Буровое долото
DRILLING BIT

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента для бурения скважин на твердые, жидкие и газообразные полезные ископаемые, а именно к буровым лопастным долотам, армированных алмазно-твердосплавными пластинами(АТП) или, как принято обозначать за рубежом - PDC.
Известна конструкция долота (патент WO2008/100455, опубликовано 21.08.2008, МПК Е21В 47/12; Е21В 47/26), содержащая корпус с размещенными на лопастях режущими элементами PDC. Недостатком данной конструкции является отсутствие системного, схематического расположения режущих элементов PDC и, как результат, низкий ресурс и эффективность работы при бурении горных пород.
Известна конструкция долота (Патент РФ на полезную модель №119012, опубликованный 10.08.2012, МПК Е21В 10/43), содержащая корпус с размещенными на лопастях режущими элементами PDC. Недостатком этого изобретения является то, что эта конструкция представляет собой колонковую бурильную головку, а не долото, следовательно, разместить на лопастях этого устройства PDC по логарифмической спирали не представляется возможным вообще, из-за узкого диапазона применимости.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, принятое авторами за прототип, является лопастное буровое долото, содержащее корпус с размещенными на лопастях PDC (патент WO 2008/091654, опубликовано 31.07.2008, МПК Е21В 47/12; Е21В 47/26).
Недостатками данной конструкции является то, что пластины PDC расположены не по логарифмической спирали в диаметральной плоскости рабочей части долота и не под отрицательным передним углом от минус 30° до минус 10°. А это приводит к снижению ресурса и эффективности работы долота в целом.
Техническая задача предлагаемого изобретения - это создание такого бурового долота, которое одинаково хорошо разрушало бы горные породы от 4 до 9 категории по буримости. То есть, добиться увеличения механической скорости по бурению горных пород на 20 и более процентов, за счет обеспечения интенсивности выноса продуктов разрушения забоя из зон резания, что способствует облегчению внедрения долота в забой и относительному уменьшению величины осевой нагрузки.
Поставленная задача решается за счет того, что буровое долото, включающее корпус с выполненными на нем лопастями, в которых размещены режущие пластины PDC закрепленные на лопастях от центра к периферии по двум симметричным логарифмическим спиралям с отрицательными передними углами, изменяющимися от минус 30° в центре до минус 10° на периферии с интервалом один градус в виде двухзаходной «резьбы».
Отличительными от прототипа признаками предлагаемого изобретения является то, что режущие пластины PDC закреплены на лопастях от центра к периферии по двум симметричным логарифмическим спиралям с отрицательными передними углами, изменяющимися от минус 30° в центре до минус 10° на периферии с интервалом один градус в виде двухзаходной «резьбы», обеспечивающих интенсивный вынос продуктов разрушения забоя из зон резания, что способствует облегчению внедрения долота в забой и относительному уменьшению величины осевой нагрузки.
Установка на лопастях бурового долота в диаметральной плоскости режущих пластин PDC под отрицательным передним углом от минус 30° до минус 10° по логарифмической спирали с двукратным и более перекрытием зоны рабочего торца инструмента значительно повышает работоспособность долота и его ресурс за счет исключения на рабочем торце не перекрытых режущими элементами зон. Спиралевидная с логарифмической формой расстановки режущих пластин схема способствует более активному удалению продуктов разрушения из-под рабочего торца инструмента. Установка пластин РБС под отрицательным передним углом от минус 30° до минус 10° позволяет при бурении трещиноватых горных пород, плавно заходить в линию резания, снижая динамические нагрузки (вибрацию), что увеличивает ресурс работы. Промывочная жидкость, подаваемая на забой, под рабочий торец инструмента, попадая под наклонные плоскости пластин, при вращении инструмента, создает гидродинамический эффект. При этом промывочная жидкость под усилием, вдавливается в буримую горную породу разупрочняя ее, создавая обширную зону разрушения и предразрушения, увеличивая тем самым механическую скорость бурения, эффективность и ресурс работы в перемежающихся по твердости горных породах от 4 до 9 категории по буримости, с одновременным снижением энергоемкости процесса разрушения забоя скважины и созданием турбулентного потока на забое скважины. В связи с этим, можно сделать вывод о наличии в предлагаемом устройстве «существенных отличий» и соответствие его признаку патентоспособности «новизна».
На фиг. 1 изображен общий вид бурового лопастного долота,
На фиг. 2 показана схема изменения угла наклона режущего элемента в зависимости от радиуса установки на долоте.
На фиг. 3 показана схема установки PDC на лопастях долота первого ряда.
На фиг. 4. показана схема установки PDC на лопастях долота первого и второго ряда.
Буровое долото, включает корпус 1 с выполненными на нем лопастями 2, в которых размещены режущие пластины PDC 3 закрепленные на лопастях 2 от центра к периферии по двум симметричным логарифмическим спиралям с отрицательными передними углами, изменяющимися от минус 30° в центре до минус 10° на периферии с интервалом один градус в виде двухзаходной «резьбы». В корпусе 1 для прохода промывочной жидкости выполнены отверстия 4.
