БУРОВОЕ ДОЛОТО
DRILLING BIT

Изобретение, описанное в данном документе, относится к буровому долоту, которое предназначено, главным образом, для использования при подземной разработке грунта.
Далее в описании термин «поверхность конического сечения» означает усеченный обобщенный конус, профиль поверхности которого между основанием конуса и его вершиной может быть прямым, а также может представлять собой обобщенную кривую и может быть непрерывным или прерывистым.
Традиционные буровые долота, применяемые при подземной разработке грунта, обычно представляют собой удлиненные структуры, как правило, с круглым поперечным сечением, состоящие из трех частей (см. патент US 2007102195, 10.05.2007). Во-первых, у них имеется режущая часть, которая соприкасается с вынимаемым материалом. Она обычно включает в себя множество режущих элементов, движение которых по выбуриваемому материалу приводит к выбуриванию или выдалбливанию материала. Во-вторых, имеются средства соединения, которые обычно располагаются на конце долота, противоположном режущей части, для соединения долота с источником движения (которым обычно является вращательная бурильная колонна). В-третьих, имеется так называемая калибрующая область, которая находится между режущей частью и средствами соединения и которая предназначена для соприкосновения с боковыми поверхностями пробуриваемой скважины в целях стабилизации движения долота. Калибрующая область, как правило, свободна от режущих элементов и имеет диаметр, аналогичный диаметру ствола пробуриваемой скважины. Калибрующая область может также иметь в своей поверхности каналы, позволяющие выбуренному материалу и буровому раствору отодвигаться от режущей части. Это может произойти в результате подачи бурового раствора к режущей части отдельными способами, при этом буровой раствор вытесняет тот буровой раствор, который уже присутствует возле режущей части, а также выбуренный материал, заставляя его оттекать через каналы калибрующей области от режущей части. Калибрующая область обычно имеет постоянный диаметр, особенно если буровое долото должно использоваться при бурении прямолинейных скважин. Также используются калибрующие области, которые включают в себя линейный конус, т.е. участок, где диаметр калибрующей области уменьшается пропорционально расстоянию от режущей части, в результате чего, как правило, получается калибрующая область в виде усеченного конуса (см. патент GB 2433760, 04.07.2007, или патент СА 2532618, 20.07.2006).
Хорошо известно, что буровое долото необходимо направлять таким образом, чтобы оно следовало по криволинейной траектории в желаемом направлении. В данной ситуации часть поверхности калибрующей области может оказаться вдавленной в стенку буровой скважины. Это представляет серьезную проблему, так как ведет не только к нестабильности бурового долота, но также к потерям энергии на ненужное разъедание стенки буровой скважины и/или вышеуказанной поверхности калибрующей области. Так как поверхность калибрующей области обычно свободна от режущих элементов (однако она может иметь отвержденное, медленно изнашивающееся покрытие или оболочку), это означает, что ее столкновение с буровой скважиной приведет к значительному износу.
Один из методов, предусмотренных для преодоления данной проблемы, заключается в использовании бурового долота с калибрующей областью изогнутого профиля. Однако буровое долото данного типа менее эффективно, чем буровое долото, которое имеет постоянное поперечное сечение калибрующей области, при использовании в прямолинейной скважине или в прямолинейной части скважины. Это обусловлено тем фактом, что изогнутый профиль калибрующей области приведет к тому, что часть калибрующей области не будет соприкасаться со стенкой скважины и это помешает ей нормально стабилизировать долото.
Таким образом, буровое долото с калибрующей областью изогнутого профиля и буровое долото с калибрующей областью постоянного поперечного сечения пригодны для бурения либо наклонных скважин, либо прямолинейных скважин соответственно, но менее эффективны при использовании в прямолинейных скважинах или наклонных скважинах соответственно.
В предлагаемом изобретении сделана попытка устранить недостатки, описанные выше.
