RU156924U1 - Буровое лопастное долото - Google Patents

Abstract

Буровое лопастное долото, включающее корпус с центральным каналом, выходными отверстиями для промывочной жидкости и лопастями, оснащенными режущими элементами, отличающееся тем, что корпус снабжен цилиндром, по оси цилиндра размещен винтовой шпиндель, взаимодействующий с цилиндром посредством шлицевой винтовой пары, в корпусе размещена втулка, взаимодействующая с винтовым шпинделем с возможностью осевого перемещения, причем корпус, цилиндр, винтовой шпиндель и втулка образуют замкнутую камеру, гидравлически связанную с центральным каналом посредством дросселя и содержащую пружины сжатия, а шлицевая винтовая пара выполнена несамотормозящегося типа.

Description

Техническое решение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту режущего типа и может быть использовано для бурения в условиях сильной осевой и крутильной вибрации. Другой областью применения данного технического решения является бурение горизонтальных или близких к горизонтали участков ствола скважины, когда вследствие значительной силы трения между стенкой скважины и колонной бурильных труб процесс передачи осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент затруднен.

Широкую известность получили буровые лопастные долота режущего типа различных конструкций (Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А «Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин»: Учебник для вузов. - М.: ООО “Недра-Бизнесцентр”, 2003.).

Общим их недостатком является недостаточная эффективность работы, обусловленная тем, что при разрушении породы долото испытывает сильные крутильные и осевые ударные нагрузки, что приводит к преждевременному отказу его вооружения.

Известно техническое решение, которое позволяет организовать обратную связь между величиной осевой нагрузки на долото в зависимости от крутящего момента на нем. Вместе с тем, устройство позволяет осуществить гашение продольных и крутильных колебаний, возникающих в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) в процессе бурения скважины (патент РФ №2439282, оп. 10.01.2012 г., евразийский патент №019323).

Однако данное устройство устанавливается над всей КНБК, включающую забойный двигатель. Вместе с тем известно, что для эффективного гашения крутильных и продольных колебаний, подрессоренная масса должна быть минимальной, т.е. устройство должно располагаться как можно ближе к источнику осевых и крутильных колебаний (к вооружению долота).

Известно буровое лопастное долото, включающее корпус с ниппелем, центральным каналом и выходными отверстиями для промывочной жидкости и лопастями, оснащенными режущими элементами. Причем дизайн самого долота, расположения его режущих элементов обеспечивает более равномерное вращение долота в процессе разрушения горной породы, что позволяет смягчить последствия данного явления (заявка США №20130081880, «Drill bit for mitigation of stick slip», 04.04.2013 г.).

Данное техническое решение обладает следующими недостатками. Известно, что сам принцип разрушения породы долотом режущего типа предполагает зачастую его крайне неравномерное вращение, вызванное рядом причин, основные из которых - неравенство коэффициентов трения покоя и движения, изменение свойств бурящейся породы, неравномерное приложение осевой нагрузки, обусловленной трудностями ее передачи при бурении горизонтальных и близких к горизонтали участков ствола скважины. В зарубежной практике данное явление получило название «stick-slip phenomenon». В результате вращение долота осуществляется неравномерно, рывками, причем в периоды замирания или паузы происходит накопление упругой энергии в рабочей колонне труб, что вызывает дальнейший срыв долота с реализацией упругой энергии в виде удара, что крайне неблагоприятно влияет на долговечность вооружения долота. Недостаточная эффективность бурения, обусловленная тем, что несмотря на более равномерное вращение долота, значительное количество подводимой к долоту энергии расходуется в виде осевой и крутильной вибрации, приводящей к преждевременному износу его вооружения. Вместе с тем, высокая виброактивность долота как источника осевой и крутильной вибрации, приводит к преждевременным отказам других элементов компоновки низа бурильной колонны (КНБК), расположенных выше долота, например, дорогостоящей электроники телесистем и роторно-управляемых систем или опорных узлов шпинделя забойного двигателя. Ограниченные функциональные возможности обусловлены тем, что долото не позволяет гасить крутильные и осевые колебания, возникающие в процессе работы долота, что позволило бы снизить динамические нагрузки, действующие на вооружение долота, и обеспечить высокую эффективность разрушения породы в процессе бурения. Вместе с тем, долото не позволяет организовать обратную связь между величиной осевой нагрузки на долото и крутящим моментом, что позволило бы значительно уменьшить интенсивность осевых и крутильных колебаний, возникающих на долоте.

Задачей полезной модели является повышение эффективности и расширение функциональных возможностей долота.

Поставленная задача решается тем, что в буровом лопастном долоте, включающем корпус с ниппелем, центральным каналом, выходными отверстиями для промывочной жидкости и лопастями, оснащенными режущими элементами, согласно полезной модели, корпус снабжен цилиндром, по оси цилиндра размещен винтовой шпиндель, взаимодействующий с цилиндром посредством шлицевой винтовой пары, в корпусе размещена втулка, взаимодействующая с винтовым шпинделем с возможностью осевого перемещения, причем корпус, цилиндр, винтовой шпиндель и втулка образуют замкнутую камеру, гидравлически связанную с центральным каналом посредством дросселя и содержащую пружины сжатия, а шлицевая винтовая пара выполнена несамотормозящегося типа.

