БУРОВОЕ ДОЛОТО С ВРАЩАЮЩИМИСЯ КОНИЧЕСКИМИ ШАРОШКАМИ И СПОСОБ РАЗБУРИВАНИЯ ПРОБКИ
DRILL BIT WITH ROTATING CONICAL ROLLING CUTTERS AND METHOD OF DRILLING OF PLUG

Область техники
Настоящее изобретение в общем относится к долотам для бурения ствола скважины, конкретнее, к гибридному буровому долоту с вращающимися коническими шарошками, использующемуся при проработке ствола скважины и разбуривании оборудования для гидравлического разрыва пласта (например, пробок для проведения гидравлических разрывов) или мостовых пробок.
Предпосылки создания изобретения
Шарошечное коническое долото для твердых материалов является режущим инструментом, использующимся в отрасли нефти, газа и разработки полезных ископаемых, для пробивания толщи пород с формированием ствола скважины. При формировании ствола скважины шарошечное коническое долото разбуривает различные геологические материалы, имея дело c различными горными породами. Несмотря на то, что при прохождении бурением твердых материалов буровое долото контактирует с различными породами на различных глубинах, в целом, все части бурового долота одновременно бурят горные породы одной группы.
В процессах гидравлического разрыва пласта пробка для проведения гидравлического разрыва крепится к обсадной колоне, проходящей по буровой скважине. Пробка для проведения гидравлического разрыва пласта является чем то вроде одноразового инструмента, так как после исполнения своих функций пробка для проведения гидравлического разрыва пласта выбуривается при помощи шарошечного конического долота для твердых пород, произведенного согласно стандартам Международной ассоциации буровых подрядчиков (IADC), а выбуренные куски пробки вымываются буровым шламом наверх из ствола скважины. Пробка для проведения гидравлического разрыва пласта является в целом цилиндрическим элементом, выполненным из различных материалов, расположенным в различных радиальных положениях, двигаясь, в основном, от осевого отверстия. В отличие от прохождения бурением горных пород, при разбуривании пробки для проведения гидравлического разрыва пласта буровое долото одновременно проходит бурением различные материалы. Различные материалы обуславливают различные эффективность проходки и характеристики износа на различных частях долота.
В патенте США № 5131480, автором которого является Lockstedt, (раскрытие которого включено посредством ссылки) раскрывается долото с вращающимися коническими шарошками с фрезерованными зубьями для твердых материалов, где нижний венец каждой конической шарошки свободен и клинообразные вставки из карбида вольфрама помещены в свободный нижний венец. Вставки нижнего венца взаимодействуют с фрезерованными зубьями периферийного венца и, по мере износа фрезерованных зубьев периферийного венца, постепенно срезают большую часть периферийного венца буровой скважины.
Сущность изобретения
В варианте осуществления изобретения гибридное буровое долото с вращающимися коническими шарошками содержит ряд лап. Вал подшипника проходит от каждой лапы, а вращающаяся коническая шарошка соединена с возможностью вращения с каждым валом подшипника. По меньшей мере одна вращающаяся коническая шарошка содержит центральный венец вооружения долота, внутренний венец вооружения долота и периферийный венец вооружения долота. Центральный венец и внутренний венец вооружения долота содержат фрезерованные зубья. Периферийный венец вооружения долота содержит вставные резцы.
В определенных вариантах осуществления вставные резцы являются вставками из карбида вольфрама, а фрезерованные зубья изготовлены из стали. Вставные резцы могут быть конической или клинообразной формы.
Гибридное буровое долото с вращающимися коническими шарошками настоящего раскрытия используется для одновременного разбуривания различных материалов пробки. Расположение вставных резцов и фрезерованных зубьев на вращающейся конической шарошке позволяет эффективно разбуривать различные материалы пробки. В частности, относительно твердый материал плашки пробки, расположенной на наружном диаметре пробки, эффективно разбуривается вставными резцами, расположенными на наружном диаметре долота, тогда как относительно мягкий материал корпуса пробки эффективно разбуривается фрезерованными зубьями, расположенными радиально, направленными внутрь к вставным резцам.
