БУРОВОЙ РАСШИРИТЕЛЬ, СПУСКАЕМЫЙ НА ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ ИЛИ ХВОСТОВИКЕ, И СПОСОБ ЕГО РАЗБУРИВАНИЯ
DRILLING REAMER LOWERED ON CASING PIPE OR SHANK, AND METHOD OF ITS DRILLING

Настоящее изобретение в общем относится к буровому расширителю, пригодному для спуска на обсадной колонне или колонне-хвостовике, и расширению ствола скважины.
При спуске обсадной колонны или обсадной колонны-хвостовика в пробуренную ранее скважину желательно, чтобы ствол скважины был пробурен с требуемой цилиндричностью, с заданным диаметром и без заметных отклонений по трассе ствола, например резких изгибов. К сожалению, из-за наличия переходов между пластами, неоднородностей, например прожилков внутри пласта, использования выходящего за пределы допусков бурового инструмента, повреждений буровых долот при прохождении ствола, используемой бурильщиком конфигурации забойного блока и различных иных факторов идеальный ствол скважины получается редко.
Поэтому бывает желательно оснастить обсадную колонну или обсадную колонну-хвостовик, которые опускаются в ствол скважины, режущей структурой (режущими элементами) на ее ведущем конце для расширения, при необходимости, участков ствола скважины с тем, чтобы обсадная колонна или колонна-хвостовик могла быть опущена в ствол скважины на всю заданную глубину. Ранее предпринимались различные попытки придать обсадной колонне или колонне-хвостовику способность расширять ствол скважины, но надежные результаты получены не были.
Буровой расширитель, предложенный в настоящем изобретении, включает:
по существу трубчатый корпус, имеющий вогнутую носовую (торцевую) часть, расходящуюся к боковой стенке через по существу дугообразную переходную область перегиба,
несколько разнесенных по кругу спиральных лопастей на наружной поверхности корпуса, проходящих от области вблизи переходного перегиба и образующих в промежутках между друг другом канавки, при этом каждая лопасть долота сначала по существу не выступает на своим аксиально переднем (по направлению вдоль оси) конце и далее расходится радиально наружу к части, выступающей по существу на постоянную высоту и имеющей на аксиально заднем конце проходящий радиально внутрь скос, и
режущую структуру, конфигурация и расположение которой на боковой стенке корпуса обеспечивают ее контакт с боковой стенкой ствола скважины и которая включает множество режущих элементов, расположенных вдоль передней (ведущей) по направлению вращения кромке каждой лопасти долота, из указанных нескольких, расположенных вблизи аксиально переднего конца.
Как указано выше, буровой расширитель содержит "режущую структуру" долота для "расширения" или "калибровки" ствола скважины за счет соприкосновения с его боковой стенкой. Используемый здесь термин "буровой расширитель/расширительный инструмент" не имеет ограничивающего смысла, и устройство в вариантах осуществления настоящего изобретения может быть, например, названо долотом-расширителем или башмачной фрезой-расширителем.
В некоторых вариантах осуществления вогнутая носовая часть бурового расширителя может иметь по меньшей мере одно сквозное отверстие, проходящее внутрь корпуса.
В некоторых вариантах осуществления буровой расширитель дополнительно содержит по меньшей мере один опорный элемент на каждой из нескольких лопастей, расположенный вблизи аксиально переднего конца и стоящий по направлению вращения за размещенным на лопасти множеством режущих элементов. Буровой расширитель также может содержать слой карбида вольфрама вблизи аксиально переднего конца каждой лопасти, расположенный по направлению вращения за по меньшей мере одним опорным элементом.
В других вариантах осуществления буровой расширитель содержит несколько дополнительных отверстий, проходящих сквозь дугообразный переходной перегиб внутрь корпуса, при этом каждое из отверстий по существу совмещено по окружности с канавкой для выноса бурового шлама.
На аксиально заднем скошенном конце каждой из нескольких лопастей может быть нанесен слой дробленого карбида вольфрама.
Передняя по направлению вращения кромка каждой из нескольких лопастей, находящаяся аксиально позади множества режущих элементов, может быть сужена и обладает сравнительно неэффективным захватом.
По меньшей мере часть одной из радиально наружных поверхностей каждой лопасти, часть каждой лопасти долота, примыкающая к передней по направлению вращения кромке, и часть каждой лопасти долота, примыкающая к задней по направлению вращения кромке, покрыта карбидом вольфрама.
