Долото для вращательного бурения

 

Изобретение относится к горной промышленности .Цель изобретения - повышение эффективности разрушения пород при обеспечении равной износостойкости лопастей . Это достигается тем, что выступы (В) 3, выполненные на рабочих торцах лопастей (Л), при совмещении проекций передних граней Л на диаметральную плоскость, располагаются вдоль радиуса долота с зазором относительно 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 МПэ, относительное удлинение 70-64%, ударная вязкость 17-8 кгм/см2 и температура плавления 950- 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 дополнительные поверхности обнажения забоя на макрои микроуровне, что существенно понижает сопротивляемость пород разрушению . Одновременно за счет изменения размера гранул зернистого наполнителя достигается равномерный износ Л, особенно при бурении перемежающихся по крепости пород. 6 ил., 1 табл. (Л С vj ю Ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4696983/03 (22) 11.04,89 (46) 23,03.92. Бюл, ¹ 11 (71) Азербайджанский институт нефти и химии им. M.Àçèçáåêoâà (72) P.À.Ãàñàíoâ (53) 622.24.051.59(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 641059, кл. Е 21 В 10/42. 1976.

Авторское свидетельство СССР

¹- 499395, кл. Е 21 В 10/42, 1972. (54) ДОЛОТО ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ (57) Изобретение относится к горной про мышленности Цель изобретения — повышение эффективности разрушения пород при обеспечении равной износостойкости лопастей. Это достигается тем, что выступы (В) 3, выполненные на рабочих торцах лопастей (Л), при совмещении проекций передних граней Л на диаметральную плоскость, располагаются вдоль радиуса долота с зазором относительно друг друга, при этом грануляция зернистого наполнителя композицион5U 1721211 А1 (51) 5 Е 21 10/42, 10/46 ного материала, которым армируются Л, изменяется от одной Л к другой от1,5 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 70-647, 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- ) ные поверхности обнажения забоя на макро- и микроуровне, что существенно понижает сопротивляемость пород разру- С шению. Одновременно за счет изменения размера гранул зернистого наполнителя достигается равномерный износ Л, особенно при бурении перемежающихся по крепости пород. 6 ил., 1 табл. 4

1721211

Изобретение относится к добыче нефти и газа и может быть применено при бурении новых стволов и скважин.

Известно, что повышается эффективность бурения при увеличении износостойкости вооружения лопастных долот, армированных композиционными материалами типа "Славутич", а также при использовании ступенчатых долот позволяю> щих учитывать понижение прочности пород вследствие придания забою определенной формы.

Недостатком лопастных долот со сплошными лопастями является невозможность использования эффекта понижения прочности пород, так как лопастные долотаэтаго типа не создают второй поверхности обнажения породы.

Ступенчатые лопастные долота образовывают в процессе бурения форму забоя лопастями отдельных ступеней, что приводит к обнажению второй поверхности и тем самым используется эффект понижения сопротивляемости пород разрушения.

Однако ступенчатые долота позволяют образовывать только одну дополнительчую поверхность обнажения забоя и, как следствие, менее полно использовать. эффект понижения сопротивляемости пород разрушению, Техническим решением, воплотившим в себе идею снижения сопротивляемости забоя разрушению путем создания зоны предразрушения является долото, состоящее из корпуса и основных породоразрушающих элементов (радиальных). Основные элементы снабжены дополнительными разрушающими элементами (коаксиальными). расположенными ниже рабочих поверхностей основных элементов, При бурении этим долотом обнажается поверхность забоя на участке каждой лопасти, что позволяет в результате использовать для увеличения скорости проводки скважины эффект пони>кения сопротивляемости пород разрушению.

Основным недостатком этого долота является то, что независимо от конструктивного исполнения в общем пакете режущих элементов коаксиальные лопасти являются единственными рабочими органами. Причиной тому является расположение дополнительных коаксиальных лопастей на радиальных с взаимным перекрытием, что фактически исключает участие в разрушении.пород основных — радиальных лопастей. Поэтому при бурении этим долотом обнажается поверхность забоя на участке каждой дополнительной лопасти, в результате чего после ка>кдога оборота долота об30

35 Недостатком известного долота является то, что разрушение забоя осуществляется

5

20 на>кенные дополнительными лопастями участки, сливаясь, образуют новый забой и таким образом формируется ствол скважины. Несмотря на определенное использование эффекта понижения сопротивляемости пород вариант формирования ствола подобным расположением дополнительных кааксиальных лопастей с точки зрения увеличения скорости проходки малоэффективен. Объясняется это тем, что каждая дополнительная лопасть, работая ка>кдый раз на частично ослабленном "целинном" участке забоя, разрушает его породы (в 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 коаксиальными лопастями и одновременной значительной потерей давления промывочной жидкости на долоте. Указанное уменьшает эффект 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 радиальные 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 разруLUeHvlA 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 долота с забоем скважины Цепью изобретения является повышение эффективности разрушения пород при обеспечении равной износостойкости попастей.

Поставленная цель достигается за счет снабжения долота лопастями, при совмещении проекции передних граней которых на диаметральную плоскость, выступы лопастей располагаются вдоль радиуса долота с зазорами относительна друг друга.