Другие аспекты, особенности и преимущества станут очевидны из следующего подробного описания при рассмотрении совместно с прилагающимися графическими материалами, которые являются частью данного раскрытия и которые демонстрируют, например, принципы раскрытого изобретения.
Краткое описание графических материалов
Для более глубокого понимания настоящего изобретения и его преимуществ дается ссылка на следующее краткое описание, которое следует рассматривать совместно с прилагаемыми графическими материалами и подробным описанием, где одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым деталям, где:
На фиг. 1 представлено гибридное буровое долото с вращающимися коническими шарошками, расположенное в положении разбуривания непосредственно над поперечным сечением пробки для проведения гидравлического разрыва пласта, установленной в буровой скважине;
На фиг. 2A представлена торцевая поверхность гибридного бурового долота с вращающимися коническими шарошками в соответствии с идеей настоящего раскрытия;
На фиг. 2B представлено поперечное сечение с вращающимися выступами, показывающее положение фрезерованных зубьев и вставных резцов в буровой скважине в соответствии с идеей настоящего раскрытия;
На фиг. 3A представлена торцевая поверхность альтернативного варианта осуществления гибридного бурового долота с вращающимися коническими шарошками в соответствии с идеей настоящего раскрытия; и
На фиг. 3B представлено поперечное сечение с вращающимися выступами, показывающее положение фрезерованных зубьев и вставных резцов в буровой скважине в соответствии с идеей альтернативного варианта осуществления настоящего раскрытия.
Подробное описание графических материалов
На фиг. 1 приведено гибридное буровое долото 10 или, конкретнее, гибридное буровое долото 10 с вращающимися коническими шарошками. Гибридное буровое долото 10 с вращающимися коническими шарошками показано в буровой скважине или стволе 12 скважины, в которую(ый) помещена металлическая обсадная колонна 16. Долото 10 показано в положении разбуривания над поперечным сечением пробки обсадной колонны или пробки 14. Гибридное буровое долото 10 содержит три лапы 18 (показаны две), которые располагаются на корпусе (не показан) долота. Ниже более подробно описано, что каждая лапа 18 поддерживает вращающуюся коническую шарошку 20. Каждая из вращающихся конических шарошек 20 содержит два разных вида вооружения долота. Ближайшим к обсадной колонне 16 в стволе скважины 12 вооружением долота являются вставные резцы 22, например, вставки из карбида вольфрама. Вооружением долота в направлении к центру долота 10 являются фрезерованные зубья 24. Вставные резцы 22 имеют коническую форму, но могут быть полусферической формы, клинообразной формы, в форме двойного конуса, овальной формы или любой другой формы, пригодной для разбуривания пробки обсадной колонны 14.
Гибридное буровое долото 10 сконфигурировано для разбуривания сплошности буровой скважины и/или пробки для проведения гидравлического разрыва пласта, закрепленной в буровой скважине. Следовательно, гибридное буровое долото 10 сконфигурировано как для разбуривания горных пород, так и частей пробки для проведения гидравлического разрыва пласта от осевой линии буровой скважины и прохождения по всему радиусу буровой скважины. Гибридное буровое долото 10 отличается от расширителя скважины тем, что расширитель скважины не предназначен для разбуривание центральной части буровой скважины непосредственно от осевой линии. Наоборот, расширитель скважины сконфигурирован для уширения отверстия, которое уже образовано, по меньшей мере, частично.
В определенных скважинных процессах, таких как гидравлический разрыв пласта или фрекинг, для изоляции части ствола 12 скважины, используемой для гидравлического разрыва пласта, используется пробка 14, такая как пробка для гидравлического разрыва пласта. Пробка 14 функционирует как клапан одностороннего действия и обеспечивает изоляцию и высокое давление в определенных участках буровой скважины в процессе гидравлического разрыва пласта. После выполнения своих функций пробка 14 разбуривается в процессе разбуривания при помощи гибридного бурового долота 10 с вращающимися коническими шарошками в соответствии с идеей настоящего раскрытия. В процессе разбуривания гибридное буровое долото 10 с вращающимися коническими шарошками крепится к бурильной колонне и вращается так, что его режущие элементы дробят, раскалывают и разламывают пробку 14. Буровой раствор, прокачиваемый через долото 10, вымывает части пробки 14 назад на поверхность. Пробки, отличающиеся от пробок для проведения гидравлического разрыва, могут закрепляться в буровой скважине и могут высверливаться посредством гибридного бурового долота 10 с вращающимися коническими шарошками в соответствии с идеей настоящего раскрытия. Например, гибридное буровое долото 10 с вращающимися коническими шарошками может использоваться для разбуривания мостовых пробок и других видов пробок, блокирующих обсадную колонну 16.
