Породоразрушающий инструмент
ROCK CUTTING TOOL

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности в частности к породоразрушающему инструменту для бурения горных пород.
Известен способ бурения скважин и устройство для его осуществления (пат. РФ №.2237148, МПК Е21В 6/02; 7/00; 10/36, опубл. 27.09.04 г.) Способ включает вращение бурового става установленным на поверхности приводом, периодический подъем става и его ударное взаимодействие через породоразрушающий инструмент с забоем скважины. В процессе подъема бурового става элементы породоразрушающего инструмента совершают радиальное перемещение по забою скважины с разрушением породы скалыванием. Устройство содержит жестко соединенные с буровым ставом корпус и породоразрушающий инструмент, который выполнен в виде нескольких имеющих рабочую часть и хвостовик элементов, установленных в корпусе с возможностью качания в радиальном направлении посредством размещения хвостовиков элементов породоразрушающего инструмента в профильных пазах корпуса.
Недостатки способа: Применяется лишь при эксплуатации шахт и карьеров для бурения взрывных скважин в породах мягких и средней крепости породах и не может использоваться в крепких и очень крепких породах.
Отсутствует промывка забоя от продуктов разрушения породы, что требует периодического отрыва инструмента от забоя, что уменьшает механическую скорость бурения. Данный способ не может быть применен для бурения нефтяных и газовых скважин по причине наличия в рабочем процессе ударного взаимодействия инструмента с забоем скважины, что отрицательно сказывается на долговечности остальных элементов буровой колонны.
Известен способ бурения скважин и устройство для его осуществления (пат. РФ № п. 2315165 МПК Е21В 7/00, опубл. 20.01.08 г.), в котором способ бурения горных пород заключается в бурении кольцевым забоем, вращением породоразрушающего инструмента с его охлаждением и очисткой забоя от шлама потоком газа. Устройство содержит закрепленную на бурильной колонне с помощью переходника колонковую трубу с кернорвательным кольцом и установленным на ней породоразрушающим инструментом Внутреннее пространство колонковой трубы заполнено углекислотой в твердом состоянии. На наружных поверхностях колонковой трубы, корпуса породоразрушающего инструмента и переходника выполненного глухим, навита ленточная спираль.
Недостатки данных способа и устройства: Ограниченный объем углекислоты в твердом состоянии, которая необходима для охлаждения инструмента и выноса продуктов разрушения породы, не позволяет использовать способ длительное время.
Наличие углекислоты в твердом состоянии не позволяет использовать способ при бурении нефтяных и газовых скважин с промывкой промывочной жидкостью. При наличии промывочной жидкости углекислота будет испаряться без эффекта выноса продуктов разрушения породы еще до момента достижения инструментом забой скважины.
Колонковая труба для размещения углекислоты должна иметь существенную длину, что исключает использование данного инструмента при бурении винтовыми забойными двигателями, так как режущая кромка инструмента отнесена от опор винтового забойного двигателя на большое расстояние, что, в свою очередь, повышает радиальные нагрузки на опоры винтового забойного двигателя и приводит к существенному сокращению срока службы опор и всего двигателя.
Колонковая труба для размещения углекислоты должна иметь существенную длину, что исключает использование инструмента при наборе кривизны скважины при наклонно-направленном бурении.
Прототипом для предлагаемого устройства- взят Породоразрушающий инструмент для вращательного бурения (пол. мод. РФ №39160, МПК Е21В 10/48, опубл. 20.07.04 г.), который состоит из корпуса и вставок. Вставки расположены в пазах, расположенных по кольцу, и чередуются с канавками. Нижняя часть корпуса оснащена жестко соединенной с ним коронкой, наружный диаметр которой превышает наружный диаметр корпуса. Вставки и канавки расположены на коронке. Вставки выполнены в форме усеченной пирамиды, а канавки выполнены радиально направленными. На наружной поверхности коронки в области канавок, выполнены радиальные выборки, а верхняя часть корпуса с помощью дна и ребер жесткости неразъемно соединена с хвостовиком.
Недостатки устройства-прототипа: Ограничено применение по глубине скважины, так как отсутствуют механизмы выноса продуктов разрушения породы из призабойной зоны и способы разрушения полученного столба керна. В самом описание полезной модели глубина скважины ограничена «порядком 1 метра».
Предлагаемым изобретением решается задача – устранение недостатков устройства-прототипа.
Поставленная задача решается с помощью, признаков, указанных в пункте 1-м формулы изобретения, общих с прототипом таких как породоразрушающий инструмент содержащий кольцевой полый корпус с наружными и торцевыми лопастями, в которых закреплены скважинно- и кернообразующие резцы и центральное кернообразующее отверстие, выполненное в нижней части корпуса, и отличительных существенных признаков, таких как инструмент снабжен промывочной системой для его охлаждения и очистки забоя от шлама потоком жидкости, в верхней части корпуса выполнена резьба для соединения с винтовым забойным двигателем или буровыми трубами, а внутренняя часть корпуса снабжена неосесимметричной поверхностью, наклоненной относительно оси породоразрушающего инструмента, в которой выполнены отверстия промывочной системы, а по внутреннему диаметру корпуса выполнены вертикальные пазы для промывочной жидкости, причем между отверстиями промывочной системы дополнительно установлены радиальные резцы.
Согласно п. 2 формулы изобретения резцы выполнены из алмазного РДС материала и/или снабжены твердосплавным покрытием, импрегнированным алмазной крошкой.
Согласно п. 3 формулы изобретения неосесимметричная поверхность представляет собой плоскость, наклоненной относительно оси породоразрушающего инструмента предпочтительно под углом 5-30°.
Согласно п. 4 формулы изобретения наружные лопасти выполнены под наклоном к оси инструмента предпочтительно под углом 5-30°.
Согласно п. 5 формулы изобретения в отверстия промывочной системы установлены гидромониторные насадки из износостойкого материала.
Выше перечисленная совокупность существенных признаков породоразрушающего инструмента позволяет получить следующий технический результат - повышение эффективности и надежности бурения скважин в крепких и в очень крепких породах, в особенности при наклонно-направленном бурении.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами: где приведены на фиг. 1 - конструкция породоразрушающего инструмента, общий вид. На фиг. 2 - разрез по А-А фиг. 1 нижней части корпуса.
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 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. По внутреннему диаметру корпуса 1 выполнены пазы в осевом направлении 10 для промывочной жидкости, причем между отверстиями 9 промывочной системы дополнительно установлены радиальные резцы 11. Резцы 4, 5, 11 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 91 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.
Породоразрушающий инструмент работает следующим образом.
В процессе вращения с подачей промывочной жидкости породоразрушающий инструмент осуществляет двухэтапное разрушение породы, на первом этапе выступающей торцевой частью инструмента осуществляется бурение кольцевым забоем и нарезание керна, а на втором - дробление полученного керна с одновременным выносом шлама промывочной жидкостью из забоя, охлаждением инструмента и калибровкой стенок скважины.
Данное описание рассматривается как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объём патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения, совокупностью существенных признаков и их эквивалентами.