ЛОПАСТНОЕ ДОЛОТО С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ РЕЖУЩЕЙ СТРУКТУРОЙ
BLADE CHISEL WITH CYLINDRICAL CUTTING STRUCTURE

Предлагаемое изобретение относится к долотам режуще-скалывающего действия для бурения толщи горных пород под нефть и газ или другого назначения, корпус которых изготовлен как из стального, так и из матричного материала, с усиленными алмазными поликристаллическими резцами PDC или другими режущими элементами из сверхтвердых материалов лопастями.
Известно буровое долото, включающее корпус долота с множеством лопастей, раскиданных по диаметру корпуса, конусная, плечевая и калибрующая части оснащены хотя бы одним режущим элементом, и в которой хотя бы один режущий элемент, расположенный на калибрующей части, имеет отрицательный угол резания от 70 до 85 градусов (US 20130292186 от 07.11.2013 г.).
Предлагаемый аналог имеет недостаток, связанный с тем, что режущие алмазные поликристаллические резцы PDC имеют плоскую режущую поверхность, которая непосредственно разрушает горную породу. В силу своей плоской геометрической формы на данной поверхности скапливаются разрушенные мелкие обломки горной породы. Спрессованные мелкие обломки горной породы создают дополнительные силы резания и повышают энергоемкость процесса резания, в результате растет момент на долоте, возникают трудности при направленном бурении.
Известно буровое лопастное долото, принятое в качестве прототипа, в котором режущие элементы PDC цилиндрической формы расположены так, что их ось образует угол 95-130 градусов с забоем. Режущие PDC элементы цилиндрической формы имеют коническое окончание, располагаются на долоте на расстоянии, не превышающем половины номинального диаметра долота (US 6332503 от 25.12.2001 г.).
Недостатком данного изобретения является то, что расположенные режущие элементы PDC только в центральной части долота в пределах половины его номинального диаметра будут интенсивно внедрятся в породу, расходуя при этом значительные значения осевой нагрузки на долото, а резцы, расположенные за пределами половины номинального диаметра долота, будут недостаточно внедрятся под нагрузкой и работать в неустойчивом режиме резания. Причем сила резания на резцах, расположенных в центре, будет значительной, что отрицательно скажется на их стойкости.
Целью данного изобретения является снижение сил резания на резцах лопастного долота при разрушении горной породы.
Технический результат заключается в увеличении срока службы резца при разрушении горной породы лопастным долотом.
Данный технический результат достигается тем, что в лопастном долоте с цилиндрической режущей структурой, включающем корпус с присоединительной резьбой, центральный канал и выходное отверстие для промывочной жидкости, защищенные твердосплавным покрытием лопасти с пассивной калибрующей частью и основным режущим профилем, на котором размещены от центральной оси долота до номинального диаметра долота множество алмазных резцов PDC, согласно изобретению алмазные резцы PDC плоской частью направлены к забою и образуют с ним угол А° в пределах от 0,5 до 30 градусов, процесс резания осуществляется цилиндрической поверхностью алмазного резца PDC, защищенного спереди твердосплавным материалом толщиной в пределах от 0,1 до 7 мм и высотой в пределах от 0,1 до 7 мм, при этом алмазные резцы PDC вдоль основного режущего профиля расположены таким образом, что алмазный резец PDC на одной лопасти перекрывает рабочую область алмазного резца PDC соседней лопасти в интервале от 0 до 100%.
Толщина твердосплавного слоя в пределах от 0,1 мм до 7 мм защищает переднюю часть фронтальной кромки алмазного резца PDC, сохраняет скорость и объем потока промывочной жидкости, омывающей и охлаждающей алмазный резец PDC.
Благодаря тому, что выступ фронтальной кромки над твердосплавным слоем находится в пределах от 0,1 до 7 мм, на алмазный резец PDC создается меньшая режущая сила, а следовательно, и момент на долото в целом.
Поиск по отличительным признакам выявил техническое решение, в котором первичные режущие элементы установлены с отрицательным углом резания, а вторичные режущие элементы установлены за первичными и расположены на лопасти так, что их оси составляют с забоем угол от 3 до 5 градусов (US 6408958 от 25.07.2002).
Однако указанные вторичные элементы имеют другое назначение - они работают как вспомогательное вооружение, срезая участок горной породы, сформированный основным вооружением, и дополнительно стабилизируют долото, а объем срезаемой горной породы значительно меньше.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид лопастного долота; на фиг. 2 изображен разрез А-А вдоль лопасти с резцом PDC.
Лопастное долото с цилиндрической режущей структурой (фиг. 1) состоит из корпуса 1 с присоединительной резьбой 2 к колонне бурильных труб, центрального канала 3 с выходными отверстиями 4 для подачи промывочной жидкости, защищенных твердосплавным покрытием лопастей 5, состоящих из пассивной калибрующей части 6, предназначенной для поддержания диаметра долота, и основного режущего профиля с размещенными на нем от центральной оси долота 7 до номинального диаметра долота 8 алмазными резцами PDC 9 с фронтальной 10 и задней 11 кромками соответственно (фиг. 2). Алмазный резец PDC 9 установлен таким образом, что его плоская часть направлена к забою и образует с ним угол А° в пределах от 0,5 до 30 градусов. За счет описанного расположения фронтальная кромка 10 алмазного резца PDC 9 первой вступает в процесс резания горной породы. Напротив фронтальной кромки 10 для защиты передней части алмазного резца PDC 9 и его посадочного места от абразивного воздействия выбуренного шлама наносится твердосплавный слой 12 толщиной X в пределах от 0,1 до 7 мм. Чтобы фронтальная кромка 10 достаточно омывалась в процессе бурения, необходимо обеспечить ее выступ над твердосплавным слоем 12 на высоту Y в пределах от 0,1 до 7 мм.
Предлагаемое изобретение работает следующим образом.
Лопастное долото наворачивается на колонну бурильных труб (не показана) и спускается на забой скважины, где и происходит сам процесс бурения. В процессе вращения лопастного долота каждый алмазный резец PDC 9 срезает горную породу фронтальной кромкой 10 за счет расположения плоской частью под углом в пределах от 0,5 до 30 градусов к забою. Поскольку алмазный резец PDC 9 режет цилиндрической поверхностью, то все образующиеся осколки горной породы перед ним мгновенно отбрасываются в сторону. Данный эффект обусловлен самой цилиндрической формой поверхности PDC - слоя, который не дает скапливаться выбуренному шламу. Наличие перед фронтальной кромкой 10 твердосплавного слоя 12 толщиной X в пределах от 0,1 до 7 мм не дает развиться абразивному износу, повреждающему посадочное место алмазного резца PDC 9, а наличие выступа Y в пределах от 0,1 до 7 мм фронтальной кромки 10 PDC над твердосплавным слоем 12 обеспечивает ее достаточное омывание от выбуренного шлама и его удаление. В зависимости от твердости горных пород подбирают степень перекрытия рабочих областей алмазных резцов PDC 9 от 0 до 100%, чем выше твердость, тем выше перекрытие.
Использование предлагаемого изобретения позволит снизить силы резания на алмазных резцах PDC лопастного долота и повысить их стойкость при разрушении горной породы, что снизит крутящий момент и понизит энергоемкость долота в целом.