ГИБРИДНОЕ ДОЛОТО С ИЗМЕНЯЕМЫМ ВЫСТУПОМ РЕЗЦОВ
HYBRID DRILL BIT WITH VARIABLE CUTTER LEDGE

Притязания на приоритет
Настоящая заявка претендует на приоритет патентной заявки US 12/487561, поданной 18 июня 2009 г. и включенной в настоящее описание посредством ссылки.
Область техники
Раскрытое и рассмотренное здесь изобретение относится в целом к гибридным буровым долотам и, в частности, к гибридным буровым долотам, имеющим как шарошечные режущие элементы, так и режущие элементы фиксированных лопастей.
Уровень техники
В US 5558170 описывается лопастное долото, имеющее на своей торцевой поверхности несколько лопастей или гребней, в верхней поверхности которых посредством фрезерования выполнено одно или более гнезд. По калибрующему диаметру каждого из гребней расположены вставки или штифты из карбида вольфрама для уменьшения воздействия на режущий элемент калибрующего диаметра долота. Штифт из карбида вольфрама выступает до калибрующего диаметра ствола скважины для стабилизации долота внутри ствола скважины для ограничения его вихревого движения. Штифт из карбида вольфрама выступает непосредственно перед по меньшей мере последним узлом резцов относительно направления вращения долота, принимая ударное воздействие на себя вместо резцов. Дополнительный штифт из карбида вольфрама, или резец специальной формы, располагается вдоль лопастей на одной линии в ПКА режущими узлами для ограничения проникновения в породу ПКА режущих узлов, для ограничения тем самым вихревого движения долота или нестабильности его наклона. Фигурный ПКА резец имеет скошенную кромку, угол наклона которой больше переднего угла ПКА резца в продольной плоскости с тем, чтобы в контакт со стенкой ствола скважины вступала вставка из карбида вольфрама, а не ПКА режущая часть, ограничивая глубину проникновения. По мере износа долота ПКА режущая часть начинает захватывать породу, так же как и другие ПКА режущие узлы.
В US 6684967 описывается буровое долото, включающее усовершенствованные калибрующие накладки, специально приспособленное для обработки стенки ствола скважины. В предпочтительном варианте осуществления калибрующие накладки бурового долота устанавливаются так, что активные калибрующие накладки, имеющие режущую часть, чередуются с неактивными калибрующими накладками, имеющими поверхность, устойчивую к истиранию. Режущие элементы калибрующей накладки, помещенные на первой активной калибрующей накладке, взаимодействуют с режущими элементами калибрующей накладки, помещенными на других активных режущих накладках. В результате получается непрерывная последовательность перекрывающихся режущих элементов, пригодных для прорезывания стенки ствола скважины. В предпочтительном варианте неактивные калибрующие накладки размещаются между активными калибрующими накладками. Эти неактивные калибрующие накладки имеют износоустойчивую поверхность (например, вставка из стали или алмаза), проходящую до калибрующего диаметра. Эти неактивные калибрующие накладки помогают поддерживать размер ствола скважины и предотвращают воздействие на буровое долото нежелательных вращающих моментов.
В патентной заявке US 20080264695 описывается гибридное буровое долото, имеющее как шарошки, так и фиксированные лопасти, и способ бурения. Режущие элементы на фиксированных лопастях формируют непрерывный режущий профиль от периметра корпуса долота до центральной оси. Режущие элементы на шарошках перекрываются с фиксированными режущими элементами в носовой части и на перегибе (плечевой части) режущего профиля между центральной осью и периметром. Режущие элементы шарошек разрушают и предварительно или частично дробят породу в ограниченном объеме носовой части и части перегиба, на которые приходятся очень высокие нагрузки.
В патентной заявке 20090126998 описывается гибридное долото для бурения подземных пород, включающее корпус долота, имеющий центральную ось, по меньшей мере одну, а желательно три фиксированные лопасти, проходящие вниз от корпуса долота, каждая из которых имеет ведущую кромку и по меньшей мере одну, а желательно три шарошки, установленные на корпусе долота с возможностью вращения. Шарошка располагается между двумя фиксированными лопастями."
Раскрытое и описанное здесь изобретение направлено на усовершенствование долота для бурения подземных пород.