Спиральная конфигурация лопаток имеет наклон, обеспечивающий по меньшей мере по существу полное круговое покрытие корпуса лопатками долота.
В указанное множество режущих элементов могут входить режущие элементы, выбранные из группы, содержащей режущие элементы, армированные поликристаллическими синтетическими алмазами (АПСА), термостойкие алмазные режущие элементы, режущие элементы, импрегнированные алмазами, режущие элементы из кубического нитрида бора и режущие элементы из карбида вольфрама.
Центральная область носовой части имеет более тонкую стенку, чем периферийная область носовой части. Толщина стенки по меньшей мере центральной области носовой части также может постепенно нарастать от ее центра по радиусу наружу к ее периферийной области.
Конфигурация поперечного сечения внутренней поверхности носовой части обеспечивает, в первую очередь, ее захват режущей кромкой обычного АПСА бурового долота и центрирование АПСА долота при его размещении внутри бурового расширителя вблизи центральной области внутренней поверхности. При этом носовая часть имеет толщину стенки вблизи ее центральной области меньше, чем толщину стенки вблизи ее периферийной области.
В настоящем изобретении также предложен способ выбуривания бурового расширителя, выполненного в виде башмака (башмачной фрезы), имеющей вогнутую носовую часть на аксиально переднем конце, свободную от режущей структуры, боковую стенку, аксиально вытянутую к задней части, и стенку переходного перегиба между ними, при осуществлении которого:
вводят в первоначальный контакт с буровым долотом внутреннюю поверхность стенки переходного перегиба после контакта внутренней поверхности боковой стенки на периферии башмака,
вращают буровое долото внутри бурового расширителя и захватывают внутреннюю поверхность носовой части, и
выбуривают носовую часть от центральной области радиально наружу к ее периферийной области.
В вариантах осуществления способ включает центровку бурового долота внутри носовой части за счет контакта бурового долота с центральной областью внутренней поверхности.
Для выбуривания бурового расширителя используют буровое долото с АПСА режущими элементами, исключая при этом соприкосновение АПСА режущих элементов бурового долота с режущей структурой на боковой стенке бурового расширителя.
При выбуривании носовой части от ее центральной области радиально наружу к ее периферийной области осуществляют выбуривание относительно более тонкостенной центральной области перед выбуриванием относительно более толстостенной периферийной области.
Боковая стенка предпочтительно остается по существу нетронутой после выбуривания носовой части.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлен перспективный вид варианта осуществления бурового расширителя, предложенного в настоящем изобретении;
на фиг.2 представлен перспективный вид другого варианта осуществления бурового расширителя, в соответствии с изобретением;
на фиг.3 представлен торцевой вид на носовую часть бурового расширителя, показанного на фиг.1 и 2;
на фиг.4 представлен увеличенный вид сбоку сечения вставки с округленной вершиной, расположенной в лопасти бурового расширителя, показанного на фиг.1 и 2, и выступающей за пределы наружного диаметра инструмента; и
на фиг.5а-5в представлены схематичные виды четверти сечения бурового расширителя в соответствии с настоящим изобретением, показанного на фиг.1 и 2, где обычное роторное режущее долото с поликристаллическими алмазными вставками приближается и выбуривает упомянутую носовую часть, причем выбуривание осуществляется, начиная от центра носовой части бурового расширителя, к боковой стенке корпуса.
В варианте осуществления настоящего изобретения предлагается буровой расширитель, имеющий вид бурового долота или башмачной фрезы-расширителя, пригодный для спуска обсадной колонны или обсадной колонны-хвостовика (далее для удобства используется термин "обсадная колонна" для обозначения колонны труб подобного типа). Буровой расширитель содержит трубчатый корпус, имеющий на заднем конце приспособление для присоединения корпуса к переднему концу обсадной колонны и проходящий к носовой части на своем переднем конце.
В носовой части имеется неглубокий конус вокруг ее центра, а от края носовой части к заднему концу корпуса расходятся несколько лопастей в виде крутых спиралей, передние концы которых почти не выступают от корпуса. От края носовой части лопасти конически расходятся наружу в радиальном и осевом направлениях, при этом они все больше отходят (выступают) от корпуса, и это отклонение становится по существу неизменным вблизи их дальних по оси концов, а между лопастями образуются канавки для выноса бурового шлама. В центре носовой части имеется отверстие, через которое может подаваться буровой раствор (и, впоследствии, цемент), циркулирующий вниз по обсадной колонне, далее из торца носовой части в указанные канавки в долоте. Эта циркуляция может быть усилена использованием дополнительных боковых отверстий по периферии носовой части из внутреннего пространства корпуса.
