РЕЖУЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С МНОЖЕСТВОМ СКОШЕННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И РЕЖУЩИМ ТОРЦОМ ОПРЕДЕЛЕННОЙ ФОРМЫ, И БУРОВЫЕ РЕЖУЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ, СОДЕРЖАЩИЕ ТАКИЕ РЕЖУЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
CUTTING ELEMENT WITH MULTIPLE BEVELED SURFACES AND CUTTING END OF DEFINITE SHAPE, AND DRILLING CUTTING TOOLS CONTAINING SUCH CUTTING ELEMENTS

ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ
Настоящая заявка заявляет приоритет в отношении даты подачи предварительной заявки на патент США №14/480293, поданной 8 сентября 2014 г. под названием «Multi-Chamber Cutting Elements Having a Shaped Cutting Face, Earth-Boring Tools Including Such Cutting Elements, and Related Methods». Предмет настоящей заявки на патент связан с предметом заявки на патент США №13/092396, в данный момент являющейся патентом США 8684112, выданным 1 апреля 2014 г. от имени DiGiovanni at al.; с предметом заявки на патент США №13/472377, опубликованной 21 марта 2013 г. как публикация патента США №2013/0068534 А1 от имени DiGiovanni at al.; с предметом заявки на патент США №13/477905, опубликованной 21 марта 2013 г. как публикация патента США №2013/0068538 А1 от имени DiGiovanni at al.; с предметом заявки на патент США №13/840195, поданной 15 марта 2013 г., опубликованной 4 сентября 2014 г. как публикация патента США №2014/0246253 А1 от имени Patel at al.; с предметом заявки на патент США №13/609575, опубликованной 21 марта 2013 г. как публикация патента США №2013/0068537 А1 от имени DiGiovanni; с предметом заявки на патент США №13/461,388, опубликованной 7 ноября 2013 г. как публикация патента США №2013/0292188 А1 от имени Bilen at al.; с предметом патента США 6935444, выданного 30 августа 2005 г. от имени Lund at al.; с предметом патента США 6145608, выданного 14 ноября 2000 г. от имени Lund at al.; а также с предметом патента США 5437343, выданного 1 августа 1995 г. от имени Cooley at al., содержание каждого из которых включено в данный документ посредством ссылок.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты реализации настоящего изобретения связаны с буровыми режущими инструментами, режущими элементами таких инструментов и связанными с ними способами работы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Стволы скважин формируют в подземных пластах в различных целях, например для добычи нефти и газа из подземных пластов, а также для извлечения из подземного пласта геотермального тепла. Стволы скважин можно создавать в подземном пласте при помощи бурового долота, например долота вращательного бурения скважин. Специалистам в данной области техники известны различные виды долот вращательного бурения, например, буровое долото с запрессованными поликристаллическими алмазными резцами («режущее долото»), шарошечное долото («дробящее долото»), долото с алмазами, равномерно импрегнированными в тело матрицы, и гибридное долото (которое может содержать, к примеру, как фиксированные резцы, так и вращающиеся резцы). Буровое долото углубляется в подземный пласт в результате вращения. По мере вращения бурового долота резцы или их абразивные структуры оказывают режущее, дробящее, скалывающее и/или истирающее воздействие на породу пласта, формируя ствол скважины. Диаметр ствола скважины, пробуренного буровым долотом, может определяться вооружением, расположенным по самому большому внешнему диаметру бурового долота.
Буровое долото присоединено, непосредственно или опосредованно, к концу устройства, которое в данной области техники называется «бурильной колонной». Это устройство состоит из ряда соединенных встык продолговатых трубчатых сегментов. Бурильная колонна входит в ствол скважины с поверхности пласта. Зачастую различные инструменты и компоненты, в том числе и буровое долото, могут соединяться друг с другом на дальнем конце бурильной колонны, находящемся на дне ствола проходимой скважины. Подобную сборку инструментов и компонентов в данной области техники называют «компоновкой низа бурильной колонны» (КНБК).
Буровое долото можно вращать внутри ствола скважины посредством вращения бурильной колонны с поверхности пласта, или же путем присоединения бурового долота к забойному двигателю. Этот двигатель присоединен к бурильной колонне и находится вблизи дна ствола скважины. Забойный двигатель может содержать, к примеру, гидравлический мотор, работающий по принципу Муано. Двигатель снабжен валом, на котором устанавливается буровое долото, которое вращается под воздействием прокачивания раствора (например, бурового раствора или промывочной жидкости) с поверхности пласта вниз через центр бурильной колонны. Прокачка осуществляется через гидравлический мотор с выходом через сопла на буровом долоте и обратно вверх на поверхность пласта через кольцевое пространство между внешней поверхностью бурильной колонны и обнаженной поверхностью пласта внутри ствола скважины.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В настоящем изобретении предлагается режущий элемент бурового режущего инструмента, содержащий: подложку;
в основном цилиндрическую боковую поверхность и продольную ось, параллельную этой в основном цилиндрической боковой поверхности; и
массив суперабразивного материала, расположенный на подложке и содержащий:
режущий торец (далее, для краткости также называемый "лезвием") с в основном планарной, плоской поверхностью, расположенной поперек продольной оси режущего элемента, имеющий одно или более из по меньшей мере одного углубления, заходящего в массив суперабразивного материала, и по меньшей мере одного выступа, выходящего наружу из массива суперабразивного материала;
первую скошенную поверхность, имеющую периферийный край и радиально наиболее углубленный край, причем периферийный край первой скошенной поверхности определяет режущую кромку массива суперабразивного материала, при этом радиальная ширина первой скошенной поверхности, измеренная между периферийным краем и радиально наиболее углубленным краем первой скошенной поверхности в плоскости, перпендикулярной (поперечной) продольной оси режущего элемента, составляет от около 0,002 дюйма (0,0508 мм) до около 0,045 дюйма (1,143 мм), и первая скошенная поверхность наклонена под углом от около 10 градусов до около 65 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента;
и вторую скошенную поверхность, имеющую периферийный край и радиально наиболее углубленный край, причем периферийный край второй скошенной поверхности прилегает к радиально наиболее углубленному краю первой скошенной поверхности, радиальная ширина второй скошенной поверхности, измеренная между периферийным краем и радиально наиболее углубленным краем второй скошенной поверхности в плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента, составляет от около около 0,014 дюйма (0,3556 мм) до около 0,25 дюйма (6,35 мм), вторая скошенная поверхность наклонена под углом от около 10 градусов до около 40 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента, при этом вторая скошенная поверхность наклонена под углом, меньшим, чем угол наклона первой скошенной поверхности относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента,
причем упомянутая в основном планарная, плоская поверхность режущего торца имеет периферийный край и радиально наиболее углубленный край, при этом периферийный край в основном планарной, плоской поверхности прилегает к радиально наиболее углубленному краю второй скошенной поверхности, и радиальная ширина в основном планарной, плоской поверхности, измеренная между периферийным краем и радиально наиболее углубленным краем в основном планарной, плоской поверхности в плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента, составляет от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0,125 дюйма (3,175 мм).
В частных вариантах выполнения первая скошенная поверхность наклонена под углом от около 35 градусов до около 65 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента.
Радиальная ширина второй скошенной поверхности, измеренная между периферийным краем и радиально наиболее углубленным краем второй скошенной поверхности в плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента, составляет от около 0,014 дюйма (0,3556 мм) до около 0,035 дюйма (0,889 мм).
Вторая скошенная поверхность наклонена под углом от около 25 градусов до около 40 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента, при этом вторая скошенная поверхность наклонена под углом, меньшим, чем угол наклона первой скошенной поверхности относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси режущего элемента.
