ВРАЩАЮЩИЙСЯ СКВАЖИННЫЙ ИНСТРУМЕНТ
ROTATING DOWNHOLE TOOL

Данное изобретение относится к вращающемуся скважинному инструменту, такому как буровое долото, и, в частности, к инструменту, применяемому в бурении скважин в горных породах.
Бурение скважин в горных породах обычно включает в себя применение ряда скважинных инструментов, которые вращаются в процессе применения, например, буровых долот, стабилизаторов, корпусов с датчиками и других устройств.
Известны буровые долота многих типов. Один вид бурового долота является буровым долотом с неподвижным вооружением, содержащим жесткий корпус долота, на котором закреплено некоторое количество резцов или режущих элементов. В качестве примера, корпус долота может включать в себя ряд фиксированных лопастей, на которых закреплены резцы. В процессе применения буровое долото приводится во вращение вокруг своей оси, при этом на долото прикладывается осевая нагрузка, в результате резцы внедряются или врезаются, или в ином случае истирают горную породу, с которой введены во взаимодействие, выполняя в ней бурение или проходку ствола скважины. Насосом на буровое долото может подаваться буровой или промывочный раствор, служащий для очистки и охлаждения резцов и удаления материалов, разрушенных резцами.
Части бурового долота образуют калибрующую зону. Обычно, калибрующая зона имеет, в общем, цилиндрическую форму, хотя канавки или пазы могут проходить через калибрующую зону в некоторых конструктивных решениях бурового долота. Калибрующая зона обычно опирается на поверхность ствола скважины, при применении, и контакт между стенкой ствола скважины и калибрующей зоной может обуславливать износ на буровом долоте, а также дополнительно служит для сопротивления вращению бурового долота. Контакт между калибрующей зоной и стенкой ствола скважины служит для стабилизации долота, противодействия нежелательному наклону или т.п.
В патентах US5109935 и US5339910 описаны буровые долота, в которых, в общем, цилиндрические вращающиеся элементы установлены на калибрующей зоне, вращaющиеся элементы опираются на стенку ствола скважины при применении и могут свободно вращаться относительно корпуса связанного бурового долота. Применение таких вращaющихся элементов в калибрующей зоне служит для уменьшения износа и сопротивления вращению бурового долота.
Хотя применение таких вращающихся элементов может приводить к уменьшению износа и сопротивления вращению, имеется риск уменьшения устойчивости бурового долота.
Хотя рассмотрение выше в данном документе относится в основном к буровым долотам, понятно что другие вращающиеся скважинные инструменты должны включать в себя калибрующую зону, которая опирается при применении на стенку ствола скважины, и, следовательно, должна испытывать соответствующие нагрузки при применении и должна подвергаться износу.
Настоящим изобретением предложен скважинный вращающийся инструмент, содержащий корпус инструмента, образующий калибрующую зону, и по меньшей мере один калибрующий ролик, закрепленный свободно вращающимся на корпусе.
Инструмент может представлять собой буровое долото с корпусом долота, на котором закреплено множество режущих элементов. Альтернативно, инструмент может представлять собой стабилизатор или другой скважинный инструмент.
Калибрующая зона, предпочтительно, дополнительно включает в себя по меньшей мере одну фиксированную калибрующую опору, способную опираться при применении на стенку ствола скважины. В результате, при применении может быть улучшена устойчивость бурового долота или другого инструмента.
По меньшей мере один калибрующий ролик является удобным в демонтаже для обеспечения его замены. В результате, эксплуатационный ресурс инструмента может быть продлен.
Некоторое количество калибрующих роликов может быть целесообразно варьировать или регулировать. Понятно, что такое регулирование обеспечивает подведение баланса между устойчивостью долота и износом инструмента.
Целесообразным является съемное закрепление фиксированных калибрующих опор на корпусе. Целесообразным является способ закрепления фиксированных калибрующих опор и калибрующих роликов на корпусе, в котором фиксированные калибрующие опоры и калибрующие ролики можно чередовать друг с другом.
