ДИНАМИЧЕСКИ УСТОЙЧИВОЕ ГИБРИДНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО
DYNAMICALLY STABLE HYBRID DRILL BIT

Область техники
В общем настоящее изобретение относится к области долот для бурения подземных пород и, в частности, к долоту, в котором объединены шарошки и запрессованные резцы, и режущие элементы.
Уровень техники
Достижения роторного бурения позволили обнаружить нефтяные и газовые пласты глубокого залегания и обеспечили добычу огромных количеств нефти. Долото для роторного бурения стало важным изобретением, сделавшим возможным достижения роторного бурения. Первые лопастные долота и долота ударно-канатного бурения могли использоваться для промышленного бурения только мягких грунтовых пород, но уже двухшарошечное дробящее долото, изобретенное Говардом Р. Хьюзом (US 930759), бурило с относительной легкостью покрывающую породу. По скорости и глубине бурения это почтенное изобретение, относящееся к первой декаде прошлого столетия, многократно уступает современным долотам для роторного бурения. Первое долото Хьюза могло бурить несколько часов, в то время как современные буровые долота бурят по несколько дней. В некоторых случаях современным буровым долотом пробуривают тысячи футов, вместо нескольких футов. Столь внушительные улучшения характеристик долот для роторного бурения стали возможны благодаря многим усовершенствованиям.
В бурении скважин в подземных породах с использованием долот с коническими или дисковыми шарошками применяются дробящие долота с закрепленными на них одной, двумя или тремя вращающимися шарошками. Долото прикрепляется к нижнему концу бурильной колонны, которую вращают с поверхности, либо скважинным двигателем, или турбиной. Резцы, установленные на долоте, при вращении бурильной колонны вращаются и скользят по дну буровой скважины, захватывая и разрушая материал удаляемой породы. На шарошках имеются режущие элементы или зубья, которые под весом бурильной колонны проникают в дно буровой скважины и продалбливают его. Обломки породы со дна и боковых стенок скважины смываются буровым раствором, нагнетаемым вниз с поверхности сквозь полую вращающуюся бурильную колонну, и уносятся в виде взвеси в буровом растворе на поверхность.
Шарошечные буровые долота преобладали в бурении нефтяных скважин большую часть XX столетия. Благодаря прогрессу в технологии синтетических алмазов в 70-х - 80-х годах, в конце XX столетия снова стало популярным долото с запрессованными резцами или "лопастное" долото. Современные долота с запрессованными резцами, часто называемыми "алмазными" или ПКА (от англ. polycrystalline diamond compact - вставка из поликристаллического алмаза) долотами, очень далеко ушли от первых долот с запрессованными резцами XIX и начала XX столетий. В алмазных или ПКА долотах используются режущие элементы, включающие слои или "пластинки" вставок из поликристаллического алмаза, сформированные и закрепленные на несущей подложке, обычно выполненной из твердого сплава на основе карбида вольфрама, при этом режущие элементы устанавливаются в определенных местах на лопастях или иных структурах на корпусе долота, а алмазные пластинки обращены в основном в направлении вращения долота. Преимущество алмазных долот по сравнению с шарошечными долотами состоит в их агрессивности, позволяющей получить значительно большую скорость бурения при той же нагрузке на долото (ОННД - осевая нагрузка на долото). Кроме того, у них нет движущихся частей, что делает их конструкцию менее сложной и более прочной. Алмазные долота отличаются по механике и динамике бурения от шарошечных именно благодаря тому, что они более агрессивны и создают больший крутящий момент. При проведении буровых работ алмазные долота используются так же, как и шарошечные долота, они также вращаются, удаляя материал породы, прижимаемые к выбуриваемой породе приложенной ОННД. Алмазные режущие элементы находятся в постоянном зацеплении с соскребаемым материалом породы, в то время как шарошечные режущие элементы выдалбливают породу прерывисто, при этом взаимное перемещение (соскабливание) между режущим элементом и породой очень невелико или отсутствует. Шарошечные и алмазные долота каждые имеют свою область применения, для которой они подходят лучше другого; никакое из этих долот в обозримом будущем, вероятно, не сможет полностью заменить другое.
