Долото для вращательного бурения

 

Использование: изобретение относится к буровой технике, в частности к породоразрушающим инструментам, и может быть использовано в процессе бурения кавернозно-трещиноватых пластов. Изобретение позволяет повысить эффективность бурения в высокопроницаемых пластах путем уменьшения планетарного движения долота и создания уплотнительного кольматационного слоя, снижения вероятности прихвата долота и уменьшения гидродинамического давления при спуско-подъемных операциях. Долото для вращательного бурения содержит опорные элементы: лапы долота 1 или лопасти 2, армированные твердым сплавом с установленными на них шарошками 3 или резцами из алмазных твердосплавных пластин 4. Опорные элементы выполнены с наклоном по ходу вращения долота под углом Ψ к оси вращения, определяемым по формуле: где ϕ - угол, образованный вектором относительной скорости движения частиц и осью вращения долота, определяемый из соотношения где λ_e - коэффициент скольжения жидкости относительно долота; W_д - угловая скорость вращения долота, с^-1; D_к - диаметр устройства по опорным элементам, м; V_t - поступательная скорость частицы с учетом ее осаждения в потоке, м/с, причем опорные элементы выполнены в поперечном сечении со скосом, образующим со стенкой скважины клиновой зазор, угол скоса α направлен в обратную сторону вращения долота и изменяется в диапазоне 0≅tgα<f, где f - коэффициент трения твердых частиц по горной породе, максимальное значение которого определяют по формуле: где ρ- - радиус кривизны опорных элементов в поперечном сечении, м, и образуется радиальный зазор d, м, наименьшее значение которого равно утроенному значению критического размера частиц шлама, при котором начинается интенсивное разрушение стенок скважины. 3 ил.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к породоразрушающим инструментам, и может быть использовано в процессе бурения кавернозно-трещиноватых пластов.

Анализ существующего уровня техники показал следующее: известно долото для вращательного бурения, содержащее лапы со спинками, козырьки которых армированы износостойкими элементами, и установленные на лапах посредством опор шарошки с калибрующим конусом, причем спинка лапы по всей длине имеет цилиндрическую форму и диаметр, равный номинальному диаметру долота, передняя кромка спинки лапы снабжена режущим элементом, установленным под углом 3 - 5^o к образующей цилиндра, а цилиндрическая поверхность спинки армирована износостойкими поясками, расположенными с перекрытием на каждой лапе, при этом между режущим элементом и поясками выполнена шламоотводящая канавка (см. авт. св. N 1305295, кл. Е 21 В1 0/30, 1987 ).

Недостатком долота указанной конструкции является наличие планетарного эффекта при работе, невозможность осуществления процесса кольматирования высокопроницаемых пластов, вероятность заклинки и прихвата долота.

Для устранения планетарного движения долота необходимо увеличить число калибрующих точек устройства со стенкой скважины к свету. Калибрующие пояски на лапах долота не могут устранить планетарного движения, т. к. число этих лап превышает число шарошек. Конструктивно лапы с армирующими поясками попадают в выемки, образованные шарошками, установленными непосредственно под ними.

Побочным эффектом использования калибрующих элементов в конструкции долота является их способность осуществлять механическую кольматацию стенок скважины за счет затирки в поры породы глинистой корки, что наблюдают при работе долота в относительно малопроницаемых пластах. При бурении высокопроницаемых пластов на стенках скважины отсутствует глинистая корка, т. к. размер пустот кавернозно-трещиноватых пород существенно превышает размер частиц твердой фазы бурового раствора (глины, утяжелителя, песка). Эффект механической кольматации отсутствует. Непременным условием калибровки ствола скважины должно быть равенство диаметра долота по калибрующим элементам диаметру скважины, что повышает вероятность заклинивания и прихвата инструмента по этим калибрующим элементам.

