ЛОПАСТНОЕ ДОЛОТО С КОМБИНИРОВАННЫМ ВООРУЖЕНИЕМ

Полезная модель относится к горной промышленности, в частности к буровым лопастным долотам и может быть использовано при создании лопастных долот для бурения сплошным и кольцевым забоем нефтяных, гидрогеологических, геологоразведочных, дренажных и других скважин технического назначения, проходимых в горных породах перемежающихся по крепости.
Известны лопастные долота типа МС для бурения скважин различного назначения в мягких и средней крепости горных породах /1/. Эти долота имеют две или три лопасти, армированные вставками из твердого сплава марки ВК.
Основным недостатком таких долот является невозможность бурения скважин в горных породах средней крепости с пропластками твердых пород, что значительно ограничивает область их применения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является лопастное долото для бурения скважин шнеками, у которого резцы на разных лопастях установлены под разными углами к оси долота и размещены концентрично и с зазором относительно друг друга /2/. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является малая эффективность бурения перемежающихся по крепости горных пород ввиду армирования его лопастей породоразрушающими элементами из однотипного истирающего материала, в то время как интенсивность износа вышеуказанных элементов, расположенных на различных радиусах относительно центра долота, не одинакова. Периферийные изнашиваются гораздо интенсивнее всех остальных из-за выполнения более объемной работы по разрушению забоя скважины.
Задача, решаемая полезной моделью в части лопатного долота, заключается в обеспечении выравнивания интенсивности износа породоразрушающих элементов по всему профилю лопасти.
Технический результат состоит в увеличении рабочего ресурса долота.
Достижению технического результата в части лопастного долота с комбинированным вооружением способствует то, что в лопастном долоте, состоящем из корпуса и лопастей, лопасти армируются различными по интенсивности износа породоразрушающими элементами, при этом, наиболее износостойкие породоразрушающие элементы из композитматериала PDC размещены на периферийной части лопасти с отрицательным передним углом атаки по отношению к плоскости забоя скважины, а породоразрушающие элементы, размещенные на калибрующей части лопасти из композитматериала PDC, устанавливаются с отрицательным углом атаки по отношению к образующей стенку скважины, менее износостойкие породоразрушающие элементы из твердого сплава ВК8ВК и ВК6, размещенные в средней и центральной частях лопасти, устанавливаются соответственно с нулевым и положительным углами атаки по отношению к плоскости забоя скважины.
Полезная модель поясняется чертежами. На Фиг.1 представлен вид лопасти долота в плане с сечением по А-А; на Фиг.2 вид лопасти долота со стороны стенки скважины.
Перечень позиций:
1. Корпус лопасти долота.
2. Калибрующие наиболее износостойкие породоразрушающие элементы (далее - резцы).
3. Периферийный наиболее износостойкий резец.
4. Менее износостойкие резцы средней части лопасти.
5. Менее износостойкие резцы центральной части лопасти.
6. Углы установки резцов:
α - отрицательны и угол атаки калибрующих резцов;
β - отрицательны и передний угол атаки периферийного резца;
γ - нулевой передний угол атаки средних резцов;
δ - положительный передний угол атаки центральных резцов.
Лопастное долото с комбинированным вооружением (далее - долото) состоит из корпуса (на Фиг.1 и Фиг.2 не показан) и лопастей 1 с калибрующими 2, периферийным 3, средними 4 и центральными 5 резцами. Калибрующие и периферийная резцы представлены поликристаллическими алмазнотвердосплавными вставками типа PDC. Средние и центральные резцы выполнены из твердого сплава ВК8ВК и ВК6 соответственно.
Армировать лопасти долота полностью высокоизносостойкими резцами из АТП или PDC не целесообразно по следующим причинам:
- резцы из АТП или PDC имеют высокую стоимость;
- резцы, расположенные на средней части лопасти совершают меньшую работу разрушения при меньших окружных скоростях, чем периферийные, кроме того, на них не действует эффект зажима со стороны стенок скважины, как на периферийные резцы, следовательно, подвержены меньшему износу;
- резцы, расположенные в центральной части лопасти выполняют меньший объем работы разрушения по отношению к резцам в средней части лопасти и значительно меньший по сравнению с периферийными резцами, следовательно, подвержены значительно меньшему износу.
Установка калибрующих резцов 2 из АТП или PDC под отрицательным углом атаки α (Фиг.1) к образующей стенку скважины, а периферийного резца 3 из PDC под отрицательным передним углом атаки β (Фиг.2) по отношению к плоскости забоя скважины, обеспечивает разрушение породы кромками резцов, а не боковыми торцами, что способствует наименьшим затратам энергии на их внедрение, т.к. задние стенки резцов имеют минимальный контакт с породой. Кроме того, при таком расположении резцов на них действует силы реакции от стенки и забоя скважины нормальные к их передним граням, т.е. резцы работают на сжатие, а не на растяжение, что очень важно для их прочности при работе в режиме динамических нагрузок, возникающих при бурении перемежающихся по крепости пород.
Средние резцы 4, установленные с нулевым передним углом атаки γ (Фиг.2) по отношению к плоскости забоя скважины практически не подвержены действию растягивающих усилий со стороны реакции от забоя скважины, кроме того, они работают в полублокированных условиях не зажатой среды. Но ввиду достаточно больших окружных скоростей вращения на них хоть и в меньшей степени, чем на периферийные резцы, действуют динамические усилия.
Таким условиям работы полностью соответствуют резцы, изготовленные из твердого сплава марки ВК8В, обладающего достаточной вязкостью для восприятия значительных ударных нагрузок без разрушения при достаточной стойкости на истирание.
Наименее нагруженными резцами на лопасти являются центральные 5, которые устанавливаются с положительным передним углом атаки δ (Фиг.2). И хотя условия работы этих резцов достаточно трудные, т.к. они первыми формируют ступенчатый профиль забоя скважины, но для их эффективной работы существует несколько условий, облегчающие им эту работу. Во-первых, это наличие в каждом лопастном долоте центральной рассечки, в зоне которой порода разрушается скалыванием за счет поперечных колебаний долота, а не раздавливанием, при этом образуется минимальная но дополнительная плоскость обнажения; во-вторых, резцы имеют незначительные окружные скорости вращения, что практически исключает динамическое воздействие на них со стороны реакции забоя скважины; в-третьих, положительный угол атаки резца равный или приближенный к углу скалывания породы значительно облегчает ее разрушение с минимальными энергетическими затратами.
Таким условиям работы полностью соответствуют резцы, изготовленные из твердого сплава марки ВК6, менее вязкого по сравнению со сплавом марки ВК8В, но наиболее стойкого на истирание, что обеспечит эффективную работу резания центрального участка забоя скважины.
Таким образом, предлагаемая нами комбинированная схема вооружения лопастей долот является наиболее рациональной с точки зрения эффективности работы резцов, расположенных на различных расстояниях от центра скважины, что обеспечит увеличение рабочего ресурса долота при бурении перемежающихся по крепости горных пород по сравнению с известными аналогами.