Известно, что в некоторых буровых долотах используется комбинация одной или более шарошек с одной или более фиксированными лопастями. Некоторые из этих комбинированных буровых долот называют гибридными долотами. В известных конструкциях гибридных долот, например, описанных в US 4343371 (Baker, III), US 4444281 (Schumacher), используется одинаковое число фиксированных лопастей и шарошек в строго симметричной конфигурации. В этих долотах дробление породы выполняется в основном шарошками, особенно в центре скважины или долота.
При малых ОННД и более высоких скоростях вращения долота с запрессованными резцами или лопастные долота иногда страдают от нежелательного эффекта, известного как "биение долота". В этом режиме долото часть времени вращается вокруг оси, не совпадающей с геометрическим центром долота так, что долото стремится вращаться с биениями или совершать "обратную прецессию" по буровой скважине. Эта обратная прецессия приводит к тому, что центр вращения резко меняется при вращении бурового долота по скважине. При этом отдельные ПКА режущие элементы сдвигаются вбок и назад и подвергаются воздействию высоких нагрузок в направлении, не предусмотренном их конструкцией. Это может вызвать поломку и преждевременное разрушение режущих элементов. Для борьбы с этим явлением были разработаны различные средства и способы, позволяющие получить так называемые "антивихревые" долота, сбалансированные от вибраций. Примеры "антивихревых" долот приведены в переуступленных одному владельцу патентах US 5873422 и US 5979576 (Hansen et al.) и в патенте US 4932484 (Warren et al.), переуступленном Amoco.
В шарошечных долотах аналогичное явление, называемое "эксцентричным вращением" или прямой прецессией, возникает, когда сама ось долота описывает концентрический круг вокруг центра буровой скважины. Такая ситуация типична для бурильных работ, при которых пробуриваемый материал проявляет пластичность, и боковому смещению долота способствует отсутствие стабилизации, малая глубина вруба, высокая скорость вращения долота и малая нагрузка на долото. Другим фактором, способствующим тому, что вращение долота происходит эксцентрично, является недостаточная очистка дна скважины, где остается слой мелких обломков, выполняющий роль смазки между долотом и материалом породы, облегчающий поперечное смещение долота. Эксцентричное вращение в значительно меньшей степени разрушительно для режущих элементов или режущей структуры шарошечного долота, чем биения для долота с запрессованными резцами. Однако эксцентричное вращение в шарошечных долотах все-таки нежелательно, поскольку бурение происходит медленно и создает скважину большего размера или с отклонением от диаметра, в которой долото хуже поддается стабилизации и стремится отклоняться от заданного направления, в результате чего скважина отклоняется от вертикали нежелательным образом. Пример конструкции шарошки, в которой решается проблема эксцентричного вращения, приведен в патенте US 5695018 (Pessier and Isabel).
Ни в одном из известных документов не упоминается и не рассматривается склонность к вращению с биениями или эксцентричному вращению гибридного долота с его комбинацией шарошек и фиксированных лопастей. Соответственно, желательно создание усовершенствованного бурового долота с улучшенными характеристиками бурения.
Раскрытие изобретения
Общей задачей настоящего изобретения является создание усовершенствованного динамически устойчивого бурового долота гибридного типа. Эти и другие задачи настоящего изобретения решаются использованием бурового долота, включающего корпус долота, конфигурация верхнего участка которого обеспечивает его подсоединение в бурильную колонну. Заданное число фиксированных лопастей выступают вниз от корпуса долота и заданное число шарошек установлены для вращения на корпусе долота. На каждой шарошке может быть закреплено несколько режущих элементов шарошки, и на каждой фиксированной лопасти закреплено несколько режущих элементов фиксированных лопастей. Заданное число фиксированных лопастей по меньшей мере на единицу больше заданного числа шарошек.
В соответствии с частным вариантом осуществления настоящего изобретения, фиксированные лопасти и шарошки распределены по всем 360 градусам окружности корпуса долота, и основная часть режущих элементов фиксированных лопастей заключены в пределах 180° окружности корпуса долота.
В соответствии с частным вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере один из режущих элементов фиксированной лопасти расположен вблизи центральной оси корпуса долота для разрушения породы по центру. Однако режущий элемент фиксированной лопасти, находящийся по центру долота, не является необходимым для настоящего изобретения.
В соответствии с частным вариантом осуществления настоящего изобретения, 2/3 режущих элементов фиксированной лопасти заключены в пределах 180° окружности бурового долота.
