Долото для вращательного бурения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 17 РЕСПУБЛИК 19) О/42, 10/46 У ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ(71) Азербайджанский институт нефти и химии им, М.Азизбекова(56) Авторское свидетельство СССРМ 641059, кл. Е 21 В 10/42, 1976.Авторское свидетельство СССРМ 499395, кл, Е 21 В 10/42, 1972,(54) ДОЛОТО ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ(57) Изобретение относится к горной промышленности Цель изобретения - повышение эффективности разрушения пород приобеспечении равной износостойкости лопастей, Это достигается тем, что выступы (В) 3,выполненные на рабочих торцах лопастей(Л), при совмещении проекций переднихграней Л на диаметральную плоскость, располагаются вдоль радиуса долота с зазоромотносительно друг друга, при этом грануляция зернистого наполнителя композиционного материала, которым армируются Л, изменяется от одной Л к другой от 1,5 до 4,5 мм, а параметры механических свойств матрицы этого материала - в пределах соответственно: твердость 114-70 нВ, предел текучести 1,7-0,6 МПа, относительное удлинение 70-640, ударная вязкость 17-8 кгм/см и температура плавления 9502 1100 С, При работе долото благодаря расположению В 3 с зазорами вдоль радиуса долота и изменению грануляции зернистого наполнителя от одной Л к другой образует забой гребенчатой формы с микрогребешками от гранул зернистого наполнителя в пределах каждого гребня от зазоров между В 3, В результате появляются дополнитель- ф ные поверхности обнажения забоя на макро- и микроуровне, что существеннопонижает сопротивляемость пород разру- С шению, Одновременно за счет изменения размера гранул зернистого наполнителя до- ф стигается равномерный износ Л, особенно при бурении перемежающихс% по крепости пород. 6 ил., 1 табл,4Изобретение относится к добыче нефтии газа и может быть применено при буренииновых стоопоо и скважин.Известно, что повышается эффективность бурения при увеличении износостойкости вооружения лопастных долот,армированных композиционными материалами типа "Славутич", а также при использовании ступенчатых долот позвопяющих учитывать понижение прочности пород вследствие придания забоюопределенной формы,Недостатком лопастных долот сосплошными лопастями является невозможность использования эффекта пониженияпрочности пород, так как лопастные долота.этого типа не создают второй поверхностиобнажения породы.Ступенчатые лопастные долота образооывают в процессе бурения форму забоялопастями отдельных ступеней, что приводит к обнажению второй поверхности и темсамым используется эффект понижения сопротивляемости пород разрушения.Однако ступенчатые долота позвопяютобразовывать только одну допопнитепьчуюповерхность обнажения забоя и, как следствие, менее полно использовать эффект понижения сопротивляемости породразрушению,Техническим решением, воплотившимо себе идею снижения сопротивляемостизабоя разрушению путем создания зоныпредразрушения является долото, состоящее из корпуса и основных породоразрушающих элементов (радиальных). Основныеэлементы снабжены дополнительными разрушающими элементами коаксиапьными),расположенными ниже рабочих поверхностей основных элементов,При бурении этим долотом обнажаетсяповерхность забоя на участке каждой попасти, что позволяет о результате использовать дпя увеличения скорости проводкискважины эффект поникения сопротиопяемости пород разрушению.Основным недостатком этого долота яв.ляется то, что независимо от конструктивного исполнения в общем пакете режущихэпементов коаксиапьные лопасти являютсяединственными рабочими органами. Причиной тому является расположение дополнительных коаксиапьных лопастей нарадиальных с взаимным перекрытием, чтофактически исключает участие в разрушении.пород основных - радиальных попастей. Поэтому при бурении этим долотомобнажается поверхность забоя на участкекаждой дополнительной лопасти, в резупьтате чего после какдого оборота долота об 5 10 15 20 30 накенные дополнительными лопастями участки, сливаясь, образуют новый забой и таким образом формируется ствол скважины. Несмотря на определенное испопьзование эффекта понижения сопротивляемости пород вариант формирования ствола подобным расположением допопнитепьных коаксиапьных попастей с точки зрения увеличения скорости проходки малоэффективен. Объясняется это тем, что каждая дополнитепьная попасть, работая какдый раз на частично ослабленном "целинном" участке забоя, разрушает его породы (о итоге и весь забой) путем резания, что несомненно увеличивает энергоемкость эксплуатации долота.К существенным недостаткам этого долота следует также отнести трудность выноса разрушенной породы из кольцевого пространства между соседними коаксиапьными лопастями и одновременной значительной потерей давления промывочнойжидкости на долоте. Указанное уменьшаетэффект понижения сопротивляемости пород разрушению и не позволяет свести к минимально возможному его значению, ибо упомянутый эффект наиболее полно проявляется при четко выраженном П-образном проФиле забоя.