Режущий элемент может содержать: наклонную поверхность режущего торца, расположенную радиально вовнутрь планарной, плоской поверхности, при этом по меньшей мере часть наклонной поверхности режущего торца заглублена в массив суперабразивного материала относительно планарной, плоской поверхности режущего торца; заглубленную поверхность режущего торца, расположенную радиально между планарной, плоской поверхностью режущего торца и наклонной поверхностью режущего торца, при этом эта заглубленная поверхность режущего торца спускается вовнутрь с планарной, плоской поверхности режущего торца под углом от около 10 градусов до около 90 градусов; центральный выступ, расположенный радиально вовнутрь наклонной поверхности режущего торца и выходящий вверх из заглубленной поверхности режущего торца.
В настоящем изобретении также предлагается буровой режущий инструмент, содержащий по меньшей мере один режущий элемент, прикрепленный к корпусу бурового режущего инструмента и содержащий массив суперабразивного материала, расположенный на подложке, причем массив суперабразивного материала содержит:
режущий торец с одним или более из по меньшей мере одного углубления, заходящего в массив суперабразивного материала, и по меньшей мере одного выступа, выходящего наружу из массива суперабразивного материала;
первую скошенную поверхность, имеющую периферийный край и радиально наиболее углубленный край, причем периферийный край первой скошенной поверхности определяет режущую кромку массива суперабразивного материала, при этом радиальная ширина первой скошенной поверхности измерена между периферийным краем и радиально наиболее углубленным краем первой скошенной поверхности в плоскости, перпендикулярной продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента;
и вторую скошенной поверхность, имеющую периферийный край и радиально наиболее углубленный край, причем периферийный край второй скошенной поверхности прилегает к радиально наиболее углубленному краю первой скошенной поверхности, при этом радиальная ширина второй скошенной поверхности измерена между периферийным краем и радиально наиболее углубленным краем второй скошенной поверхности в плоскости, перпендикулярной продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента,
причем по меньшей мере один режущий элемент, расположенный на одном из участка бурта и участка, оределяющего диаметр профиля торца бурового режущего инструмента, имеет радиальную ширину первой скошенной поверхности от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0,016 дюйма (0,4064 мм) и первая скошенная поверхность наклонена под углом от около 25 градусов до около 40 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента, радиальную ширину второй скошенной поверхности от около 0,014 дюйма (0,356 мм) до около 0,026 дюйма (0,6604 мм) и вторая скошенная поверхность наклонена под углом от около 10 градусов до около 15 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента,
по меньшей мере один режущий элемент, расположенный на одном из на одном из конусообразного участка и торцевого участка профиля торца бурового режущего инструмента имеет радиальную ширину первой скошенной поверхности от около 0,010 дюйма (0,254 мм) до около 0,016 дюйма (0,4064 мм) и первая скошенная поверхность наклонена под углом от около 50 градусов до около 70 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента, радиальную ширину второй скошенной поверхности от 0,026 дюйма (0,6604 мм) до около 0,035 дюйма (0,889 мм) и вторая скошенная поверхность наклонена под углом от около 25 градусов до около 40 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента.
В частных вариантах выполнения буровой режущий инструмент содержит: первую планарную, плоскую поверхность режущего торца, расположенную радиально вовнутрь второй скошенной поверхности, при этом первая планарная, плоская поверхность режущего торца ориентирована по существу параллельно плоскости, перпендикулярной продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента, и первая планарная, плоская поверхность режущего торца имеет радиальную ширину от около 0,015 дюйма (0,381 мм) до около 0,063 дюйма (1,6002 мм) при измерении в плоскости, перпендикулярной продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента; вторую планарную, плоскую поверхность режущего торца, расположенную радиально вовнутрь первой планарной, плоской поверхности, и вторая планарная, плоская поверхность режущего торца заглублена в массив суперабразивного материала относительно первой планарной, плоской поверхности режущего торца, при этом вторая планарная, плоская поверхность режущего торца является в основном планарной поверхностью, ориентированной перпендикулярно продольной оси по меньшей мере одного режущего элемента; центральный выступ, расположенный радиально вовнутрь второй планарной, плоской поверхности режущего торца и направленный вверх из первой планарной, плоской поверхности режущего торца, причем такой центральный выступ имеет форму конуса или усеченного конуса, и может иметь куполообразную вершину.
По меньшей мере часть первой планарной, плоской поверхности режущего торца может иметь высоту микронеровностей профиля поверхности менее чем около 5 микродюймов (0,127 мкм), а по меньшей мере часть одной или более из первой скошенной поверхности и второй скошенной поверхности может иметь высоту микронеровностей профиля поверхности менее чем около 20 микродюймов (0,508 мкм).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Хотя спецификация завершается формулами изобретения, в частности, указывающими и четко заявляющими о том, что считается вариантами реализации настоящего изобретения, различные характеристики и преимущества настоящего изобретения могут быть более наглядно выявлены, исходя из следующего описания примеров вариантов реализации изобретения, предоставленных вместе со ссылками на сопровождающие графические материалы.
На Фиг. 1 проиллюстрирован вид в перспективе бурового долота с лопастями, несущими режущие элементы, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 2 проиллюстрирован вид в перспективе режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, имеющего лезвие с углублением в нем, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 3 проиллюстрировано частичный вид сбоку в поперечном сечении режущего элемента со множеством скошенных поверхностей по Фиг. 2.
На Фиг. 4 проиллюстрирован частичный вид сбоку (в поперечном сечении) режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, с лезвием, содержащим изогнутую углубленную поверхность, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 5 проиллюстрирован вид в перспективе режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, имеющего плоскую углубленную поверхность в лезвии, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 6 проиллюстрировано частичный вид сбоку в поперечном сечении режущего элемента со множеством скошенных поверхностей по Фиг. 5.
На Фиг. 7 проиллюстрирован частичный вид сбоку в поперечном сечении режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, имеющего расположенный по центру выступ, направленный вверх, с плоской углубленной поверхности.
На Фиг. 8 представлен график результатов испытания, иллюстрирующий износостойкость различных режущих элементов.
На Фиг. 9 проиллюстрирован вертикальный вид сбоку изношенного режущего элемента с одной скошенной поверхностью, данные о котором были представлены на графике на Фиг. 8.
На Фиг. 10 проиллюстрирован вид спереди изношенного режущего элемента по Фиг. 9.
На Фиг. 11 проиллюстрирован вертикальный вид сбоку изношенного режущего элемента с одной скошенной поверхностью, данные о котором были представлены на графике на Фиг. 8.
На Фиг. 12 проиллюстрирован вид спереди изношенного режущего элемента по Фиг. 11.
На Фиг. 13 проиллюстрирован вертикальный вид сбоку дополнительного изношенного режущего элемента с двумя скошенными поверхностями, данные о котором были представлены на графике на Фиг. 8.
На Фиг. 14 проиллюстрирован вид спереди изношенного режущего элемента по Фиг. 13.
На Фиг. 15 проиллюстрирован вид сбоку в поперечном сечении режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, имеющего конусообразный выступ, выходящий вверх с углубленной поверхности лезвия режущего элемента, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 16 проиллюстрирован вид сбоку в поперечном сечении режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, имеющего конусообразный выступ, выходящий вверх из плоской поверхности лезвия режущего элемента, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 17 проиллюстрирован вид спереди лезвия режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, отличающегося тем, что часть такого лезвия отполирована, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 18 проиллюстрирован вид спереди лезвия режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, отличающегося тем, что часть такого лезвия отполирована таким образом, чтобы воздействовать на поток обломков выбуренной породы в направлении боковой стороны лезвия, когда режущий элемент входит в контакт с подземным пластом (в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения).
На Фиг. 19 проиллюстрирован вид спереди лезвия режущего элемента со множеством скошенных поверхностей, выполненного с возможностью генерирования 2 (двух) четко выраженных потоков обломков выбуренной породы, движущихся в направлении противоположных боковых сторон лезвия. Часть лезвия отполирована, что позволяет уменьшить средний размер обломков выбуренной породы в 2 (двух) отдельных потоках, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 20 проиллюстрирован частичный вид сбоку в разрезе одного из вариантов реализации бурового режущего инструмента, в котором используется выборочное размещение режущих элементов со множеством скошенных поверхностей, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
На Фиг. 21 проиллюстрирован вид снизу бурового режущего инструмента с отображением выборочного размещения режущих элементов со множеством скошенных поверхностей, в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения.
