БИЦЕНТРИЧНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО
BICENTRAL BORE BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин с одновременным расширением ствола скважины, а именно к буровым алмазным бицентричным долотам.
Бицентричные долота позволяют бурить скважины большего диаметра, чем обычно возможно при диаметре ранее спущенной обсадной колонны.
В связи с конструктивными особенностями бицентричных долот можно выделить ряд проблем, связанных с возникновением вихревого вращения долота. Вихревое вращение долота описано в Brett et al., "Bit Whirl: A New Theory of PDC Bit Failure", SPE 19571, Oct. 1989 и в патенте US 5131478, МКИ E21B 7/10, опубл. 21.07.1992 г.
1. При расширении ствола скважины в начале бурения.
2. При бурении горных пород, представленных чередованием пропластков различной твердости.
Известно буровое бицентричное алмазное долото, состоящее из пилота и расширителя с промывочными каналами и установленными на них резцами PDC, и хвостовика с присоединительной резьбой (патент US 5957223, МКИ Е21В 10/27, опубл. 28.09.1999 г.). Для предотвращения вихревого вращения долота предложено установить 3 лопасти на расширителе, пилот выполнять с расширенными калибрующими поверхностями и определенным образом ориентировать резцы на пилоте. Однако применение известного долота не решает проблему стабилизации бицентричного долота во время вихревого вращения из-за того, что в данном долоте не учтена динамика переходных процессов.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является буровое бицентричное долото (патент US 6913098, МКИ Е21В 10/26, опубл. 05.07.2005 г.). Данное долото между пилотом и расширителем содержит подрасширительную часть с множеством лопастей с установленными на них резцами. Однако отсутствие в этой конструкции взаимосвязи при расчете расположения лопастей и резцов на подрасширительной части относительно лопастей и резцов пилотной части не позволяет решать проблему вихревого вращения как в начале бурения, так и в процессе бурения пород, представленных пропластками различной твердости, что ведет к возникновению больших ударных нагрузок на резцах долота и, следовательно, к сокращению его ресурса.
Предлагаемое изобретение направленно на устранение этого недостатка.
Задачами изобретения являются улучшение сбалансированности долота за счет уравновешивания сил резания, исключение ударных нагрузок на резцы расширителя и пилота, действующих на долото во время, когда долото не сцентрировано в скважине и ось вращения долота и скважины не совпадают.
Поставленная задача решается тем, что в бицентричном буровом долоте с продольной осью вращения, содержащем хвостовик с присоединительной резьбой, пилот, эксцентричный расширитель и подрасширитель, размещенный между пилотом и расширителем, оснащенном лопастями, на поверхности которых расположены режущие элементы, согласно изобретению лопасти пилота смещены относительно плоскости, проходящей через ось вращения инструмента и ось проходного диаметра, на 20-80°, лопасти подрасширителя относительно лопастей расширителя - на 20-80°, причем резцы на первой лопасти подрасширителя и второй лопасти пилота установлены на всей лопасти вплоть до калибрующей поверхности, а резцы на первой лопасти пилота и второй лопасти подрасширителя смещены от края калибрующей поверхности лопасти к оси долота на расстояние от 0,5 до 5 мм.
Количество лопастей пилота, подрасширителя, расширителя и расположенных на них резцов может меняться в зависимости от назначения долота, горно-геологических и технико-техлогических условий, а также от типа и размера долота.
Заявленное изобретение иллюстрируется рисунками на Фиг.1-10.
Фиг.1(а-б) - общий вид бицентричного долота.
Фиг.2(а-в) - положения бицентричного долота в скважине.
Фиг.3 - начальное положение долота в скважине.
Фиг.4 - рабочее положение долота в скважине.
Фиг.5 - положение лопастей пилота относительно плоскости А.
Фиг.6 - положение лопастей подрасширителя относительно плоскости А.
Фиг.7(а-г) - положение резцов на пилоте и на подрасширителе.
Фиг.8(а-б) - варианты смещения долота.
32.
Фиг.9 - положение долота, при котором возникает сила F
11.
Фиг.10 - положение долота, при котором возникает сила F
На Фиг.1 изображено бицентричное долото, которое состоит из следующих элементов: направляющей части - пилота (1), расширителя (2), подрасширителя (3) и хвостовика с присоединительной резьбой (4).
При спуске долота на забой ось вращения инструмента (8) не совпадает с осью скважины (9).
Бицентричные долота характеризуются тремя связанными между собой геометрическими параметрами (Фиг.2):
а) проходной диаметр (5) - диаметр отверстия, через которое долото может быть спущено на забой (Фиг.2а);
б) разбуриваемый диаметр (6) - максимальный диаметр скважины, формируемый лопастями расширителя (21) и (22), который может быть получен в результате бурения (Фиг.2б);
в) максимальный диаметр инструмента (7) - максимальный диаметр инструмента, расположенного над долотом, при котором долото может быть спущено на забой в данный проходной диаметр (5) (Фиг.2в).