По меньшей мере один калибрующий ролик имеет ось вращения которая должным образом наклонена к оси вращения инструмента при применении. Ось вращения по меньшей мере одного калибрующего ролика может быть, например, наклонена перпендикулярно оси вращения инструмента. Такое устройство может помогать в спуске инструмента в ствол скважины и подъеме из него. Альтернативно, установку оси под углом можно применять для улучшения поддержки, когда инструмент наклонен относительно оси смежной части ствола скважины, например с помощью такого наклона оси вращения калибрующих роликов, что они лежат на поверхности воображаемого конуса.
По меньшей мере один калибрующий ролик может включать в себя храповое устройство, которое обеспечивает вращение калибрующего ролика в одном направлении, но противодействует его вращению в обратном направлении. Такое устройство считается уменьшающим вихревое движение и прерывистое перемещение инструмента, которые считаются приводящими к обратному вращению и/или значительным вариациям скорости вращения инструмента.
Может быть обеспечено демпфирующее устройство для противодействия ускорению калибрующего ролика и/или ограничения его скорости вращения, которое может служить для уменьшают проблем прерывистого перемещения.
Изобретение дополнительно описано ниже в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следуещее.
На фиг. 1 показано буровое долото по одному варианту осуществления изобретения.
На фиг. 2a, 2b и 2c показаны части долота фиг. 1.
На фиг. 3 показана схема одной модификации.
На фиг. 4 показано альтернативное устройство.
На фиг. 5 и 6 показаны дополнительные модификации.
На фиг. 1 схематично показано буровое долото 10 с неподвижным вооружением, содержащее корпус 1 долота с сужающимся участком 2 для соединения с бурильной колонной (не показано) на верхнем конце бурового долота 10. На нижнем конце бурового долота 10 обеспечено множество режущих лопастей 3, каждая из которых несет множество неподвижно закрепленных режущих элементов 4.
Каждый режущий элемент 4 является, по существу, цилиндрическим, и содержит грань поликристаллической алмазной вставки (PDC), связанную с подложкой из цементированного карбида. Имеется, например, шесть лопастей 3, расположенных через равные угловые интервалы по окружности бурового долота 10. Каждая лопасть 3 проходит по криволинейной траектории от центра вращения долота до наружной кромки бурового долота 10, и каждая лопасть 3 включает в себя участок 15, по существу, параллельный оси вращения долота 10. Между каждой лопастью имеется втопленный участок (не показано), который обеспечивает удаление с бурового долота 10 обломков и бурового раствора, уносимых от него потоком бурового или промывочного раствора. Буровые долота данной общей формы общеизвестны и поэтому только отличия между обычным буровым долотом и долотом по варианту осуществления изобретения описаны ниже в данном документе.
Сзади от лопастей 3 имеется калибрущая часть 5. Калибрущая часть имеет в составе множество калибрующих роликов 6 и ряд фиксированных калибрующих наплавок 7. Ролики 6 закреплены способом, обеспечивающим их свободное вращeние относительно корпуса долота, и служат для уменьшения трения между буровым долотом и стволом скважины. Фиксированные калибрующие опоры 7 закреплены так, что их калибрующие поверхности являются фиксированными относительно корпуса 1 долота. Они опираются при применении на смежную стенку ствола скважины и служат для улучшения устойчивости долота.
На фиг. 2a отдельно от долота 10 показан калибрующий ролик 6. Каждый ролик 6 содержит несущее устройство 11, которое несет роликовый элемент 8, по существу, цилиндрический и вращающийся относительно несущего устройства 11 вокруг оси роликового элемента 8. Роликовый элемент 8 для удобства снабжен рядом относительно твердых, износостойких элементов 8a взаимодействия. Вращение роликового элемента 8 при применении помогает уменьшать трение между калибрующим участком бурового долота 10 и стволом скважины.