ВАРИАНТ(Ы) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представленные в настоящем документе графические материалы не являются реальными видами какого-либо конкретного бурового режущего инструмента, бурового долота, режущего элемента или компонента такого инструмента или долота, а дают всего лишь схематизированное представление о них, используемое для описания вариантов реализации настоящего изобретения.
При использовании в настоящем документе термин «буровой режущий инструмент» означает и включает любой инструмент, используемый для удаления породы и формирования скважины (например, ствола скважины) посредством удаления породы пласта. К буровым режущим инструментам относятся, например, долота вращательного бурения (например, буровые долота с запрессованными поликристаллическими алмазными резцами или режущие долота и шарошечные или дробящие долота), гибридные долота, содержащие как фиксированные резцы, так и крутящиеся элементы, колонковые буровые долота, долота ударного бурения, буровые долота с двумя центрами, буры-расширители (включая расширители с возможностью увеличения диаметра в процессе работы, и расширители с неподвижными крыльями), а также так называемые инструменты для расширения ствола скважины и т.п.
При использовании в настоящем документе термин «режущий элемент» означает и включает любой элемент бурового режущего инструмента, используемый для резки или дробления породы пласта иным способом, когда буровой режущий инструмент используется для формирования или увеличения скважины в пласте.
При использовании в настоящем документе термин «полировать» и любые его производные, используемые для описания состояния поверхности массива суперабразивного материала или подложки режущего элемента, означают и включают любые из способов и/или процессов, раскрытых в настоящем документе, и направленных на обеспечение среднеквадратического значения высоты микронеровностей (RMS) поверхности менее чем около 10 микродюймов (0,254 мкм). Все значения микронеровности профиля поверхностей, упоминаемые в настоящем документе, представляют собой среднеквадратические значения (RMS).
На Фиг. 1 проиллюстрирован один из вариантов реализации бурового режущего инструмента по настоящему изобретению. Буровой режущий инструмент по Фиг. 1 представляет собой долото вращательного бурения с запрессованными поликристаллическими алмазными резцами 10 с корпусом долота 11, включающим множество лопастей 12, которые выступают наружу из корпуса долота 11 и отделены друг от друга каналами, направляющими движение флюида 13. Части каналов для флюида 13, которые проходят вдоль радиальных сторон (области, определяющие «калибр» бурового долота 10), часто в данной области техники называются выемками для выноса бурового шлама. Корпус долота 11 дополнительно содержит обычно цилиндрическую внутреннюю камеру нагнетания флюида и каналы для флюида (на чертеже не видны), проходящие сквозь корпус долота 11 и выходящие на внешнюю поверхность корпуса долота 11. Сопла 18 могут быть закреплены в каналах для флюида вблизи внешней поверхности корпуса долота 11 для контроля гидравлики бурового долота 10 во время бурения. На каждой из лопастей 12 установлено множество режущих элементов 20.
Во время бурения буровое долото 10 может быть присоединено к бурильной колонне (не проиллюстрирована). Поскольку буровое долото 10 вращается внутри ствола скважины, буровой раствор может закачиваться в бурильную колонну через внутреннюю камеру нагнетания флюида и каналы для флюида внутри корпуса 11 бурового долота 10 и выходить из бурового долота 10 через сопла 18. Обломки выбуренной породы, генерируемые режущими элементами 20 бурового долота 10, могут переноситься буровым раствором через каналы для флюида 13, вокруг бурового долота 10 и обратно вверх по стволу скважины через кольцевое пространство в стволе скважины снаружи от бурильной колонны.
На Фиг. 2 проиллюстрирован вид в перспективе режущего элемента 20 бурового долота 10 по Фиг. 1. Режущий элемент 20 содержит подложку режущего элемента 22 с размещенным на ней массивом суперабразивного материала, такого как алмазный стол 24. Алмазный стол 24 может содержать поликристаллические алмазы (PCD), формирующие режущую кромку 26. Суперабразивные материалы характеризуются как «супертвердые» материалы. Примеры таких материалов - природный и синтетический алмаз, кубический нитрид бора и алмазоподобные углеродные материалы. Кроме того, между подложкой 22 режущего элемента и алмазным столом 24 может находиться контактная поверхность 28.
Алмазный стол 24 может быть сформирован на подложке 22 режущего элемента, или же алмазный стол 24 и подложка 22 режущего элемента могут формироваться отдельно с последующим присоединением друг к другу. Подложка 22 режущего элемента может формироваться из материала, который является относительно твердым и износостойким. Например, подложка 22 режущего элемента может формироваться из металлокерамического композитного материала (который часто называют «кермет»). Подложка режущего элемента 22 может содержать цементированный карбид, такой как цементированный карбид вольфрама, в котором частицы карбида вольфрама сцементированы между собой в металлическом связующем материале. В качестве металлического связующего материала можно использовать кобальт, никель, железо или их сплавы и смеси. В некоторых случаях подложка режущего элемента 22 может состоять из двух или более частей, при этом одна часть непосредственно поддерживает алмазный стол 24, а одна или более дополнительных частей прикреплены к этому столу. Режущие элементы 20 могут быть закреплены в карманах на лопастях 12, как проиллюстрировано на Фиг. 1, например, при помощи пайки.
В то время как алмазный стол 24 и подложка 22 обычно имеют цилиндрическую форму, как проиллюстрировано на Фиг. 2, следует иметь в виду, что подложка 22 и алмазный стол 24 могут иметь и другую форму. В качестве неограничивающего примера, подложка 22 и алмазный стол 24 могут иметь форму эллипса, треугольника или несимметричную форму. Эти формы видно при взгляде на них в плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20, как более подробно описано в упомянутой выше публикации патента США №2013/0068538 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al.
На Фиг. 2 алмазный стол 24 может иметь кромку со множеством скошенных поверхностей. Например, алмазный стол 24 может иметь первую скошенную поверхность 30 на радиальном крае алмазного стола 24. Периферийный край 32 первой скошенной поверхности 30 может определять основную режущую кромку алмазного стола 24. Первая скошенная поверхность 30 может выдвигаться радиально вовнутрь от периферийного края 32 первой скошенной поверхности 30 к радиально наиболее углубленному краю 34 первой скошенной поверхности 30. Вторая скошенная поверхность 36 алмазного стола 24 может выдвигаться радиально вовнутрь от периферийного края 38 второй скошенной поверхности 36 (совпадающего с радиально наиболее углубленным краем 34 первой скошенной поверхности 30) к радиально наиболее углубленному краю 40 второй скошенной поверхности 36. В других вариантах реализации (не показаны) одна или более дополнительных скошенных поверхностей могут быть опционально расположены между периферийным краем 32 и радиально наиболее углубленным краем 40. Следует иметь в виду, что хотя первая и вторая скошенные поверхности 30, 36 отображены в целом как прямые, если их рассматривать в плоскости поперечного сечения по оси, в других вариантах реализации (не проиллюстрированы) первая и вторая скошенные поверхности 30, 36 полностью или частично могут быть изогнутыми, вьшуклыми, вогнутыми или иметь несимметричную форму, если их рассматривать в плоскости поперечного сечения по оси. Режущие элементы со множеством скошенных поверхностей более полно описаны в вышеупомянутом патенте США №6935444, выданном 30 августа 2005 г. Lund at al.; патенте США 6145608, выданном 14 ноября 2000 г. Lund at al.; и патенте США 5437343, выданном 1 августа 1995 г. Cooley at al.