Раскрытие изобретения
Долото для бурения подземных пород, включающее корпус долота, профиль которого включает несколько частей, например конусную часть, носовую часть, часть перегиба (плечевую) и калибрующую часть; несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к корпусу и определяющих профиль фиксированных резцов; и шарошку, закрепленную на корпусе с возможностью вращения, имеющую несколько режущих элементов шарошки, определяющих профиль шарошки, при этом профиль фиксированных резцов выходит за пределы профиля шарошки в по меньшей мере одной из частей, а профиль шарошки выходит за пределы профиля фиксированных резцов в по меньшей мере одной из частей. Профиль шарошки может выходить за пределы профиля фиксированных резцов в части перегиба и калибрующей части, при этом профиль фиксированных резцов может выступать за пределы профиля шарошки в носовой части и (или) конической части. В альтернативном варианте профиль фиксированных резцов может выступать за пределы профиля шарошки на перегибе и в калибрующей части, при этом профиль шарошки может выступать за пределы профиля фиксированных резцов в носовой части и (или) конической части.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлен вид снизу варианта осуществления гибридного бурового долота, в конструкции которого используются некоторые особенности настоящих изобретений;
на фиг.2 представлен вид сбоку варианта осуществления гибридного бурового долота, показанного на фиг.1, в конструкции которого используются определенные особенности настоящих изобретений;
на фиг.3 представлен другой вид сбоку варианта осуществления гибридного бурового долота, показанного на фиг.1, в конструкции которого используются определенные особенности настоящих изобретений;
на фиг.4 показана часть профиля гибридного бурового долота, показанного на фиг.1, в конструкции которого используются определенные особенности настоящих изобретений;
на фиг.5 иллюстрируется предпочтительное соотношение между профилем фиксированных резцов и профилем шарошки, использующее определенные особенности настоящих изобретений;
на фиг.6 иллюстрируется второе предпочтительное соотношение между профилем фиксированных резцов и профилем шарошки, использующее определенные особенности настоящих изобретений;
на фиг.7 иллюстрируется третье предпочтительное соотношение между профилем фиксированных резцов и профилем шарошки, использующее определенные особенности настоящих изобретений;
на фиг.8 иллюстрируется четвертое предпочтительное соотношение между профилем фиксированных резцов и профилем шарошки, использующее определенные особенности настоящих изобретений;
на фиг.9 иллюстрируется пятое предпочтительное соотношение между профилем фиксированных резцов и профилем шарошки, использующее определенные особенности настоящих изобретений.
Подробное описание осуществления изобретения
Описанные выше фигуры чертежей и приводимое ниже описание конкретных структур и функций не предназначены для ограничения объема изобретения или области притязаний приложенной формулы. Напротив, чертежи и описание предназначены для того, чтобы показать любому специалисту, как могут быть изготовлены и использованы изобретения, для которых испрашивается патентная защита. Специалистам должно быть понятно, что для краткости и лучшего понимания описаны или показаны не все признаки промышленных вариантов осуществления изобретений. Специалистам также должно быть понятно, что разработка реальных конструкций, включающих особенности настоящего изобретения, для достижения целей разработки для промышленного образца потребует многочисленных решений, обусловленных конкретным вариантом реализации. Такие решения, обусловленные конкретным вариантом реализации, могут включать соблюдение ограничений системного, делового, нормативного и иного характера, хотя, скорее всего, не сводятся к ним. Эти ограничения могут отличаться для конкретного варианта осуществления, местоположения и с течением времени. Хотя стоящие перед разработчиком задачи будут сложны и трудоемки в абсолютном выражении, использование данного раскрытия для специалиста сделает решение этих задач обычной работой. Следует понимать, что раскрытое и описанное здесь изобретение может иметь различные модификации и альтернативные формы. И, наконец, использование термина в единственном числе, например, выражаемого неопределенным артиклем или иным способом, не подразумевает ограничения количества элементов. Кроме того, использование терминов, выражающих соотношения, например "верх", "низ", "левый", "правый", "верхний", "нижний", "вниз", "вверх", "боковой" и другие, используются в описании для прояснения конкретных ссылок на чертежи и не предполагают ограничения области притязаний изобретения или приложенной формулы.