Предлагаемое буровое долото работает следующим образом. Промывочная жидкость, предназначенная для охлаждения долота и транспортировки продуктов разрушения на поверхность скважины, двигаясь через вращающуюся колону бурильных труб, корпус 1 бурового лопастного долота и отверстия 4, попадает на забой скважины. При этом за счет осевых нагрузок передаваемых долоту через колонну бурильных труб, режущие пластины PDC 3, установленные на лопастях от центра к периферии по двум симметричным логарифмическим спиралям с отрицательными передними углами, изменяющимися от минус 30° в центре до минус 10° на периферии с интервалом один градус в виде двухзаходной «резьбы», плавно заходя в линию резания, исключая динамические нагрузки (вибрацию), разрушают забой скважины при бурении трещиноватых и перемежающихся по крепости горных пород. При этом промывочная жидкость, попадая под наклонную плоскость режущих пластин PDC 3, размещенных на лопастях 2, во время вращения снаряда вдавливается в разрушаемую горную породу и за счет гидродинамического эффекта (отрицательный передний угол от минус 30° до минус 10° создает эффект - вязкий клин, то есть разупрочняет ее, создавая активную зону разрушения и предразрушения, снижая, тем самым, энергоемкость процесса разрушения. Своей спиралевидной формой расстановки на торце инструмента пластины PDC 3 активно способствует выносу продуктов разрушения из-под рабочего торца долота. Промывочная жидкость, подхватив эти продукты разрушения, транспортирует их к устью скважины через отверстие 4 на поверхность в турбулентном режиме. Турбулентный режим очистки забоя не позволяет шламу повторно попадать под резец PDC, что способствует увеличению механической скорости бурения.
Применение предлагаемой конструкции позволит разрушать породы от 4 до 9 категории по буримости и бурить в сложных геологических условиях, увеличить механическую скорость, а также повысить технико-экономические показатели.
Установка на лопастях бурового долота пластин PDC под отрицательным передним углом от минус 30° до минус 10° по логарифмической спирали в диаметральной плоскости с интервалом один градус в виде двухзаходной «резьбы», значительно повышает работоспособность долота, а также его ресурс за счет исключения не перекрытых режущими элементами зон.
Спиралевидная расстановка PDC способствует активному удалению продуктов разрушения из-под рабочего торца инструмента. Установка пластин с наибольшим углом в центре долота способствует плавному захождению в линию резания, снижая динамические нагрузки (вибрацию), что увеличивает ресурс работы долота. Угол установки каждой единичной пластины АТП непосредственно на лопасти показан на фиг. 3 и фиг. 4.
При заглублении долота за один оборот на глубину, режущие элементы, расположены на разных радиусах r, проходят путь резания по траекториям разной длины и с разными углами наклона. Поэтому для обеспечения равных условий внедрения режущих элементов в породу необходимо чтобы у каждого из них (PDC), были одинаковые задние углы (α). Для этого необходимо, чтобы режущий элемент лопасти, расположенные на разных радиусах имели в продольной плоскости свои углы наклона. На фигуре 3 показана проекция на забой скважин режущих элементов пятилопастного долота, расставленных с отрицательными передними углами наклона PDC от минус 30° до минус 10° по одной логарифмической спирали в диаметральной плоскости (1, 2, 3, 4, 5 - лопасти).
Расстановка режущих элементов PDC в диаметральной плоскости по логарифмической спирали обеспечивает полное покрытие забоя линиями резания и способствует созданию турбулентности бурового раствора, что улучшает качество очистки забоя скважины от выбуренной породы. Таким образом, турбулентный режим промывки образуется уже непосредственно на забое скважины, что способствует повышению механической скорости бурения.
На фиг. 3 показано расположение режущих элементов первого ряда по спирали и начало формирования второго ряда режущих элементов с отставанием (опережением) на угол  (рад) или ϕ=144°, где n - число режущих лопастей на долоте.
Для нормальной, (устойчивой) работы долота в каждой линии резания должно быть не менее двух режущих элементов. На фиг. 4 показано отставание на 144° режущего элемента в линии резания радиусом z, имеющими передние углы -30°. Такое смещение режущих элементов обеспечивает сплошность разрушения забоя и вписывается в понятие двухзаходной «резьбы».
Применение предлагаемой конструкции позволит разрушать перемежающиеся по твердости горные породы от 4 до 9 категории по буримости и бурить в сложных условиях трещиноватости горных пород, увеличить механическую скорость бурения и ресурс работы инструмента, повысить технико-экономические показатели производства буровых работ и эффективность при бурении глубоких и сверхглубоких скважин на нефть и газ.
Для повышения надежности работы долота, забуривающие и скважинообразующие режущие элементы кратно продублированы.
Преимущество: ввинчивание в забой, за счет этого снижение осевой нагрузки.
Оценивая все вышесказанное, можно сделать вывод: предлагаемое долото по конструкции соединил в себе, в виде комбинации, все известные в мире инновационные идеи в одном изделии, следовательно, имеет более высокий качественный показатель работы и коэффициент полезного действия (КПД) (таблица 1) и позволит добиться увеличения механической скорости бурения горных пород на 20 и более процентов.
То есть, заявленное решение на предполагаемое изобретение «Буровое долото» удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень» и представляет собой качественно новое долото.