ВООРУЖЕНИЕ БУРОВОГО ДОЛОТА С ФИКСИРОВАННЫМИ РЕЗЦАМИ И ДРУГИЕ СКВАЖИННЫЕ БУРОВЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ
CUTTING STRUCTURES FOR FIXED CUTTER DRILL BIT AND OTHER DOWNHOLE DRILLING TOOLS

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
При бурении скважины в земной поверхности, например, с целью добычи углеводородов или других целей нижнюю часть компоновки секций бурильной трубы, соединенных встык и образующих "бурильную колонну", соединяют с буровым долотом. Долото приводится во вращение с помощью вращающейся на поверхности бурильной колонны или с помощью забойных двигателей или турбины, или с помощью двух этих способов. С помощью веса, приложенного к бурильной колонне, вращающееся долото входит в зацепление с породой, что приводит к прорезанию долотом горной породы либо путем истирания, разрыва, сдвига, либо путем сочетания всех способов резки, таким образом формируя скважину заданной траектории в направлении целевой зоны.
При бурении таких скважин были разработаны и используются на практике многие различные типы буровых долот. Среди них преобладают два типа буровых долот: шарошечные долота и долота с фиксированными резцами (ротационно срезающие). Большинство конструкций долота с фиксированными резцами содержат множество лопастей, расположенных под углом вокруг торца долота. Лопасти радиально выступают из корпуса долота и формируют между собой промывочные каналы. Кроме того, режущие элементы обычно группируют и устанавливают на нескольких лопастях в виде радиально расположенных рядов. Конфигурация или расположение режущих элементов на лопастях может изменяться в широких пределах, в зависимости от ряда факторов, например, от пробуриваемой породы.
Как правило, режущие элементы, расположенные на лопастях долота с фиксированными резцами, изготавливают из очень твердых материалов. В стандартном долоте с фиксированными резцами каждый режущий элемент содержит удлиненную и, как правило, цилиндрическую подложку из карбида вольфрама, установленную и зафиксированную в кармане, сформированном в поверхности одной из лопастей. Режущие элементы, как правило, содержат твердый режущий слой поликристаллического алмаза ("PCD") или других сверхабразивных материалов, например, термически стабильного алмаза или поликристаллического кубического нитрида бора. Для удобства в данной заявке ссылка на "долото PDC" или "резцы PDC" относится к долоту с фиксированными резцами или режущему элементу, в котором используют твердый режущий слой из поликристаллических алмазов или других сверхабразивных материалов.
Со ссылкой на Фиг.1 и 2 проиллюстрировано типовое долото с неподвижными резцами или лопастное долото 10, предназначенное для бурения сквозь образование горных пород для формирования скважины. Долото 10, как правило, содержит корпус долота 12, хвостовик 13 и резьбовое соединение или ниппель 14 на конце соединительного ниппеля 16 для присоединения долота 10 к бурильной колонне (не показана), которая используется для поворота долота при бурении скважины. Торец долота 20 служит опорой для режущих структур 15 и находится на конце долота 10, противоположном соединительному ниппелю 16. Дополнительно долото 10 содержит центральную ось 11, вокруг которой вращается долото 10 в направлении бурения, проиллюстрированного стрелкой 18.
Режущие структуры 15 расположены на торце 20 долота 10. Режущие структуры 15 содержат множество пространственно разнесенных и расположенных под углом основных лопастей 31, 32, 33 и вторичных лопастей 34, 35, 36, каждая из которых выступает из торца долота 20. Основные лопасти 31, 32, 33 и вторичные лопасти 34, 35, 36 выступают, как правило, радиально вдоль торца долота 20, а затем в продольном направлении вдоль боковой поверхности долота 10. При этом вторичные лопасти 34, 35, 36 выступают радиально вдоль торца долота 20 из положения, удаленного от оси долота 11, в сторону боковой поверхности долота 10. Таким образом, в данной заявке "вторичная лопасть" может использоваться для обозначения лопасти, которая начинается на некотором расстоянии от оси долота и обычно радиально выступает вдоль торца долота в сторону боковой поверхности долота. С помощью основных лопастей 31, 32, 33 и вторичных лопастей 34, 35, 36 разделяют направления движения бурового раствора 19.
На Фиг.1 и 2 каждая первичная лопасть 31, 32, 33 содержит верхнюю часть лопасти 42 для установки множества режущих элементов, а также каждая вторичная лопасть 34, 35, 36 содержит верхнюю часть лопасти 52 для установки множества режущих элементов. В частности, режущие элементы 40, каждый из которых содержит режущую поверхность 44, устанавливают в карманы, сформированные в верхней части лопасти 42, 52 каждой основной лопасти 31, 32, 33 и каждой вторичной лопасти 34, 35, 36, соответственно. Режущие элементы 40 расположены рядом друг с другом в радиально расположенном ряду, ближайшем к передней кромке каждой основной лопасти 31, 32, 33 и каждой вторичной лопасти 34, 35, 36. Каждая режущая поверхность 44 имеет наружный режущий наконечник 44а наиболее удаленный от верхней части лопасти 42, 52, в которой установлены режущие элементы 40.
На Фиг.3 проиллюстрирован профиль долота 10, проиллюстрированный со всеми лопастями (например, первичными лопастями 31, 32, 33 и вторичными лопастями 34, 35, 36) и режущими поверхностями 44 всех режущих элементов 40, повернутыми в одной плоскости. В развернутом виде верхними частями лопастей 42, 52, всех лопастей 31-36 долота 10, формируется и определяется профиль комбинированной или композитной лопасти 39, выступающий в радиальном направлении от оси долота 11 к внешнему радиусу 23 долота 10. Таким образом, в данной заявке фраза "профиль композитной лопасти" относится к профилю, выступающему от оси долота к внешнему радиусу долота, образованному верхними частями лопастей всех лопастей долота, повернутых в одной плоскости (т.е. в развернутом виде).
Типовой профиль композитной лопасти 39 (наиболее понятно представлен в правой половине долота 10, проиллюстрированного на Фиг.3), как правило, может быть разделен на три области, которые обычно называют область конуса 24, область плеча 25, и область калибра 26. Область конуса 24 содержит наиболее радиально удаленную область долота 10 и профиля композитной лопасти 39, как правило, выступающую от оси долота 11 к области плеча 25. Как проиллюстрировано на Фиг.3, в большинстве типовых долот с фиксированными резцами, область конуса 24, как правило, является вогнутой. Рядом с областью конуса 24 находится область плеча (или перевернутая кривая) 25. В большинстве типовых долот с фиксированными резцами, область плеча 25, как правило, является выпуклой. Далее в радиальном направлении, рядом с областью плеча 25 находится область калибра 26, выступающая параллельно оси долота 11 в направлении наружной радиальной боковой поверхности профиля композитной лопасти 39. Таким образом, профиль композитной лопасти 39 типового долота 10 содержит одну вогнутую область, область конуса 24, и одну выпуклую область, область плеча 25.