Заявителями предложено долото для бурения подземных пород, включающее корпус долота, профиль которого включает несколько частей, например конусную часть, носовую часть, часть перегиба и калибрующую часть; несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к корпусу и определяющих профиль фиксированных резцов; и шарошку, установленную на корпусе с возможностью вращения, имеющую несколько режущих элементов шарошки, определяющих профиль шарошки, при этом профиль фиксированных резцов выходит за пределы профиля шарошки в по меньшей мере одной из частей и профиль шарошки выходит за пределы профиля фиксированных резцов в по меньшей мере одной из частей. Профиль шарошки может выходить за пределы профиля фиксированных резцов в части перегиба и калибрующей части, при этом профиль фиксированных резцов может выступать за пределы профиля шарошки в носовой части и (или) конусной части. В альтернативном варианте профиль фиксированных резцов может выступать за пределы профиля шарошки в части перегиба и в калибрующей части, при этом профиль шарошки может выступать за пределы профиля фиксированных резцов в носовой части и (или) конусной части.
На фиг.1-3 показано гибридное долото 11, включающее как шарошки, так и фиксированные резцы с вставками из поликристаллического алмаза (ПКА), установленными на сдвоенных режущих структурах, аналогичных показанным в патентной публикации US 20080296068, введенной в настоящее описание специальной ссылкой. В частности, долото 11 включает корпус 13 долота, имеющий продольную ось 15, определяющую центральную ось корпуса 13 долота. От корпуса 13 долота в продольном осевом направлении могут отходить несколько кронштейнов 17 крепления шарошек. Корпус 13 долота также может включать несколько лопастей 19, отходящих в продольном осевом направлении. В предпочтительном варианте число кронштейнов 17 и лопастей 19 составляет по меньшей мере по одному, но может быть два или более. В одном варианте осуществления показано два кронштейна 17 и две лопасти 19.
Шарошки 21 установлены на соответствующих кронштейнах 17. В каждой из шарошек 21 может быть закреплено или отфрезеровано несколько режущих элементов шарошки, режущих вставок или резцов 25, например вставок из карбида вольфрама или вставок в виде стальных зубьев. При этом резцы 25 шарошки прикрепляются к корпусу 13 долота с возможностью вращения. Кроме того, на лопастях 19 могут быть неподвижно закреплены несколько фиксированных режущих элементов 31, например ПКА резцов. Радиальные расстояния 23, 27 могут меняться в соответствии с вариантом применения и размером долота от одной шарошки к другой и (или) от одного режущего элемента к другому, для того чтобы удаление материала породы по центру ствола скважины выполнялось скорее режущими элементами 31 фиксированных лопастей, нежели режущими элементами 25 шарошек.
Промывочные насадки 63, 65 обычно расположены по центру в гнездах в корпусе 13 долота. С промывочными насадками 63, 65 связаны пара канавок 71 для выноса бурового шлама, расположенные между задней стороной каждой шарошки 21 и ведущей кромкой каждой фиксированной лопасти 19 ("ведущая" и "задняя" определены относительно направления вращения долота 11). Канавки 71 для выноса бурового шлама создают в целом свободную от препятствий область или пространство для удаления обломков породы и бурового раствора из центральной части долота к его периферии для выведения этих материалов на поверхность. Вдоль лопасти 19 могут быть по радиусу размещены дублирующие резцы 81 для усиления воздействия в носовой области, области перегиба и калибрующей области, что более подробно рассматривается далее. Помимо дублирующих резцов 81, на калибрующей поверхности может находиться несколько износоустойчивых элементов 83 в наиболее удаленной от центра части каждой лопасти 19 для предотвращения износа лопасти 19.
Как также показано на фиг.4, в предпочтительном варианте лопасти 19 или какие-либо другие структуры долота 11 определяют профиль 101 долота, который может включать конусную часть 103, носовую часть 105, часть 107 перегиба и калибрующую часть 109. В предпочтительном варианте конусная часть 103 представляет собой в целом линейную часть, проходящую от почти центральной линии 15 бурового долота 11 наружу. Конусная часть 103 образует конусный угол 111 с горизонтальным дном ствола скважины, обычно составляющий примерно 10-30 градусов, желательно примерно 20 градусов. Однако в крайних случаях угол 111 может быть практически любой величины, от -90 до +90 градусов.
