Буровое долото PDC с амортизаторами на его диаметре
PDC DRILL BIT WITH SHOCK ABSORBERS ON ITS DIAMETER

Предлагаемое изобретение относится к инструменту для бурения скважин на нефть и газ.
Ударные нагрузки, возникающие при боковых и продольных колебаниях колонны, а также при встречах с более твердыми пропластками пород значительно снижают прочностные свойства алмазных резцов и показатели работы долот PDC. Специфичное влияние на прочность породоразрушающей поверхности и твердосплавной подложки породоразрушающих резцов PDC оказывают непрерывные поперечные ударные колебания, обусловленные наличием зазоров между калибрующей поверхностью долота и стенкой скважины. Чем больше эти зазоры, тем больше амплидуда и боковые поперечные удары. Породоразрушающие резцы PDC прекрасно воспринимают осевые нагрузки, но гораздо хуже воспринимают нагрузку поперечную, боковую. Предлагается новая конструкция долота с демпферами-амортизаторами на диаметре, традиционно защищающими диаметр долота от абразивного износа, а также снижающими величину поперечных ударов при снижении биения долота, а значит и поперечные нагрузки на резцы основных породоразрушающих венцов на выступающих лопастях.
В последние годы во всем мире широкое распространение получили бесшарошечные долота режущего типа PDC (P0LYCRISTALLINE DIAMOND CUTTER), оснащенные пластинами, выращенными из мелкого алмазного порошка при нагреве до 3000 градусов по Фаренгейту и давлении прессов усилием порядка 1 млн. фунтов на квадратный дюйм, за время около одних суток. Получаемый в итоге единичный кристалл не имеет межкристаллических внутренних границ между отдельными кристаллами алмаза, наличие которых резко снижало прочностные свойства обычных алмазных пластин в резцах алмазных долот.
Оснащенные режущими алмазными пластинами, резцы PDC получили уникальные породоразрушающие свойства, многократно повысившие показатели бурения различных типов долот PDC, применяемых для бурения малоабразивных пород, от самых мягких до твердых. Применяемые для изготовления буровых долот PDC алмазные режущие пластины ограничены по диаметрам (от 8 до 24 мм) и по толщине (1,5 до 2,5 мм). Такие пластины привариваются или припаиваются на твердосплавные цилиндрические основания-подложки, одинакового диаметра с алмазными пластинами, вместе с которыми готовые резцы PDC закрепляются в отверстиях на теле выступающих лопастей корпуса долота.
Алмазные пластины для резцов PDC, как и твердосплавная подложка, могут выдерживать очень большую сжимающую нагрузку, а также значительный перегрев (порядка 1000 градусов Цельсия) во время бурения. Однако, как уже отмечалось, кратно хуже они воспринимают внезапные или непрерывные циклические ударные боковые нагрузки. Поэтому резцы закрепляют с помощью пайки при щадящей алмазную пластину температуре (не более 650 градусов Цельсия), на припое ПСР на серебряной основе.
За последние годы и за рубежом, и в нашей стране, появились новые конструкции долот PDC, позволяющие обеспечивать дальнейшее повышение показателей их работы в бурении. Такое повышение обеспечивается различными методами и направлениями.
Известны первые конструкции долот PDC с алмазными резцами [1], («Алмазное долото», «Линия FD». Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003, с 34-37.)
Эта конструкция таких долот принята за первый аналог.
Однако, у всех этих изначальных конструкций имелись свои слабые стороны. Замена трения качения шарошек по забою и ударно-скалывающего разрушения породы под перекатывающимися зубьями шарошек на безударное непрерывное резание, потребовало для обеспечения интенсивного разрушения породы многократно большего крутящего момента для работы долота, а значит применения более мощных, дорогих и более энергоемких буровых установок, увеличивающих затраты на метр бурения. Кроме того, если зубья шарошек при их перекатывании по забою, успевают между циклами внедрения в породу охладиться и «отдохнуть». Резцы долота PDC работают при непрерывном, постоянном контакте с породой и перегреваются от абразивного резания, что способствует ускорению выхода из строя их режущих кромок.
Известно долото PDC [2], («Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой». Патент США №6298930. Кл. 35/197. 2014). В этом долоте с целью оптимизации параметров режима бурения сделана попытка увязать глубину резания за один оборот долота при работе на забое с осевой нагрузкой, числом оборотов и контактной поверхностью резцов PDC.