Согласно данному изобретению представлено буровое долото, которое в процессе эксплуатации может использоваться для бурения скважины и включает в себя:
- главный корпус, имеющий ось, вокруг которой он вращается в процессе эксплуатации;
- режущую часть, движение которой в процессе эксплуатации по поверхности выбуриваемого материала ведет к выдалбливанию или отскабливанию материала;
- средства соединения, которые в процессе эксплуатации используются для прикрепления долота к источнику вращательного движения, при этом вышеуказанные средства также позволяют приложить усилие на долото, чтобы вогнать его режущую часть в выбуриваемый материал;
- калибрующую область, которая находится между вышеуказанной режущей частью и вышеуказанными средствами соединения, при этом вышеуказанная калибрующая область включает в себя хотя бы одно звено, способное передвигаться между первой позицией, в которой калибрующая область ограничена воображаемой трубчатой поверхностью постоянного поперечного сечения, соосной оси вращения, и второй позицией, в которой часть данного звена располагается радиально внутрь по отношению к оси вращения от своей позиции в то время, когда вышеуказанное звено находится в вышеуказанной первой позиции, при этом калибрующая область (в то время, когда вышеуказанное звено находится в вышеуказанной второй позиции) ограничена воображаемой трехмерной поверхностью конического сечения;
- а также хотя бы один привод, при этом каждое вышеуказанное звено механически связано с приводом таким образом, чтобы каждое звено можно было передвигать между вышеуказанными первой и второй позициями с помощью вышеуказанного привода.
Желательно, чтобы вышеуказанный привод приводился в действие с помощью управляющего сигнала в ответ на желаемую траекторию движения бурового долота таким образом, чтобы вышеуказанное звено занимало вышеуказанную первую позицию, пока буровое долото следует по практически прямолинейной траектории, и чтобы вышеуказанное звено занимало вышеуказанную вторую позицию, пока буровое долото следует по криволинейной траектории.
Предпочтительно профиль вышеуказанной воображаемой трехмерной поверхности конического сечения выбирается таким образом, чтобы соответствовать кривизне криволинейной траектории, по которой следует буровое долото.
Желательно, чтобы калибрующая область и, в частности, хотя бы одно подвижное звено были свободны от режущих элементов.
Предпочтительно поперечное сечение калибрующей области по отношению к оси вращения имеет диаметр меньше либо равный диаметру режущей части.
Желательно, чтобы вышеуказанное хотя бы одно подвижное звено, которое может соприкасаться со стенкой буровой скважины в процессе эксплуатации, включало в себя хотя бы один паз.
Преимущественно вышеуказанный хотя бы один паз представляет собой, как правило, осевой канал, обеспечивающий проход и удаление выбуренного материала от режущей части. Это предотвращает забивание режущей части выбуренным материалом.
Желательно, чтобы вышеуказанное хотя бы одно звено включало в себя множество пальцев, расположенных на главном корпусе, при этом вышеуказанные пальцы тянутся параллельно оси вращения и шарнирно прикрепляются с первого конца к главному корпусу.
Предпочтительно вышеуказанный шарнир располагается между режущей частью и приводом, механически связанным с пальцем.
Желательно, чтобы вышеуказанное хотя бы одно звено включало в себя множество аналогичных сегментов, располагающихся на вышеуказанном главном корпусе таким образом, чтобы образовать калибрующий диск, соосный оси вращения.
Преимущественно имеется множество калибрующих дисков, каждый из которых включает в себя множество подвижных сегментов, при этом калибрующие диски располагаются на некотором расстоянии друг от друга вдоль оси вращения бурового долота.
Желательно, чтобы средством обеспечения движения вышеуказанных сегментов между первой и второй позициями являлся шарнир, соединяющий каждый сегмент с главным корпусом.
Преимущественно движение каждого сегмента между вышеуказанными первой и второй позициями является радиальным и прямолинейным относительно оси вращения долота.