Самой нижней точкой выпуклой области плеча 25 в продольном направлении, а также профилем композитной лопасти 39 определяется передняя часть профиля лопасти 27. В передней части профиля лопасти 27 угол наклона касательной 27а к выпуклой области плеча 25 и профилю композитной лопасти 39 равен нулю. Таким образом, в данной заявке термин "передняя часть профиля лопасти" относится к точке, расположенной вдоль выпуклой области профиля композитной лопасти долота, развернутого в одной плоскости, в котором наклон касательной к профилю композитной лопасти равен нулю. Для большинства типовых долот с фиксированными резцами (например, долота 10), профиль композитной лопасти содержит только одну выпуклую область плеча (например, выпуклую область плеча 25), и только одну переднюю часть профиля лопасти (например, переднюю часть профиля лопасти 27). Как проиллюстрировано на Фиг.1-3, режущие элементы 40 размещены рядами вдоль лопастей 31- 36 и расположены вдоль торца долота 20 в областях описанных выше как область конуса 24, область плеча 25 и область калибра профиля композитной лопасти 39. При этом режущие элементы 40 устанавливают на лопастях 31-36 в заданных положениях в радиальном направлении и расположенных с интервалами относительно к центральной оси 11 долота 10.
Независимо от типа долота, стоимость бурения скважины пропорциональна периоду времени, затраченному на бурение скважины до нужной глубины и местоположения. На время бурения, в свою очередь, значительно влияет число замен бурового долота до достижения целевого пласта. Это справедливо в случае, когда при каждой замене долота нужно извлекать из скважины по секциям всю бурильную колонну, причем бурильная колонна может иметь длину несколько миль. Сразу после извлечения бурильной колонны и установки нового долота, долото следует опустить на дно скважины на бурильной колонне, которую снова посекционно собирают. Данный процесс, называемый "рейс" бурильной колонны, как правило, требует значительных затрат времени, труда и финансов. Соответственно, желательно использовать буровые долота, которые сверлят быстрее и дольше, а также пригодны к использованию для более широкого диапазона пород различной твердости.
Продолжительность времени, в течение которого может использоваться буровое долото до замены, зависит от скорости проходки ("ROP"), а также прочности долота или способности сохранять высокую или приемлемую ROP. Кроме того, желательной характеристикой долота является "стабильность" и сопротивление нежелательной вибрации, причем наиболее жестким типом или режимом работы является "завихрение", термин, используемый для описания явления, когда буровое долото вращается в нижней части скважины вокруг оси вращения, смещенной относительно геометрического центра бурового долота. Такое завихрение подвергает режущие элементы долота повышенной нагрузке, что приводит к преждевременному износу или разрушению режущих элементов и снижению скорости проходки (ROP). Таким образом, предотвращение или снижение нежелательных вибраций долота и поддержание стабильности долот PDC давно является желанной, но не всегда достижимой целью. Нежелательная вибрация долота, как правило, может возникнуть в породе любого типа, но самыми неблагоприятными являются более твердые породы.
В последние годы долото PDC стало промышленным стандартом для бурения пород мягкой и средней твердости. При этом, поскольку долота PDC разрабатываются для использования в более твердых породах, становится труднее обеспечить стабильность долота. Как было описано выше, излишняя нежелательная вибрация долота во время бурения приводит к износу долота и/или может привести к повреждению долота до такой степени, что становится необходимым или желательным преждевременный рейс бурильной колонны.
Существует ряд альтернативных конструкций, предложенных для режущих структур PDC, предназначенных для обеспечения возможности бурения долота PDC через ряд пород различной твердости с эффективными скоростями проходки (ROP) и приемлемым сроком эксплуатации долота. К сожалению, для многих из конструкций долота, направленных на минимизацию вибрации, требуется, чтобы бурение проводилось с повышенной нагрузкой на долото ("WOB"), по сравнению с более ранними конструкциями долот. Например, некоторые долота были разработаны с резцами, установленными под менее агрессивными углами обратного наклона, в результате чего требуется увеличение нагрузки на долото (WOB), чтобы в достаточной степени пробурить материал породы. Как правило, по возможности, следует избегать бурения с увеличенной или утяжеленной нагрузкой на долото (WOB). Увеличение нагрузки на долото (WOB) достигается путем присоединения к бурильной колонне дополнительных утяжеленных бурильных труб. Этот дополнительный вес увеличивает напряжение и деформацию на некоторых или всех компонентах бурильной колонны, что приводит к большему износу и менее эффективной работе стабилизаторов, а также приводит к увеличению гидравлического уклона в бурильной колонне, что, в свою очередь, требует применения насосов для циркуляции бурового раствора большей мощности (и, как правило, более дорогих). При том, что задача еще больше усложняется, увеличенная нагрузка на долото (WOB) приводит к износу долота, причем износ значительно ускоряется, по сравнению с износом без увеличенной нагрузки на долото. Чтобы отсрочить спускоподъемные операции бурильной колонны обычно добавляют дополнительную нагрузку на долото (WOB) и продолжают бурение с частично изношенным и затупившимся долотом. Взаимосвязь между износом долота и нагрузкой на долото (WOB) является не линейной, а экспоненциальной, поэтому при превышении определенной нагрузки на долото, для данного долота, очень малый рост нагрузки на долото вызовет значительный рост износа долота. Таким образом, добавление большей нагрузки на долото (WOB) приводит к еще большему износу долота с частичным износом, а также других компонентов бурильной колонны.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное краткое описание сущности изобретения приводится с целью выбора концепций, которые более подробно описаны ниже. Данное краткое описание сущности изобретения не предназначено для идентификации ключевых или существенных признаков заявляемого объекта изобретения, также данное краткое описание не предназначено для использования с целью ограничения объема заявленного объекта изобретения.
В некоторых вариантах реализации изобретения буровой инструмент содержит корпус инструмента; множество лопастей, отходящих от корпуса инструмента; и множество непланарных режущих элементов, расположенных вдоль каждой из множества лопастей. Множество непланарных режущих элементов образуют режущий профиль, причем множество непланарных режущих элементов повернуты в одной плоскости, при этом режущий профиль содержит область конуса, область передней части, область плеча, и область калибра. Множество непланарных режущих элементов имеет первую форму по меньшей мере в одной из областей: области конуса, области передней части, области плеча, и области калибра, а также вторую форму, отличающуюся по меньшей мере в одной другой области.
В некоторых вариантах реализации изобретения режущий инструмент содержит корпус инструмента; множество лопастей, отходящих от корпуса инструмента; а также множество непланарных режущих элементов, расположенных вдоль каждой из множества лопастей. Множество непланарных режущих элементов образуют режущий профиль, причем множество непланарных режущих элементов повернуты в одной плоскости, при этом режущий профиль содержит область конуса, область передней части, область плеча, и область калибра. Множество непланарных режущих элементов содержат вершину с первым радиусом кривизны по меньшей мере в одной из областей: области конуса, области передней части, области плеча, и области калибра, при этом вершина имеет второй, отличный от первого, радиус кривизны по меньшей мере в одной из других областей.