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является долото, содержащее основные радиапьньсе лопасти и установленные на них дополнительные в виде выступов дискообразной формы,исключительно выступами дискообразной формы, а не радиальными, выполненными без собственного вооружения и не взаимодействующими с забоем скважины Следовательно, эффективность разрушения пород забоя скважины повышается не за счет создания зоны предразрушения,а за счет повышения удельной нагрузки, создаваемой на забой, что является менее перспективным направлением совершенствования процесса взаимодействия вооружения допота с забоем скважиныЦепью изобретения является повышение эффективности разрушения пород при обеспечении равной износостойкости попастей,Поставпенная цель достигается за счет снабжения долота лопастями, при совмещении проекции передних граней которых на диаметрапьную плоскость, выступы попастей распопагаются вдоль радиуса долота с зазорами относительно друг друга.Так как рабочие торцы, и выступы лопастей являются рабочими органами, то забой,50 55 35 Недостатком известного долота является то, что разрушение забоя осущестопяетсяобразованный этим долотом, имеет гребенчатую форму с многочисленными гребешками, сопротивляемость разрушению которого значительно снижается. Помимо этого для обеспечения равной иэносостой кости лопасти долота армируются композиционным материалом, грануляция зернистого наполнителя и соответственно механические свойства матричного материала которого изменяются от одной плоско сти к другой.На фиг.1 показано долото, вид сбоку; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на Фиг.3 - узел,1 и И на фиг.2.Долото состоит из корпуса 1 и лопастей 15 с основной (рабочим торцом) 2 и дополнительной (выступами) 3 частями. Дополнительные части лопастей выступают над основными. Лопасти армированы износостойким покрытием 4, 20Работа долота для вращательного бурения происходит следующим образом.Долото свинчивается корпусом 1 с системой компоновки низа бурильной колонны и спускается в скважину до забоя. Затем, 25 включают привод долота, насосы и создают осевую нагрузку на долото. Выступы 3 лопастей долота внедряются под действием осевой нагрузки в породу и, углубляясь, создают гребенчатую Форму забоя П-образг 30 ного профиля за счет располокения при совмещении проекции передних граней лопастей на диаметральную плоскость вдоль радиуса с зазорами относительно друг друга. 35Выступы лопастей на своих участках разрушают породы путем резания целинной породы. Ввиду расположения выступов лопастей с зазором относительно друг друга, вдоль радиуса между ними остаются уча стки пород, которые разрушаются путем скалывания основными частями долот. Следовательно, у предлагаемого долота в отличии от известного в формировании ствола скважины участвуют как рабочие торцы, так 45 и выступы лопастей. Сопротивление разрушению забоя такой формы в кратное число раз меньше сплошного забоя.Конструкция предлагаемого долота позволяет защищать лопасти износостойким 50 покрытием 4, представляющим собой композиционный материал, включающий матрицу и твердый наполнитель. Как грануляция твердого наполнителя, так и соответственно, механические свойства мат ричного материала изменяются от одной диаметральной плоскости к другой. Этим конструктивным решением лопастного долота достигается возможность использования предлагаемого долота в породах различной твердости, а также в мягких породах с большими твердыми пропластками без смены долота.Дело в том, что бурение мягких пород осуществляется путем скалывания (резания) разрушаемых пород. В этом процессе определяющим является снижение сопротивляемости разрушаемых пород за счет создания зоны предразрушения выступами лопастей, располагающихся вдоль радиуса долота с зазорами относительно друг друга при совмещении проекции передних граней лопастей на диаметральную плоскость. Бурение твердых пород осуществляется путем истирания . поверхности разрушаемых пород. В этом же процессе определяющим является снижение сопротивляемости разрушаемых пород за счет создания эоны предразрушения на микроуровне, т.е. за счет армирования лопастей композиционным материалом, включающим зернистый наполнитель, грануляция которого изменяется по лопастям, Поэтому в качестве вооружения лопастей композиционного сплава с различной грануляцией зернистого наполнителя позволяет получать гребенчатую форму на микроуровне, т.е. в каждом гребешке, образуемыми лопастями, что также положительно сказывается на механической скорости проводки; При изменении грануляции наполнителя от одной диаметральной плоскости к другой будет иметь место их неравномерный износ, Однако предотвращается это явление на стадии изготовления путем строгого соблюдения совместимости сочетания значений .параметров матричного материала и грануляции зернистого наполнителя, Это означает, что при изменении грануляции зернистого наполнителя композиционного сплава от лопасти к лопасти для совместимости условий бурения одних и тех же пород при одинаковых режимных параметрах по критерию равной износостойкости лопастей при максимальной производительности инструмента необходимо на стадии проектирования предусмотреть использование также для каждой лопасти матричных материалов с различными свойствами. При соблюдении указанного соответствия изменений грануляции изменениям значений механических свойств матричного материала будет достигнут требуемый уровень износостойкости по лопастям. Одновременно будет повышена производительность предлагаемого долота из-за соответствия наплавляемого на рабочие органы в качестве вооружения композиционной наплавки, включающего матричный материал и напол 172121150 55 нитель, режиму бурения и буримости разрушаемых горных пород.