Предпочтительно имеется множество приводов и звеньев, при этом каждый привод связан со звеном. Вышеуказанные приводы работают таким образом, чтобы звенья передвигались между вышеуказанной первой и вышеуказанной второй позициями равномерно и одновременно.
Преимущественно имеется множество приводов и звеньев, при этом каждый привод связан со звеном. Вышеуказанные приводы работают таким образом, чтобы звенья передвигались между вышеуказанной первой и вышеуказанной второй позициями последовательно для того, чтобы осуществить изменение направления долота при бурении.
Желательно, чтобы вышеуказанный хотя бы один привод представлял собой привод с шариковой винтовой парой.
Преимущественно вышеуказанный хотя бы один привод представляет собой гидравлический привод и включается подачей бурового раствора.
Преимущественно имеется множество приводов, при этом хотя бы один является приводом с шариковой винтовой парой и хотя бы один является гидравлическим приводом.
Предпочтительно вышеуказанное буровое долото дополнительно включает в себя блок управления, при этом вышеуказанный блок управления регулирует вышеуказанный хотя бы один привод и контролирует движение вышеуказанного хотя бы одного звена между первой и второй позициями.
Желательно, чтобы вышеуказанное буровое долото дополнительно включало в себя средства подключения бурового долота к насосным средствам, расположенным удаленно от бурового долота, при этом управление производительностью вышеуказанных насосных средств осуществляет контроль за хотя бы одним приводом.
Варианты осуществления данного изобретения будут теперь описаны на примерах, со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На Фиг.1 показан схематический вид сбоку в поперечном разрезе первого варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.2 показан схематический вид сбоку пальцевого компонента первого варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.3 показан схематический вид сбоку второго варианта осуществления настоящего изобретения.
На Фиг.4 показан схематический вид сверху в поперечном разрезе второго варианта осуществления настоящего изобретения.
Как лучше всего видно на фиг.1, буровое долото, которое в целом обозначается цифрой 10, включает в себя режущую часть 12 с шарошками (не показаны), движение которой в процессе эксплуатации по поверхности выбуриваемого материала ведет к выдалбливанию или отскабливанию материала. Двигатель (не показан) вращает долото вокруг оси А-А с помощью вала или бурильной колонны (также не показана), которая связана с соединительной областью 14 долота с помощью средств соединения 16. Вал (не показан) также прилагает усилие на долото, вгоняя режущую часть 12 в выбуриваемый материал. Между режущей частью 12 и соединительной областью 14 находится калибрующая область 18. В процессе эксплуатации калибрующая область 18 может время от времени соприкасаться с боковой поверхностью буровой скважины, выбуренной режущей частью 12, и, следовательно, обеспечивает предел стабильности движения работающего долота. Калибрующая область 18 обычно имеет круглое поперечное сечение, а ее поверхность обычно сделана из менее твердого материала, чем режущая часть 12, и, таким образом, подвержена износу.
Два вида калибрующей области 18, которые обычно используются в современных буровых долотах, таковы: калибрующая область, которая является цилиндрической вокруг оси вращения А-А и имеет диаметр, аналогичный диаметру режущей части 12, что особенно подходит для использования в тех сферах применения, где желательно пробурить прямолинейную скважину; либо конусообразная калибрующая область 18, диаметр которой изменяется относительно расстояния по оси вращения А-А от режущей части 12 и которая используется при направленном бурении, где траектория движения бурового долота является криволинейной. Профиль такой конусообразной калибрующей области 18 может быть прямым и располагаться под углом к оси вращения А-А или может быть изогнутым. Обычно диаметр конусообразной калибрующей области 18 уменьшается как функция расстояния от режущей части 12.