На передних по направлению вращения кромках (с учетом направления предполагаемого вращения обсадной колонны, как правило, по часовой стрелке, когда производится расширение) каждой лопасти долота между ее передним концом и точкой, где лопасть достигает полного диаметра, имеется множество суперабразивных режущих элементов, которые могут представлять собой режущие элементы, армированные поликристаллическими синтетическими алмазами (АПСА или PDC от англ. "polycrystalline diamond compact"), обращенными в направлении предполагаемого вращения. АПСА режущие элементы устанавливаются выступающими за пределы проходного диаметра бурового долота, которое будет в дальнейшем вводится в буровой расширитель для его выбуривания, для упрощения этой операции. Также могут быть использованы режущие элементы из других режущих материалов, например карбида вольфрама (WC), при бурении подходящего пласта или пластов, причем и эти элементы также устанавливаются за пределами проходного диаметра. Радиально наружные поверхности лопастей вдоль их конических частей покрываются относительно толстым слоем дробленого карбида вольфрама, располагающегося за АПСА режущими элементами по направлению вращения. В углублениях на наружных поверхностях лопастей, в их конусной части, располагаются опорные элементы в форме овалов из карбида вольфрама или АПСА, причем эти овалы выступают сильнее (дальше из радиально наружной поверхности лопастей), чем АПСА режущие элементы, и расположены за АПСА режущими элементами по направлению вращения. Опорные элементы, с учетом того, что они выступают сильнее других, предотвращают возможный разрушительный контакт между АПСА режущими элементами и внутренней поверхностью большей обсадной трубы, сквозь которую опускается колонна, перед тем, как она попадает в открытый пробуренный заранее ствол скважины. На радиально внешних поверхностях лопастей, расположенных вдоль оси за коническими частями с АПСА режущими элементами, нанесен слой карбида вольфрама, по меньшей мере вдоль передней и задней кромок лопастей по направлению вращения. Задние продольные концы лопастей могут сужаться вдоль оси и радиально внутрь корпуса, и на них может быть нанесен относительно толстый слой дробленого карбида вольфрама.
Внутри корпуса его конфигурация обеспечивает оптимальные условия для его выбуривания обычными роторными долотами, после чего в стволе скважины не остается крупных фрагментов материала носовой части инструмента.
Как показано на фиг.1-4, буровой расширитель 10 (на фиг.1 и 2 представлены соответственно несколько отличающиеся варианты осуществления) имеет трубчатый корпус 12, который может быть выполнен из одного материала, например стали, алюминия, бронзы или иного подходящего по твердости материала или сплава, который, при этом, поддается высверливанию обычными буровыми долотами с АПСА или шарошечными коническими долотами. Корпус 12 включает носовую часть 14, которая может представлять собой неглубокую вогнутость, сходящуюся к оси бурового расширителя 10. Вогнутость может иметь профиль неглубокого конуса, либо другой подходящий вогнутый профиль. Носовая часть 14 переходит в боковую стенку 16, которая расходится наружу по оси и по радиусу в направлении заднего конца корпуса 10, где имеются средства, например внутренняя резьба (не показана), для соединения бурового расширителя 10 с передним концом обсадной колонны. Переход между носовой частью 14 и боковой стенкой 16 включает стенку 18 переходного перегиба, имеющую в сечении по существу вид дуги с постоянным или переменным радиусом кривизны. Из внутренней части корпуса 12 через носовую часть наружу проходит центральное отверстие Р, а сквозь стенку 18 переходного перегиба внутрь корпуса 12 проходят дополнительные боковые отверстия Р.