Внутренний подшипник (не показано) обеспечен между роликовым элементом 8 и несущим устройством 11. Внутренний подшипник может быть аналогичным подшипникам, применяемым в шарошках. Внутренний подшипник может содержать поверхность с алмазным покрытием по меньшей мере на одной из внутренней поверхости роликового элемента 8 и опорной поверхности несущего устройства 11. Внутренний подшипник может быть обеспечен динамическими уплотнениями, которые удерживают смазку в подшипнике. Альтернативно, внутренний подшипник может иметь смазку циркулирующим буровым раствором. В альтернативных вариантах осуществления внутренний подшипник может представлять собой подшипники качения, например игольчатые подшипники качения и/или конические роликовые подшипники качения. Может быть обеспечен упорный подшипник для восприятия аксиальных нагрузок на роликовый элемент 8. Упорный подшипник может содержать две трущихся поликристаллических поверхности. Присутствие фиксированных калибрующих наплавок 7 может служить для уменьшения боковых нагрузок, которым подвергаются ролики при применении, предотвращая или уменьшая риск катастрофического отказа ролика или долота в случае отказа подшипника.
Фиксированные калибрующие опоры 7, каждая, содержит корпус 12 (см. фиг. 2b) на которых обеспечено множество износостойких элементов 12a взаимодействия. Несущее устройство 13 выступает из корпуса 12.
Несущие устройства 11, 13 съемно закреплены на корпусе 1 долота так, что съемно крепят фиксированные калибрующие опоры 7 и калибрующие ролики 6 к корпусу 1 долота. Таким образом образована калибрующая зона 5 с рядом выемок или гнезд 14 (см. фиг 2c), с размерами, достаточными для обеспечения приема в них калибрующих роликов 6 или опор 7, при этом часть периферии калибрующего ролика 6 или калибрующей поверхности калибрующей опоры 7 выступает из гнезда 14. Каждое гнездо 14 включает в себя пару продолжений 14a, выполненных с возможностью приема несущих устройств 11, 13. Фиксирующее средство 16, например в виде установочного винта или т.п., применяетcя для крепления несущих устройств 11, 13 в нужном положении и предохранения роликов 6 и опор 7 от перемещения.
Буровое долото 10 выполнено так, что когда ролики 6 закреплены на долоте 10, ось каждого роликового элемента 8, по существу, параллельна оси вращения бурового долота 10. Имеются, например, шесть роликов 6, и каждый ролик 6 установлен смежно с соответствующей лопастью 3. Каждый ролик 6 закреплен в одинаковом аксиальном положении на буровом долоте 10. Ролики 6 могут чередоваться с опорами 7, но данное не всегда является обязательным.
Каждый роликовый элемент 8 обеспечен, как упомянуто выше, множество элементов 8a взаимодействия куполообразной формы. Элементы 8a содержат, например, твердый, стойкий к абразивному износу материал, такой как поликристаллический алмаз. В других вариантах осуществления роликовый элемент 8 может быть выполнен без таких элементов 8a, и может вместо этого иметь термостабильные элементы из поликристаллического алмаза, твердосплавные наплавки или нанесенное на него алмазное покрытие. Характер наружной поверхности роликового элемента 8 может быть выбран соответствующим назначению ролика 6.
В настоящем вариант осуществления разнос между элементами 8a каждого роликового элемента 8 является относительно большим, и их геометрия является такой, что эффективный радиус каждого ролика 6 меняется, когда роликовый элемент 8 вращается. Калибр роликов поэтому постоянно варьируется, и это может обуславливать неприемлемые или нежелательные вибрации. Фиксированные калибрующие опоры 7 и их взаимодействие со стенкой ствола скважины могут служить для стабилизации долота и уменьшения таких вибраций. Может быть желательным исключить данные вариации, и роликовый элемент 8 может иметь гладкую наружную поверхность или может включать в себя большее число элементов 8a для сглаживания данных вариаций. Альтернативно наружная поверхность может иметь постоянный эффективный радиус, не будучи гладкой, например, имеющей проходящие по окружности или по спирали канавки, или рифление. В другой альтернативе элементы 8a могут быть расположены так что разница эффективного радиуса, когда роликовый элемент вращается, меньше 0,5 мм.