Цилиндрическая калибрующая область 18 желательна для прямолинейного бурения, так как она обеспечивает самое сильное соприкосновение между калибрующей областью 18 и стенкой пробуриваемой скважины. Это ведет к максимально возможной стабильности долота 10, пока оно вращается в процессе эксплуатации. Конусообразная калибрующая область 18 предпочтительна для направленного бурения, так как если бы цилиндрическая калибрующая область 18 была включена в систему направленного бурения, то пока долото двигается по криволинейным траекториям, часть калибрующей области 18 может оказаться вдавленной в стенку буровой скважины. Это не только приведет к потерям энергии из-за ненужного трения, но также может дестабилизировать долото и заставить его изменить свое направление. Так как калибрующая область 18 изнашивается, если она вгоняется в выбуриваемый материал с какой-либо значительной силой, то в этих ситуациях также возникнет значительный износ, что может привести к тому, что долото станет непригодным для использования задолго до того, как будет изношена режущая часть 12.
Профиль конусообразной калибрующей области 18 таков, что, пока долото двигается по криволинейной траектории, калибрующая область 18 не вгоняется в стенку скважины, и, таким образом, долото 10 не ограничено и может вращаться. Однако между стенкой скважины и калибрующей областью 18 все-таки возникает легкое соприкосновение, что позволяет стабилизовать долото 10, пока оно вращается в процессе эксплуатации. Благодаря комбинации того, что калибрующая область не вгоняется в стенку скважины, а стенка скважины и калибрующая область 18 могут в то же время слегка соприкасаться, применение конусообразной калибрующей области ведет к повышению эффективности регулирования направления при бурении по криволинейным траекториям и снижению вибраций, порождаемых долотом 10. Если бы конусообразное калибрующее долото 10 использовалось при прямолинейном бурении, то это было бы явным неудобством, так как большая часть калибрующей области 18 не соприкасалась бы со стенкой скважины и, следовательно, не смогла бы нормально стабилизовать долото 10, пока оно вращается.
При бурении скважины может возникнуть необходимость пробурить комбинацию прямолинейных и криволинейных секций. В настоящее время, если возникает такая необходимость, либо используется только один тип калибрующего долота 10, который подходит или для прямолинейного, или для криволинейного бурения и, следовательно, не подходит для другого бурения; либо должно использоваться разное буровое долото 10 для каждой секции. Смена бурового долота 10 представляет собой очень трудоемкий и длительный процесс, так как необходимо остановить бурение, вынуть бурильную колонну, сменить долото 10 и вновь спустить бурильную колонну в скважину, прежде чем можно будет продолжить бурение.
Для преодоления этих недостатков настоящее изобретение позволяет осуществлять смену калибрующей области 18 долота 10 и менять цилиндрическую калибрующую область на конусообразную калибрующую область и наоборот в процессе эксплуатации бурового долота 10. Это приведет к повышению качества буровой скважины (или ствола скважины) в прямолинейных секциях без снижения реакции на регулирование направления.
Возможность смены цилиндрической калибрующей области на конусообразную калибрующую область и наоборот в процессе эксплуатации бурового долота 10 также снижает риск застревания долота внутри скважины при его использовании в какой-либо сфере применения (например, при использовании импрегнированных долот, которые обычно представляют собой очень длинные калибрующие долота, вращаемые на высоких скоростях турбинами (со скоростью более 500 оборотов в минуту)).