В некоторых вариантах реализации изобретения режущий инструмент содержит корпус инструмента; множество лопастей, отходящих от корпуса инструмента; а также множество непланарных режущих элементов, расположенных вдоль каждой из множества лопастей. Множество непланарных режущих элементов образуют режущий профиль, причем множество непланарных режущих элементов повернуты в одной плоскости, при этом режущий профиль содержит область конуса, область передней части, область плеча, и область калибра. Множество непланарных режущих элементов имеет первый диаметр по меньшей мере в одной из областей: области конуса, области передней части, область плеча и область калибра, а также второй, отличный от первого, диаметр по меньшей мере в одной из других областей.
В некоторых вариантах реализации изобретения режущий инструмент содержит корпус инструмента; множество лопастей, отходящих от корпуса инструмента; а также множество непланарных режущих элементов, расположенных вдоль каждой из множества лопастей. Множество непланарных режущих элементов образуют режущий профиль, причем множество непланарных режущих элементов повернуты в одной плоскости, при этом режущий профиль содержит область конуса, область передней части, область плеча, и область калибра. Множество непланарных режущих элементов имеет первое свойство материала по меньшей мере в одной из областей: области конуса, области передней части, области плеча, и области калибра, а также второе свойство материала, отличающееся по меньшей мере в одной другой области.
Другие аспекты и преимущества заявленного объекта изобретения станут очевидными на основании последующего описания и пунктов формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг.1 проиллюстрировано типовое буровое долото.
На Фиг.2 проиллюстрирован вид сверху типового бурового долота.
На Фиг.3 проиллюстрирован поперечный разрез типового бурового долота.
На Фиг.4 проиллюстрирован вид сверху бурового долота, согласно одному из вариантов реализации изобретения.
На Фиг.5 проиллюстрирован режущий профиль, согласно одному из вариантов реализации изобретения.
На Фиг.6 проиллюстрирован поперечный разрез конического режущего элемента.
На Фиг.7 проиллюстрирован поперечный разрез остроконечного режущего элемента, имеющего выпуклую боковую поверхность.
На Фиг.8 проиллюстрирован поперечный разрез остроконечного режущего элемента, имеющего вогнутую боковую поверхность.
На Фиг.9 проиллюстрированы резцы, согласно одному или более вариантам реализации изобретения.
На Фиг.10 проиллюстрированы конические режущие элементы, согласно одному или более вариантам реализации изобретения.
На Фиг.11 проиллюстрирован конический режущий элемент, согласно одному или более вариантам реализации изобретения.
На Фиг.12 проиллюстрированы резцы, согласно одному или более вариантам реализации изобретения.
На Фиг.13 проиллюстрированы виды сверху конических режущих элементов, согласно одному или более вариантам реализации изобретения.
На Фиг.14 проиллюстрирован вид сбоку конических режущих элементов, согласно одному или более вариантам реализации.
На Фиг.15 проиллюстрирован расширитель, согласно одному или более вариантам реализации изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Аспектами данного изобретения предусмотрены варианты реализации изобретения, относящиеся к буровым долотам с фиксированными резцами или другим скважинным буровым инструментам, содержащим режущие элементы с непланарными режущими поверхностями. В частности, описанные в данной заявке варианты реализации изобретения относятся к буровым долотам, содержащим два или более непланарных режущих элемента, причем по меньшей мере два режущих элемента, имеют различные геометрические или пространственные профили и/или содержат материалы с различными свойствами. Другие варианты реализации изобретения, описанные в данной заявке, относятся к буровым долотам с фиксированными резцами, содержащим подобные режущие элементы, включая размещение данных режущих элементов на долоте, причем различные варианты размещения режущих элементов могут использоваться для оптимизации или улучшения бурения.
В соответствии с одним или более вариантами реализации данного изобретения могут использоваться различные непланарные режущие элементы, причем геометрию выбирают, исходя из расположения отдельного непланарного режущего элемента вдоль режущего профиля, как определено, например, со ссылкой на Фиг.3. На Фиг.4 проиллюстрирован вид сверху варианта реализации изобретения бурового долота. Как проиллюстрировано на Фиг.4, буровое долото 40 может содержать множество лопастей 42, радиально отходящих от корпуса долота 44. Непланарные режущие элементы 46 находятся в карманах для резцов 48 на множестве лопастей 42. При том, что на Фиг.4 проиллюстрированы только непланарные режущие элементы, также объемом данного изобретения предусмотрено, что одна или более лопастей могут содержать один или более планарных или практически планарных режущих элементов. На Фиг.5 проиллюстрирован режущий профиль (в котором все режущие элементы на долоте проиллюстрированы повернутыми в одной плоскости). Аналогично режущему профилю, описанному выше в связи с Фиг.3, режущий профиль 50, проиллюстрированный на Фиг.5, содержит область конуса 53, область передней части 57, область плеча 55, область калибра 56; при этом, в варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг.5, режущий профиль образован из непланарных режущих элементов. Кроме того, несмотря на то, что непланарные режущие элементы, проиллюстрированные на Фиг.5 являются коническими режущими элементами, данное описание изобретения не является ограничивающим. Скорее, один или более, или все режущие элементы, образующие режущий профиль, в данном описании изобретения могут содержать непланарные режущие элементы, отличные от конических режущих элементов. Например, на Фиг.6-8 проиллюстрированы различные непланарные режущие элементы, которые могут использоваться в вариантах реализации данного изобретения.
Для простоты различия нескольких типов режущих элементов, термин "режущие элементы" будет в общем относиться к любому типу режущего элемента, при этом "резец" будет относиться к режущим элементам с планарной режущей поверхностью, как описано выше со ссылкой на Фиг.1 и 2, а "непланарный режущий элемент" будет относиться к тем режущим элементам, которые имеют непланарную верхнюю поверхность, например, конец, оканчивающийся вершиной, которая может содержать режущие элементы с коническими режущими кромками (показано на Фиг.6) или режущий элемент сферической формы (проиллюстрирован на Фиг.7), например, (оба из которых могут также называться "остроконечными режущими элементами"). В данной заявке термин "конические режущие элементы" относится к режущим элементам, имеющим, как правило, коническую режущую кромку 62 (включая либо прямые конусы, либо усеченные конусы), т.е. коническую боковую стенку 64, которая оканчивается закругленной вершиной 66, как проиллюстрировано на Фиг.6. В отличие от геометрических конусов, которые заканчиваются острой вершиной, конические режущие элементы в данном описании изобретения имеют вершину, закругляющуюся между боковыми поверхностями и вершиной. Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения может использоваться режущий элемент сферической формы 70. Термин "режущий элемент сферической формы" относится к режущим элементам, имеющим вместо, в целом, конической боковой поверхности, в целом, выпуклую боковую поверхность 78, оканчивающуюся закругленной вершиной 76. В одном или более вариантах реализации изобретения вершина 76 имеет значительно меньший радиус кривизны, чем выпуклая боковая поверхность 78. Тем не менее, предполагается также, что непланарные режущие элементы данного описания изобретения могут также включать другие формы, включая, например, вогнутую боковую поверхность, оканчивающуюся закругленной вершиной, как показано на Фиг.8. В каждом из таких вариантов реализации изобретения, непланарные режущие элементы могут иметь плавный переход между боковой поверхностью и закругленной вершиной (т.е. поверхность или боковая стенка соединены касательной к кривой вершины), но в некоторых вариантах реализации изобретения, плавный переход может отсутствовать (т.е. касательная к боковой поверхности пересекает касательную к вершине не под углом 180 градусов, например, в диапазоне от около 120 до менее чем 180 градусов). Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения непланарные режущие элементы могут включать любые формы с режущей кромкой, выступающей над основанием или базовой областью, причем режущая кромка выступает в высоту, не менее чем 0,25 диаметра режущего элемента, или по меньшей мере 0,3, 0,4, 0,5 или 0,6 диаметра в одном или более других вариантах реализации изобретения.