В качестве прототипа взято долото для вращательного бурения, содержащее лапы с закрепленными на стенках калибрующими элементами, причем лапы выполнены с наклоном спинки в сторону, противоположную вращению долота, а боковая поверхность спинки лапы расположена с возможностью пересечения с гидромониторным каналом, закрепленные к лапам цапфы, установленные на цапфах шарошки (см. авт. св. N 1467157 кл. Е 21 В 10/26, 1989).

Недостатком долота указанной конструкции является наличие планетарного эффекта при работе, невозможность осуществления процесса кольматирования высокопроницаемых пластов, вероятность прихвата долота и повышенные гидродинамические давления при спуско-подъемных операциях.

Увеличение числа калибрующих элементов долота в свету (два и более) способствует появлению новых точек касания устройства со стенкой скважины, что снижает планетарное движение долота и может устранить этот эффект, но при этом увеличивается вероятность заклинивания м прихвата инструмента по калибрующим элементам. При этом значительно повышается гидродинамическое давление при спуско-подъемных операциях за счет уменьшения проходного сечения инструмента, что может привести к поглощению бурового раствора в проницаемые пласты или, наоборот, вызвать проявление скважины. Наклон спинки лапы в сторону, противоположную вращению долота, т. е. вдоль вектора и скорости подъема частиц в кольцевом пространстве относительно долота, не позволяет его лапам захватывать грубодисперсные частицы в потоке бурового раствора, а в точках касания калибрующих элементов нет зазора, куда могли бы попасть такие частицы. В местах, где нет калибрующих элементов, не осуществляется прижатие частиц к стенке скважины. Такие конструктивные особенности долота не обеспечивают кольматации в случае бурения с поглощением. Итак, в процессе бурения на вращающуюся компоновку низа бурильной колонны и долото постоянно действуют различные силы, стремящиеся вывести эту систему из равновесия. Эти силы возникают вследствие неровностей поверхности забоя, неуравновешенности массы компоновки эксцентриситета и перекоса резьб, потери устойчивости компоновки при передаче значительной осевой нагрузки, вращающего момента и т. д. В результате возникает поперечная вибрация и крутильные колебания инструмента, приводящие к сложному двойному планетарному вращению долота. Долото совершает круговое вращение вокруг собственной оси, последняя же в свою очередь совершает сложное движение вокруг оси скважины. Причем второе дополнительное вращение долото совершает в сторону, противоположную от основного вращения. В результате наблюдают интенсивный скол режущих элементов лопастного долота, например алмазных твердосплавных пластин, которые плохо сопротивляются сколу от усилия, приложенного с тыльной стороны, или преждевременный износ опорошарошечных долот, когда усилие прилагается с торца шарошек в направлении к центру долота. Кроме того, планетарное движение обусловливает образование формы поперечного сечения скважины, снижая устойчивость горных пород на ее стенке, повышая кавернозность ее ствола и затрудняя проходимость обсадных колонн.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения сводится к следующему: повышается эффективность бурения в высокопроницаемых пластах путем уменьшения планетарного движения долота и создания уплотнительного кольматационного слоя, снижается вероятность прихвата долота и уменьшаются гидродинамические давления при спуско-подъемных операциях.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, содержащего корпус с наклонными опорными элементами, которые выполнены с наклоном по ходу вращения долота под углом Ψ к оси вращения, определяемым по формуле Ψ=90°-ϕ, (1) где ϕ угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и осью вращения долота, определяемый из соотношения где λ_e коэффициент скольжения жидкости относительно долота; W_д угловая скорость вращения долота, с^-1; D_k диаметр устройства по опорным элементам, м; V_t поступательная скорость частицы с учетом ее осаждения в потоке, м/с, причем опорные элементы в поперечном сечении со скосом, образующим со стенкой скважины клиновой зазор с углом α, изменяющимся в диапазоне 0 ≅ tgα < f, (3) где f коэффициент трения твердых частиц по горной породе, максимальное значение которого определяют по формуле

где ρ радиус кривизны опорных элементов в поперечном сечении (м), и радиальный зазор d_м (м), наименьшее значение которого равно утроенному значению критического размера частиц шлама, при котором начинается интенсивное разрушение стенок скважины.