В первом варианте осуществления настоящего изобретения, показанном на Фиг.1, средством, с помощью которого осуществляется смена профиля калибрующей области 18, является использование множества пальцев 20, расположенных на некотором расстоянии друг от друга по окружности долота 10. Каждый палец 20 шарнирно прикреплен с первого конца к внутренней части 22 калибрующей области 18, примыкающей к режущей части 12. Привод 24 механически связан со вторым, противоположным, концом каждого пальца 20. Когда приводы 24 находятся в первом положении (не показано), палец 20 сидит на одном уровне по сравнению с внутренней частью 22 калибрующей области 18. Палец 20 также может быть принят в паз (не показан) во внутренней части 22, когда он находится в первом положении. Таким образом, долото 10 со множеством одинаковых пальцев 20, расположенных на некотором расстоянии друг от друга по окружности вокруг внутренней части 22 (при этом каждый палец связан с приводом 24 в вышеуказанном первом положении), будет иметь конусообразную калибрующую область, ограниченную воображаемой поверхностью конического сечения, с профилем, указанным цифрой 26. Следовательно, с приводами 24, находящимися в первом положении, долото 10 будет иметь конусообразную калибрующую область, подходящую для направленного бурения. Если желательно пробурить прямую линию, приводы 24 включаются и переводятся во второе положение. Когда привод 24 переходит в вышеуказанное второе положение из вышеуказанного первого положения, прикрепленный к нему палец 20 поворачивается вокруг шарнира 21, при этом часть пальца 20 передвигается на большее радиальное расстояние относительно А-А таким образом, чтобы палец 20 занял позицию, в которой поверхность пальца 20, наиболее радиально удаленная от оси вращения А-А, лежит параллельно оси вращения А-А на радиальном расстоянии от А-А, аналогичном радиусу режущей части (показано в виде пунктирных линий на Фиг.1). Таким образом, несколько одинаковых пальцев 20, расположенных на некотором расстоянии друг от друга по окружности вокруг долота 10 и приведенных в действие таким же способом, вызовут калибрующую поверхность 18, ограниченную воображаемой цилиндрической поверхностью, соосной оси вращения А-А. Для того чтобы сменить долото 10, чтобы оно могло бурить по криволинейной траектории после того, как пробурит прямолинейную траекторию, приводы 24 включаются, чтобы перейти из своего второго положения в свое первое положение.
Каждый палец 20, ясно показанный на Фиг.2, включает в себя множество каналов 28, которые расположены, как правило, по оси и которые облегчают проход выбуренного материала между калибрующей поверхностью и стенкой буровой скважины и его удаление от режущей поверхности. Каналы 42 могут иметь постоянное поперечное сечение и быть осевыми, как показано, но также могут иметь переменное поперечное сечение и/или следовать по неосевой траектории по вышеуказанным поверхностям калибрующей области (не показано).
Каждый палец может быть плоским или изогнутым и обычно имеет форму трапеции, ширина которой у конца с шарниром 21 больше, чем у конца, противоположного шарниру 21. Это должно дать возможность концам каждого пальца 20, противоположным шарниру 21, сидеть рядом друг с другом на уменьшенном радиальном расстоянии в то время, пока приводы находятся в вышеуказанном первом положении. Если палец 20 изогнут, то он может быть изогнут в любом направлении, но предпочтительно, чтобы он был изогнут соосно оси А-А, так как это минимизирует соприкосновение каких-либо краев пальца со стенкой скважины при вращении долота 10.
В отдельном варианте осуществления настоящего изобретения калибрующая область 18 включает в себя множество калибрующих дисков 30, расположенных на некотором расстоянии друг от друга вдоль оси вращения А-А. Как лучше всего видно на Фиг.4, каждый калибрующий диск включает в себя множество аналогичных подвижных сегментов 32. Каждый сегмент прикреплен шарниром 34 с первого конца к внутренней части 22 калибрующей области 18. Привод 36 связывает второй конец каждого сегмента 32 с внутренней частью 22.
В первом положении, которое показано на Фиг.4, каждый привод 36 держит каждый сегмент 32 таким образом, чтобы наиболее радиально удаленная поверхность 38 каждого сегмента 32 ограничивалась воображаемой окружностью 40. Если приводы 36 включаются, чтобы оказаться во втором положении (не показано), то тогда сегменты 32 поворачиваются вокруг шарниров 34, и часть каждого сегмента 32 передвигается радиально внутрь по отношению к позиции сегментов 32 в то время, когда приводы 36 находятся в своем первом положении. Пока приводы 36 находятся в своем втором положении, наиболее радиально удаленная поверхность 38 каждого сегмента 32 ограничивается воображаемой окружностью 42, радиус которой меньше радиуса другой воображаемой окружности 40. Таким способом можно изменять диаметр каждого калибрующего диска 30.