Планарная плоская поверхность 42 алмазного стола 24 может быть расположена радиально вовнутрь второй скошенной поверхности 36. Плоская поверхность 42 может располагаться кольцеобразно над лезвием (режущим торцом) 26 вокруг продольной оси L режущего элемента 20. Плоская поверхность 42 может быть расположена радиально вовнутрь от радиально наиболее углубленного края 40 второй скошенной поверхности 36 и может быть в значительной степени перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20. В качестве альтернативного варианта, плоская поверхность 42 может быть расположена под углом, не являющимся прямым, к продольной оси L режущего элемента 20.
Часть лезвия 26, направленного радиально вовнутрь плоской поверхности 42, может иметь одно или более углублений, входящих в алмазный стол 24 в направлении подложки 22, один или более выступов, выходящих вверх из алмазного стола 24 в направлении от подложки 22, или их комбинацию. Плоская поверхность 42 и одно или более углублений и/или выступов могут быть выполнены с возможностью изменения направления потока обломков выбуренной породы, проходящего через лезвие 26 алмазного стола 24, как более полно описано в вышеупомянутой заявке на патент США №13/840195, поданной 15 марта 2013 г., опубликованной 4 сентября 2014 г. как публикация патента США №2014/0246253 А1 от имени Patel at al. Кроме того, первая и вторая скошенные поверхности 30, 36 могут функционально взаимодействовать с плоской поверхностью 42 и одним или более углублениями и/или выступами для изменения направления потока обломков выбуренной породы, проходящего по лезвию 26 алмазного стола 24.
Режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20, имеющие углубления и/или выступы на лезвии 26, как описано в настоящем документе, могут изготавливаться с использованием любого количества методов, включая любые из методов, раскрытых в вышеуказанном патенте США 8684112, выданном 1 апреля 2014 г. DiGiovanni at al.; в публикации патента США №2013/0068538 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al.; и в публикации патента США №2013/0068534 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al. Например, режущий элемент 20 может формироваться посредством известного в данной области техники процесса с использованием высокой температуры при высоком давлении (ВТВД).
Скошенные поверхности, углубленные поверхности и/или выступы алмазного стола 24 могут формироваться на месте во время процесса спекания ВТВД. В качестве альтернативного варианта, скошенные поверхности и/или выступы на алмазном столе 24 могут формироваться по завершении процесса спекания ВТВД. Например, процесс лазерной абляции, раскрытый в публикации патента США №2009/0114628 А1, опубликованной 7 мая 2009 г. от имени DiGiovanni, полное раскрытие которого включено в настоящий документ посредством данной ссылки, может использоваться для удаления выбранных локализованных участков алмазного стола 24, а также может использоваться для формирования скошенных поверхностей, углублений и/или выступов на алмазном столе 24, как описано в настоящем документе. Кроме того, неограничивающие примеры процессов, известных в данной области техники, которые могут быть использованы для содействия в формировании скошенных поверхностей, углублений и/или выступов на алмазном столе 24, включают в себя процесс электроразрядной механической обработки (ЭРМ), процесс механической обработки, процесс выщелачивания или любую комбинацию указанных выше процессов.
Как более полно описано в вышеупомянутой публикации патента США №2013/0068534 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al., а также в заявке на патент США №13/840195, поданной 15 марта 2013 г., опубликованной 4 сентября 2014 г. как публикация патента США №2014/0246253 А1 от имени Patel at al., суммарный эффект плоской поверхности 42 лезвия 26 и углубления, расположенного радиально вовнутрь плоской поверхности 42, включает подавление или уменьшение степени уплотнения обломков выбуренной породы на лезвии 26 и образования связных структур (то есть, мелкого щебня). Когда режущий элемент 20, имеющий, по меньшей мере, одну углубленную поверхность лезвия 26, на достаточной глубине вруба проталкивается сквозь цельный пласт, можно предотвратить ударное воздействие гранулярных обломков трещиноватой породы на режущий элемент 20 после разрыва пласта или помешать такому воздействию. В результате гранулярные обломки трещиноватой породы могут не уплотняться в достаточной степени, чтобы формировать связные структуры любого существенного размера, и могут по сути «выбрасываться вперед» с лезвия 26 и уноситься буровым раствором как обособленные гранулярные обломки в пылевидном состоянии. Считается, что генерирование мелких гранулярных обломков уменьшает трение между породой и лезвием 26, а также снижает не только количество тепла, передаваемого на режущий элемент 20, но и количество удельной механической энергии (УМЭ) режущих элементов 20 (то есть, количество работы, выполненной на единицу объема пробуренной породы) и мощность, необходимую для работы бурового режущего инструмента, использующего такие режущие элементы 20.
Более того, то, что режущий элемент со множеством скошенных поверхностей 20 имеет лезвие 26 с одним или более углублениями и/или выступами, связанными с ними и имеющими ранее описанную конфигурацию, позволяет режущему элементу 20 сохранять высокие эксплуатационные характеристики, которые рассматривались в предыдущем параграфе, и одновременно оптимизировать одну или более из характеристик режущего элемента 20, таких как жесткость, долговечность, твердость, производительность и теплопроводность.
Продолжая ссылаться на Фиг. 2, такие углубления и/или выступы алмазного стола 24 могут включать первую углубленную поверхность 44, направленную как радиально вовнутрь, так и вниз по оси в алмазный стол 24 с плоской поверхности 42. Вторая углубленная поверхность 46 алмазного стола 24 может быть расположена радиально вовнутрь первой углубленной поверхности 44 и может быть направлена радиально вовнутрь под наклоном относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20, определяя таким образом центральный выступ 48 лезвия. Центральный выступ 48 может иметь усеченно-коническую форму и верхнюю поверхность 49, которая является плоской и находится в одной плоскости с плоской поверхностью 42, как проиллюстрировано на чертеже; хотя в других вариантах реализации верхняя поверхность 49 центрального выступа 48 может быть приподнята или углублена относительно плоской поверхности 42. Следует принимать во внимание, что центр центрального выступа 48 может быть радиально смещен с продольной оси L режущего элемента таким образом, чтобы придать алмазному столу 24 ассиметричную режущую кромку 26.
Радиально наиболее углубленный край 50 первой углубленной поверхности 44 может стыковаться с периферийным краем 52 второй углубленной поверхности 46. Первая и вторая углубленные поверхности 44, 46 могут вместе образовывать углубление 54 в лезвии 26 алмазного стола 24. Углубление 54 может располагаться кольцеобразно над лезвием 26 вокруг продольной оси L режущего элемента 20. В дополнительных вариантах реализации углубление 54 может быть определено формами, которые не являются кольцевым. Например, как более полно описано в вышеупомянутой публикации патента США №2013/0068534 А1, опубликованного 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al., углубление 54 может в целом иметь форму квадрата, обычного n-стороннего многоугольника (где n может представлять собой любое значение от трех (3) до бесконечности), или в целом выглядеть как многоугольник Рело (то есть, криволинейный многоугольник, образованный с помощью дуговых сегментов), если на него смотреть в плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20.
Теперь ссылаясь на Фиг. 3, первая и вторая углубленные поверхности 44, 46 могут вместе придавать углублению 54 V-образную форму, если смотреть на него в плоскости поперечного сечения, содержащей продольную ось L режущего элемента 20, хотя и другие формы входят в объем вариантов реализации настоящего изобретения. Первая и вторая скошенные поверхности 30, 36, плоская поверхность 42, первая и вторая углубленные поверхности 44, 46 и выступ 48 могут по отдельности иметь размер, быть позиционированы и ориентированы таким образом, чтобы наделять режущий элемент 20 специально разработанными эксплуатационными характеристиками. Например, в вариантах реализации, где режущий элемент 20 является режущим элементом с диаметром 16 мм (около 0,630 дюйма или около 5/8 дюйма), первая скошенная поверхность 30 может иметь радиальную ширину X1 от около 0,002 дюйма (0,051 мм) до около 0,045 дюйма (около 1,143 мм), измеренную между периферийным краем 32 и радиально наиболее углубленным краем 34 первой скошенной поверхности 30 в плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента. Кроме того, первая скошенная поверхность 30 может быть наклонена под углом α от около 10 градусов до около 80 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20.