В соответствии с частным вариантом осуществления настоящего изобретения, по меньшей мере две из заданного числа фиксированных лопастей граничат одна с другой без находящейся между ними шарошки.
Другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при знакомстве с чертежами и подробным описанием.
Краткое описание чертежей
С тем чтобы стало более понятно, каким образом реализуются признаки и достигаются преимущества настоящего изобретения, и для ознакомления с его деталями, далее приводится описание конкретных вариантов осуществления изобретения, сущность которого была изложена выше, со ссылкой на варианты его осуществления, проиллюстрированные приложенными чертежами, которые составляют часть настоящего описания. Следует, однако, заметить, что чертежи иллюстрируют только некоторые варианты осуществления изобретения и поэтому не могут считаться ограничивающими область его притязаний, поскольку изобретение может быть применимо к другим в равной мере имеющим силу вариантам осуществления:
на фиг.1 представлен вид сбоку гибридного бурового долота, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2 представлен вид снизу в плане варианта осуществления гибридного бурового долота, показанного на фиг.1;
на фиг.3 представлен перспективный вид снизу частного варианта осуществления гибридного бурового долота, конструкция которого соответствует настоящему изобретению.
Подробное описание осуществления изобретения
На фиг.1 и 2 представлено буровое долото 11, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения. Долото 11 включает корпус 13 долота, имеющий центральную продольную ось 15, определяющую центральную ось корпуса 13 долота. В представленном варианте осуществления, корпус 13 долота выполнен из стали, но он также может быть выполнен и из матричного материала, армированного сталью, либо из спеченного карбида. На своем верхнем или заднем конце корпус 13 долота включает хвостовик, имеющий резьбу или иначе приспособленный для присоединения к полой бурильной колонне (не показана), которая вращает долото 11 и через которую к долоту и пробуриваемой породе нагнетается буровой раствор.
Радиально наиболее удаленная поверхность корпуса 13 долота, называемая калибрующей поверхностью, соответствует по диаметру буровой скважине (на фиг.2 показана пунктиром), пробуриваемой долотом 11. Вниз от корпуса 13 долота вдоль оси отходит по меньшей мере одна (показаны две) лапа 17 долота. Корпус 13 долота также включает несколько (например, показано три) фиксированных лопастей 19, отходящих вниз в осевом направлении. Лапы 17 долота и фиксированные лопасти 19 расположены по всей окружности корпуса долота в определенных местах. Как более подробно показано ниже, число и расположение фиксированных лопастей 19 (и число запрессованных в них резцов) играет важную роль в стабилизации или борьбе с биениями долота, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением.
Шарошка 21, 23 установлена на герметичном подшипнике скольжения, который является частью каждой лапы 17 долота. Вместо герметичного подшипника скольжения могут быть использованы герметичные или негерметичные роликовые подшипники. В показанном варианте осуществления, ось вращения каждой шарошки 21, 23 пересекает центральную ось 15 долота, благодаря чему шарошки 21 не имеют наклона или угла и не имеют смещения (см. фиг 2 и 3). В альтернативном варианте, шарошки 21, 23 могут иметь угол наклона и (или) смещение, чтобы вызвать скольжение шарошек 21, 23, когда они прокатываются по дну буровой скважины.
По меньшей мере одна (показано несколько) режущая вставка шарошки или режущие элементы 25 расположены на шарошках 21, 23 в целом кольцевыми рядами. Режущие элементы 25 шарошек не обязательно должны быть расположены рядами, а могут быть "хаотично" расположены на каждой шарошке 21, 23. Более того, режущие элементы шарошки могут иметь форму одного или более дисков или расположенных по кольцу резцов для вырезания пропилов, которые также попадают под определение режущих элементов шарошки. Шарошки 21, 23, в комбинации с фиксированными лопастями 19, имеют уменьшенную вибрацию при постоянной нагрузке на долото (ОННД) по сравнению с долотами с запрессованными резцами. Кроме того, шарошки или резцы 21, 23 позволяют ограничить глубину резания режущих элементов фиксированных лопастей 19. Эти цели также могут быть достигнуты шарошками, у которых полностью отсутствуют режущие элементы 25 шарошки, в виде вставок, или зубьев, или иных элементов.