Так как рабочие торцы, и выступы лапаcreA являются рабочими органами,тозабой, 1721211 образованный этим долотом, имеет гребенчатую форму с многочисленными гребешками, сопротивляемость разрушению которого значительно снижается. Помимо этого для обеспечения равной иэносостой- 5 кости лопасти долота армируются композиционным материалом, грануляция зернистого наполнителя и соответственно механические свойства матричного материала которого изменяются от одной плоско- 10 сти к другой.

На фиг.1 показано долото, вид сбоку; на фиг.2 — вид А на фиг.1; на фиг.3 — узел I, II u

III 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. 20

Работа 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-образ,- 30 ного профиля за счет располо>кения при совмещении проекции передних граней лопастей на диаметральную плоскость вдоль радиуса с зазорами относительно друг друга. 35

Выступы 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- 40 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 числа 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- 55 ричного материала изменяются от одной диаметральной плоскости к другой. Этим конструктивным решением лопастного долота достигается возмо>кность 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 диамет-ральной 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 напол172121 i

55 нитель, режиму бурения и буримости разрушаемых горных пород.

Установлено, что для обеспечения равHoA NsHococToAKocTN f1pH одинаковых po"" жимных параметрах и буримости пород, если лопес и армировать сплавом, имеющим переменную грануляцию зернистога наполнителя от лопасти к лопасти в пределах-д = (1,5-4,5)мм, то согласно формуле

Ф= R i=34, где Ф вЂ” интегральная значимость параметров состояния матричного материала;

Rg — значимость i-го параме.гра вектора параметров состояния матричного материала, значениям параметров состояния матричного материала должны соответствовать нижеприводимые интервалы: твердость матричного материала Н— (114 — 70) НВ; предел временного сопротивления (гсж — (25,4-18Я) МПа; предел текучести сгг — (1,7-0,6) МПа; относительное удлинение Ь вЂ” (7064)%; ударная вязкость а — (17-8) кгм/см, температура плавления Тдд — (950-1100 )ОС

При отклонении от укаэанных интервалов значений параметров состояния матричного материала как в большу1о, так и в меньшую стороны, условие базовой формулы не будет удовлетворено (т.е. Ф = R>i =.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 исследова ния 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 физико-механических свойств контртел (фиг.4, 5 и 6}, Затем, применяя ме5

45 тод ранговой классификации к имеющейся информации, по результатам экспериментальных исследований получена базовая зависимость(Ф 5R i >34)для классификации совместимых и несовместимых условий проектирования скважинных режущих инструментов. 3m 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 разбуриваемого 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:

3 "(С1+ ЕнК1) —.-(CP+ ЕяК ) хА, 2

81 где С> и Сг — себестоимость соответственно для нового и старого варианта для долота

269 мм, EH — нормативный коэффициент (Ея =

=0,15 по МИНХИММАШУ), К1 и К вЂ” капитальные вложения для сравниваемых вариантов на единицу продукции(для нового варианта Ê, для старого

К1), А — годовой обьем продукции, А = 1000.

Формула изобретения

Долото для вращательного бурения, содер>кащее корпус и породораэрушающие лопасти, каждая из которых выполнена с выступами, расположенными на ее рабочем торце, и армирована композиционным материалом, состоящим из матрицы и износостойкого зернистого наполни еля, о т л ич а ю 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 о,® от 25,4 до 18,8 МПа; предел текучести % от 1,7 до 0,6 МПа; относительное удлинение Л от 70 до

5 64 „ ударная вязкость ан от 17 до 8 ксмlсм; 2. температура плавления Тлл от 950 до

1100 С.

Ударная вязкость, ан д Отн. удлинения, оо

Температура плавления Тпл ьс

Твердость по НВ, Бринелю о,, МПа

Образец oc>x M?

70-77,875

15 — 21,875

21675—

28,75

28,75—

35,625

35,625—

42,5

42,5

49,375

49,375—

56,25 56,25

63,125

63,125—

70,0

Продолжение таблицы

10,5—

12,36

12,36

14,22

14,22

16,08

16,08

17,94

17,94

19,8

19,8—

21,66

21,66

23,52

23,52—

25i4

0,6—

0,775

0,775—

0,95

0,95—

1,125

1,1251,3

1,3

1,475

1,475—

1,65

1,65—

1,825

1,825—

2,0

77875—

85,75

85,75—

93,625

93,625—

101,5

101,5

109,375

109,375—

117,2.5

117,25—

125,125

125,125—

133

4;5

0,0625

6,0625

7,625

7,625—

9,1875

9,1875—

10,75

10,75

12,3125

12,3125—

13,875

13875—

15,4375

15,4375—

17,0

890—

920—

1070—

1100

1721211 х, МПа

Х, У Na

1 /мии

1721211 /Ч/?а

f67

Фиг.б

Составитель А, Хромин

Техред М.Моргентал Корректор В, Гирняк

Редактор M. Янкович

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. yn,Гагарина, 101

Заказ 934 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5