Решения, предлагаемые в этом патенте, применимы только для определенных, конкретных по твердости, пород. Они не стали универсальными для большого количества различных, перемежающихся по твердости пород, проходимых за один спуск долотами PDC. Это долото принято за второй аналог.
Известно также другое долото PDC [3], («Алмазное долото с механическим креплением резцов». Богомолов P.M., Киняев А.В., Крылов С.М. и др. Патент РФ №2536901, кл. Е21В 10/573, F21C 10/197, 2014). Повышение показателей работы вооружения этого долота достигается за счет обеспечения последующих новых применений отремонтированных долот. Предлагаемые в этом долоте решения позволяют после замены положения изношенного или сколовшегося после подъема долота малого участка режущей кромки резца PDC, непосредственно в условиях буровой, при исключении их трудоемкого сбора и доставки для ремонта на завод-изготовитель, избежать дополнительных циклов нагрева при распайке и новой запайке при замене или развороте резца, обеспечив их повторное применение. Это позволяет повысить общую суммарную стойкость режущей кромки резца PDC и показатели работы долота в целом. Такое долото принято за третий аналог.
Известно еще одно долото PDC [4], («Буровое долото с резцами PDC». Богомолов P.M., патент РФ №2735319. кл. Е21В 10/43.2020). Повышение показателей работы этого долота достигается за счет рационального расположения резцов PDC на лопастях. Резцы чередуются друг за другом на венце. Одна часть резцов, развернута относительно проекции на плоскости забоя линии, связывающей центры и диаметры на плоскостях пластин с осью долота, под острым углом в пределах от 5 до 35 градусов по часовой стрелке, а вторая часть, в тех же пределах, развернута против часовой стрелки. Это позволяет целенаправлено регулировать напряженное состояние, зону и эпюру нагружения под вдавливаемым в породу резцом, создавать и усиливать отсутствующий ранее при бурении боковой сдвиг породы между кольцевыми воротниками на забое.
Во всех четырех вышеупомянутых конструкциях долот предусмотрены варианты неподвижного закрепления резцов PDC, при которых в контакте с породой забоя, при вдавливании за один оборот, непрерывно находится только малая часть длины кольцевой, врезающейся в поверхность забоя режущей кромки (порядка 10-15%), которая воспринимает нагрузку резания в течение всего времени бурения долотом, а остальная часть этой режущей кромки (порядка 85%) в разрушении породы не участвует, а поэтому не изнашивается.
В 2013 году, фирма «Смит Битс», входящая в состав корпорации «Шлюмберже», США, опубликовала на русском языке рекламную презентацию для российских буровиков. Один из ее разделов назван - «Новая революция в долговечности резцов PDC» («Презентация «Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов» [5]. Эта конструкция долота принята за прототип.
В указанной презентации сообщалось о создании вращающегося резца PDC в долотах, представляемых этой фирмой - ONIX 360. Число 360 в обозначении долота соответствует возможности непрерывного поворота режущей кромки резца PDC вокруг своей оси - на все 360 градусов. В презентации отсутствуют конкретные конструктивные признаки, обеспечивающие осуществление такого вращения резца во время бурения, но в ней упомянуто о значительных преимуществах схемы, при которой нагружению подвергается уже не отдельный ограниченный участок длины режущей кромки резца, а вся кромка целиком. В презентации сообщается, что применение долот ONIX - 360, обеспечило резкое повышение средней проходки.
Однако, наряду с повышением общих показателей работы этого долота за счет вращающихся резцов, в бурении выявилось новое отрицательное свойство - резко снизилась ударная вязкость алмазных пластин и твердосплавных подложек. Это произошло в связи с тем, что при ранее применявшемся способе неподвижного закрепления резцов PDC зазоры между стенками отверстий под резец и самим резцом полностью отсутствовали. Эти зазоры были заполнены припоем или исключались с помощью пары зажимных втулок, в каждом из четырех приведенных аналогов. Это исключало ударные контакты между стенкой отверстия и резцом. Практика применения в нашей стране долот 0NIX - 360 фирмы «Смит Битс» с вращающимися резцами PDC показала, что при появившихся зазорах, необходимых для вращения резцов, из-за поперечных колебаний колонны и долота, возникают вредные дополнительные боковые срезающие ударные нагрузки, при которых стойкость алмазных резцов значительно снижается. Поэтому гашение указанных непрерывных боковых ударов и вибраций - это один из важных путей повышения стойкости и показателей работы долот PDC с подвижными резцами.
