухэтапное разрушение породы, на первом этапе выступающей торцевой частью инструмента осуществляют бурение кольцевым забоем и нарезание короткого керна, с одновременной калибровкой стенок скважины. На втором - разрушение полученного керна дроблением, и/или резаньем, и/или прикладыванием циклической боковой нагрузки или комбинацией этих приемов с целью получения циклических напряжений в основании керна приводящих к появлению трещин и разрушению породы, и последующим выносом шлама промывочной жидкостью из забоя.
Данное описание рассматривается как материал, иллюстрирующий полезную модель, сущность которой и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.