В различных вариантах реализации данного изобретения вдоль режущего профиля могут использоваться режущие элементы различной формы (такие как, проиллюстрированные на Фиг.6-8, например, непланарные режущие элементы или остроконечные режущие элементы). Например, в одном из вариантов реализации изобретения область конуса может содержать один или более режущих элементов сферической формы 70, а области плеча и калибра могут содержать один или более непланарных режущих элементов (или остроконечных режущих элементов), не являющихся режущими элементами сферической формы, например, конический режущий элемент 60 или вогнутый режущий элемент 80. В отдельных вариантах реализации изобретения область конуса может содержать один или более (или все) режущие элементы сферической формы 70, а области передней части, плеча, калибра могут содержать один или более (или все) конические режущие элементы 60. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области конуса.
В другом варианте реализации изобретения области конуса и передней части могут содержать один или более режущих элементов сферической формы 70, а области плеча и калибра могут содержать один или более непланарных режущих элементов, которые не являются режущими элементами сферической формы, например, коническим режущим элементом 60 или вогнутым режущим элементом 80. В отдельных вариантах реализации изобретения области конуса и передней части могут содержать один или более (или все) режущие элементы сферической формы 70, а область плеча и калибра могут содержать один или более (или все) конические режущие элементы 60. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области конуса и передней части.
В другом варианте реализации изобретения области конуса, передней части, и плеча могут содержать один или более режущих элементов сферической формы 70, причем область калибра может содержать один или более непланарных режущих элементов, которые не являются режущими элементами сферической формы, например, конический режущий элемент 60 или вогнутый режущий элемент 80. В отдельных вариантах реализации изобретения области конуса, передней части, и плеча могут содержать один или более (или все) режущих элементов сферической формы 70, а область калибра может содержать один или более (или все) конических режущих элемента 60. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, для высокопрочных применений.
В одном варианте реализации изобретения область конуса может содержать один или более конических режущих элементов 60, а области плеча и калибра могут содержать один или более непланарных режущих элементов, которые не являются коническими режущими элементами, например, режущий элемент сферической формы 70 или вогнутый режущий элемент 80. В отдельных вариантах реализации изобретения область конуса может содержать один или более (или все) конические режущие элементы 60, а области передней части, плеча и калибра могут содержать один или более (или все) режущие элементы сферической формы 70. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области передней части, плеча и калибра.
В другом варианте реализации изобретения области конуса и передней части могут содержать один или более конических режущих элементов 60, а области плеча и калибра могут содержать один или более непланарных режущих элемента, которые не являются коническими режущими элементами, например, режущий элемент сферической формы 70 или вогнутый режущий элемент 80. В отдельных вариантах реализации изобретения области конуса и передней части могут содержать один или более (или все) конические режущие элементы 60, а области плеча и калибра могут содержать один или более (или все) режущих элементов сферической формы 70. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области плеча и калибра.
В другом варианте реализации изобретения области конуса, передней части и плеча могут содержать один или более конических режущих элементов 60, а область калибра может содержать один или больше непланарных режущих элементов, не являющихся коническими режущими элементами, например, режущий элемент сферической формы 70 или вогнутый режущий элемент 80. В отдельных вариантах реализации изобретения области конуса, передней части, и плеча могут содержать один или более (или все) конические режущие элементы 60, а область калибра может содержать один или более (или все) режущие элементы сферической формы 70. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области калибра.
Кроме того, в другом варианте реализации изобретения области конуса и плеча могут иметь одинаковую форму, отличную от формы передней части. Например, в одном варианте реализации изобретения область конуса и плеча может содержать один или более конических элементов 60, а область передней части может содержать один или более непланарных режущих элементов, которые не являются коническими режущими элементами, например, режущий элемент сферической формы 70 или вогнутый режущий элемент 80. В отдельных вариантах реализации изобретения области конуса и плеча могут содержать один или более (или все) конические режущие элементы 60, а область передней части может содержать один или более (или все) режущие элементы сферической формы 70. Также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что область калибра также может иметь один или более (или все) режущих элемента сферической формы 70.
В другом варианте реализации изобретения область конуса и плеча может содержать один или более режущих элементов сферической формы 70, а область передней части может содержать один или более непланарных режущих элементов, не являющихся коническими режущими элементами, например, конический режущий элемент 60 или вогнутый режущий элемент 80. В отдельных вариантах реализации изобретения области конуса и плеча могут содержать один или более (или все) режущих элементов сферической формы 70, а область передней части может содержать один или более (или все) конических режущих элемента 60. Также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что область калибра также может иметь один или более (или все) конических режущих элементов 60.
Как уже упоминалось выше, вершина непланарного режущего элемента может иметь закругление, имеющее радиус кривизны. В одном или более вариантах реализации изобретения радиус кривизны может составлять приблизительно от 0,050 до 0,125. В одном или более других вариантах реализации изобретения может использоваться радиус кривизны, с нижним пределом любым из 0,050, 0,060, 0,075, 0,085 или 0,100, и верхним пределом любым из 0,075, 0,085, 0,095, 0,100, 0,110, или 0,0125, где любой нижний предел может использоваться с любым верхним пределом. В некоторых вариантах реализации изобретения закругление может иметь переменный радиус кривизны, быть частью параболы, частью гиперболы, частью цепной линии или параметрического сплайна. Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения могут использоваться различные закругления вершин (одинаковой геометрии или различной геометрии) режущих элементов вдоль режущего профиля. Это может включать, например, различные варианты реализации изобретения, описанные выше, а также варианты реализации изобретения, включающие все конические режущие элементы, или все режущие элементы сферической формы, и т.д., вдоль режущего профиля. При этом "тупой" режущий элемент может включать непланарный режущий элемент любого типа, имеющий больший радиус кривизны по сравнению с другим, "острым" непланарным режущим элементом на том же долоте. Таким образом, термины тупой и острый взаимосвязаны, а радиус кривизны каждого из них может выбираться любым из описанного выше диапазона радиусов.
Например, в одном варианте реализации изобретения область конуса может содержать один или более (или все) тупых режущих элементов, а области передней части, плеча и калибра могут содержать один или более (или все) острых режущих элементов. Данный вариант реализации изобретения может быть выбран, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области конуса.