Носовая часть является самой низкой точкой бурового долота. Поэтому резец носовой части является передовым ведущим резцом. Носовая часть 105 приближенно определена ее радиусом. При большем радиусе носовой части 105 здесь имеется больше места для размещения резцов. Носовая часть 105 начинается там, где заканчивается конусная часть 103 и начинается кривизна лопасти, и проходит до части 107 перегиба. В частности, носовая часть 105 проходит до точки, в которой профиль 101 долота по существу совпадает с кругом, образованным кривизной носовой части. Носовая часть 105 испытывает значительно более быстрое относительное перемещение по сравнению с конусной частью 103. Кроме того, на носовую часть обычно приходится больше давления, чем на другие части. В результате носовая часть 105 часто испытывает значительно больший износ, чем конусная секция 103.
Секция 107 перегиба начинается там, где профиль 101 долота отходит от кривизны носовой части и продолжается наружу на каждой лопасти 19 до точки, где наклон лопасти 19 становится, по существу, вертикальным, т.е. до калибрующей части 109. Часть перегиба испытывает значительно более быстрое относительное перемещение, чем конусная часть 103. Кроме того, часть 107 перегиба принимает на себя тяжесть повреждающих воздействий от нефункциональных динамических нагрузок, например вихревого движения долота. В результате часть 107 перегиба испытывает значительно больший износ, чем конусная часть 103. Часть 107 перегиба также дает и значительно больший вклад в скорость проходки и эффективность бурения, чем конусная часть 103. В зависимости от применения носовая часть 105 или часть 107 перегиба могут испытывать наибольший износ.
Калибрующая часть 109 начинается там, где заканчивается часть 107 перегиба. В частности, калибрующая часть 109 начинается там, где наклон лопасти 19 преимущественно вертикальный. Калибрующая часть 109 продолжается вверх к верхнему периметру или калибрующей поверхности бурового долота 11. Калибрующая часть 109 испытывает наиболее быстрое движение относительно земной породы. Однако отчасти благодаря большому практически вертикальному наклону лопасти 19 в калибрующей части 109 она обычно не испытывает такого большого износа, как часть 107 перегиба и (или) носовая часть 105. При этом, однако, износ калибрующей части 109 обычно больше, чем у конусной части 103.
Как также показано на фиг.5, режущие элементы 31 фиксированных лопастей обычно выступают наружу от профиля 101 долота, образуя профиль 131 фиксированных резцов. Профиль 131 фиксированных резцов часто, хотя и не обязательно, совпадает с профилем 101 долота. Например, профиль 131 фиксированных резцов может иметь такую же кривизну, что и профиль 101 долота, но быть смещенным от него. В некоторых вариантах осуществления профиль 131 фиксированных резцов даже может определять и профиль 101 долота. В любом случае, в предпочтительном варианте, профиль 131 фиксированных резцов проходит через конусную часть 103, носовую часть 105, часть 107 перегиба и калибрующую часть 109. Однако в альтернативных вариантах осуществления профиль 131 фиксированных резцов может проходить только в пределах одной или более частей.
Кроме того, режущие элементы 25 шарошек обычно выступают наружу от профиля 101 долота, образуя профиль 121 шарошек. Профиль 121 шарошек также может быть аналогичен профилю 101 долота и (или) смещен относительно профиля 101 долота и (или) профиля 131 фиксированных резцов на любой из частей. Например, профиль 121 шарошек может проходить по конусной части 103, носовой части 105, части 107 перегиба и калибрующей части 109. Однако, в альтернативных вариантах осуществления, профиль 121 шарошек может выступать только в пределах одной или более частей.
В одном предпочтительном варианте осуществления, как показано на фиг.5, профиль 121 шарошек выступает за пределы профиля фиксированных резцов 131 в части 107 перегиба и калибрующей части 109, в то время как профиль 131 фиксированных резцов выступает за пределы профиля 121 шарошек в носовой части 105 и конусной части 103. Другими словами, профиль 121 шарошек обладает избыточным выступом, а профиль 131 фиксированных резцов заглублен в части 107 перегиба и калибрующей части 109, в то время как профиль 131 фиксированных резцов обладает избыточным выступом, а профиль 121 шарошек заглублен в носовой части 105 и конусной части 103.