Вторая скошенная поверхность 36 может иметь радиальную ширину Х2 от около 0,002 дюйма (0,051 мм) до около 0,25 дюйма (6,35 мм), измеренную между периферийным краем 38 и радиально наиболее углубленным краем 40 второй скошенной поверхности 36 в плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20. Вторая скошенная поверхность 36 может быть расположена под углом β от около 10 градусов до около 80 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20.
Плоская поверхность 42 может иметь радиальную ширину Х3 от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0,125 дюйма (3,175 мм), измеренную между радиально наиболее углубленным краем 40 второй скошенной поверхности 36 и периферийным краем первой скошенной поверхности 44 в плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20. В других вариантах реализации радиальная ширина Х3 плоской поверхности 42 может быть больше, чем 0,125 дюйма (3,175 мм).
Первая скошенная поверхность 44 может быть направлена радиально вовнутрь и в алмазный стол 24 под углом θ от около 10 градусов до около 90 градусов, измеренным с плоской поверхности 42 лезвия 26.
Каждое из соответствующих значений радиальной ширины X1, Х2, Х3 первой скошенной поверхности 30, второй скошенной поверхности 36 и плоской поверхности 42 может быть выражено как коэффициент или процент радиуса R режущего элемента 20. Например, в вариантах реализации, где режущий элемент 20 представляет собой резец диаметром 16 мм (около 0,630 дюйма или около 5/8 дюйма), то есть, режущий элемент 20 имеет радиус R в размере 8 мм (около 0,315 дюйма или около 5/16 дюйма), радиальная ширина X1 первой скошенной поверхности 30 в диапазоне от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0,045 дюйма (1,143 мм) может также быть выражена как величина в диапазоне от около 0,01588R до около 0,14288R. Аналогичным образом, радиальная ширина Х2 второй скошенной поверхности 36 в диапазоне от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0,035 дюйма (0,889 мм) может также быть выражена как величина в диапазоне от около 0,01588R до около 0,01111R. Более того, радиальная ширина Х3 плоской поверхности 42 в диапазоне от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0,125 дюйма (3,175 мм) может также быть выражена как величина в диапазоне от около 0,01588R до около 0,39688R.
Следует иметь в виду, что режущие элементы 20 размером меньше или больше, чем резец диаметром 16 мм, такие как резцы диаметром 19 мм и резцы диаметром 8 мм, входят в раскрываемый в настоящем документе объем вариантов реализации данного изобретения. Более того, режущие элементы 20 любого размера могут содержать соотношения ширины к радиусу первой скошенной поверхности 30, второй скошенной поверхности 36 и плоской поверхности 42, как описано ранее. Например, независимо от диаметра режущего элемента 20, радиальная ширина X1 первой скошенной поверхности 30 может составлять от около 0,01588R и до около 0,14288R; радиальная ширина Х2 второй скошенной поверхности 36 может составлять от около 0,01588R до около 0,01111R; и радиальная ширина Х3 плоской поверхности 42 может составлять от около 0,01588R до около 0,39688R. Однако, в целях простоты, размеры интервалов между режущими элементами 20, описанных ниже, выражаются в дюймах.
Продолжая ссылаться на Фиг. 3, в соответствии с одним вариантом реализации, приводимым в качестве примера, первая скошенная поверхность 30 может иметь ширину X1 около 0,016 дюйма (0,406 мм) и может быть размещена под углом α около 45 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20. Вторая скошенная поверхность 36 может иметь ширину Х2 около 0,020 дюйма (0,508 мм) и может быть размещена под углом β около 20 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20. Плоская поверхность 42 может иметь ширину Х3 около 0,031 дюйма (0,787 мм).
Изобретатели провели большой объем испытаний различных режущих элементов 20 с двумя скошенными поверхностями, используя, к примеру, вертикально-расточный станок с ЧПУ, и обнаружили, что увеличение ширины Х2 второй скошенной поверхности 36 уменьшает размер обломков породы, выбуренной режущим элементом 20 во время бурения. И наоборот, эти испытания также показали, что уменьшение ширины Х2 второй скошенной поверхности 36 увеличивает размер обломков породы, выбуренной режущим элементом 20. Уменьшение ширины Х2 второй скошенной поверхности 36 также повышает агрессивность режущего элемента 20 и сокращает объем механической обработки, необходимый для формирования режущего элемента 20. Проведенные изобретателями испытания также показали, что сокращение ширины Х2 дополнительной скошенной поверхности 36 повышает производительность режущего элемента 20 и увеличивает степень отбрасывания вперед обломков породы от лезвия 26 режущего элемента 20 во время бурения. Эти испытания также показали, что вторичная скошенная поверхность 36, имеющая ширину Х2, меньшую, чем 0,055 дюйма (1,397 мм), может иметь способность абсорбировать сколы во время использования, которые не распространяются продольно вперед и радиально вовнутрь радиально наиболее углубленного края 40 второй скошенной поверхности 36 (то есть, которые не «нарушают» его).
Степень агрессивности режущего элемента 20 также можно увеличить посредством уменьшения угла наклона β второй скошенной поверхности 36. В качестве неограничивающего примера, для повышения агрессивности режущего элемента 20 относительно предыдущего варианта реализации вторая скошенная поверхность 36 может иметь ширину Х2 около 0,015 дюйма (0,381 мм) и может располагаться под углом наклона β, равным около 15 градусов, относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20. Агрессивность режущего элемента 20 может быть дополнительно увеличена посредством обеспечения ширины Х2 второй скошенной поверхности 36 в диапазоне от около 0,010 дюйма (0,254 мм) до около 0,005 дюйма (0,127 мм) и угла наклона β от около 15 градусов до около 10 градусов относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20.
Испытания, проведенные изобретателями, также показали, что увеличение ширины Х3 плоской поверхности 42 сокращает УМЭ (Удельная Механическая Энергия) режущего элемента 20. В результате проведения испытаний и наблюдения изобретатели пришли к выводу, что увеличение ширины Х3 плоской поверхности 42 также увеличивает твердость алмазного стола 24 в области режущей кромки 32. Однако увеличение ширины Х3 плоской поверхности 42 также увеличивает степень наплыва осколков породы на лезвие 26 режущего элемента 20 во время бурения.
На Фиг. 4 проиллюстрирован один из вариантов реализации режущего элемента 20, имеющего углубление 54 с изогнутым поперечным сечением на плоскости, содержащей продольную ось L режущего элемента 20. В таком варианте реализации изобретения плоская поверхность 42 и центральный выступ 48 могут находиться в одной плоскости, а изогнутая углубленная поверхность 56 алмазного стола 24 может быть направлена радиально вовнутрь плоской поверхности 42 и может обладать радиусом R1 от около 0,010 дюйма (0,254 мм) до около 0,40 дюйма (10,16 мм), измеренный в плоскости поперечного сечения, содержащей продольную ось L режущего элемента 20. Изогнутая углубленная поверхность 56 может заходить в алмазный стол 24 на глубину Z1 от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0,20 дюйма (0,508 мм). Следует иметь в виду, что в других вариантах реализации верхняя поверхность 49 центрального выступа 48 может быть продольно приподнята или заглублена относительно плоской поверхности 42. В таких вариантах реализации глубина Z1 изогнутой углубленной поверхности 56 может быть от около 0,005 дюйма (0,127 мм) до около 0,20 дюйма (0,508 мм), измеренная или от плоской поверхности 42 или от верхней поверхности 49 центрального выступа 48.
Продолжая ссылаться на Фиг. 4, форма контактной поверхности 28 между алмазным столом 24 и подложкой 22 режущего элемента 20 может быть выполнена с возможностью эффективного распределения стрессовых нагрузок, вызванных силами резания, и, таким образом, улучшения конструктивной целостности режущего элемента 20. Следует иметь в виду, что изогнутая углубленная поверхность 56 и форма контактной поверхности 28, находящиеся между алмазным столом и подложкой, могут по отдельности иметь конфигурации, которые описаны в любом из упомянутых выше документов: патенте США 8684112, выданном 1 апреля 2014 г. DiGiovanni at al.; публикации патента США №2013/0068534 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al.; и публикации патента США №2013/0068537 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni.