В другом варианте реализации изобретения области конуса и передней части могут содержать один или более (или все) тупых режущих элементов, а области плеча и калибра могут содержать один или более (или все) острых режущих элементов. Данный вариант реализации изобретения может быть выбран, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области конуса и передней части.
В другом варианте реализации изобретения области конуса, передней части и плеча могут содержать один или более (или все) тупые режущие элементы, а область калибра может содержать один или более (или все) острых режущих элементов. Данный вариант реализации изобретения может быть выбран, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области конуса, передней части и плеча.
В одном варианте реализации изобретения область конуса может содержать один или более (или все) острые режущие элементы, а области передней части, плеча и калибра могут содержать один или более (или все) тупых режущих элементов. Данный вариант реализации изобретения может быть выбран, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области передней части, плеча и калибра.
В другом варианте реализации изобретения области конуса и передней части могут содержать один или более (или все) острых режущих элементов, а области плеча и калибра могут содержать один или более (или все) тупых режущих элементов. Данный вариант реализации изобретения может быть выбран, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области плеча и калибра.
В другом варианте реализации изобретения области конуса, передней части и плеча могут содержать один или более (или все) острых режущих элементов, а область калибра может содержать один или более (или все) тупых режущих элементов. Данный вариант реализации изобретения может быть выбран, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области калибра.
Кроме того, в другом варианте реализации изобретения области конуса и плеча могут иметь одинаковое затупление или заостренность с различным радиусом в передней части. Например, в одном варианте реализации изобретения области конуса и плеча могут содержать один или более (или все) острых режущих элементов, а область передней части может содержать один или более (или все) тупых режущих элементов. Также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что область калибра также может содержать один или более (или все) тупых режущих элементов 70.
В другом варианте реализации изобретения области конуса и плеча могут содержать один или более (или все) тупых режущих элементов, а область передней части может содержать один или более (или все) острых режущих элементов. Также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что область калибра также может содержать один или более (или все) острых режущих элементов.
Кроме того, в одном или более других вариантах реализации изобретения диаметр непланарного режущего элемента может изменяться вдоль режущего профиля. Например, диаметр непланарных режущих элементов, как правило, может быть в диапазоне от 9 мм до 20 мм, например, 9 мм, 11 мм, 13 мм, 16 мм, 19 мм и 22 мм. Выбор различных размеров вдоль профиля резца может позволить изменить число режущих элементов в отдельной области лопастей. При этом, "большой" режущий элемент может включать неплоский режущий элемент любого типа, имеющий больший диаметр по сравнению с другим, "малым" непланарным режущим элементом того же долота. Таким образом, термины большой и малый взаимосвязаны, а диаметр кривизны каждого из них может выбираться любым из описанного выше диапазона диаметров. Кроме того, также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что в любом из описанных выше вариантов реализации изобретения могут использоваться режущие элементы одинакового диаметра, а необходимый размер может быть выбран, например, в зависимости от типа пробуриваемой породы. Например, в более мягких породах, возможно, желательно использовать режущий элемент большего размера, а в более твердой породе желательно использовать режущий элемент меньшего размера.
Например, в одном варианте реализации изобретения область конуса может содержать один или более (или все) малых режущих элементов, а области передней части, плеча и калибра могут содержать один или более (или все) больших режущих элементов. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется алмаз большей плотности и распределение ударной нагрузки в областях конуса и передней части.
В другом варианте реализации изобретения области конуса и передней части могут содержать один или более (или все) малых режущих элементов, а области плеча и калибра могут содержать один или более (или все) больших режущих элементов. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется алмаз большей плотности и распределение ударной нагрузки в областях конуса и передней части.
В другом варианте реализации изобретения области конуса, передней части и плеча могут содержать один или более (или все) малых режущих элементов, а область калибра может содержать один или более (или все) больших режущих элементов. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется алмаз большей плотности и распределение ударной нагрузки в областях конуса, передней части и плеча.
В одном варианте реализации изобретения область конуса может содержать один или более (или все) больших режущих элементов, а области передней части, плеча и калибра могут содержать один или более (или все) больших режущих элементов. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется большая степень защиты от ударных воздействий в области передней части, плеча и калибра.
В другом варианте реализации изобретения области конуса и передней части могут содержать один или более (или все) больших режущих элементов, а области плеча и калибра могут содержать один или более (или все) малых режущих элементов. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется алмаз большей плотности и распределение ударной нагрузки в областях плеча и калибра.
В другом варианте реализации изобретения области конуса, передней части и плеча могут содержать один или более (или все) больших режущих элементов, а область калибра может содержать один или более (или все) малых режущих элементов. Данные варианты реализации изобретения могут быть выбраны, например, в случае если требуется алмаз большей плотности и распределение ударной нагрузки в области калибра.
Кроме того, в другом варианте реализации изобретения области конуса и плеча могут иметь одинаковый диаметр, отличный от размера передней части. Например, в одном варианте реализации изобретения области конуса и плеча могут содержать один или более (или все) больших режущих элементов, а область передней части может содержать один или более (или все) малых режущих элементов. Также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что область калибра также может содержать один или более (или все) малых режущих элементов.
В другом варианте реализации изобретения область конуса может содержать один или более (или все) малых режущих элементов, а область передней части может содержать один или более (или все) больших режущих элементов. Также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что область калибра также может содержать один или более (или все) больших режущих элементов.
Кроме того, также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что вдоль режущего профиля могут одновременно использоваться различные комбинации разных форм, радиусов и диаметров. Например, в одном или более конкретных вариантах реализации изобретения режущие элементы, расположенные вдоль режущего профиля, могут иметь как различные формы режущей кромки, так и различные диаметры. Другими словами, режущий элемент в области конуса может иметь первую форму и первый диаметр, режущий элемент в области передней части может иметь вторую форму и первый (или второй) диаметр, режущий элемент в области плеча может иметь вторую форму и первый (или второй) диаметр, а также режущий элемент в области калибра может иметь вторую форму и второй диаметр. Кроме того, режущий элемент в области конуса может иметь первую форму и первый диаметр, режущий элемент в области передней части может иметь первую форму и первый (или второй) диаметр, режущий элемент в области плеча может иметь вторую форму и первый (или второй) диаметр, а также режущий элемент в области калибра может иметь вторую форму и второй диаметр. В итоге, режущий элемент в области конуса может иметь первую форму и первый диаметр, режущий элемент в области передней части может иметь первую форму и первый (или второй) диаметр, режущий элемент в области плеча может иметь первую форму и первый (или второй) диаметр, а также режущий элемент в области калибра может иметь вторую форму и второй диаметр. С учетом вышеизложенного описания изобретения также могут быть предусмотрены другие комбинации.
Кроме того, как уже упоминалось выше, также в пределах объема данного изобретения предусмотрено, что один или более планарных режущих элементов, т.е. срезающие резцы могут использоваться в любом месте вдоль режущего профиля. Таким образом, также существуют вариации представленных выше вариантов реализации изобретения, в которых одна или более областей могут содержать один или более (или все) срезающих резцов. Например, в одном варианте реализации изобретения предполагается, что срезающие резцы, в частности, могут использоваться, например, вдоль области калибра. При этом в других вариантах реализации изобретения также может быть предусмотрена замена режущих элементов вдоль других областей.