Заявляемая конструкция долота для вращательного бурения имеет изобретательский уровень, так как явным образом не следует из уровня техники. Не известны аналогичные конструкции долот или их отдельных элементов, имеющие вышеописанный технический результат.

На фиг. 1 показана схема (общий вид) шарошечного долота; на фиг. 2 - схема лопастного долота с вооружением из алмазных твердосплавных пластин; на фиг. 3 лопастное долото, вид сверху.

Долото для вращательного бурения содержит опорные элементы: лапы долота 1 или лопасти 2, армированные твердым сплавом, с установленными на них шарошками 3 или резцами из алмазных твердосплавных пластин 4. Опорные элементы с радиусом кривизны ρ выполнены с наклоном по ходу вращения долота под углом j к оси его вращения. На фиг. 1, 2 также показан угол v, образованный вектором относительной скорости движения частицы и осью вращения долота. В поперечном сечении опорные элементы образуют со стенкой скважины клиновой зазор с углом α и радиальный зазор d (см. фиг. 3).

Величины углов выведены с учетом правил прикладной механики.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Осуществляют бурение скважины в трещиноватых и кавернозных известняках.

Расчет конструктивных параметров для трехшарошечного или трехлопастного долота:
Диаметр долота, D_д 29,53 см;
Расход бурового раствора, Q 12 л/с;
Минимальный диаметр корпуса долота, d_у 20,3 см;
Наименьший радиальный зазор лопастей долота со стенкой скважины, d 0,15 см;
Угловая скорость вращения долота, W_д 10 1/с;
Коэффициент трения шлама по горной породе, f 0,56.

Рассчитывают радиус кривизны опорных элементов в поперечном сечении:

где
где D_к наружный диаметр устройства по опорным элементам.

D_k=D_д-2δ=29,53-2·0,15=29,2 (см)


Угол α изменяется в пределах:
0 ≅ α < arctg0,56 = 29,2°
Фактическое наибольшее значение угла α равно:

Значение угла ϕ определяют исходя из следующего:
V_t= V_r-V_oc,
где V_r поступательная скорость восходящего потока бурового раствора в пространстве между лопастей долота, определяемая из соотношения

где S_кп площадь всех внешних промывочных каналов долота,
V_ос скорость осаждения частиц горной породы в потоке бурового раствора, равная

где d_т средний размер твердых частиц шлама до его взаимодействия с опорными элементами долота, принимаем равным 10 мм;
ρ_{т u} плотность материала твердых частиц, для горной породы 2,2 г/см³;
ρ_ж плотность промывочной жидкости.

В случае интенсивного поглощения скважину обычно промывают водой с тем, чтобы уменьшить до минимума перепад давления на пласт и исключить потери бурового раствора, тогда ρ_ж= 1 г/см³

V_t 100 35 65 см/с

При λ_e= 0,5

При вращении долота шарошки 3 резцы 4 отделяют от забоя частицы горной породы шлам, который со скоростью V_t восходящим потоком бурового раствора поднимается вверх. По отношению к инструменту этот шлам будет двигаться с некоторой относительной скоростью, вектор которой будет ориентирован к оси инструмента под углом ϕ. Расположенные на пути потока опорные элементы отклоняют его под углом 90^o, а твердые частицы горной породы захватываются и останавливаются в клиновом зазоре благодаря скосу боковой поверхности опорных элементов под углом a. Там же шлам затирается в пустоты горной породы, создавая кольматационный экран. В тех местах, где нет каверн и трещин, шлам раздавливается, перетирается на стенке скважины до размеров, позволяющих свободно проходить через наименьший радиальный зазор d, и выносится восходящим потоком бурового раствора на поверхность.

