Долото для бурения

Долото предназначено для бурения скважин в горных породах средней твердости, в том числе абразивных, при бурении которых ресурс инструмента может быть резко ограничен из-за повышенного изнашивания резцов.
При использовании долот с резцами PDC (polycrystalline diamond cutters) изнашиванию подвергается только нижняя часть кромки резца, в том случае если резец зафиксирован в корпусе или матрице долота. Это значительно снижает ресурс долот.
За аналог принято долото с резцами PDC, фиксированно расположенных по рабочей поверхности (В.В. Нескоромных Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ. М.: Инфра-М, 2016 г. стр. 213, рис. 5. 22).
Данное долото оснащено зафиксированными в корпусе долота резцами типа PDC.
Недостатком данного долота является низкий ресурс, реализуемый резцами, так как при бурении с породой контактирует только нижняя часть резца, а остальная часть периметра резца (не менее 80%) остается неизношенной.
За прототип принято долото с резцами типа ONYX (В.В.Нескоромных Разрушение горных пород при проведении геологоразведочных работ. М.: Инфра-М, 2016 г. стр. 214, рис. 5.25). В данном долоте помимо фиксированных резцов PDC в наиболее нагруженных частях торца долота установлены резцы с возможностью вращения в процессе бурения, что существенно повышает их ресурс.
Недостатком долота с резцами типа ONYX является то, что только часть резцов имеет возможность для вращения в процессе бурения, а поэтому ресурс долота увеличивается не значительно. Причиной незначительного увеличения ресурса долота является низкий уровень оптимизации формы торцевой части долота и конструкции резцов.
Задачей создания долота является повышение эффективности бурения за счет повышения ресурса долота.
Достигается это тем, что долото для бурения, включающее корпус с резьбой, матрицу долота, с расположенными на торцевой и боковой ее поверхности резцами, согласно техническому решению, резцы, расположенные как на боковой, так и на торцевой поверхности выполнены с возможностью вращения, при этом торцевая поверхность долота выполнена с наклоном относительно оси корпуса долота на 45 градусов, а боковые поверхности всех вращающиеся резцов выполнены с напылением из твердого пористого металла и оснащены насечкой, ориентированной вдоль продольной оси резца. В качестве напыления используют, например, карбид вольфрама.
Резцы установлены с возможностью вращения при взаимодействии со стенкой скважины или с наклонным участком забоя скважины, т.е. в результате продольного перемещения резца вдоль оси скважины и контакта с ее боковой поверхностью.
Если механическая скорость бурения долотом типа PDC равна  частота вращения резца будет равна
,
п
где  - механическая скорость бурения, м/ч; R - радиус резца, м; К - коэффициент проскальзывания резца.
Учитывая высокую вероятность проскальзывания резца при продольном перемещении, частота вращения Ω может меняться от нуля до максимального значения, зависящего от механической скорости бурения.
Если резец не проворачивается при бурении, то его износ будет высоким и это снизит эффективность работы долота.
Вращение резца происходит под действием крутящего момента
кр
M=R⋅F,
где R - радиус резца, м; F - усилие, ориентированное вертикально вверх из точки контакта резца с боковой поверхностью ствола скважины, и вращающее резец, кН.
Усилие F определяется усилием прижатия резца к боковой поверхности ствола скважины (стенке или участка забоя скважины) и коэффициентом трения (зацепления) резца о породу боковой поверхностью:
ос
F=Р /N⋅μ⋅cosα,
ос
где Р - осевая нагрузка на долото, кН; N - число резцов на торцевой части долота, воспринимающие осевую нагрузку; μ - коэффициент трения резцов о породу; a - угол наклона боковой поверхности торца долота, град.
Для повышения вероятности проворачивания резца вокруг собственной оси следует повысить фрикционные свойства боковой поверхности резца, например, за счет выполнения боковой поверхности резцов с боковой продольной насечкой.
Проворачиванию резца вокруг своей оси будет препятствовать момент сопротивления:
где r - радиус оси резца, м;  - коэффициент трения оси резца в корпусе резца.
кр
с
Коэффициент проскальзывания резца может определяться через соотношение М/М.
Из этого следует, что для снижения проскальзывания резца следует повышать соотношение следующих параметров:
Для вращения резца вокруг собственной оси важнейшим является скорость углубления долота и сила прижатия резца к поверхности стенки скважины или наклонной части забоя скважины.
п
i
Усилие прижатия резца с к стенке скважины определяется через cos α, а это значит, что наиболее рациональным углом наклона α будет поверхность, под углом 45°. Именно при таком угле наклона поверхности долота будут максимальными и усилие прижатия Р и степень совпадения плоскости действия углубления долота в скважине и усилия F и определяться значением cos α=sin α=0,707 при α=45°.
На фиг. 1 показано предлагаемое долото, где 1 - корпус с резьбой; 2 - матрица; 3 - вращающиеся резцы на боковой поверхности долота; 4 - вращающиеся резцы на торцевой поверхности долота; 5 - не вращающиеся резцы на торце. На фиг. 2 показан резец, выполненный с насечкой 6.
На фиг. 3 показана схема для определения условий вращения резцов: N - число резцов на торце долота; Н - глубина резания-скалывания породы.
Для большей эффективности резцов при бурении боковая поверхность вращающихся резцов выполнена с напылением из твердого пористого металла, например, карбида вольфрама и оснащена насечкой, ориентированной вдоль продольной оси резцов 3 и 4
Предлагаемое долото работает следующим образом.
При бурении происходит резание-скалывание породы резцами долота типа PDC 3, 4 и 5.
Резцы 5 закреплены на торце долота и осуществляют разрушение породы на забое за счет крутящего момента передаваемого на долото от колонны бурильных труб.
Резцы 3 и 4 установлены с возможностью вращения вокруг своей оси. В процессе углубления скважины со скоростью  резцы 3 и 4 вращаются с частотой равной
,
п
где  - механическая скорость бурения, м/ч; R - радиус резцов 3 и 4, м; К - коэффициент проскальзывания резца.
Резцы 3 вращаются за счет взаимодействия боковой поверхностью со стенкой скважины, а резцы 4 за счет взаимодействия с наклонным забоем скважины.
Для более активного сцепления боковой поверхности резцов 3 и 4 с горной породой и прочности резцов, они подвергнуты напылению из твердого пористого металла, например, карбида вольфрама и оснащены насечкой, ориентированной вдоль продольной оси резца 8.
При этом для более эффективного вращения резцов 4 и для возможности размещения большего числа вращающихся резцов 4 торцевая поверхность долота должна иметь наклон равный 45 градусов.
Наклон торцевой поверхности долота равный 45 градусов позволяет разместить резцы с возможностью вращения вокруг своей оси и обеспечивает плотное прижатие резца к боковой поверхности ствола скважины, т.е. обеспечить наиболее эффективный процесс работы долота и повышение его ресурса. В случае если торцевая поверхность долота будет иметь наклон меньше 45 градусов, форма торца поверхности не позволит надежную установку резцов с возможностью вращения вокруг своей оси, а усилие прижатия резца к поверхности скважины будет незначительной для осуществления возможности его вращения вокруг своей оси.