На Фиг. 5 и 6 проиллюстрирован вариант реализации режущего элемента 20 со множеством скошенных поверхностей, аналогичный вариантам реализации, проиллюстрированным на Фиг. 2 и 3, причем основное отличие заключается в том, что вторая плоская поверхность 58 направлена радиально вовнутрь от радиально наиболее углубленного края 50 первой углубленной поверхности 44 и параллельна плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента 20. Соответствующие показатели ширины X1, Х2, Х3 первой скошенной поверхности 30, второй скошенной поверхности 36 и плоской поверхности 42 могут быть такими, как было описано ранее со ссылкой на Фиг. 2 и 3. Режущий элемент 20 в конфигурации, проиллюстрированной на Фиг. 5 и 6, имеет преимущество сокращения взаимодействия обломков породы с лезвием 26, поскольку обломки породы оказывают меньшее ударное воздействие на углубленную вторую плоскую поверхности 58, чем на центральный выступ 48, представленный в вариантах реализации, проиллюстрированных на Фиг. 2 и 3. В результате этого УМЭ режущего элемента 20 по Фиг. 5 и 6 в целом меньше УМЭ режущего элемента 20 по Фиг. 2 и 3. Опираясь на результаты своих испытаний, изобретатели считают, что сниженный показатель УМЭ режущего элемента 20 по Фиг. 5 и 6 может предоставлять преимущества при работе в сланцевых пластах. Более того, режущий элемент 20 по Фиг. 5 и 6 обычно не требует дополнительной нагрузки на долото (ДНД) по сравнению с режущим элементом по Фиг. 2 и 3 для достижения в значительной степени эквивалентной производительности резания.
Ссылаясь теперь на Фиг. 6, в дополнительном варианте реализации первая углубленная поверхность 44 алмазного стола 24 может быть направлена радиально вовнутрь и в алмазный стол 24 под углом наклона θ около 10 градусов с плоской поверхности 42 лезвия 26. Еще в одном дополнительном варианте реализации первая углубленная поверхность 44 алмазного стола 24 может быть направлена радиально вовнутрь и в алмазный стол 24 под углом наклона θ около 15 градусов с плоской поверхности 42 лезвия 26. По мере того, как угол наклона θ, угол первой углубленной поверхности 44 увеличивается, количество обломков породы, контактирующих с первой углубленной поверхностью 44, уменьшается. В дополнительных вариантах реализации первая углубленная поверхность 44 алмазного стола 24 может быть направлена радиально вовнутрь и в алмазный стол 24 под углом наклона θ около 90 градусов с плоской поверхности 42 лезвия 26 для сведения к минимуму контакта породы с первой углубленной поверхностью 44. В других вариантах реализации плоская поверхность 42 может находиться на более периферийном участке лезвия 26 относительно его местоположения в других вариантах реализации, тем самым обеспечивая ширину X1 первой скошенной поверхности 30 на уровне около 0,016 дюйма (0,406 мм) и угол наклона α около 45 градусов, а также ширину Х2 второй скошенной поверхности 36 на уровне около 0,010 дюйма (0,254 мм) и угол наклона β около 20 градусов. В таком варианте реализации угол наклона θ первой углубленной поверхности может быть около 12,5 градусов.
На Фиг. 7 проиллюстрирован вариант реализации режущего элемента 20, подобный тому, который был проиллюстрирован на Фиг. 6, но отличающийся тем, что режущий элемент 20 содержит центральный выступ 48, расположенный радиально вовнутрь второй плоской поверхности 58 и выступающий вверх из нее. Центральный выступ 48 может иметь усеченно-коническую форму и верхнюю поверхность 49, в значительной степени находящуюся в одной плоскости с плоской поверхностью 42. В других вариантах реализации верхняя поверхность 49 центрального выступа 48 может быть продольно приподнята или заглублена относительно плоской поверхности 42.
На Фиг. 8 на графике, иллюстрирующем сравнительное прогрессирование износа и долговечность режущего элемента с одной скошенной поверхностью (помечен как «Стандарт») и двух режущих элементов со множеством скошенных поверхностей, один из которых (помечен как «Двойная (большая) фаска») имеет вторую скошенную поверхность шириной Х2, которая почти в два раза больше скошенной поверхности другого элемента (помеченного как «Двойная (малая) фаска»), представлены стандартизированные результаты многочисленных испытаний, проведенных изобретателями. «Стандартный» режущий элемент с одной скошенной поверхностью имел фаску с радиальной шириной около 0,016 дюйма (0,406 мм), измеренной в плоскости, перпендикулярной продольной оси L режущего элемента. Режущий элемент 20 с «двойной (малой) фаской» имел первую скошенную поверхность 30 шириной X1 около 0,010 дюйма (0,254 мм) и с углом наклона α около 45 градусов, а также вторую скошенную поверхность 36 шириной Х2 около 0,014 дюйма (0,356 мм) и с углом наклона β около 20 градусов. Режущий элемент 20 с «двойной (большой) фаской» имел вторую скошенную поверхность 36 шириной Х2 около 0,026 дюйма (0,660 мм) и был во всех остальных отношениях таким же, как режущий элемент 20 с «двойной (малой) фаской». Рост «площади пятна износа», также известного в данной области техники как «площадка притупления», был измерен для каждого из режущих элементов объекта, как показано по оси Y, относительно расстояния реза каждого из режущих элементов объекта, как показано по оси X. Средняя точка отказа алмазного стола 24 режущих элементов объекта проиллюстрирована индикатором уникальной формы в конце линии каждого соответствующего резца на графике. Производительность каждого из режущих элементов объекта показана как стандартизированная относительно режущего элемента с лучшим показателем производительности. Как показано, режущий элемент 20 с «двойной (малой) фаской» абсорбировал большую площадь пятна износа и прорезал большее расстояние до отказа, чем «стандартный» режущий элемент с одной скошенной поверхностью. Кроме того, режущий элемент 20 с «двойной (большой) фаской» оказался значительно прочнее и долговечнее, чем «стандартный» режущий элемент и режущий элемент с «двойной (малой) фаской», абсорбируя около в два раза большую площадь пятна износа и прорезая почти на 50% большее расстояние, чем режущий элемент 20 с «двойной (малой) фаской». Испытание, проведенное изобретателями, указывает на то, что обеспечение режущего элемента двойной скошенной поверхностью (фаской) может значительно увеличить срок службы такого режущего элемента. Это испытание также указывает на то, что увеличение ширины Х2 вторичной скошенной поверхности 36 может дополнительно повысить долговечность и срок эксплуатации режущего элемента.