Установлено, что для обеспечения равной иэносостойкости при одинаковы режимных параметрах и буримости пород, если лопасти армировать сплавом, имеющим переменную грануляцию зернистого наполнителя от лопасти к лопасти в пределах-д = (1 5-4,5)мм, то согласно формулеФ. - йх 34,где Ф - интегральная значимость параметров состояния матричного материала,йх - значимость 1-го парамегра вектора параметров состояния матричного материала,значениям параметров состояния матричного материала должны соответствовать нижеприводимые интервалы;твердость матричного материала Н - (114 - 70) НВ,предел временного сопротивления Усж - (25,4-18 Я) МПа;предел текучести сГг - (1,7-0,6) МПа; относительное удлинение Ь - (70- 64)%;уцарная вязкость ан - (17-8) кгм/см, температура плавления Тпл - (950- -1100 )ОСПри отклонении от указанных интервалов значений параметров состояния матричного материала как в большу 1 о, так и в меньшую стороны, условие базовой формулы не будет удовлетворено (т.е. Ф=йх 34), что приведет к неравномерности износа лопастей и снижению эксплуатационных показателей инструмента. Нарушение условия неравенства в базовой Формуле является следствием нарушения условий совместимости композиционный материал (наполнитель - матричный материал) - режимные параметры - буримость горных пород, заложенного в основу разработки конструкции предлагаемого инструмента.Для определения этих условий были проведены экспериментальные исследования на установке, имитирующей скважинные условия. Исследования проводились на модельных образцах армируемых композиционным материалом на основе матричных материалов, параметры состояния которого приводятся в таблице. Затем были определены линии равного износа композиционных сплавов с различной грануляцией наполнителя, испытанных при различных режимно-технологических параметрах и Физика-механических свойств контртел (фиг,4, 5 и 6), Затем, применяя ме 5 10 15 20 25 30 35 40 45 тод ранговой классификации к имеющейся информации, по результатам экспериментальных исследований получена базовая зависимость(Ф 1 йх 34)для классификации совместимых и несовместимых условий проектирования скважинных режущих инструментов, Это позволило определить интервалы значений параметров матричного материала и грануляции наполнителя композиционной наплавки, в пределах которых обеспечивается равная износостойкость по лопастям при максимальной производительности данного инструмента из-за обеспечения совместимости укаэанных факторов.Износостойкое сооружение помимо этого позволяет получать весьма устойчивое геометрическое состояние забоя эа весь период работы рабочей поверхности лопастей долота и, самое главное, необходимый профиль раэбуриваемого забоя,Конструкция предлагаемого долота позволяет ему самоцентрироваться вследствие меньшей степени свободы по сравнению с известным долотом.Зкономическая эффективность от применения предлагаемого долота имеет место за счет ускоренного бурения скважин, так как необходимое время на чистое бурение до проектной глубины 6 мес, а предлагаемым 3 мес.Подсчитывается экономия следующим образом:З -(С 1+ Енк 1) - -(С 2+ Еяк 2) хА,82В 1где С 1 и С 2 - себестоимость соответственно для нового и старого варианта для долота 269 мм,Ь - нормативный коэффициент (Ен = =0,15 по МИНХИММАШУ),К 1 и К 2 - капитальные вложения для сравниваемых вариантов на единицу продукции(для нового варианта К 2, для старого К 1),А - годовой обьем продукции, А = 1000. Формула изобретения Долото для вращательного бурения, содержащее корпус и породоразрушающие лопасти, каждая из которых выполнена с выступами, расположенными на ее рабочем торце, и армирована композиционным материалом, состоящим из матрицы и износостойкого зернистого наполнителя, о тл ич а а щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности разрушения пород при обеспечении равной износостойкости лопастей, при совмещении проекций передних граней лопастей нэ диаметральную плоско1721211 сть выступы последних располагаются вдоль радиуса долота с зазорами относительно друг друга, при этом грануляция зернистого наполнителя изменяется от одной лопасти к другой от 1,5 до 4,5 мм, а параметры механических свойств матрицы - в пределах соответственно:твердость Н от 114 до 70 НВ; предел временного сопротивления сжатию Осж от 25,4 до 18,8 МПа;предел текучести % от 1,7 до 0,6 МПа; относительное удлинение Л от 70 до 5 64ударная вязкость ан от 17 до 8 ксмlсм;2,температура плавления Тпл от 950 до1100 С. Ударнаявязкость,ан д Отн,удлинения,о Температура плавления Тпл( оставитель А, Хром ехред МЯоргентал орректор В, Гирняк кович Редакто роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 101 аказ 934 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5