В процессе подготовки к фрекингу пробка 14 располагается в необходимом положении в буровой скважине 12, так что часть наружного диаметра пробки 14 захватывает обсадную колонну 16 и закрепляет или устанавливает пробку 14 в положение. После установки пробка 14 выдерживает воздействие высокого давления зоны в буровой скважине без движения или проскальзывания. Для установки пробки 14 плашку 26, зачастую выполненную в форме кольца, окружающего часть корпуса 28 пробки, побуждают захватить обсадную колонну 16 и образовать уплотнение. В рамках данного раскрытия корпус 28 пробки содержит любые части пробки, изготовленные не из относительно твердого материала, которые соприкасаются с обсадной колонной 16 для установки пробки в положение и образования уплотнения. Несмотря на то, что корпус 28 пробки в основном расположен радиально внутри по отношению к плашке 26, некоторые части корпуса 28 пробки могут располагаться над или под и выравниваться относительно плашек 26.
В варианте осуществления изобретения, приведенном на фиг. 1, показаны верхняя и нижняя плашки 26. Каждая из плашек 26 содержит ряд гребней 29, которые врезаются в обсадную колонну для обеспечения должного сцепления. Плашки 26 расширяются и могут частично разрушаться, так что некоторые части плашек 26 внедряются в металлическую обсадную колонну 16. Для поддержания захвата плашки 14 под высоким давлением плашка 26 зачастую изготавливается из твердого материала. В определенных пробках 14 плашка 16 изготавливается из чугуна. После установки плашка 26 занимает пространство между обсадной колонной 16 и корпусом 28 пробки, которое может достигать дюйма внутри диаметра обсадной колонны. Например, обсадная колонна 16 буровой скважины может иметь диаметр приблизительно двенадцать дюймов, а плашка 26 может иметь наружный диаметр приблизительно двенадцать дюймов и внутренний диаметр приблизительно десять дюймов.
В определенных вариантах осуществления плашка 26 может содержать карбид вольфрама или керамические вставки, которые внедряются в обсадную колонну 16 для лучшего сцепления. Пробка, содержащая такие вставки, описывается в патенте США № 5984007 автором Yuan (раскрытие которого включено посредством ссылки). В отличие от очень твердого материала плашки 26 корпус 28 пробки зачастую изготовлен из более мягкого материала, чем плашка 26 и/или любые вставки, содержащиеся в плашке 26. Например, корпус 28 пробки часто изготавливается из композиционного материала, термопласта или более мягкого материала, такого как латунь.
Так как пробка 14 состоит из относительно мягкого материала в своих внутренних частях и относительно твердого материала в своих наружных частях, то гибридное буровое долото 10 с вращающимися коническими шарошками при разбуривании одновременно контактирует и разламывает как относительно твердый, так и относительно мягкий материалы. В связи с этим при разбуривании с использованием гибридного долота 10 вставные резцы 22 зацепляют плашку 26 и/или вставки пробки, которые примыкают, контактируют или внедрены в обсадную колонну 16. Поэтому вставные резцы 22 расположены по наружному диаметру долота 10, который при эксплуатации находится ближе всего к обсадной колонне 16. Например, вставные резцы 22 могут располагаться по наружному диаметру режущей поверхности долота 10, равному одному дюйму. Таким образом, гибридное буровое долото 10 с вращающимися коническими шарошками с торцевой поверхностью, образующей наружный диаметр, равный двенадцати дюймам, может содержать фрезерованные зубья от его центральной части до диаметра, равного приблизительно десяти дюймам, тогда как на наружном радиусе поверхности, равном одному дюйму (диаметр, равный двум дюймам), располагаются вставные резцы 22.