Как показано на фиг.6, в альтернативном варианте осуществления, профиль 131 фиксированных резцов выступает за пределы профиля 121 шарошек в части 107 перегиба и калибрующей части 109, в то время как профиль 121 шарошек выступает за пределы профиля 131 фиксированных резцов в носовой части 105 и конусной части 103. Другими словами, профиль 131 фиксированных резцов обладает избыточным выступом, а профиль 121 шарошек заглублен в части 107 перегиба и калибрующей части 109, в то время как профиль 121 шарошек обладает избыточным выступом, а профиль 131 фиксированных резцов заглублен в носовой части 105 и конусной части 103. Как также показано на фиг.6, профили 121, 131 могут отличаться от профилей, показанных на фиг.5.
На фиг.7 также показано, что профиль 131 фиксированных резцов может выступать за пределы профиля 121 шарошек в конусной части 103 и носовой части 105, в то время как профиль 121 шарошек выступает за пределы профиля 131 фиксированных резцов в части 107 перегиба, при этом профиль 131 фиксированных резцов в целом соответствует профилю 121 шарошек в калибрующей части 109. Другими словами, профиль 131 фиксированных резцов может иметь избыточный выступ, а профиль 121 шарошек может быть заглублен в конусной части 103 и носовой части 105, в то время как профиль 121 шарошек имеет избыточный выступ, а профиль 131 фиксированных резцов заглублен в части 107 перегиба, при том что профиль 131 фиксированных резцов в целом совпадает с профилем 121 шарошек в калибрующей части 109. Таким образом, профили 121, 131 могут в целом совпадать в любой из частей.
Каждый профиль 121, 131 не обязательно должен проходить по каждой части. Например, как показано на фиг.8, профиль 131 фиксированных резцов может проходить только через конусную часть 103, носовую часть 105 и в части 107 перегиба. В частности, профиль 131 фиксированных резцов может выступать за пределы профиля 121 шарошек в носовой части 105, в то время как профиль 121 шарошек выступает за пределы профиля 131 фиксированных резцов в конусной части 103 и части 107 перегиба, при этом только один из профилей 121, 131 (в данном случае профиль 121 шарошек) проходит по калибрующей части 109. Другими словами, профиль 131 фиксированных резцов может иметь избыточный выступ, а профиль 121 шарошек может быть заглублен в носовой части 105, в то время как профиль 121 шарошек имеет избыточный выступ, а профиль 131 фиксированных резцов заглублен в конусной части 103 и части 107 перегиба, при этом только один из профилей 121, 131 (в данном случае профиль 121 шарошек) проходит по калибрующей части 109.
В некоторых применениях эти соотношения могут поменяться местами. Например, профиль шарошек может проходить только по конусной части 103, носовой части 105 и по части 107 перегиба. В частности, профиль шарошек может выступать за пределы профиля фиксированных резцов в носовой части 105, в то время как профиль фиксированных резцов выступает за пределы профиля шарошек в конусной части 103 и части 107 перегиба, при этом только один из профилей проходит в калибрующей части. Другими словами, профиль шарошек может иметь избыточный выступ, а профиль фиксированных резцов может быть заглублен в носовой части 105, в то время как профиль фиксированных резцов имеет избыточный выступ, а профиль шарошек заглублен в конусной части 103 и части 107 перегиба, при этом только один из профилей проходит через калибрующую часть 109. В то время как в этом примере соотношение между профилями 121, 131 полностью отличается от соотношения, показанного на фиг.8, в некоторых применениях может быть изменена ограниченная часть показанных соотношений.
В другом варианте осуществления профиль 121 шарошек может проходить только по части 107 перегиба и носовой части 105. В частности, как также показано на фиг.9, профиль 121 шарошек может выступать за пределы профиля 131 фиксированных резцов в части 107 перегиба, в то время как профиль 131 фиксированных резцов выступает за пределы профиля 121 шарошек в носовой части 105, при этом только один из профилей 121, 131 (в данном случае профиль 131 фиксированных резцов) проходит через конусную часть 103 и калибрующую часть 109). Другими словами, профиль 121 шарошек может иметь избыточный выступ, а профиль 131 фиксированных резцов может быть заглублен в части 107 перегиба, в то время как профиль 131 фиксированных резцов имеет избыточный выступ, а профиль 121 шарошек заглублен в носовой части 105, при этом только один из профилей 121, 131 (в данном случае профиль 131 фиксированных резцов) проходит через конусную часть 103 и калибрующую часть 109.