Снаружи трубчатого корпуса 12 расположено несколько лопастей 20, проходящих от точки вблизи задней кромки стенки 18 переходного перегиба, от которой сначала они не отклоняются. Это отклонение, однако, нарастает по мере расхождения лопастей по радиусу наружу при их приближении к соответствующим задним вдоль оси концам, с формированием радиально наружной поверхности нарастающего диаметра. Аксиально (по направлению вдоль оси) задние оси концы лопастей 20 имеют скошенные или скругленные поверхности 22 уменьшающегося диаметра, обращенные наружу от корпуса 12. Лопасти 20 по форме представляют собой крутые спирали по наружной поверхности корпуса 12, причем круговая протяженность каждой лопасти 20 достаточна для того, чтобы обеспечить полное, на 360°, перекрытие наружной поверхности корпуса 12 несколькими лопастями 20. Снаружи боковой стенки 16, начиная от области вблизи стенки 18 переходного перегиба, образованы канавки (каналы) 24 для выноса бурового шлама, причем каждая канавка 24 для выноса бурового шлама совмещена по окружности с боковым отверстием Р. Глубина канавок 24 для выноса бурового шлама сначала увеличивается, начиная от их соответствующих передних концов, в соответствии с увеличением отклонения лопастей 20, между боковых краев которых эти канавки образованы.
Суперабразивные режущие элементы в форме АПСА режущих элементов 30 расположены вдоль ведущих кромок в направлении вращения каждой лопасти 20. АПСА режущие элементы 30 могут включать режущие элементы любой подходящей конфигурации. Один из примеров подходящего АПСА режущего элемента, не ограничивающего изобретение, раскрыт в US 5435403. Как отмечалось ранее, АПСА режущие элементы 30 устанавливаются снаружи по внешнему диаметру бурового долота, которое должно быть впоследствии введено в буровой расширитель для выбуривания, для упрощения процесса выбуривания. Также предполагается, что, кроме АПСА режущих элементов, при осуществлении настоящего изобретения могут быть использованы и иные суперабразивные режущие элементы, а также режущие элементы из других материалов. Например, могут быть использованы термостойкие (ТСТ) алмазные режущие элементы, режущие элементы с импрегнированными алмазами, режущие элементы из кубического нитрида бора (КНБ) и режущие элементы из карбида вольфрама (WC), с учетом характеристик разбуриваемого пласта или пластов и возможности использовать относительно недорогие режущие элементы, насколько позволяют характеристики пласта.
На радиально наружные поверхности 32 лопастей 20 вдоль их расходящейся части нанесен довольно толстый слой дробленого карбида 34 вольфрама, размещенный за АПСА режущими элементами 30 по направлению вращения. В варианте осуществления, представленном на фиг.1, слой дробленого карбида 34 вольфрама имеет относительно большую ширину по окружности, малую длину вдоль оси, и его начало вдоль оси лежит у середины ряда АПСА режущих элементов 30, в то время как в варианте осуществления, представленном на фиг.2, этот слой находится в продолговатом желобе, проходящем вдоль оси по меньшей мере по всей протяженности АПСА режущих элементов 30. Опорные элементы 36 в форме, например, овалов из карбида вольфрама, расположены в углублениях в наружных поверхностях лопастей 20, по кругу в их конусных частях, между АПСА режущими элементами 30 и относительно толстым слоем дробленого карбида 34 вольфрама. Также предполагается, что могут быть использованы опорные элементы других типов и конфигураций, например АПСА опорные элементы со сферической вершиной, или опорные элементы, выполненные из других подходящих материалов. На радиально наружных поверхностях 32 лопастей 20, расположенных вдоль оси вслед за АПСА режущими элементами 30, нанесены один или более слоев карбида 38 вольфрама. В варианте осуществления, представленном на фиг.1, слой карбида 38 вольфрама проходит по существу по всей радиально наружной поверхности каждой лопасти 20, в то время как в варианте осуществления, представленном на фиг.2, карбид вольфрама расположен по существу в двух вытянутых слоях 38 в желобах, проходящих вдоль передней и задней кромок (по направлению вращения) лопастей 20, причем расположенный сзади по направлению вращения слой 38 проходит вдоль оси к носовой части 14 так, чтобы расположиться по направлению вращения сзади от относительно толстого слоя карбида 34 вольфрама, с опорным элементом 36, лежащим по окружности между ними. На находящихся, по оси сзади, скошенных поверхностях 22 лопастей 20 нанесен относительно толстый слой дробленого карбида 40 вольфрама.