На Фиг.6-8 проиллюстрированы вариации непланарных режущих элементов, которые могут использоваться в любом из вариантов реализации изобретения, описанных в данной заявке. Непланарные режущие элементы, используемые на буровом долоте или расширителе (или другом буровом инструменте в контексте данного изобретения), содержат алмазный слой 602, 702, 802 на подложке 604, 704, 804 (например, сцементированный на подложке из карбида вольфрама), причем алмазный слой 602, 702, 802 образует непланарную алмазную рабочую поверхность. Непланарные режущие элементы могут быть сформированы с помощью процесса, аналогичного процессу, используемому при формировании улучшенных алмазных вставок (используется в шарошечных долотах) или, возможно, путем спайки компонентов вместе. Граничный слой 606, 706, 806 между алмазным слоем 602, 702, 802 и подложкой 604, 704, 804 может быть непланарным или неоднородным, например, с целью снижения вероятности отслоения во время работы алмазного слоя 602, 702, 802 от подложки 604, 704, 804 и повышения прочности и сопротивления элемента ударному воздействию. Специалисты в данной области техники по достоинству оценят то, что граничный слой может содержать одну или более выпуклых или вогнутых частей, расположенных в области непланарных граничных слоев. Кроме того, специалисты в данной области техники по достоинству оценят, что использование любых непланарных граничных слоев может позволить увеличить толщину алмазного слоя в концевой области слоя. Кроме того, возможно, будет желательным сформировать геометрию граничного слоя таким образом, что алмазный слой будет иметь максимальную толщину в зоне, включающей контактную зону между улучшенным алмазным элементом и породой (например, зоной первичного контакта или критической зоной). Дополнительные формы и граничные слои, которые могут использоваться для улучшенных алмазных элементов в данном описании изобретения, включают описанные в опубликованном патенте США № 2008/0035380, содержание которого полностью включено в данную заявку. В одном или более вариантах реализации изобретения алмазный слой 602, 702, 802 может быть выполнен толщиной от 0,254 до 1,27 сантиметров (от 0,100 до 0,500 дюймов) от вершины к центральной области подложки, а в одном или более конкретных вариантах реализации данная толщина может лежать в диапазоне от 0,3175 до 0,6985 сантиметров (от 0,125 до 0,275 дюймов). Алмазный слой 602, 702, 802 и сцементированная подложка из карбида металла 604, 704, 804 могут иметь общую толщину от 0,508 до 1,7780 сантиметров (от 0,200 до 0,700 дюйма) от вершины до основания сцементированной подложки из карбида металла. При этом могут также использоваться другие размеры и толщина.
Кроме того, алмазный слой 602, 702, 802 может быть выполнен из любого поликристаллического сверхабразивного материала, включающего, например, поликристаллический алмаз, поликристаллический кубический нитрида бора, термостойкий поликристаллический алмаз (сформированный либо путем обработки поликристаллического алмаза, сформированного с металлом, таким как кобальт, либо поликристаллического алмаза, сформированного с металлом, имеющим более низкий, чем у кобальта коэффициент теплового расширения). Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения сорт алмаза (т.е. структура алмазного порошка, включая размер зерна и/или содержание металла) может изменяться в пределах алмазного слоя 602, 702, 802. Например, в одном или более вариантах реализации изобретения область алмазного слоя 602, 702, 802, прилегающая к подложке 604, 704, 804, может отличаться свойствами материала (и сортом алмаза), по сравнению с областью алмазного слоя 602, 702, 802 на вершине 66, 76, 86 режущего элемента 60, 70, 80. Данный вариант может быть сформирован с помощью множества последовательных слоев или постепенного перехода.
Кроме того, один или более аспектов данного изобретения также относится к использованию непланарных режущих элементов, сформированных из алмазов разных сортов, по сравнению друг с другом вдоль режущего профиля. Например, в одном или более вариантах реализации изобретения желательно использовать сорт алмаза с более высоким сопротивлением ударному воздействию, образующий алмазный слой непланарных режущих элементов в области конуса, и сорт алмаза с более высоким сопротивлением к абразивности, образующий алмазный слой непланарных режущих элементов в области калибра. Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения области передней части и плеча могут иметь более высокое сопротивление к ударному воздействию, чем область калибра. В одном или более других вариантах реализации изобретения область передней части может быть сформирована из сорта алмаза с более высоким сопротивлением ударному воздействию, а область плеча может быть сформирована из сорта алмаза с более высоким сопротивлением к абразивности. Кроме того, в других вариантах реализации изобретения, как область передней части, так и область плеча могут быть также сформированы из сорта алмаза с более высоким сопротивлением к абразивности, по сравнению с областью конуса. Такие различия в свойствах материала могут привести к изменению в составе металла/алмаза (т.е. плотности алмаза) в алмазном слое и/или изменению размеров зерен алмазов. Как правило, в одном или более вариантах реализации изобретения общей тенденцией изменения плотности алмаза (от центра долота к наружному радиусу), которая используется при формировании алмазных слоев, является общее повышение плотности алмаза от области конуса к области калибра. Требуемых свойств также возможно достичь путем изменения размеров зерен алмазов, причем общей тенденцией в изменении размера зерен (от центра долота к наружному радиусу), которая используется при формировании алмазных слоев, может быть общее снижение размера алмазного зерна от области конуса к области калибра.
Подобным образом, различия в размерах зерна алмазов могут также привести к разнице в сопротивлении к абразивности, причем уменьшение размера зерна, как правило, приводит к увеличению сопротивления к абразивности. Различия в сопротивлении износу могут быть достигнуты (помимо описанного выше изменения сорта алмаза) путем использования различных условий спекания, путем удаления металлов, таких как кобальт, из междоузельных пространств в алмазном слое, путем использования различных составов с целью исключить использования кобальта при формировании алмазного слоя или с помощью любого другого приемлемого способа.
В одном или более вариантах может потребоваться использовать общую тенденцию изменения сопротивления износу алмаза (от центра долота к наружному радиусу). Например, в одном или более вариантах реализации изобретения желательно использовать слой алмаза непланарных режущих элементов в области калибра с более высоким сопротивлением к абразивности и слой алмаза непланарных режущих элементов в области конуса с более низким сопротивлением к абразивности. Кроме того, в одном или более вариантах реализации изобретения область передней части и плеча также могут иметь более высокое сопротивление к абразивности, чем область конуса. В одном или более других вариантах реализации изобретения область плеча может быть выполнена из сорта алмаза с более высоким сопротивлением к абразивности, а область передней части может быть выполнена из сорта алмаза с более низким сопротивлением к абразивности. Кроме того, в других вариантах реализации изобретения, как область передней части, так и область плеча могут также быть выполнены из сорта алмаза с более низким сопротивлением к абразивности, по сравнению с областью калибра.