Следует понимать, что термины "избыточный выступ" и "заглубление", используемые в настоящем описании, подразумевают выступ в направлении земной породы относительно профилей 101, 121, 131 и (или) корпуса 13 долота либо иного компонента долота 11. Например, когда профиль 121 шарошек описывается как имеющий избыточный выступ, профиль 121 шарошек может иметь избыточный выступ относительно профиля 131 фиксированных резцов, которые при этом могут быть описаны как заглубленные. Эти различия в величине выступа могут иметь много форм. Например, в некоторых вариантах осуществления лопасти 19 могут выступать за пределы шарошек 21 или наоборот. В дополнение к этому или в качестве альтернативы, шарошки 25 могут быть крупнее, а значит и вступать за пределы фиксированных резцов 31 или наоборот. В этом последнем примере лопасти 19 могут, хотя это и не обязательно, располагаться в целом вровень с шарошками 21. Естественно, в определенных применениях могут использоваться и те, и другие, и (или) иные способы.
Выступ может зависеть от размера долота 11, размера резцов 25, 31 и (или) области применения. Например, один профиль может иметь избыточный выступ относительно другого профиля вплоть до 0,5 дюйма. В одном варианте осуществления у долота, имеющего диаметр примерно 8¾ дюйма и 16 мм резцы, один профиль может иметь избыточный выступ относительно другого профиля величиной до 0,3 дюйма, с предпочтительной величиной этого избыточного выступа примерно 0,15 дюйма. В другом варианте осуществления, у долота с диаметром примерно 12½ дюйма, или даже 16 дюймов, и 19 мм резцами, один профиль может иметь избыточный выступ относительно другого профиля величиной до 0,35 дюйма, с предпочтительной величиной этого выступа примерно 0,19 дюйма. Конечно, в определенных применениях, какой-либо профиль может иметь избыточный выступ относительно другого профиля, превышающий 0,5 дюйма.
Описанные выше общие представления могут быть использованы для долот различных размеров. Например, в одном варианте осуществления, долото 11 имеет диаметр примерно 6 дюймов. Как показано выше, долото 11 может иметь диаметр примерно 8 ¾ дюйма, 12½ дюйма, или даже 16 дюймов. Поэтому следует понимать, что долото 11 может быть практически любого размера, например, диаметром от 6 до 16 дюймов. Конечно, в некоторых применениях, диаметр долота 11 может быть меньше 6 дюймов, или более 16 дюймов.
Могут быть предложены и другие варианты осуществления, использующие одну или более особенностей описанных выше изобретений, без отступления от существа изобретения Заявителя. Например, соотношения между профилями можно поменять местами, изменить, обратить и (или) инвертировать, по сравнению с показанными и описанными выше. Кроме того, для получения различных вариантов раскрытых способов и вариантов осуществления, могут использоваться различные способы и варианты осуществления изобретения в комбинации друг с другом. Рассмотрение отдельных элементов может относиться и к множеству элементов и наоборот.
Порядок выполнения любых шагов может иметь различную последовательность, если иное не оговорено специально. Различные описанные здесь шаги могут быть объединены с другими шагами, вставлены между имеющимися шагами и (или) разбиты на несколько шагов. Также, элементы были описаны функционально, и могут быть реализованы как отдельные компоненты, либо могут быть объединены в компоненты, имеющие несколько функций.
Изобретения были описаны применительно к предпочтительным и другим вариантам осуществления, но не каждый вариант осуществления изобретения был описан. Специалистам доступны очевидные модификации и изменения описанных вариантов осуществления. Раскрытые и нераскрытые варианты осуществления не подразумевают ограничения области притязаний или применения изобретения, предложенных Заявителем, напротив, в соответствии с патентным законодательством, Заявитель намерен обеспечить полную защиту всех таких модификаций и усовершенствований, попадающих в область притязаний или множество эквивалентов приведенной ниже формулы изобретения.