При применении буровое долото вращается вокруг своей оси, при этом на долото прикладывается осевая нагрузка. В результате, режущие элементы 4 зарываются в материал и калибруют, обдирают, истирают или иначе удаляют материал со дна забоя скважины, которая бурится. Калибрующая зона 5 опирается на поверхность ствола скважины, обеспечивая поддержку для корпуса долота, противодействуя его наклону. Понятно что взаимодействие калибрующей зоны 5 со стенкой ствола скважины увеличивает фрикционное сопротивление вращению бурового долота и увеличивает износ бурового долота. Понятно, что при обеспечении бурового долота калибрующей зоной 5 с рядом калибрующих роликов 6, сопротивление вращению бурового долота уменьшается, и износ также уменьшается. Вместе с тем, устойчивость бурового долота может также уменьшаться в сравнении с устройством, в котором калибрующая зона не включает в себя роликов. Для достижения требуемого баланса между фрикционным сопротивлением и износом и устойчивостью, количество калибрующих роликов 6 можно варьировать, удаляя калибрующие ролики 6 и заменяя их фиксированными калибрующими опорами 7, или удаляя фиксированные калибрующие опоры 7 и заменяя их роликами 6.
В настоящем варианте осуществления ролики 6 закреплены так, что калибрующий участок 5 имеет радиус равный радиусу ствола, прорезаемого режущими элементами 4 лопастей 3. В других вариантах осуществления ролики 6 могут быть расположены так, что калибрующий участок 5 имеет радиус больше радиуса ствола, прорезаемого долотом 10, при этом ролики 6 прикладывают центрирующую силу на долото 10 при нахождении в стволе.
В других вариантах осуществления один или несколько роликов 6 и/или фиксированных калибрующих опор 7 могут удерживатья закрепляющим устройством, которое имеет некоторую гибкость, при этом обеспечивая в некоторой степени радиальную амортизацию. Например, можно применять закрепляющее устройство, которое подпружинено, и которое обеспечивает радиальную силу в ответ на радиальное смещение ролика 6 или опоры 7. Такое устройство можно предварительно нагружать так, что для перемещения радиально внутрь ролика 6 или опоры 7 требуется пороговая сила. Закрепляющее устройство может демпфировать радиальное перемещение ролика 6 или опоры 7.
В некоторых вариантах осуществления закрепляющее устройство может быть таким, что положение ролика 6 и/или опоры 7 относительно корпуса 1 долота является регулируемым. Положение ролика 6 или опоры 7 можно регулировать между фиксированный положениями или можно непрерывно варьировать. Такие варьирующие закрепляющие устройства могут варьировать радиальное положение роликов 6 или опор 7 и могут, например, применятьcя для исключения риска вихревого движения долота, который увеличивается с износом долота, посредством увеличения центрирующей силы от роликового калибрующего устройства. Такое регулируемое закрепляющее устройство может использовать гидравлическое давление, пружины, осевую нагрузку на долото, крутящий момент на долоте, сброшенный шар и/или ʺбайонетноеʺ фиксирующее устройство для внесения изменений в закрепляющее устройство.
Регулируемое закрепляющее устройство может быть обеспечено на одном конце ролика 6 или опоры 7, при этом другой конец закрепляют к корпусу 1 долота в поворотном шарнире так, что регулирующее средство способно варьировать угол ролика 6 или ориентацию опоры 7, обуславливая наклон ролика. Ролик 6 или опора 7 могут при этом быть наклонными для максимального контакта со стволом скважины.