В начале бурения (Фиг.3), при упоре долота на забой, первыми в работу вступают резцы пилота (1). При этом пилот (1) формирует ствол больше диаметра пилота (1)
l
где  - начальный диаметр пилотного ствола скважины,  - диаметр пилота,  - расстояние от оси вращения инструмента до оси скважины.
За счет возникающей при этом большой отклоняющей силы Fп происходит разрушение стенки скважины резцами расширителя (2). Расширитель (2) начинает постепенно увеличивать ствол скважины до разбуриваемого диаметра (6), долото смещается в положение, при котором ось вращения инструмента (8) будет совпадать с осью скважины (9). В результате этого происходит снижение силы Fп, действующей от резцов пилота, и увеличение силы Fp, действующей от резцов расширителя.
После того как долото сместилось в центр скважины (Фиг.4), все резцы на долоте равномерно контактируют с породой, за счет этого результирующая отклоняющая сила ΣF, которая равна векторной сумме Fп и Fп, и действие ударных нагрузок снижаются. При этом пилот (1) формирует ствол скважины, равный диаметру пилота, а расширитель (2) формирует ствол скважины, равный разбуриваемому диаметру (6).
При анализе сил, действующих на долото, установлено, что в начале бурения пилот (1) долота воспринимает радиальные усилия, созданные резцами, находящимися на расширителе (2). Под действием этой силы долото смещается от оси скважины (9), в результате ось вращения инструмента (8) не совпадает с осью скважины (9), при этом происходит расширение пилотного ствола скважины, что говорит об увеличении результирующей отклоняющей силы ΣF и амплитуды вихревого вращения и, как следствие, увеличении ударных нагрузок на резцы долота.
Также при бурении пород с пропластками различной твердости долото может отклониться от оси скважины (9), что приводит к увеличению результирующей отклоняющей силы ΣF, амплитуды вихревого вращения и действия ударных нагрузок на резцы долота.
За плоскость отсчета примем плоскость А (Фиг. 5), проведенную вдоль долота, которая принадлежит оси вращения инструмента (8) и оси проходного диаметра (9). Во время начала бурения заявленным долотом сила, действующая от резцов расширителя (2) Fp, направлена в сторону пилота (1) и прижимает долото к стенке скважины. Для того чтобы предотвратить расширение пилотного ствола скважины необходимо установить первую (11) и вторую (12) лопасть пилота противоположно лопастям расширителя (21) и (22) и сместить против и по часовой стрелке соответственно на 20°…80° от плоскости А. Лопасти подрасширителя (31) и (32) необходимо расположить противоположно лопастям расширителя (21) и (22) и сместить от плоскости А против и по часовой стрелке соответственно на 20°…80° (Фиг.6).
На лопастях пилота (1) и подрасширителя (3) резцы устанавливаются следующим образом (Фиг.7):
1) Резцы, расположенные на первой лопасти пилота (11), устанавливаются так, чтобы они не вырабатывали полный диаметр пилотного ствола скважины, расстояние h=0,5-5 мм (Фиг.7а).
2) Резцы, расположенные на второй лопасти пилота (12), устанавливаются на всей лопасти вплоть до калибрующей поверхности пилотной части (Фиг.7б).
3) Резцы, расположенные на первой лопасти подрасширителя (31), устанавливаются до полного диаметра подрасширителя (Фиг.7в).
4) Резцы, расположенные на второй лопасти подрасширителя (32), устанавливаются так, чтобы они не вырабатывали полный диаметр подрасширительной части, h1=0,5-5 мм (Фиг.7г).
В общем виде величины h и h1 рассчитываются исходя из анализа функции, зависящей от многих параметров, а именно от типа, размера долота, размера резцов, свойств горной породы, проектных режимов бурения (нагрузки на долото, частоты вращения), а также предполагаемой механической скорости бурения.
где σ - прочность породы на сжатие,
α - угол внутреннего трения,
oc
F - предполагаемая осевая нагрузка,
n - предполагаемое число оборотов забойного двигателя,
мex
V - предполагаемая механическая скорость бурения.
32
11
32
11
В результате при отклонении долота от оси скважины (9) в направлении действия суммарной отклоняющей силы ΣF и прижатия долота к стенке скважины (Фиг.8а) или (Фиг.8б), образуется контакт между нережущей поверхностью лопасти подрасширителя (32) и поверхностью лопасти пилота (11) соответственно. При этом возникают дополнительные силы F или F (Фиг.9) и (Фиг.10). Векторы сил F и F направлены таким образом, чтобы предотвратить расширение пилотного ствола скважины и сместить долото обратно к оси скважины, так чтобы ось вращения инструмента(8) совпадала с осью скважины (9).
Использование данного изобретения позволяет увеличить ствол скважины до разбуриваемого диаметра без расширения пилотного ствола скважины, снизить при этом вихревое вращение, обеспечить равномерное распределение нагрузки на все резцы бицентричного долота как в начале бурения, так и при бурении пород, представленных чередованием пропластков различной твердости.
Применение заявленного изобретения позволит повысить срок службы долота, уменьшить время строительства скважины как за счет увеличения механической скорости, так и за счет уменьшения спускоподъемных операций.