Конфигурация носовой части бурового расширителя 10 выбрана с толщиной оболочки (стенки), рассчитанной с учетом удобства выбуривания. Минимальная толщина выбрана по результатам анализа методом конечных элементов (FEA - от англ. "finite element analysis") с учетом предполагаемого веса и момента вращения, воздействующих на буровой расширитель 10 при использовании. Толщина оптимизирована с тем, чтобы в конструкции обеспечивался коэффициент запаса прочности 2-3 к заданным параметрам нагрузки, при которых будет использоваться буровой расширитель 10.
Вогнутость носовой части 14 может в некоторых пределах варьироваться, сообщая буровому расширителю 10 способность сохранять направление движения сквозь пласт и, одновременно, обеспечивая выбуривание (вырезание) носовой части без образования крупных фрагментов материала, остающихся в стволе скважины. Также следует отметить, что отсутствие выступающих над торцом носовой части лопастей 20 обеспечивает бесперебойное высверливание материала корпуса оболочки в носовой части, делая буровой расширитель 10 пригодным для его выбуривания АПСА-долотом.
Как отмечалось ранее, опорные элементы 36, содержащие вставки со скругленными вершинами из карбида вольфрама или иного подходящего материала, выступают относительно АПСА режущих элементов 30 и, также, слоя карбида вольфрама, для предотвращения опасного соприкосновения между суперабразивными режущими элементами на лопастях 20 и внутренней поверхностью обсадной колонны или хвостовика обсадной колонны, сквозь которые может быть опущен буровой расширитель 10.
Использование как АПСА режущих элементов 30, так и слоев 34, 38 и 40 карбида вольфрама, обеспечивает расширение ствола как ротационным, так и возвратно-поступательным воздействием. Расположение слоев 34, 38 и 40 карбида вольфрама по всей окружности инструмента обеспечивает расширение ствола возвратно-поступательным воздействием. АПСА режущие элементы 30 обеспечивают проведение активного, ротационного расширения в общепринятом направлении вращения (по часовой стрелке). Слои 34 и 38 карбида, проходящие до верхней части бурового долота, как по передней, так и по задней по направлению вращения кромкам лопастей 20, позволяют использовать буровой расширитель также и с вращением против часовой стрелки. На лопастях 20 также имеются суживающиеся ведущие по направлению вращения кромки для снижения реактивного момента и эффективности бокового режущего захвата. Толстый слой дробленого карбида 40 вольфрама на аксиально задних концах лопастей 20 обеспечивают возможность бурения при движении долота вверх.
На фиг.5А изображен наружный профиль торцевой фрезы обычного АПСА роторного режущего долота D, находящегося внутри корпуса 12 бурового расширителя 10 перед тем, как роторное режущее долото D войдет в контакт с внутренней поверхностью IS (IS - от англ. interior surface) носовой части 14. Размещенные на торце роторного режущего долота D АПСА режущие элементы вместе образуют режущий профиль CP (CP - от англ. cutter profile), по существу аналогичный торцевому профилю, хотя и изображенному ранее, но для ясности изложения не описанному. На фиг.5Б показано, как роторное режущее долото D захватило внутреннюю поверхность IS носовой части 14 и частично ее прорезало. Можно видеть, что внутренняя поверхность IS центральной, вогнутой области носовой части 14 имеет тот же угол конусности, что и у профиля СР, в то время как ее наружная поверхность OS (OS - от англ. outer surface) имеет конусность с большим углом, в результате чего толщина оболочки по центральной оси L бурового расширителя 10 оказывается меньше, и выбуривание носовой части 14 будет происходить от центральной оси L наружу к стенке 18 переходного перегиба, которая будет выбурена в последнюю очередь, что гарантирует отсутствие крупных фрагментов материала от носовой части 14. Как упоминалось выше, АПСА режущие элементы 30 (не показанные на фиг.5А-5С) полностью отведены и радиально смещены наружу от диаметра резания роторного режущего долота D. На фиг.5В показано завершение операции выбуривания вогнутой области носовой части 14 и частичное выбуривание стенки 18 переходного перегиба, при этом последовательность бурения "изнутри наружу" обеспечивает отсутствие оставшихся неразмельченных фрагментов носовой части после завершения операции выбуривания.
В то время как настоящее изобретение было описано на примере проиллюстрированного варианта осуществления, для специалистов должно быть понятно, что этим вариантом изобретение не ограничивается, и они смогут предложить в отношении описанных вариантов осуществления добавления, изменения и изъятия, находящиеся в пределах области патентных притязаний изобретения.