В некоторых вариантах осуществления ролики 6 и/или опоры 7 могу быть выполнены для управления направлением движения долота и/или в работы в режиме наклонно-направленного бурения. Указанное может быть получено либо заданной конфигурацией роликов 6 и/или опор 7, или изменением конфигурации роликов 6 и/или опор 7 в процессе бурения. Например, положение, угловую ориентацию или сопротивление качению одного или нескольких роликов 6 можно менять для обеспечения поворота /создания несбалансированной силы на буровом долоте 10. Изменения данных типов могут быть заданными, и ролики 6 или опоры 7 выполнены с возможностью переключения между первой конфигурация с первым режимом наклонно-направленного бурения, и второй конфигурацией со вторым, отличающимся режимом наклонно-направленного бурения. Переключение между конфигурациями может требовать паузы в бурении, или может быть отрегулировано во время бурения.
Хотя в устройстве, описанном выше в данном документе, ролик 6 совмещен с каждой лопастью 3, понятно, что это не обязательно.
Как показано на фиг. 3, вместо роликов 6, ориентированных так, что их оси вращения параллельны оси вращения бурового долота 10, оси вращения могут быть ориентированы для достижения требуемого эффекта. Например, с помощью выполнения роликов 6 так, что их оси вращения наклонены вверх (указано линией 20a на фиг. 3), или вниз (указано линией 20b на фиг. 3) так, что оси вращения роликов лежат на поверхности воображаемого конуса, устойчивость долота может быть улучшена, когда предпринимается управление направлением движения при бурении. Например, при наклоне оси к забою скважины, направленная к забою сила может быть приложена на долото для содействия бурению вперед. В вариантах осуществления с многочисленным роликами с отличающимся местоположением, находящиеся ближе к устью скважины ролики могут быть наклонены к забою, находящиеся ближе к забою скважины ролики могут быть наклонены к устью.
В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере один ролик может быть обеспечен осью роликового элемента перпендикулярной оси вращения долота 10 для помощи при спуске в скважину и подъеме из скважины. Такие перпендикулярные ролики можно применять с искривленной компоновкой низа бурильной колонны, установленной на корпусе двигателя и/или на долоте, при этом уменьшается износ, благодаря уменьшению трения при спуске.
На фиг. 4 показано устройство, в котором оси вращения роликов 6 расположены перпендикулярно оси вращения бурового долота 10, как упомянуто выше. Считается, что в таком устройстве сопротивление и износ, испытываемые при спуске или рейсе бурового долота в скважину или из скважины могут быть уменьшены. В данном устройстве калибрущая часть для удобства дополнительно включает в себя фиксированные калибрующие опоры 7 для обеспечения поддержки и устойчивости для бурового долота 10. Считается, что такое устройство также уменьшает повреждение стенки ствола скважины во время спускоподъемных операций.
Эффективное сопротивление качению ролика 6 может быть регулируемым. Регулирование сопротивления качению можно применять для воздействия на такой режим работы долота 10 при применении, как ʺотклонение от проектаʺ долота 10. Трение /сопротивление качению можно регулировать для компенсации износа резцов 4, например уменьшая по ходу работы трение /сопротивление качению по мере износа режущих элементов 4. Трение /сопротивление качению можно регулировать для соответствия отличающимся геологическим пластам.
В некоторых вариантах осуществления ролик 6 можно активно тормозить тормозом или создающим сопротивление устройством. В некоторых вариантах осуществления тормоз или создающее сопротивление устройство могут быть способны прикладывать отрицательный крутящий момент для противодействия вращению бурового долота 10 в направлении породоразрушения. Тормоз или создающее сопротивление устройство может быть регулируемым или переключающимся для варьирования приложенного крутящего момента по требованию. Тормоз или создающее сопротивление устройство может быть электрическим, гидравлическим или механическим. Тормоз или создающее сопротивление устройство может быть интегральным с долотом, или может быть установлено за его пределами.