Мягкий корпус 28 пробки разбуривается фрезерованными зубьями 24, но фрезерованные зубья обычно не подвергаются воздействию твердого материала плашки 26, что увеличивает общую долговечность долота 10. Фрезерованные зубья 24 более действенны, эффективны и лучше приспособлены для проходки бурением, захвата и срезания мягкого материала корпуса 28 пробки. Вставные резцы 22 напротив менее эффективны при срезании и вырывании материала корпуса 28 пробки. Более того, если вставные резцы 22 используются для разбуривания корпуса 28 пробки, то стальная основа вращающейся конической шарошки 20 подвергается износу, который часто приводит к отделению дорогостоящих вставных резцов от вращающейся конической шарошки 20 и потери в буровой скважине.
Вставные резцы 22 обычно изготавливаются из очень твердого материала, такого как карбид вольфрама. В качестве альтернативы вставные резцы 22 могут изготавливаться либо из очень твердого материала, введенного в состав вооружения долота, такого как прессовка из поликристаллических алмазов, импрегнированный алмазами сегмент, прессовка из поликристаллического кубического нитрида бора, либо вставные резцы 22 могут изготавливаться из любого материала группы керамических материалов. Твердый материал, введенный в состав вставных резцов 22, не изнашивается так быстро, как стальная основа, при прохождении бурением или, наоборот, контакте с практически равным по твердости материалом плашки 26 и/или вставок плашки. Таким образом вставные резцы 22 изнашиваются меньше, чем фрезерованные зубья 24 при разбуривании твердого материала плашки 26 и/или вставок плашки пробки 14.
На фиг. 2A и 2B приведено более подробное изображение вращающихся конических шарошек 20 гибридного бурового долота 10 в соответствии с идеей настоящего раскрытия. На фиг. 2A показана торцевая поверхность 30 гибридного бурового долота с вращающимися коническими шарошками. На фиг. 2B представлено поперечное сечение, взятое по одной из вращающихся конических шарошек, приведенных на фиг. 2A. Кроме того, на фиг. 2B приведен вращающийся выступ положения режущих элементов каждой из трех вращающихся конических шарошек при вращении долота в буровой скважине. На фиг. 2B показан вал 21 подшипника, проходящий от лапы 18 долота. Каждая шарошка устанавливается на вал 21 подшипника с возможностью вращения.
На фиг 2A показаны первая 32a вращающаяся коническая шарошка, вторя 32b вращающаяся коническая шарошка и третья 32c вращающаяся коническая шарошка (показаны вместе как вращающаяся коническая шарошка 32 на фиг. 2B). Вращающиеся конические шарошки также называются коническими шарошками. Каждая из вращающихся конических шарошек 32a, 32b, 32c образует в общем коническую поверхность 33 (см. фиг. 2B) и содержит два различных режущих элемента, проходящих от в общем конической поверхности 33. Например, первая 32a вращающаяся коническая шарошка содержит центральный венец, расположенный на центральном участке бурового долота и образованный из ряда фрезерованных зубьев 36a. Как ранее обсуждалось, фрезерованные зубья 36a получены путем фрезерования стальной матрицы вращающейся конической шарошки 32a и являются действенным вооружением долота. Но основа долота также может изготавливаться из металла матрицы или любого другого материла, пригодного для буровых долот для бурения скважин.
В соответствии с идеей настоящего раскрытия центральный венец фрезерованных зубьев 36a расположен в центральной части долота для прохождения бурением соответствующей центральной части пробки из мягкого материала, называемой корпусом пробки. Центральный венец фрезерованных зубьев 36a эффективно проходит бурением этот мягкий материал с большей скоростью проходки, чем у других видов вооружения долота, включая вставные резцы 22. Обе вращающиеся конические шарошки, вторая и третья, также содержат центральные венцы фрезерованных зубьев 36b, 36c. Относительное положение при бурении среди центральных венцов фрезерованных зубьев приведено на фиг. 2B.