На чертежах показаны вставки из карбида вольфрама, закрепленные на прессовой посадке (или пайкой тугоплавким припоем) в отверстиях в шарошке 21, 23, однако в некоторых случаях могут быть использованы резцы с фрезерованными или стальными зубьями с твердосплавным упрочнением (режущие элементы 25), выступающие из шарошки и составляющие с нею единое целое, и используемый здесь термин "режущие элементы шарошки" охватывает и такие зубья. Вставки или режущие элементы могут иметь остроконечную форму, как показано на чертежах, коническую, круглую или яйцевидную, либо иную форму или комбинацию форм, в зависимости от применения. Режущие элементы 25 шарошки могут быть также выполнены из суперабразивных или сверхтвердых материалов, например поликристаллического алмаза, кубического нитрида бора и др., или покрыты такими материалами.
Кроме того, несколько запрессованных режущих элементов 31 фиксированных лопастей расположены в ряд и прикреплены к каждой из фиксированных лопастей 19 на их ведущих кромках (ведущая кромка определяется по направлению вращения долота 11). Каждый из режущих элементов 13 фиксированной лопасти включает слой поликристаллического алмаза или пластинку на ведущей, по направлению вращения, торцевой поверхности несущей подложки, при этом алмазный слой или пластинка образуют режущую поверхность, на периферии которой имеется режущая кромка, захватывающая породу.
На каждой лопасти 19 имеется по несколько дублирующих резцов 35. Дублирующие резцы 35 используются при необходимости и служат, главным образом, для защиты лопастей 19 от износа на поверхностях позади ведущей кромки каждой лопасти. Дублирующие резцы также могут влиять на устойчивость и динамические характеристики долота 11, но их влияние незначительно по сравнению с основными запрессованными режущими элементами 31 на ведущей кромке каждой лопасти 19. Поэтому в настоящей заявке дублирующие резцы 35 либо любые иные запрессованные резцы или режущие элементы, не расположенные на ведущей кромке каждой лопасти, не принимаются во внимание при решении задачи возбуждения поперечной разбалансирующей силы, противодействующей тенденции долота к обратной прецессии, как это будет подробно рассмотрено далее.
На калибрующей поверхности по наружной границе каждой лопасти 19 (фиг.1) имеется несколько износоустойчивых элементов 37. Эти элементы 37 могут представлять собой вставки из карбида вольфрама или другого твердого сплава с плоской или скругленной верхней поверхностью, закрепленные на прессовой посадке или пайкой тугоплавким припоем в отверстиях в калибрующих накладках на каждой лопасти 19. Эти элементы 37 имеют, в основном, пассивную функцию сопротивления износу лопасти 19. В некоторых применениях, может быть желательным поместить на калибрующую накладку активные режущие элементы, например сверхтвердые (поликристаллические алмазы) плоские элементы со скошенной кромкой для срезания боковой стенки пробуриваемой скважины. В других применениях, может быть полезным нанести твердосплавное упрочнение наваркой твердым сплавом, например карбидом вольфрама.
Число лап 17 долота и фиксированных лопастей 19 составляет по меньшей мере единицу, и, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, число фиксированных лопастей превышает число лап 17 долота (и соответствующих шарошек) по меньшей мере на единицу. Обычно, если лопастей 19 больше, чем шарошек 21, 23 (и количество каждого больше одного), распределение лопастей требует, чтобы по меньшей мере две из лопастей 19 и связанные с ними запрессованные режущие элементы 31 были распределены на одной половине или в пределах 180 градусов окружности долота. Независимо ни от чего, в соответствии с настоящим изобретением, число и распределение (по полной окружности корпуса 13 долота) фиксированных лопастей 19 (и запрессованных элементов 31) выбирается так, чтобы запрессованные режущие элементы 31 концентрировались в одной области долота. Это вызывает появление поперечной силы, нарушающей баланс долота в процессе бурения, и противостоит тенденции долота к обратной прецессии, позволяя избежать возникновения разрушительных сил, воздействующих на запрессованные режущие элементы 31, связанных с этим состоянием. Кроме того, из-за наличия шарошек существует тенденция появления эксцентричного вращения или прямой прецессии, которая противодействует тенденции к разрушительной обратной прецессии.