Ролик 6 может быть снабжен демпфирующим механизмом для уменьшения или исключения эффектов от прерывистого перемещения. Демпфирующий механизм может, например, обеспечивать крутящий момент, пропорциональный скорости вращения роликового элемента 8 и/или угловому ускорению роликового элемента 8 на ролике 6. Демпфирующий механизм может быть выполнен обеспечивающим нелинейное демпфирование, например, при скорости вращения, обеспечивающей срабатывание, или обеспечивающим приблизительный предел скорости вращения роликового элемента, резко увеличивая демпфирование от некоторой скорости вращения. Демпфирующий механизм может ограничивать максимальную скорость вращения бурового долота 10, и/или его максимальное угловое ускорение. В других вариантах осуществления устройства запуска и/или ограничения демпфирующих режимов основаны не на скорости вращения, но на угловом ускорении роликового элемента 8.
Ролики 6 с демпфирующим механизмом могут иметь поверхность, выполненную с возможностью сцепления с пластом. Например, наружная поверхность роликового элемента 8 может быть обеспечена зубками, взаимодействующими с пластом.
Демпфирующий механизм может быть интегральным с роликом 6, или может быть обеспечен приводным средством бурового долота 10.
На фиг. 5 показано одно устройство которым можно демпфировать вращение ролика 6. В данном устройстве ролик 6 является пустотелым, и вал 11, на котором он установлен для вращения, обеспечен лопастями 11a. Вязкая текучая среда размещена в ролике 6, и взаимодействие между текучей средой и лопастями 11a служит для противодействия вращению или демпфирования вращения ролика 6. Как упомянуто выше в данном документе, демпфирование может выполняться для ограничения скорости вращения ролика 6, или демпфирования его ускорения. С применением текучей среды с вязкостью, которой можно управлять, уровнем обеспечиваемого демпфирования можно также управлять. Примером текучей среды, имеющей управляемую вязкость, является магнитoреологическая текучая среда.
В некоторых вариантах осуществления ролики 6 могут быть установлены в отличающихся аксиальных положениях, которые могут определяться аспектами технического решения применяемого долота. Например, может являться целесообразным положение роликов 6 сзади по соображениям управления направлением движения при бурении. Расположение и разнос роликов 6 могут определяться компонентами снаружи долота 10. Ролики 6 могут, например располагаться смежно с расширителем на буровом долоте со смещенным центром или расширителем ствола скважины, или на месте искривления корпуса двигателя. Буровое долото со смещенным центром согласно варианту осуществления может быть снабжено роликовым калибрующим устройством, содержащим по меньшей мере один ролик, смежный с одним или другим или обоими, пилотным калибрующим устройством и калибрующим устройством расширителя.
Как показано на фиг. 6, один или несколько роликов 6 могут быть снабжены механизмом 24 по типу храповика, котрый обеспечивает вращении роликового элемента 8 только в одном направлении (например, направлении породоразрушения). Храповой механизм может быть частью приводного средства бурового долота, которая соединяется c роликовым элементом 8 при применении. Присутствие храпового механизма служит для противодействия вращению долота назад, при этом уменьшется вихревое движение долота. Указанное может также противодействовать прерывистому перемещению.
Долото 10 может иметь другое число лопастей 3, и может иметь только одну лопасть.
Режущие элементы 4 могут содержать любой подходящий материал, такой как кубический нитрид бора или импрегнированный алмазами металл.
В некоторых вариантах осуществления, форма роликового элемента 8 может отличаться от цилиндрической, например быть сужающейся, эллиптической или сферической.
Хотя описание выше в данном документе относится в основном к буровым долотам, понятно, что изобретение этим не ограничено и также применимо для других видов скважинного вращающегося инструмента, в котором корпус включает в себя калибрующую зону, при этом по меньшей мере один калибрующий ролик закреплен на корпусе в калибрующей зоне способом, обеспечивающим взаимодействие со смежным пластом. Калибрующий ролик и способ, которым он закреплен, могут иметь любую из форм, описанных выше в данном документе.
Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что ряд других модификаций и вариаций являются возможными в объеме изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.