Целью разработки новой конструкции является создание на калибрующих поверхностях лопастей алмазных долот демпферов-амортизаторов, позволяющих снизить за счет их демпфирования амплитуду поперечных колебаний долота. Демпфирующие калибрующие резцы PDC должны обеспечивать при этом снижение амплидуды вредных боковых сдвигающих ударов на основные резцы PDC лопастей, разрушающих породу на забое.
Эта цель достигается тем, что предлагаемое долото включает стальной корпус с выступающими лопастями, промывочными узлами, расположенными в пазах между лопастями, ниппельной частью с резьбой для присоединения к бурильной колонне, отверстиями на породоразрушающих и калибрующих поверхностях лопастей с размещенными в них резцами PDC, в котором между торцами калибрующих резцов PDC диаметром D и дном отверстий под них, установлены плоские демпферы-амортизаторы механического типа, толщиной «а» в разжатом состоянии, и толщиной «b» в максимально сжатом состоянии, с величиной амплитуды возможного осевого перемещения калибрующего резца PDC при максимальном сжатии демпфера-амортизатора «с». На боковой поверхности каждой твердосплавной подложки калибрующего резца PDC выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения радиусом R1, с плоскостью симметрии на расстоянии L от торца калибрующего резца PDC; на стенке каждого отверстия под калибрующий резец PDC на расстоянии от дна отверстия выполнена кольцевая канавка полуовального поперечного сечения шириной L3=2R1+«с», глубиной и боковыми радиусными скруглениями по обоим краям полуовала, одинаковыми радиусами R1, а ее край со стороны вершины калибрующего резца PDC расположен напротив края канавки полукруглого поперечного сечения. Обе кольцевые канавки образуют совместную кольцевую полость, в которую через круглое монтажное отверстие диаметром d1=2R1 снаружи боковой поверхности лопасти введен, по посадке с зазором, плавающий кольцевой стальной стопор круглого сечения, диаметром d, соответствующим диаметру d1 монтажного отверстия, заостренный с одного конца и плоский с другого.
На входе монтажного отверстия, после установки стального кольцевого стопора, может устанавливаться защитная крышка.
Границы расположения и габариты демпфера-амортизатора, кольцевых канавок полукруглого и полуовального поперечного сечения, диаметры d и d1, диаметр калибрующего резца PDC D, связаны следующими соотношениями: наибольший диаметр канавки с полуовальным поперечным сечением на стенке отверстия под резец D1=D+2R1; наименьший диаметр полукруглой канавки D2=D- -2R1; расстояние L от торца резца до плоскости симметрии канавки с полкруглым поперечным сечением; расстояние от дна отверстия до плоскости симметрии полукруглой канавки при разжатом состоянии демпфера-амортизатора L1=L+а; расстояние от дна отверстия до плоскости симметрии канавки с полукруглым поперечным сечением при сжатом состоянии демпфера-амортизатора L2=L+b; ширина полуовальной канавки L3=2R1+с; величина максимальной амплитуды сжатия демпфера-амортизатора с=а-b.
Предлагаемая конструкция долота поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает вид сбоку предлагаемого долота PDC, фиг. 2 - часть увеличенного поперечного сечения долота А - А по оси симметрии одного из периферийных демпферов-амортизаторов, калибрующих резцов PDC, с положением калибрующего резца PDC и демпфера-амортизатора в разжатом состоянии, фиг. 3 - то же поперечное сечение А - А с полжением калибрующего резца PDC и демпфера-амортизатора в максимально сжатом состоянии, фиг. 4 - схема монтажа плавающего кольцевого стального стопора, фиг. 5 - вариант установки защитной крышки.
На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - корпус долота, 2 - породоразрушающие резцы PDC на выступающих лопастях, 3 - калибрующие резцы PDC, 4 - лопасть корпуса, 5 - полости для обеспечения промывки забоя от шлама, 6 - пазы на корпусе для «свинчивания-развинчивания» долота при его креплении, 7 - коническая резьба для присоединения долота к бурильной колонне.