На Фиг. с 9 по 14 проиллюстрирован износ, наблюдаемый изобретателями на режущих элементах объекта, представленного на графике на Фиг. 8. На Фиг. 9 и 10 проиллюстрированы соответствующие виды сбоку и спереди износа, абсорбированного «стандартным» режущим элементом с одной скошенной поверхностью в точке отказа алмазного стола. На Фиг. 11 и 12 проиллюстрированы соответствующие виды сбоку и спереди износа, абсорбированной режущим элементом 20 с «двойной (малой) фаской» в точке отказа алмазного стола 24. На Фиг. 13 и 14 проиллюстрированы соответствующие виды сбоку и спереди износа, абсорбированной режущим элементом 20 с «двойной (большой) фаской» в точке отказа алмазного стола 24. Размер площадки притупления 59, сформированной в соответствующих алмазных столах 24 и подложках 22 режущих элементов объекта, проиллюстрирован на Фиг. 9, 11 и 13. Площадки притупления 59 также можно заметить на Фиг. 10,12 и 14, равно как и величину радиального износа или «высоту резца», начинающегося у режущей кромки соответствующих режущих элементов и распространяющегося сквозь алмазные столы 24 и в подложки. Сколы 59', образованные в алмазном столе 24 на режущей кромке 32, также проиллюстрированы на Фиг. 10, 12 и 14. Как видно на Фиг. 12 и 14, высота резца, сформированная в алмазном столе 24 режущих элементов с двумя скошенными поверхностями 20, простирается радиально сквозь первую скошенную поверхность 30 и во вторую скошенную поверхность 36, но не нарушает радиально наиболее углубленный край 40 второй скошенной поверхности 36. И наоборот, как проиллюстрировано на Фиг. 10, высота резца нарушила радиально наиболее углубленный край 34' режущего элемента с одной скошенной поверхностью. Как проиллюстрировано на Фиг. 9-14, и высота резца, и площадка притупления 59, абсорбированные режущим элементом с «двойной (малой) фаской» в точке отказа алмазного стола, больше, чем те, которые были абсорбированы «стандартным» режущим элементом с одной скошенной поверхностью. Более того, и высота резца, и площадка притупления, абсорбированные режущим элементом с «двойной (большой) фаской» в точке отказа алмазного стола, больше, чем те, которые были абсорбированы режущим элементом с «двойной (малой) фаской» и «стандартным» режущим элементом с одной скошенной поверхностью.
На Фиг. 15 проиллюстрирован дополнительный вариант реализации режущего элемента со множеством скошенных поверхностей 20. Режущий элемент 20 по Фиг. 15 может иметь конфигурацию, аналогичную конфигурации режущего элемента 20, проиллюстрированного на Фиг. 2 и 3, с тем отличием, что центральный выступ 48 может иметь конусообразную форму. В этом варианте реализации центральный выступ 48 может иметь вершину 60, выступающую продольно над плоской поверхностью 42 алмазного стола на расстояние H1 от около 0,010 дюйма (0,254 мм) и около 0,50 дюйма (12,7 мм). Вершина 60 конусообразного центрального выступа 48 может быть закруглена на радиус R2 от около 0,010 дюйма (0,254 мм) до около 0,25 дюйма (6,35 мм).
На Фиг. 16 проиллюстрирован дополнительный вариант реализации режущего элемента со множеством скошенных поверхностей 20, аналогичный варианту реализации по Фиг. 15, но отличающийся тем, что плоская поверхность 42 направлена радиально вовнутрь и примыкает к периферийному краю 52 центрального выступа 48.
Следует иметь в виду, что лезвие 26 режущих элементов со множеством скошенных поверхностей 20, раскрытыми в настоящем документе, может содержать любое количество признаков формы, включая любую комбинацию выступов и/или углублений, описанных в любом из вышеупомянутых документов, а именно, в патенте США 8684112, выданном 1 апреля 2014 г. DiGiovanni at al.; публикации патента США №2013/0068534 Al, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al; публикации патента США №2013/0068537 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni; публикации патента США №2013/0068538 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al.; и заявке на патент США №13/840195, поданной 15 марта 2013 г., опубликованной 4 сентября 2014 г. как публикация патента США №2014/0246253 А1 от имени Patel at al.
Также следует иметь в виду, что одна или более из поверхностей лезвия 26 могут быть отполированы для достижения высоты микронеровностей профиля поверхности, среднеквадратическое значение (RMS) которого составляет менее чем около 10 микродюймов (0,254 мкм) и до около 0,3 микродюйма (0,00762 мкм) или меньше при использовании любого из способов, описанных в упомянутой выше публикации патента США №2013/0292188 А1, опубликованной 7 ноября 2013 г. от имени Bilen et al., а также дополнительно описанных в заявке на патент США №13/840195, поданной 15 марта 2013, опубликованной 4 сентября 2014 г. в качестве публикации патента США №2014/0246253 А1 под названием «Cutting Elements for Earth-Boring Tools, Earth-Boring Tools Including Such Cutting Elements, and Related Methods», полное раскрытие которых включено в настоящий документ посредством данной ссылки. Например, первая скошенная поверхность 30 и/или вторая скошенная поверхность 36 полностью или частично может быть отполирована до высоты микронеровностей профиля поверхности менее чем около 10 микродюймов (0,254 мкм).
Как проиллюстрировано на Фиг. 17, режущий элемент 20 отображен в конфигурации, аналогичной конфигурации режущего элемента 20 по Фиг. 5 и 6. Вся плоская поверхность 42 алмазного стола 24 может быть отполирована до высоты микронеровностей профиля поверхности менее чем около 10 микродюймов (0,254 мкм) для предотвращения уплотнения обломков выбуренной породы на плоской поверхности 42 и образования связных структур при контакте режущего элемента 20 с породой. В других вариантах реализации часть плоской поверхности 42, меньшая, чем вся поверхность, может быть отполирована до высоты микронеровностей профиля поверхности менее чем около 10 микродюймов (0,254 мкм).
Кроме того, предварительно сформированные части любых поверхностей лезвия 26 режущих элементов 20, раскрываемых в настоящем документе, могут быть отполированы до высоты микронеровностей профиля поверхности менее чем около 10 микродюймов (0,254 мкм) в целях направления обломков выбуренной породы на определенную сторону лезвия 26, когда режущий элемент 20 контактирует с цельным пластом, как более полно описано в упомянутой выше публикации патента США №2013/0292188 А1, опубликованной 7 ноября 2013 г. от имени Bilen et al.. Например, на Фиг. 18 проиллюстрирован режущий элемент 20, сконфигурированный аналогично режущему элементу по Фиг. 17, с основным отличием, которое заключается в том, что плоская поверхность 42 режущего элемента 20 на Фиг. 19 является полированной до высоты микронеровностей профиля поверхности менее чем около 5 микродюймов (0,127 мкм) на первом латеральном участке 62 плоской поверхности 42, в то время как второй латеральный участок 64 плоской поверхности 42 остается неполированным и может иметь высоту микронеровностей профиля поверхности от около 20 микродюймов (0,508 мкм) до около 40 микродюймов (1,016 мкм). Относительная разница между значениями высоты микронеровностей профиля поверхности первого латерального участка 62 и второго латерального участка 64 плоской поверхности 42 может быть достаточной для направления потока обломков выбуренной породы 68, движущегося через лезвие 26 в направлении латеральной стороны лезвия 26, соответствующей второму латеральному участку 64 плоской поверхности 42.
В дополнительных вариантах реализации размер, форма и ориентация поверхностей лезвия могут образовывать два (2) четко выраженных потока обломков вырубленной породы, движущихся в направлении противоположных сторон лезвия 26, когда режущий элемент 20 входит в контакт с породой пласта, как более полно описано в упомянутой выше заявке на патент США №13/840195, поданной 15 марта 2013 г., опубликованной 4 сентября 2014 г. как публикация патента США №2014/0246253 А1 от имени Patel at al. В таких вариантах реализации предварительно определенные участки поверхностей лезвия 26 могут быть отполированы до высоты микронеровностей профиля поверхности менее чем около 10 микродюймов (0,254 мкм) для обеспечения более свободного перемещения обломков выбуренной породы в двух (2) отдельных потоках и, таким образом, предотвращения уплотнения обломков выбуренной породы с образованием связных структур, тем самым сокращая размер обломков выбуренной руды в двух (2) отдельных потоках. Например, на Фиг. 19 проиллюстрирован режущий элемент 20, сконфигурированный аналогично конфигурации режущего элемента по Фиг. 5 и 6. Вторая скошенная поверхность 36 имеет ширину Х2 около 0,035 дюйма (0,889 мм). Участок 66 первой и второй скошенных поверхностей 30, 36 и плоской поверхности 42 вблизи места, где режущая кромка 32 вступает в контакт с цельным пластом, может быть отполирован до высоты микронеровностей профиля поверхности менее чем около 10 микродюймов (0,254 мкм). Когда периферийный край 32 первой скошенной поверхности 30 вступает в контакт с породой пласта, размер, форма и ориентация первой и второй скошенных поверхностей 30, 36 могут функционально отклонять обломки выбуренной породы в два (2) четко выраженных потока 68а, 68b, текущих в направлении противоположных сторон лезвия 26. Отполированный участок 66 первой и второй скошенных поверхностей 30, 36 и плоской поверхности 42 позволяет обломкам выбуренной породы в двух (2) отдельных потоках перемещаться более свободно по лезвию 26 и, таким образом, подавляет образование связных структур в рамках двух (2) отдельных потоков.