Таким образом, в одном или более вариантах реализации изобретения алмазные слои, с более высоким сопротивлением к абразивности, могут быть сформированы из сверхтвердых материалов (таких как алмаз), имеющих различные уровни тепловой стабильности. Обычный поликристаллический алмаз в воздушной среде является стабильным при температурах до 700-750°C, превышение которых может привести к необратимому повреждению и разрушению структуры поликристаллического алмаза. Данное ухудшение поликристаллического алмаза происходит из-за значительной разницы коэффициента теплового расширения связующего материала, кобальта, по сравнению с алмазом. При нагревании поликристаллического алмаза, кобальт и алмазная решетка будут расширяться с разной скоростью, что может привести к растрескиваниям в структуре алмазной решетки и, в итоге, к ухудшению поликристаллического алмаза. Данные сверхтвердые материалы могут иметь обычную грань поликристаллического алмаза, грань из взаимосвязанных частиц алмаза с междоузельными пространствами, между которыми могут находиться металлический компонент (например, металлический катализатор), причем термически стабильный алмазный слой (т.е. имеющий термическую стабильность выше, чем у обычного поликристаллического алмаза, 750°С), сформированный, например, путем удаления практически всего металла из междоузельных пространств между взаимосвязанными частицами алмаза или из структуры алмаз/карбид кремния, или другого сверхтвердого материала, такого как кубический нитрид бора.
Как известно в данной области техники, термически стабильный алмаз может формироваться с помощью различных способов. Типовой поликристаллический алмазный слой содержит отдельные "кристаллы" алмаза, которые являются взаимосвязанными. Таким образом, отдельные кристаллы алмаза образуют решетчатую структуру. Металлический катализатор, такой как кобальт, может использоваться для активизации рекристаллизации частиц алмаза и формирования решетчатой структуры. Таким образом, частицы кобальта обычно находятся в пределах междоузельных пространств в решетчатой структуре алмаза. Коэффициенты теплового расширения кобальта и алмаза значительно отличаются. Следовательно, при нагревании грани алмаза, кобальт и алмазная решетка будут расширяться с разными скоростями, что приводит к образованию трещин в решетчатой структуре, и в итоге, к ухудшению грани алмаза.
Для решения данной проблемы могут использовать кислоты для "выщелачивания" кобальта из решетчатой структуры поликристаллического алмаза (либо тонкой области или всего кристалла), чтобы по меньшей мере уменьшить повреждение, вызванное нагреванием структуры алмаз-кобальт с различной скоростью. Примеры процессов "выщелачивания" описаны, например, в патентах США № 4288248 и 4104344. Вкратце, концентрированная кислота, как правило, плавиковая кислота или комбинации нескольких концентрированных кислот могут использоваться для обработки грани алмаза, с целью удаления по меньшей мере части сокатализатора из структуры PDC. Подходящие кислоты включают азотную кислоту, плавиковую кислоту, соляную кислоту, серную кислоту, фосфорную кислоту или хлорную кислоту или комбинации данных кислот. Кроме того, могут использоваться каустики, такие как гидроксид натрия и гидроксид калия, используемые при производстве карбида для вытравливания металлических элементов из композитов карбида. Кроме того, при необходимости могут использоваться другие кислотообразующие и выщелачивающие реагенты. Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что молярная концентрация выщелачивающего реагента может быть скорректирована в зависимости от времени, требуемого для выщелачивания, вероятности опасных факторов и т.д.
Путем выщелачивания кобальта, может быть создан теплоустойчивый поликристаллический алмаз (TSP). В некоторых вариантах реализации изобретения с целью повышения теплоустойчивости, вытравливают только выбранную часть алмазного композита, без потери сопротивления ударному воздействию. В данной заявке, термин TSP включает оба вышеописанных (т.е. частично и полностью выщелоченные) соединения. Междоузельные пространства, остающиеся после выщелачивания, могут быть уменьшены либо путем содействия консолидации, либо путем заполнения объема вторичным материалом, например, с помощью процессов, известных специалистам в данной области техники и описанных в патенте США № 5127923, который полностью включен в данную заявку посредством ссылки.
В некоторых вариантах реализации изобретения TSP могут формировать путем образования слоя алмаза под давлением с помощью связующего компонента, отличного от кобальта, такого как кремний, имеющего коэффициент теплового расширения близкий к коэффициенту теплового расширения алмаза, чем к коэффициенту теплового расширения кобальта. Во время технологического процесса большая часть от 80 до 100 процентов объема кремния вступает в реакцию с алмазной решеткой в виде карбида кремния, который также имеет тепловое расширение близкое к алмазу. При нагревании, оставшийся кремний, карбид кремния, и алмазная решетка будут расширяться с более похожими скоростями, по сравнению со скоростями расширения кобальта и алмаза, что приводит к образованию более термически стабильных слоев. Компактные резцы из поликристаллического алмаза, содержащие TSP режущий слой, имеют сравнительно низкую степень износа, даже при достижении резцом температуры 1200°С. При этом, для специалиста в данной области техники будет очевидно, что теплоустойчивый алмазный слой может быть сформирован с помощью других способов, известных в данной области техники, включая, например, изменение условий обработки при образовании алмазного слоя, например, путем увеличения давления выше 50 кбар при температуре выше 1350°С.
Режущие элементы по данному изобретению могут быть ориентированы под любым углом обратного наклона или бокового наклона. Как правило, при расположении режущих элементов (особенно резцов) на лопасти долота или расширителя для изменения угла, под которым резец прорезает породу, резцы могут быть вставлены в карманы для резцов (или отверстия, в случае конических режущих элементов). При этом может быть скорректирован обратный наклон (т.е. вертикальная ориентация) и боковой наклон (т.е. боковая ориентация) резца. Как правило, обратный наклон определяют как угол, образованный между режущей поверхностью резца 142 и линией, перпендикулярной к материалу прорезаемой породы. Как показано на Фиг.9, для типового резца 142, имеющего обратный наклон равный нулю, режущая поверхность практически перпендикулярна или является нормалью к материалу породы. Резец 142, имеющий отрицательный угол обратного наклона, содержит режущую поверхность, прорезающую материал породы под углом меньшим, чем 90°, при измерении от поверхности материала породы. Аналогично, резец 142, имеющий положительный угол обратного наклона, содержит режущую поверхность, прорезающую материал породы под углом большим, чем 90°, при измерении от поверхности материала породы. Боковой наклон определяют как угол между режущей поверхностью и радиальной плоскостью долота (плоскостью x-z). Если смотреть вдоль оси z, отрицательный боковой наклон измеряют против часовой стрелки от резца, а положительный боковой наклон измеряют по часовой стрелке от резца. В конкретном варианте реализации изобретения обратный наклон типовых резцов может быть в диапазоне от -5 до -45 градусов, а боковой наклон от 0-30 градусов.
