Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа

Изобретение относится к области бурения скважин. Позволяет увеличить износостойкость и наработку долота по перемежающимся породам, включающим пропластки VI-VIII категорий по буримости, при сохранении вертикальности ствола скважины. Долото разделено на ярусы - разбуривающий с хвостовиком и стабилизатором и нижний забуривающий со стабилизатором, каждый из которых выполнен в виде независимых тел вращения, расположенных соосно, при этом скорости резания наиболее удаленных от продольной оси режущих элементов забуривающего и разбуривающего ярусов не превышают критических значений.

Изобретение относится к области бурения скважин долотами режущего типа и может найти применение в горнодобывающей и нефтегазовой отраслях при бурении скважин различного назначения. Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа предназначено для бурения с забойным двигателем в породах выше средней крепости и крепких.

Известно многоярусное долото режущего типа (см. патент на изобретение РФ 2310732. Многоярусное долото режущего типа / Третьяк А.Я., Чихоткин В.Ф Литкевич Ю.Ф., Асеева А.Е. Заявка 2006100565/03(000634) от 16.01.2006; опубл. 20.11.2007; Бюл. 32}, предназначенное для бурения скважин различного назначения в породах VI-VIII категорий по буримости. Его основным достоинством является выравнивание скоростей резания ярусов, что в процессе бурения приводит к возникновению кромки равного износа. Принимаем его в качестве аналога.

Недостаток: короткие конусообразные ярусы при бурении перемежающихся (слоистых) пород не устойчивы на забое. Это вызывает вибрации режущих элементов и может привести к их поломкам.

Известно также долото стабилизирующее Speed Drill DPI (см. US Patent 5,803,196. Stabilizing drill bit /Coy M. Diamond Products International (Houston, TX). Appl. No.: 08/655,988. Filed: May 31, 1996. Fielder September 8, 1998\ принятое нами в качестве прототипа. Его основным достоинством является способность при бурении перемежающихся пород сохранять направление бурения и предупреждать возникновение вибраций на режущих элементах, что уменьшает вероятность их поломок.

Недостаток: разные по величине скорости резания режущими элементами, закрепленными на разбуривающей и забуривающей частях долота, приводят к неравномерному их износу (преимущественный износ наиболее удаленных от оси режущих элементов разбуривающей части). Это ограничивает наработку долота из-за потери диаметра.

Задачей изобретения является увеличение износостойкости и наработки долота по перемежающимся породам при сохранении вертикальности ствола скважины за счет того, что стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа разделено на ярусы - разбуривающий с хвостовиком и стабилизатором и нижний забуривающий со стабилизатором, каждый из которых выполнен в виде независимых тел вращения, расположенных соосно, при этом скорости резания наиболее удаленных от продольной оси режущих элементов забуривающего и разбуривающего ярусов не превышают критических значений.

Сущность изобретения поясняется фиг.1; 2; 3.

На фиг.1 представлен общий вид инструмента со встречным вращением ярусов.

На фиг.2 представлено долото с планетарным редуктором (попутное вращение ярусов).

На фиг.3 представлено долото с планетарным редуктором (встречное вращение ярусов).

Для обеспечения привода независимых ярусов стабилизирующего двухъярусного долота режущего типа II над ним размещен планетарный редуктор I, который не является защищаемым элементом.

Стабилизирующее двухъярусное долото разделено на ярусы, выполненные в виде независимых тел вращения и расположенные соосно, - разбуривающий с хвостовиком I и стабилизатором 2 и забуривающий со стабилизатором 5. Хвостовик 7, имеющий замковую резьбу (на фиг.не обозначена), сопрягается со стабилизатором 2 разбуривающего яруса. Режущие лопасти 3 этого яруса оснащены высокостойкими режущими элементами 4. Забуривающий ярус со стабилизатором 5 и режущими лопастями 6, оснащенными высокостойкими режущими элементами 7, вращается вправо с угловой скоростью ₁, получая привод от забойного двигателя (не показан) через центральный вал редуктора 8. 10 - центральное колесо редуктора с количеством зубьев z_a, 11 - зубчатый венец с количеством зубьев z_b. Разбуривающий ярус вращается с угловой скоростью ₂, получая привод от водила 9 через вращающиеся саттелиты 72 планетарного редуктора 7.

Стабилизаторы 2 и 5 представляют собой спиральные калибрующие поверхности, увеличивающие площадь контакта со стенками скважины.

Если оси вращающихся сателлитов 72 закреплены в неподвижном корпусе 13 планетарного редуктора, то разбуривающий ярус вращается влево с меньшей частотой. При этом

где i - передаточное число планетарного редуктора;

z_b - количество зубьев на зубчатом венце планетарного редуктора;

z_a - количество зубьев на центральном колесе планетарного редуктора.

Если же оси вращающихся сателлитов 72 закрепить во вращающейся части редуктора (на водиле 9), то ярусы долота будут вращаться попутно (вправо) с различной частотой. При этом

где i - передаточное число планетарного редуктора;

z_b - количество зубьев на зубчатом венце планетарного редуктора;

z_a - количество зубьев на центральном колесе планетарного редуктора.