В некоторых вариантах реализации на буровом режущем инструменте может устанавливаться ограничитель глубины вруба для снижения взаимодействия между цельным пластом и углубленной или выступающей поверхностью алмазного стола 24 во время бурения. Например, таким ограничителем глубины вруба на буровом режущем инструменте могут являться одна или более внешних поверхностей лопасти 12 бурового долота 10, проиллюстрированного на Фиг. 1, а также опорный блок, описанный в публикации патента США №2010/0276200 А1, опубликованной 4 ноября 2010 г. от имени Schwefe at al., полное раскрытие которого включено в настоящий документ посредством данной ссылки, а также как описано в упомянутой выше публикации патента США №2013/0068534 А1, опубликованной 21 марта 2013 г. от имени DiGiovanni at al. Ограничитель глубины вруба может быть расположен соосно радиально внешнему краю углубленной поверхности или выступающей поверхности алмазного стола, как описано в настоящем документе. В виду этого, можно предотвратить контакт цельного пласта с таким углублением или выступом во время бурения.
Основные параметры, влияющие на производительность, такие как агрессивность, долговечность, эффективность, твердость, стабильность, управляемость, потребление энергии, УМЭ и пассивность, могут быть подобраны и сбалансированы посредством стратегического размещения режущих элементов со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, на инструменте в выбранных местах. Режущие элементы 20 с относительно меньшей второй скошенной поверхностью 36, как описано в настоящем документе, могут демонстрировать более агрессивную резку по сравнению с обычными режущими элементами (долотом с поликристаллическими алмазными вставками - PDC). Таким образом, производительность режущих элементов 20 может быть дополнительно скорректирована с учетом специфики конкретных подземных пластов, таких как, в качестве неограничивающих примеров, как горизонтальные сланцы или глинистый песчаник. Если придется столкнуться с более твердыми или сильнее включенными промежуточными пластами, конструкция инструмента может предусматривать более широкий выбор в большей степени пассивных резцов, таких как обычные резцы PDC или режущий элемент со множеством скошенных поверхностей 20 с относительно более крупными вторыми скошенными поверхностями 36, как описано в настоящем документе, на участках инструмента, отвечающих за большую глубину вруба, с использованием более агрессивных резцов, таких как режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20 с относительно меньшими вторыми скошенными поверхностями 36, как описано в настоящем документе, на участках инструмента, отвечающих за меньшую глубину вруба.
На Фиг. 20 представлен простой, частичный вид в поперечном разрезе, иллюстрирующий один из вариантов реализации бурового режущего инструмента, использующего избирательное размещение режущих элементов 20 согласно настоящему изобретению. В иллюстративных целях буровым режущим инструментом является долото вращательного бурения с запрессованными поликристаллическими алмазными резцами 10 по Фиг. 1 в ранее описанной конфигурации, хотя следует признать, что раскрытые в настоящем документе варианты реализации изобретения, предусматривающие избирательное размещение, могут быть использованы на других буровых режущих инструментах, таких как буры-расширители, инструменты для расширения ствола скважины, коронки для разбуривания скважин под обсадные колонны, керновые долота или иные буровые режущие инструменты.
Буровое долото 10 содержит множество режущих элементов, установленных на каждой лопасти 12 бурового долота 10. Более того, как известно специалистам в данной области техники, профиль бурового долота 10 в конфигурации, проиллюстрированной на Фиг. 20, может содержать конусообразный участок 74, торцевой участок 76, участок бурта 78 и калибровочный участок 80. Режущие элементы 20, расположенные на соответствующих конусообразном и торцевом участках 74, 76 лопасти 12, могут осуществлять большую глубину вреза, но выполнять меньшую работу за единицу времени, чем режущие элементы 20, расположенные на других участках лопасти 12. И наоборот, режущие элементы 20, расположенные на участке бурта 78 лопасти 12, могут осуществлять большую работу за единицу времени, но подвергаться меньшей глубине вруба, чем режущие элементы 20, расположенные на других участках лопасти 12. Следует иметь в виду, что режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, могут избирательно размещаться на определенных участках лопасти 12 для оптимизации одного или более желаемых показателей эффективности. Как проиллюстрировано на Фиг. 20, режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, могут избирательно размещаться на конусообразном участке 74 и на торцевом участке 76, а также могут иметь первую и вторую скошенные поверхности 30, 36, размер и позиционирование которых выполнены с возможностью достижения конкретных показателей эффективности при большой глубине вруба, таких как, в качестве неограничивающего примера, пассивность и характеристики отвода обломков породы. Кроме того, режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, могут избирательно размещаться на участке бурта 78 лопасти 12 и могут иметь первую и вторую скошенные поверхности 30, 36, размер и позиционирование которых выполнены с возможностью достижения конкретных высоких показателей работы за единицу времени, таких как агрессивность.
На калибровочном участке 80 лопасти 12 могут устанавливаться обычные режущие элементы PDC или другие режущие элементы, приспособленные для достижения конкретных параметров эффективности. В дополнительных вариантах реализации (не проиллюстрированы) режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, могут избирательно размещаться только на одном из конусообразного участка 74, торцевого участка 76, участка бурта 78 или калибровочного участка 80, в то время как обычные режущие элементы PDC или иные режущие элементы, приспособленные для достижения конкретных показателей эффективности, могут быть расположены на остальных участках. В других вариантах реализации режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, могут избирательно размещаться на любой комбинации конусообразного участка 74, торцевого участка 76, участка бурта 78 и калибровочного участка 80, в то время как обычные режущие элементы PDC или иные режущие элементы, приспособленные для достижения конкретных показателей эффективности, расположены на остальных участках лопасти 12.
Кроме того, ссылаясь на Фиг. 21, режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, могут избирательно размещаться на одном или более лопастей 12 бурового долота 10. Буровое долото 10 может иметь конфигурацию с режущими элементами со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, расположенными на каждой второй лопасти 12а-12с бурового долота 10, в то время как на остальных лопастях 12 могут быть установлены обычные режущие элементы PDC или иные режущие элементы, приспособленные для достижения определенных показателей эффективности. Преимущества такого размещения могут включать в себя, среди прочего, оптимальный баланс между агрессивностью, стабильностью и управляемостью бурового долота 10. Следует иметь в виду, что в дополнительных вариантах реализации режущие элементы со множеством скошенных поверхностей 20 в конфигурации, описанной в настоящем документе, могут избирательно размещаться на определенных лопастях и на определенных участках каждой конкретной лопасти, как было описано ранее, для дополнительной корректировки показателей эффективности бурового долота 10.
Варианты реализации режущих элементов по настоящему изобретению могут использоваться для достижения одного или более преимуществ, описанных выше.
Хотя приведенное выше описание содержит много конкретных сведений, эти сведения не должны считаться ограничивающими объем настоящего изобретения, а лишь приводящими примеры определенных вариантов реализации. Аналогичным образом, могут быть придуманы другие варианты реализации настоящего изобретения, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения. Например, характеристики, описанные в настоящем документе со ссылкой на один вариант реализации, также могут быть объединены с характеристиками других вариантов реализации, описанных в настоящем документе. Следовательно, объем изобретения указан в прилагаемой формуле изобретения, а не в предшествующем описании, и ограничен только прилагаемой формулой изобретения. Все дополнения, удаления и изменения, касающиеся устройств, механизмов, систем и способов, раскрытых в настоящем документе, которые находятся в пределах значения и объема формулы изобретения, охвачены настоящим изобретением.