Размер d принимается минимальным, зависящим от критического размера частиц шлама, составляющего 0,5 мм (см. Спивак А. И. Попов А. Н. Разрушение горных пород при бурении скважин. М. Недра. 1979, с. 15).

Для обеспечения непрерывной кольматации d не должен превышать размеры захватываемых частиц шлама. В то же время уменьшение d способствует уплотнению шлама и интенсивному задавливанию его в поры и каверны пласта, повышая стабилизирующее действие лопастей, т. е. снижая планетарный эффект. Однако дробление шлама до величины порядка < 0,5 мм вызывает резкое повышение прочности единичных частиц шлама по отношению к прочности породы, слагающей стенку скважины. В таком случае шлам будет интенсивно разрушать стенку скважины. Для предотвращения этого необходимо обеспечить выход раздробленного до критического состояния шлама через радиальный зазор d. Кроме того, непрерывный выход раздробленного шлама через зазор d позволяет исключить заклинивание (затирку) долота в твердой породе, как это может иметь место у твердосплавных калибрующих накладок. Спрессованные твердые частицы шлама подчиняются общим принципам движения сыпучих тел. Такую систему можно изначально представить как состоящую из 3-х слоев ее единичных элементов, что и обусловило выбор минимального размера радиального зазора. Минимальные значения d ограничиваются увеличением вероятности прихвата и повышением гидродинамического давления при спуско-подъемных операциях. Частицы размером 0,5 10 мм обладают наименьшей прочностью и не вызывают интенсивного разрушения стенок скважины (см. Шацов Н. И. и др. Бурение нефтяных и газовых скважин. М. Недра. 1961, с. 37). Дробясь, они прессуются в клиновом зазоре, образуя калибрующую накладку по всей поверхности опорных элементов, обеспечивая практически 100-ное касание долота относительно стенок скважины и одновременно производя кольматацию. Максимальный размер зазора обусловлен захватом твердых частиц, прочность которых меньше прочности материнской породы. Увеличение зазора снижает эффективность кольматации, при этом зазор, равный > 10 мм и < 1,5 мм, способствует расширению ствола скважины.

Указанный процесс возможен только при вращении долота с одновременной промывкой. При спуско-подъемных операциях долото не вращается, клиновый зазор остается свободным для прохода жидкости (калибрующей шламовой накладки не образуется), что снижает гидродинамические давления и исключает заклинивание инструмента.

Таким образом, изобретение позволяет повысить работоспособность долота, практически полностью устранить его планетарное вращение и придать цилиндрическую форму стволу скважины, одновременно производить механическую кольматацию стенок скважины, предотвращая поглощение бурового раствора, снизить поршневой эффект и уменьшить вероятность прихвата бурового инструмента.

Формула изобретения

Долото для вращательного бурения, содержащее корпус с наклонными армированными опорными элементами, отличающееся тем, что опорные элементы выполнены с наклоном по ходу вращения долота под углом Ψ к оси вращения, определяемым по формуле
Ψ = 90°-ϕ,
где ϕ угол, образованный вектором относительной скорости движения частицы и осью вращения долота, определяемый из соотношения

где h_e
коэффициент скольжения жидкости относительно долота,
ω_д угловая скорость вращения долота, c^-1;
D_к диаметр устройства по опорным элементам, м;
v_t поступательная скорость частицы с учетом ее осаждения в потоке, м/с,
причем опорные элементы выполнены в поперечном сечении со скосом в сторону вращения долота, образующим со стенкой скважины клиновой зазор, переходящий в радиальный, причем угол скоса выбирают согласно выражению 0 ≅ tgα < f, где f коэффициент трения твердых частиц по горной породе, при этом максимальное значение угла α определяют по формуле

где ρ - радиус кривизны опорных элементов в поперечном сечении, м;
а минимальное значение радиального зазора δ (м) равно утроенному значению критического размера частиц шлама, при котором начинается интенсивное разрушение стенок скважины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3