При вращении забуривающего яруса с угловой скоростью ₁ и осевом перемещении долота режущие лопасти 6 забуриваются в забой, расширяя по мере продвижения скважину до диаметра d, определяемого положением крайних режущих элементов 7, расположенных в верхних частях режущих лопастей 6. Поскольку режущие лопасти 6 состоят из нескольких режущих элементов 7 забуривающего яруса, а режущие лопасти 3 состоят из нескольких режущих элементов 4 разбуривающего яруса, расположенных на разных расстояниях от оси вращения, их скорости резания по мере удаления от оси возрастают, приближаясь к своим критическим значениям, зависящим от крепости пород и износостойкости вооружения. Режущими элементами 4 и 7 могут быть алмазно-твердосплавные пластины (АТП), Polycrystalline Diamond Cutter (PDC) или подобные.

Мгновенная скорость бурения стабилизирующего двухъярусного долота V _мб, мм/с, определяется возможной мгновенной скоростью бурения забуривающего яруса

где V_мб - мгновенная скорость бурения, мм/с;

S₃ - интенсивность внедрения (подача) забуривающего яруса, мм/об;

n₃ - частота вращения забуривающего яруса, об/с;

Т₃ - время одного оборота забуривающего яруса, с.

За время T₃ все долото совершает осевое перемещение S₃, а каждая лопасть разбуривающего яруса за это же время проходит часть своего оборота, срезая стружку толщиной h=S₃ с мгновенной скоростью бурения V _мб.

Равенство мгновенных скоростей бурения различных ярусов долота

где V_мб - мгновенная скорость бурения, мм/с;

S₃ - интенсивность внедрения (подача) забуривающего яруса, мм/об;

n₃ - частота вращения забуривающего яруса, об/с;

S_p - интенсивность внедрения (подача) разбуривающего яруса, мм/об;

n_p - частота вращения разбуривающего яруса, об/мин, обеспечивается варьированием частоты и интенсивности внедрения, что делает возможным согласовать скорости бурения быстровращающейся внутренней части долота и медленновращающейся наружной части.

При таких частотах вращения за один оборот забуривающего яруса долото переместится вдоль оси вращения на величину S₃, мм/об, а разбуривающий ярус провернется всего на часть оборота, и для того, чтобы при этом забой был обработан полностью, необходимо на разбуривающем ярусе иметь число лопастей Z_p, определяемое зависимостью

где Z_p - число режущих лопастей разбуривающего яруса;

z₃ - число режущих лопастей забуривающего яруса;

n₃ - частота вращения забуривающего яруса, об/с;

n _p - частота вращения разбуривающего яруса, об/мин.

Величина критической скорости резания V_кр - основное ограничение области применения долот режущего типа на породах выше средней крепости и крепких. Диаметр долота, на котором режущий элемент достигает критической скорости резания при частоте вращения n₃, называют предельным (диаметр d).

Частота вращения разбуривающего яруса, имеющего наибольший диаметр D,

где n_p - частота вращения разбуривающего яруса, об/мин;

D - предельный диаметр разбуривающего яруса, мм;

d- предельный диаметр забуривающего яруса, мм;

n₃ - частота вращения забуривающего яруса, об/мин.

Режущие элементы забуривающего яруса, расположенные на больших радиусах, будут иметь скорость резания, определяемую зависимостью

где V_peз1 - скорость резания элементов забуривающего яруса, м/с;

- математическая константа;

d - предельный диаметр забуривающего яруса, мм;

n₃ - частота вращения забуривающего яруса, об/мин. Ее величина не превышает критического значения скорости резания.

При передаточном отношении i=z_b/z_a (i=z _b/z_a+1) скорость резания режущими элементами разбуривающего яруса, наиболее удаленными от оси вращения, значительно меньше критического значения

где V_рез2 - скорость резания элементов разбуривающего яруса, м/с;

- математическая константа;

D - предельный диаметр разбуривающего яруса, мм;

n₃ - частота вращения забуривающего яруса, об/мин.

Таким образом, долото не имеет преимущественного износа режущих элементов, наиболее удаленных от оси вращения. Режущие элементы забуривающего и разбуривающего ярусов изнашиваются с одинаковой интенсивностью, за счет чего увеличивается общая наработка долота.

Стабилизирующее двухъярусное долото режущего типа, включающее хвостовик, нижнюю разбуривающую и верхнюю забуривающую со стабилизаторами части, которые состоят из ряда симметрично расположенных режущих лопастей, которые, в свою очередь, включают радиально расположенные режущие элементы, отличающееся тем, что долото разделено на ярусы - разбуривающий с хвостовиком и стабилизатором и нижний забуривающий со стабилизатором, каждый из которых выполнен в виде независимых тел вращения, расположенных соосно, при этом скорости резания наиболее удаленных от продольной оси режущих элементов забуривающего и разбуривающего ярусов не превышают критических значений.