В частности, в соответствии с настоящим изобретением, число и распределение фиксированных лопастей 19 выбирается таким образом, чтобы по меньшей мере большая часть (более половины и, желательно, ближе к двум третям (2/3)) запрессованных режущих элементов 31 на фиксированных лопастях были сконцентрированы на одной половине или в пределах 180 градусов окружности долота 11. Кроме того, асимметрия в расположении лопастей и резцов и разбалансировка режущих усилий могут быть увеличены, если количество фиксированных лопастей 19 (и связанных с ними режущих элементов 31) больше числа шарошек 21, 23. Более того, чем больше имеется фиксированных лопастей 19, тем больше может быть число запрессованных режущих элементов 31 и их избыточность. Благодаря этому сокращается удельная нагрузка на каждый режущий элемент 31 и, тем самым, повышается надежность их работы и срок службы.
В соответствии с указанными параметрами, представленный на фиг.1 и 2 предпочтительный вариант осуществления имеет три фиксированные лопасти 19 и две (на одну меньше) лапы 17 долота и шарошки 21, 23. Две из фиксированных лопастей 19 расположены относительно близко друг к другу (примерно в пределах 70 градусов дуги) и между ними нет лапы долота или шарошки. Третья фиксированная лопасть 19 удалена примерно на 140 градусов от каждой из двух других фиксированных лопастей. Каждая фиксированная лопасть 19 включает восемь или девять запрессованных режущих элементов 31 так, что всего здесь имеется от 24 до 27 запрессованных режущих элементов 31. Соответственно, в предпочтительном варианте, показанном на фиг.1 и 2, от 16 до 19 запрессованных резцов (из общего их числа 24-27) расположены в пределах половины или 180 градусов окружности долота 11. В этом случае, дублирующие резцы 35 или любые иные резцы, не расположенные на ведущей кромке лопастей 19, в расчет не принимаются.
На фиг.3 показан еще один вариант долота 111, в соответствии с настоящим изобретением, отличающийся большой асимметрией, так как число лопастей 119 (три) превосходит число лап 117 и резцов 121 (один) на два. При этом две из трех лопастей 119 и соответствующая им большая часть (примерно 2/3) запрессованных режущих элементов 131 находится в пределах 180 градусов окружности. В этом варианте осуществления, все фиксированные лопасти 119 разнесены по углу и заключены в пределах примерно 220 градусов, причем между двумя из них нет лапы 117 и резца 121. В этом варианте, асимметрия и результирующая разбалансирующая сила создаются благодаря угловому разносу лопастей 119 и большему числу лопастей (по сравнению с резцами).
В соответствии с проиллюстрированными вариантами осуществления, по меньшей мере один из запрессованных режущих элементов 31 на по меньшей мере одной из лопастей расположен так, чтобы вырубать породу по центральной оси долота (обычно совпадает с центральной осью буровой скважины). Однако динамическая устойчивость конфигурации не определяется вырубанием центра буровой скважины запрессованным режущим элементом 31, и эта конфигурация приведена только для иллюстрации. В любом случае, благодаря гибридной конфигурации долота режущие элементы 25, 125 шарошки и режущие элементы 31, 131 фиксированной лопасти в совокупности определяют общую или конгруэнтную режущую поверхность в носовой части и на перегибе профиля долота. Режущие элементы 25, 125 шарошки размалывают и предварительно раздробляют породу в наиболее нагруженных носовой части и перегибе буровой скважины, уменьшая нагрузку на запрессованные режущие элементы.
Кроме того, асимметрия, созданная тем, что большая часть фиксированных лопастей 19, 119 и связанных с ними режущих элементов 31, 131 собраны на половине (180 градусов) или менее окружности долота, в сочетании с неодинаковым числом фиксированных лопастей 19, 119 и шарошек 21, 23, 121, создает разбалансирующую силу, которая способствует тенденции к прямой прецессии шарошек 21, 23, 121 в ее противодействии тенденции долота к обратной прецессии и связанному с ней разрушению или повреждению запрессованных режущих элементов 31, 131.
Изобретение обладает рядом преимуществ и включает асимметрию лопастей и шарошек и разбалансировку дробящих сил, что позволяет избежать синхронной вибрации и разрушительной обратной прецессии или подавить их. Большее число используемых лопастей обеспечивает дальнейшее повышение долговечности основной ПКА режущей структуры за счет большей плотности режущих элементов и избыточности их числа.
В то время как изобретение было показано или описано только некоторыми своими формами, для специалиста будет понятно, что только этим оно не ограничено и допускает различные его изменения в пределах области притязаний изобретения, определяемой следующей далее формулой и ее законными эквивалентами.