На фиг. 2 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1, а также новыми позициями обозначены: 8 - диаметральная поверхность лопасти долота, 9 - стенка промывочной полости 5, направление плоскости сечения Б - Б, проходящего через плоскость симметрии одного из калибрующих резцов PDC в положении максимально разжатого демпфера-амортизатора, 10 - плавающий кольцевой стальной стопор, 11 - стенка отверстия под калибрующий резец PDC, 12 - торец калибрующего резца PDC, 13 - торец отверстия под калибрующий резец PDC, 14 - демпфер-амортизатор в разжатом состоянии, 15 - полукруглая радиальная канавка, 16 - полуовальная кольцевая канавка, 17 - боковая поверхность калибрующего резца PDC, 18 - отверстие для установки плавающего кольцевого стального стопора 10, буквами обозначены: R1 - оба боковых радиусных скругления в поперечном сечении полуовальной канавки 16; D - диаметр калибрующего резца PDC, D1 - максимальный диаметр полуовальной кольцевой канавки на стенке отверстия под калибрующий резец PDC, d - диаметр плавающего кольцевого стопора, буквам Б - Б обозначено продольное сечение по плоскости симметрии радиальной полукруглой канавки 15 с радиусом R1.
На фиг. 3 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1 и 2, а также новыми позициями обозначены: 19 - демпфер-амортизатор в максимально сжатом состоянии, буквой L3 обозначена ширина полуовальной кольцевой канавки на стенке отверстия под калибрующий резец PDC; D2 - внутренний диаметр полукруглой канавки на твердосплавной подложке.
На фиг. 4. теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1, 2, 3, а также новыми позициями обозначены: 20 - заостренный заходной конец стержня 10, 21 - плоский торец плавающего стопорного стержня 10, 22 - оправка для установки плавающего стального стопорного стержня; буквой обозначен d1 - диаметр оправки 22.
На фиг. 5 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1, 2, 3, 4, а также новыми обозначены: 23 - защитная крышка отверстия, предохраняющая от возможности попадания шлама в зону трения стопорного узла, 24 - упорная ступенька на защитной крышке, 25 - зазор между цилиндрической поверхностью калибрующего резца PDC и стенкой отверстия под него, буквами обозначены; d2 - диаметр защитной крышки 23, буквой «е» - обозначен центральный угол между концами плавающкго кольцевого стального стопорного стержня 10 после установки его в положение, препятствующее возможности контакта со стержнем 10 или с защитной крышкой 22.
Для исключения препятствия постоянному вращению плавающего калибрующего резца PDC во время бурения и уменьшения трения при контакте элементов узла друг с другом, необходимо выполнить следующие условия. В качестве материала для изготовления плавающего кольцевого стального стопорного стержня необходимо применять пластичную сталь с минимальным содержанием углерода, например отечественную ст. 10. Такой достаточно пластичный материал облегчает вхождение прямолинейного стержня в кольцевое пространство, образованное обеими кольцевыми канавкаии 15 и 16, а также обеспечивает постоянство сохранения его в виде изогнутой части плавающего кольца в течение всего времени бурения. Чтобы исключить возможность контакта плавающего кольцевого стального стопорного стержня с монтажной оправкой или защитной крышкой отверстия, его длина ограничивается центральным углом, например, в пределах е=280-300 градусов. Диаметр стержня должен выбираться с учетом зазора по выбранной посадке, необходимого при монтаже и для работы внутри стопорного узла во время бурения. Торцевая рабочая поверхность контакта калибрующего резца PDC, калибрующая стенку скважины, может иметь любую форму, от плоской до криволинейной. Для защиты полости плавающего кольцевого стального стопорного замкового устройства от попадания шлама, может использоваться любой известный вариант выполнения защитной крышки для входного отверстия и ее крепления, например с упорным уступом и с применением сварки, как показано на фиг. 5.
Наличие ответного совместного кольцевого пространства, образованного кольцевыми соседними канавками полуовального 16 и полукруглого 15 поперечного сечения, при установленном кольцевом стальном стопорном замковом стержне позволяет калибрующему резцу PDC вращаться вокруг своей оси, а при возникновении внезапной ударной нагрузки на него во время бурения дополнительно переместиться вдоль этой оси от одного крайнего положения до другого, сжимая, а зтем позволяя до конца разжиматься механическому демпферу-амортизатору. При этом значительно снижается мгновенная ударная и вибрационная нагрузки, а значит снижается амплитуда разрушающих поперечных колебаний колонны и долота.