Внутренний ряд вооружения долота расположен от центрального венца фрезерованных зубьев по направлению к основанию 38 вращающейся конической шарошки 32. Вооружением долота, образующим внутренний венец, являются фрезерованные зубья 42a, выполненные подобно фрезерованным зубьям 36a центрального венца. Каждая из вращающихся конических шарошек, первая, вторая и третья, обладают одним внутренним венцом фрезерованных зубьев 42a, 42b, 42c. Подобно фрезерованным зубьям 36a, 36b, 36c центрального венца фрезерованные зубья 42a, 42b, 42c внутреннего венца также расположены для прохождения бурением внутренней части пробки 14 или корпуса 28 пробки, которая(ый) обычно изготавливается из более мягкого материала, такого как композитный пластик, термопласты или более мягкие металлы. Относительные положения при бурении среди внутренних венцов фрезерованных зубьев 42a, 42b, 42c для каждой вращающейся конической шарошки 32a, 32b, 32c показаны на фиг. 2B. Альтернативные варианты осуществления гибридного бурового долота с вращающимися коническими шарошками в соответствии с идеей настоящего раскрытия могут содержать больше одного внутреннего венца фрезерованных зубьев. Например, бóльшее буровое долото будет иметь бóльшие вращающиеся конические шарошки, которые имеют обыкновение содержать один или несколько дополнительных внутренних венцов фрезерованных зубьев для разбуривания пробок бóльшего диаметра.
Периферийный венец вставных резцов 46 расположен наиболее близко к основанию вращающейся конической шарошки 32. Периферийный венец вставных резцов 46 проходит от в целом конической поверхности 33 вращающейся конической шарошки 32. Каждая из вращающихся конических шарошек, первая, вторая и третья, содержат периферийные венцы вставных резцов 46a, 46b, 46c. В варианте осуществления, представленном на фиг. 2A и 2B, вставные резцы 46 имеют коническую форму. Кроме того, вставные резцы 46 каждой из трех вращающихся конических шарошек 32 зачастую выровнены при вращении, так что вставные резцы 46 всех трех вращающихся конических шарошек 32a, 32b, 32c проиллюстрированы выступом одного вставного резца на фиг. 2B. В альтернативном варианте осуществления периферийный венец вращающейся конической шарошки 32 может содержать как фрезерованные зубья, так и вставные резцы. Фрезерованные зубья могут быть слегка смещены вовнутрь и перекрываться вставными резцами или фрезерованные зубья могут перекрываться внутри периферийного венца вставных резцов.
Как показано на фиг. 2B, при разбуривании вставные резцы 46 расположены ближе всего к обсадной колонне 16. В связи с этим при разбуривании пробки вставные резцы 46 будут разбуривать наиболее удаленную от центра часть диаметра пробки, включая те части пробки, которые врезаны в или, наоборот, прикрепляют пробку к обсадной колонне 16. Как описано выше, наиболее удаленной частью диаметра пробки 14 называется плашка 26 и обычно изготавливается из твердого материала, который больше изнашивает сталь вращающейся конической шарошки 32, чем более мягкий корпус 28 пробки. Таким образом вставные резцы 46 лучше приспособлены для разбуривания подобного упрочненного материала, такого как плашка из чугуна и/или карбид вольфрама, или керамические вставки плашки.
Как видно в поперечном сечении на фиг. 2B, вставные резцы 46 содержат режущую часть 48, которая расположена над в целом конической поверхностью 33 вращающейся конической шарошки 32 и нижней частью 50 основания, расположенной под в целом конической поверхностью 33 вращающейся конической шарошки. Прорезь или гнездо, в которую(ое) помещается нижняя часть 50 основания вставного резца 46 путем запрессовки или посадки с натягом, выполнено во в целом конической поверхности 33 вращающейся конической шарошки 32 либо литьем, либо механической обработкой. Нижняя часть 50 основания может быть приварена или припаяна к гнезду 54. Кроме того, для закрепления нижней части 50 основания в гнезде 54 может использоваться клеящее вещество. Показанный вставной резец 46 имеет коническую форму, но, в качестве альтернативы, вставной резец может иметь клинообразную форму или любую другую подходящую форму для режущей части 48 вставного резца 46.
Между периферийным венцом и основанием 38 расположена пята 56 вращающейся конической шарошки 32. Пята 56 и основание 38 являются не рассматриваемым частями в целом конической поверхности 33 вращающейся конической шарошки 32. Зачастую на основании 38 или пяте 56 вращающейся конической шарошки 32 отсутствуют режущие элементы, фрезерованные зубья или вставные резцы.