Размещение в корпусе долота цилиндра и винтового шпинделя, взаимодействующих между собой посредством несамотормозящейся шлицевой винтовой пары, позволяет организовать обратную связь между осевой нагрузкой и крутящим моментом на режущие элементы лопастей долота в непосредственной близости от источника вибрации - режущих элементов, и, следовательно, повысить эффективность работы долота и уменьшить пиковые значения крутящего момента, действующего на его режущие элементы. Выполнение замкнутой камеры с дросселем, включающей в себя пружины сжатия, позволит поглощать и рассеивать крутильную и осевую вибрацию, действующую на долото при его работе.

Таким образом, существенные признаки, приведенные в независимом пункте формулы полезной модели, позволяют получить новые свойства долота, повышающие его эффективность и расширяющие его функциональные возможности. Следовательно, заявленное техническое средство соответствует критерию «новизна».

На фиг. 1 изображено буровое лопастное долото, продольный разрез, расположение элементов соответствует установившемуся режиму бурения; на фиг. 2 - узел дросселя в масштабе 4:1 фиг. 1.

Буровое лопастное долото содержит корпус 1 с центральным каналом 2, выходными отверстиями 3 для промывочной жидкости и лопастями 4 с режущими элементами. Корпус 1 жестко связан с цилиндром 5, внутри которого расположен с возможностью осевого перемещения винтовой шпиндель 6, взаимодействующий с цилиндром 5 посредством шлицевой винтовой пары 7. Угол подъема винта выполнен таким, чтобы обеспечить несамотормозящую подвижность, т.е. реверсивность, в результате чего винтовой шпиндель 6 имеет возможность перемещаться относительно цилиндра 5 под действием как крутящего момента, так и осевой силы. По оси корпуса 1 размещена втулка 8, выполненная с возможностью осевого перемещения относительно винтового шпинделя 6. В верхней части винтового шпинделя 6 крепится переводник 9, верхняя часть цилиндра 5 включает уплотнительное кольцо 10. Винтовой шпиндель 6, корпус 1, цилиндр 5 и втулка 8 образуют замкнутую камеру 11, гидравлически связанную с центральным каналом 2 посредством дросселя 12. В замкнутой камере размещены пружины сжатия 13.

Буровое лопастное долото работает следующим образом.

В процессе разрушения породы крутящий момент передается посредством переводника 9, винтового шпинделя 6, цилиндра 5 и шлицевой винтовой пары 7 к режущим элементам лопастей 4, при этом пружины 13 сжимаются и передают осевую нагрузку к режущим элементам корпуса 1. В случае, когда в процессе бурения происходит резкое, скачкообразное изменение момента, действующего на режущие элементы лопастей 4, под действием данного ударного момента корпус 1 резко перемещается по винтовым поверхностям винтовой шлицевой пары 7 вверх, увеличивая степень сжатия пружин 13. При этом происходит резкое скачкообразное изменение объема замкнутой камеры 11, что вызывает переток рабочей демпфирующей жидкости (буровой раствор) по концентрическому каналу между втулкой 8 и винтовым шпинделем 6 через дроссель 12 в центральный канал 2 долота. Вследствие трения жидкости в дросселе 12 происходит поглощение и рассеивание энергии крутильного удара. Таким образом, при резком увеличении крутящего момента, действующего на режущие элементы долота, происходит автоматическое уменьшение осевой сжимающей нагрузки, приложенной к режущим элементам, что приводит к прерыванию процесса дальнейшего роста момента. Подобная обратная связь между нагрузкой на режущие элементы и крутящим моментом позволяет организовать автоматическое регулирование осевой нагрузки на долото в зависимости от крутящего момента в процессе разрушения горной породы. Это позволяет снизить динамические нагрузки, действующие на режущие элементы долота, и обеспечить высокую эффективность разрушения породы в процессе бурения.

Совершенно аналогичная картина будет наблюдаться и при воздействии на режущие элементы долота чисто осевых ударов, т.к. выполнение шлицевой винтовой пары 7 несамотормозящегося типа допускает перемещение корпуса 1 долота по его оси и под действием лишь только осевой силы.

Таким образом, для конкретных скважинных условий становится возможным обеспечить гашение продольных и крутильных колебаний, возникающих на режущих элементах лопастей долота в процессе разрушения горной породы. Соответственно, снижение пиковых значений моментов и осевых ударов, действующих на долото и его режущие элементы, позволит предотвратить преждевременный износ вооружения долота, а значит, повысить эффективность его работы. Вышеуказанные конструктивные особенности также позволяют снизить виброактивность долота как источника осевой и крутильной вибрации и, тем самым, избежать преждевременные отказы других элементов компоновки низа бурильной колонны (КНБК), расположенных выше долота, например, опорных узлов шпинделя забойного двигателя или дорогостоящей электроники телесистем и роторно-управляемых систем.

Возможно применение долота и при проведении фрезерных работ, отличающихся большими скачками момента.

Claims (1)

1. Буровое лопастное долото, включающее корпус с центральным каналом, выходными отверстиями для промывочной жидкости и лопастями, оснащенными режущими элементами, отличающееся тем, что корпус снабжен цилиндром, по оси цилиндра размещен винтовой шпиндель, взаимодействующий с цилиндром посредством шлицевой винтовой пары, в корпусе размещена втулка, взаимодействующая с винтовым шпинделем с возможностью осевого перемещения, причем корпус, цилиндр, винтовой шпиндель и втулка образуют замкнутую камеру, гидравлически связанную с центральным каналом посредством дросселя и содержащую пружины сжатия, а шлицевая винтовая пара выполнена несамотормозящегося типа.

   

Images