При этом остроконечные режущие элементы не имеют планарной режущей поверхности и, следовательно, ориентация остроконечных режущих элементов может определяться по-разному. При рассмотрении ориентации непланарных режущих элементов, в дополнение к вертикальной или горизонтальной ориентации тела режущего элемента, остроконечная геометрия режущей кромки также влияет на то, как и под каким углом остроконечный режущий элемент врезается в породу. В частности, в дополнение к обратному наклону, влияющему на агрессивность взаимодействия непланарный режущий элемент-порода, геометрия режущей кромки (в частности, вершина угла и радиус кривизны) значительно влияют на агрессивность, с которой остроконечный режущий элемент врезается в породу. Для заостренного режущего элемента, проиллюстрированного на Фиг.10, обратный наклон определяется как угол α, образованный между осью остроконечного режущего элемента 144 (в частности, осью остроконечной режущей кромки) и линией, которая является нормалью к поверхности материала породы. Как проиллюстрировано на Фиг.10, для остроконечного режущего элемента 144, имеющего обратный наклон равный нулю, ось остроконечного режущего элемента 144 практически перпендикулярна или является нормалью к поверхности материала породы. Остроконечный режущий элемент 144, имеющий отрицательный угол обратного наклона α, имеет ось, прорезающую поверхность материала породы под углом, который составляет менее чем 90°, при измерении от поверхности материала породы. Аналогично, остроконечный режущий элемент 144, имеющий положительный угол обратного наклона α, имеет ось, прорезающую поверхность материала породы под углом большим, чем 90°, при измерении от поверхности материала породы. В некоторых вариантах реализации изобретения угол обратного наклона остроконечных режущих элементов может равняться нулю или в некоторых вариантах реализации изобретения может быть отрицательным. В некоторых вариантах реализации изобретения обратный наклон остроконечных режущих элементов может быть в диапазоне от -10 до 10 градусов, от нуля до 10 градусов, и/или от -5 до 5 градусов.
В дополнение к ориентации оси относительно поверхности породы, агрессивность остроконечных режущих элементов может также зависеть от вершины угла или конкретно, от угла между поверхностью породы и передней частью остроконечного режущего элемента. Благодаря форме режущей кромки остроконечных режущих элементов у них отсутствует передняя кромка; при этом, директриса остроконечной режущей поверхности может быть определена при вращении долота как первая наиболее выступающая точка остроконечного режущего элемента в каждой точке оси вдоль остроконечной режущей кромки. Другими словами, поперечное сечение заостренного режущего элемента может быть выполнено вдоль плоскости в направлении вращения долота, проиллюстрированного на Фиг.11. Директриса 145 остроконечного режущего элемента 144 в данной плоскости может рассматриваться относительно поверхности породы. Угол касания остроконечного режущего элемента 144 определяется углом, который образуется между директрисой 145 остроконечного режущего элемента 144 и поверхностью пробуриваемой породы.
Как правило, для PDC резцов боковой наклон определяется как угол между режущей поверхностью и радиальной плоскостью долота (плоскостью x-z), как проиллюстрировано на Фиг.12. Если смотреть вдоль оси z угол отрицательного бокового наклона β измеряют против часовой стрелки от резца, а угол положительного бокового наклона β измеряют по часовой стрелке от резца. В некоторых вариантах реализации изобретения боковой наклон резцов может быть в диапазоне от -30 до 30 градусов или от 0 до 30 градусов.
При этом остроконечные режущие элементы не имеют режущей поверхности и, следовательно, ориентация остроконечных режущих элементов может определяться по-разному. Применительно к остроконечному режущему элементу, проиллюстрированному на Фиг.13 и 14, боковой наклон определяется как угол β, образованный между осью остроконечного режущего элемента (в частности, осью конической режущей кромки) и линией, параллельной оси долота, т. е. оси z. Как проиллюстрировано на Фиг.13 и 14В, для остроконечного режущего элемента, имеющего боковой наклон равный нулю, ось остроконечного режущего элемента практически параллельна оси долота. Остроконечный режущий элемент, имеющий отрицательный угол бокового наклона β, имеет ось, направленную в сторону от направления оси долота. Наоборот, остроконечный режущий элемент, имеющий положительный угол бокового наклона β, имеет ось, направленную в направлении оси долота. Боковой наклон остроконечных режущих элементов может находиться в диапазоне примерно от -30 до 30 градусов в одних вариантах реализации изобретения, и от -10 до 10 градусов в других вариантах реализации изобретения. Кроме того, хотя и не обязательно упоминается конкретно в следующих пунктах, углы бокового наклона остроконечных режущих элементов в следующих вариантах реализации изобретения могут выбираться из данных диапазонов.
Как описано в данном описании изобретения, режущие элементы и комбинации вооружения долота могут использоваться либо в буровых долотах с фиксированными резцами, либо в расширителе для увеличения диаметра ствола скважины. На Фиг.15 проиллюстрирована общая конфигурация расширителя для увеличения диаметра ствола скважины 830, который может содержать один или более непланарных режущих элементов, описанных в данной заявке. Расширитель для увеличения диаметра ствола скважины 830 содержит корпус инструмента 832 и множество лопастей 838, расположенных в выбранном азимутальном положении вокруг окружности корпуса инструмента. Расширитель для увеличения диаметра ствола скважины 830, как правило, содержит соединения 834, 836 (например, резьбовые соединения) благодаря которым расширитель для увеличения диаметра ствола скважины 830 может быть соединен с соседними бурильными инструментами, включая, например, бурильную колонну и/или компоновку низа бурильной колонны (ВНА) (не показано). Корпус инструмента 832, как правило, содержит сквозной канал, так что через расширитель для увеличения диаметра ствола скважины 830 может протекать буровой раствор, закачиваемый с поверхности (например, от поверхностных буровых насосов (не показано)) к нижней части ствола скважины (не показано).
Лопасти 838, проиллюстрированные на Фиг.15, являются спиральными лопастями и, как правило, они расположены практически с равными угловыми интервалами по периметру корпуса инструмента, такого как расширитель для увеличения диаметра ствола скважины 830. Данная конфигурация не ограничивает объем изобретения, а скорее приводится только с целью пояснения. Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что можно использовать любой скважинный буровой инструмент. В то время как на Фиг.15 подробно не показано расположение непланарных режущих элементов, они могут располагаться на инструменте в соответствии с одним или более вышеописанными вариантами.
Хотя выше подробно описано только несколько типовых вариантов реализации изобретения, для специалиста в данной области техники будет очевидно, что возможно множество модификаций типовых вариантов реализации изобретения без существенного отхода от объема изобретения. Соответственно, все данные модификации предназначены для включения в объем данного изобретения. В формуле изобретения пункты "средство плюс функция" предназначены для защиты конструкций, описанных в данной заявке, как реализующих перечисленные функции, и не только конструктивных эквивалентов, но также эквивалентных конструкций. Таким образом, хотя гвоздь и шуруп могут не быть структурными эквивалентами в том, что для гвоздя используют цилиндрическую поверхность для скрепления друг с другом деревянных деталей, тогда как в шурупе используют спиральную поверхность, в области скрепления деревянных деталей гвоздь и шуруп могут быть эквивалентными конструкциями. Это явное намерение заявителя не ссылаться на 35 U.S.C. § 112, пункт 6 для каких-либо ограничений любого из пунктов формулы изобретения данной заявки, за исключением тех, в которых в пункте формулы изобретения явно используются слова 'средства для' вместе с соответствующей функцией.