Фрезерованные зубья 36a, 36b, 36c центрального венца (особенно фрезерованные зубья 36a центрального венца первой 32a вращающейся конической шарошки) обеспечивают вооружение долота для проходки бурением при разбуривании центральной части пробки. Кроме того, профиль зуба фрезерованных зубьев лучше приспособлен для проходки бурением более мягкого материала корпуса пробки. Совместно эти особенности фрезерованных зубьев позволяют режущему инструменту совершать проходку и сминать более мягкий материал корпуса пробки при одновременном вытеснении плашки 26 твердым вставным резцом 46, например, вставкой из карбида вольфрама, от обсадной колонны и разламывании плашки на куски, вымываемые наверх из буровой скважины.
На фиг. 3A и 3B показан альтернативный вариант осуществления гибридного бурового долота с вращающимися коническими шарошками в соответствии с идеей настоящего раскрытия. На фиг. 3A показана торцевая поверхность 60 гибридного бурового долота с вращающимися коническими шарошками. На фиг. 3B показано поперечное сечение, взятое по одной из вращающихся конических шарошек, представленных на фиг. 3A. Кроме того, на фиг.3B показан вращающийся выступ положения режущих элементов каждой из трех вращающихся конических шарошек 62 при вращении долота.
Подобно варианту осуществления изобретения на фиг. 2A и 2B каждая из вращающихся конических шарошек 62 содержит центральный венец фрезерованных зубьев 66a, 66b, 66c. Также каждая вращающаяся коническая шарошка, первая и вторая 62a, 62b, содержат внутренний венец фрезерованных зубьев 70a, 70b. Внутренний венец 68c третьей 62c вращающейся конической шарошки содержит венец вставных резцов 72c. Однако, в альтернативном варианте осуществления каждая из всех трех вращающихся конических шарошек 62 может содержать внутренний венец фрезерованных зубьев. Также, как обсуждалось в отношении варианта осуществления, приведенного на фиг. 2A и 2B, конические шарошки 62 могут содержать более одного внутреннего венца фрезерованных зубьев.
Каждая из трех конических шарошек 62 содержит периферийный венец вставных резцов 76a, 76b, 76c (представленные под ссылочной позицией 76 на фиг. 3B), сконфигурированный для разбуривания и разламывания твердого материала плашки 26 пробки 14 или вставок плашки, которые врезаются в обсадную колонну 16. Периферийный венец второй 62b вращающейся конической шарошки содержит венец вставных резцов 78b, примыкающий к периферийному венцу, который перекрывает периферийный венец вставных резцов 76b. Вставные резцы 78b венца, примыкающего к периферийному венцу, закреплены в выемке, выполненной в том же участке 80b, что и вставные резцы 76b периферийного венца. Степень перекрытия показана на фиг. 3B. Другие варианты осуществления настоящего раскрытия могут содержать вставные резцы венца, примыкающего к периферийному венцу, на первой и/или третьей конической шарошке в дополнение ко второй вращающейся конической шарошке. Вставные резцы 78b венца, примыкающего к периферийному венцу, используются для разлома бóльших плашек 26 и защиты фрезерованных зубьев от контакта и износа за счет твердого материала плашки.
Как показано на фиг. 3B, часть 80 основания вставных резцов внутреннего венца 72c, периферийного венца и венца 78b, примыкающего к периферийному венцу, закреплена в гнезде 82, выполненном во вращающейся конической шарошке; режущая часть 84 проходит за наружной, в целом конической поверхностью 33 вращающейся конической шарошки, как описано выше в отношении фиг. 2B. Показанные вставные резцы 76 периферийного венца являются калибровочными клинообразными вставками. Однако, в соответствие с идеей настоящего раскрытия, в гибридном буровом долоте с вращающимися коническими шарошками может использоваться любой подходящий вставной резец, включая клинообразный, полусферический, конусообразный, в форме двойного конуса, овальной и подобный формы.
Предшествующее описание только некоторых вариантов осуществления изобретения(й), а также альтернативы, модификации, дополнения и/или изменения могут выполняться относительно изобретения без отклонения от объема и сущности раскрытых вариантов осуществления, при этом варианты осуществления являются иллюстративными и не несут ограничительный характер.