В качестве такого механического демпфера-амортизатора, предлагается использовать, например, плоскую форму в виде «таблетки», умещающейся в пространстве между торцом 12 калибрующего резца резца PDC и дном 13 отверстия под калибрующий резец PDC, выполненной из любого эластичного материала, (например, резины), способного воспринимать и постоянно демпфировать ударную нагрузку.
В отечественной и зарубежной практике бурения освоены и успешно используются наддолотные амортизаторы (забойные демпферы), устанавливаемые в составе бурильной колонны между долотом и УБТ для гашения продольных и поперечных колебаний, возникающих при работе долота на забое скважины [6] (А.Г. Калинин, «Бурение нефтяных и газовых скважин», учебник для Высшей школы, ЦентрЛитНефтеГаз. М., 2008, с. 116, 266-267.
Энергоемкость демпфирующего устройства определяется наибольшим количеством потенциальной энергии, которую может аккумулировать упругий элемент демпфера, Под демпфирующей способностью понимается доля необратимо поглощенной энергии. Некоторые сорта технической резины за цикл могут поглощать 40-70 процентов энергии, мгновенно воздействующей на демпфер. Материал, толщина и диаметральные размеры рекомендуемых плоских демпферов для различных по диаметру резцов долот PDC для бурения различных по твердости пород, должны подбираться индивидуально.
Установка плавающего кольцевого стального стопорного стержня 10 в совместный кольцевой канал, образованный обеими кольцевыми канавками 15 и 16, осуществляется следующим образом. В зависимости от габаритов калибрующего резца PDC, для которого изготавливается прямолинейный стопорный стержень, назначаются его размеры, а также необходимые размеры для выполнения обоих кольцевых канавок 15, 16 и входного отверстия d1 для монтажа стопорного стержня 10. Для удобства монтажа, как было упомянуто выше, его заходный конец должен иметь плавную антизадирную форму, а противоположный конец - плоскую форму, обеспечивающую максимальный упор торцу забиваемой монтажной оправки 22, при ударах по которой происходит процесс углубления и изгиба при установления стержня 10. Свойства выбранного для него материала обеспечивают постоянство сохранения полученной при монтаже изогнутой круглой формы в течение всего времени работы калибрующего резца PDC.
Для снижения тормозного эффекта трения, препятствующего вращению и осевому перемещению калибрующего резца PDC во время бурения, наружные контактные поверхности твердосплавной подложки калибрующего резца PDC 2 и стопорного стержня 10 могут покрываться любыми известными антифрикционными покрытиями, или смазками, например дисульфидмолибденом. Перед монтажом прямолинейный стопорный стержень 10, с необходимым усилием забивается в отверстие 17, а затем с помощью оправки, тарированной по длине, досылается до положения, показанного на фиг. 4. Весь объем стержня полностью (до упора оправки), устанавливается внутри совместного кольцевого пространства и становится стопором, ограничивающим осевое перемещение калибрующего резца PDC в обе стороны. При этом стопор не может препятствовать его вращению вокруг своей оси, даже при относительно небольшом моменте вращения, создаваемом проскальзыванием кромок калибрующих резцов PDC по поверхности стенки скважины, а также не препятствует осевому перемещению калибрующего резца PDC при внезапном сжатии демпфера, частично поглощающего энергию ударов, воспринимаемых резцом во время бурения [6].
Предлагаемое изобретение позволяет решить поставленную задачу и значительно повысить показатели работы алмазных долот PDC с демпферами-амортизаторами.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. «Алмазное долото», «Линия FD». Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003. С. 34-37.
2. «Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой». Патент США №6298930, кл. Е21В 10/46. 2001.
3. «Алмазное долото с механическим креплением резцов», Богомолов P.M., Киняев А.В., Крылов С.М. и др. Патент РФ №2536901, кл. Е21В 10/573, кл. F21C 35/197. 2014.
4. «Буровое долото с резцами PDC» Богомолов P.M. Патент Р.Ф. №2735319 кл. Е21В 10/43.201
5. Презентация «Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов». «Новая революция в долговечности резцов PDC». Компания «Смит Битс» (США), корпорация «Шлюмберже». 2013.
6. А.Г. Калинин. «Бурение нефтяных и газовых скважин». Учебник Высшей школы. ЦентрЛитНефтеГаз, М. 2008, стр. 115.