Так как калибрующие диски 30 располагаются на некотором расстоянии друг от друга вдоль оси А-А долота 10, то, меняя диаметр дисков, можно изменить профиль калибрующей области 18, параллельной оси А-А. Например, сегменты 32 каждого диска 30 могут устанавливаться своими соответствующими приводами 36 в такое положение, чтобы наиболее радиально удаленная поверхность 38 каждого сегмента 32 каждого диска 30 ограничивалась воображаемой окружностью 40, радиус которой равен радиусу режущей части 12. Таким способом калибрующая область 18 ограничивается воображаемой цилиндрической поверхностью, при этом буровое долото 10 в данной конфигурации подходит для бурения прямолинейных секций скважины.
В другом режиме эксплуатации долота 10 сегменты 32 каждого диска 30 устанавливаются своими соответствующими приводами 36 в такое положение, чтобы наиболее радиально удаленная поверхность 38 каждого сегмента 32 первого диска 30 ограничивалась воображаемой окружностью 40, радиус которой меньше радиуса воображаемой окружности 40, ограничивающей наиболее радиально удаленную поверхность 38 каждого сегмента 32 второго диска 30, расположенного между режущей частью 12 и первым диском 30. В данном режиме эксплуатации калибрующие диски 30 ограничиваются воображаемой поверхностью конического сечения, которая является конусообразной, и, таким образом, долото 10 в данной конфигурации подходит для направленного бурения, т.е. для бурения криволинейных секций скважины.
Используя один из вариантов осуществления изобретения, можно выбрать профиль калибрующей области 18, параллельной оси А-А, таким образом, чтобы он соответствовал запланированной кривизне буровой скважины, получающейся в результате изменения направления бурения при использовании бурового долота, входящего в состав системы направленного бурения. Такое долото будет особенно эффективно при бурении скважин вышеуказанной кривизны.
Для создания конкретного профиля калибрующей области 18, параллельной оси А-А, позиция каждого привода 24, 36 должна согласовываться. Такая согласованность обеспечивается блоком управления (не показан), который может входить в состав долота 10 или располагаться удаленно от него.
Также предусмотрено, что приводы 24, 36 могут работать неравномерно или последовательно, чтобы приложить усилие в конкретном направлении на стенку скважины, пока вращается буровое долото. Это позволит регулировать направление бурового долота 10 с помощью подвижных звеньев 20, 32 калибрующей области 18. Согласованность приводов 24, 36 может опять-таки обеспечиваться блоком управления, который работает как функция необходимой реакции на регулирование направления и либо входит в состав долота 10, либо располагается удаленно от него.
Приводы 24, 36 могут быть любого типа, но конкретные рассматриваемые примеры представляют собой приводы с шариковой винтовой парой и гидравлические приводы. Гидравлические приводы могут включаться буровым раствором, который подается насосом к долоту 10.
Приводы 24, 36 также могут быть подключены к насосным средствам (не показаны), расположенным удаленно от бурового долота 12, при этом управление производительностью вышеуказанных насосных средств осуществляет контроль за приводами. Такое управление производительностью может включать в себя циклическую эксплуатацию насосных средств, в результате которой насосные средства периодически включаются и выключаются, при этом каждый цикл отвечает за выбор одного из множества последовательных положений приводов 24, 36. Т.е. каждый цикл насосных средств последовательно выбирает следующее положение привода.
В устройство, входящее в объем данного изобретения, можно внести ряд изменений. Примеры таких изменений включают в себя, помимо всего прочего, применение различного количества калибрующих дисков (в том числе только один), применение калибрующей области с внутренней частью различной формы, применение различной структуры режущей части, включение средств соединения вала в калибрующую область, применение различных средств для соединения долота с приводным валом, а также применение приводов, которые являются единственным средством соединения подвижных звеньев калибрующей области с долотом, при этом вышеуказанные приводы двигаются радиально и прямолинейно относительно оси А-А.