ШАРОШЕЧНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО С ЭВАКУАТОРОМ ШЛАМА
ROCK DRILLING BIT WITH SLURRY RETRIEVER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится в целом к буровым долотам для бурения буровых скважин, в частности к шарошечному буровому долоту с эвакуатором шлама.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Шарошечные долота или долота с вращающейся шарошкой широко известны в области бурения земной поверхности. Наиболее типичная конструкция шарошечного долота содержит три конуса шарошки, каждый из которых с возможностью вращения закреплен на проходящей вниз и радиально внутрь шейке оси опорного подшипника. На каждом конусе шарошки закреплено множество режущих элементов, так называемых резцов. Между шейками оси опорных подшипников 120 градусов, при этом три шейки сформированы как часть корпуса шарошки. Вся конструкция вращается в конце бурильной колонны. Бурение осуществляется посредством прикладывания веса к буровому долоту и вращения бурильной колонны, таким образом обеспечивая вращение конусов шарошек и размалывание пластов горных пород под долотом. По мере вращения долота и продвижения через пласты, режущие элементы контактируют с частями пласта и осуществляют их дробление для формирования требуемой буровой скважины. Земля, отделяемая от пласта, превращается в шлам, который удаляется из нижней части и боковых сторон буровой скважины и смывается посредством бурового раствора, такого как воздух или глинистый раствор, подаваемого к буровому долоту с поверхности через полую вращающуюся буровую колонну. Шлам суспендируется в буровом растворе и переносится на поверхность в пространство между буровой скважиной и бурильной колонной.
Шлам, производимый в результате бурения, представляет собой абразив и при продолжительном использовании вызывает коррозию резцов и других частей долота. Перемалывание и повторное перемалывание шлама, возникающее в результате бурения, уменьшает скорость прохождения пластов долотом и уменьшает срок службы долота. Повторно перемолотый шлам способствует затуплению резцов, при этом мелко помолотые частицы могут проникать к опорным поверхностям, образованным между конусами шарошек и шейками, поддерживаемыми долотом, что препятствует вращению конуса шарошки и дополнительно уменьшает срок службы долота.
В патенте Соединенных Штатов Америки №6082473, выданном Dickey, который ссылкой включен в настоящее описание, раскрыто самоочищающееся долото с поликристаллическими алмазными вставками (PDC).
В патенте Соединенных Штатов Америки №5462128, выданном Gray, который данной ссылкой включен в данное описание, раскрыто режущее долото с каналом для отвода шлама на поверхность скважины.
Также в патентах Соединенных Штатов Америки №№2692117 и 3099324, выданных Kucera, которые раскрывают буровые долота с каналами через долото для удаления шлама.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ
Раскрыто буровое долото для бурения земной поверхности, содержащее альтернативный путь для обеспечения удаления или эвакуации шлама из бурового долота в верхнюю часть буровой скважины. Эвакуационное отверстие согласно настоящему раскрытию обеспечивает эвакуацию шлама большого размера из долота без его продолжительного перемалывания резцами конических шарошек до тех пор, пока не останется шлам достаточно мелкого размера, чтобы он мог следовать по пути вокруг кромки затылка лапы шарошечного долота и вверх по буровой скважине. Ограничитель шлама расположен у впуска эвакуационного отверстия. Ограничитель для шлама обеспечивает то, что только шлам определенного размера, который полностью проходит через эвакуационное отверстие и выходит из бурового долота, может входить в эвакуационное отверстие.
В определенных вариантах осуществления буровое долото может содержать отверстие для бурового раствора, проходящее от внутренней полости бурового долота и пересекающее эвакуационное отверстие. Буровой раствор может протекать от внутренней полости через отверстие для бурового раствора в эвакуационное отверстие. Поток жидкости может усиливать эвакуацию и удаление шлама из эвакуационного отверстия.
Другие варианты осуществления бурового долота согласно настоящему раскрытию могут содержать уловитель, расположенный на выпуске эвакуационного отверстия. Уловитель может содержать элементы, которые частично блокируют отверстие, ведущее к выпускному отверстию, и таким образом предотвращает повторное поступление мусора и смываемого шлама в эвакуационное отверстие через выпуск.
Технические преимущества раскрытого бурового долота содержат элементы, которые обеспечивают эвакуацию шлама большого размера из бурового долота вместо его повторного перемалывания конусами шарошки. Посредством сокращения повторного перемалывания, которое происходит при бурении, может быть увеличена эффективность прохождения, уменьшена потеря резцов, и долота могут служить дольше.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг. 1 представляет собой изометрию шарошечного бурового долота с эвакуационным отверстием согласно одному варианту осуществления настоящего раскрытия.
Фиг. 2 представляет собой поперечное сечение части шарошечного бурового долота согласно фиг. 1.
Фиг. 3А представляет собой изометрию части шарошечного бурового долота согласно варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 3B представляет собой поперечное сечение части шарошечного бурового долота согласно фиг. 3A.
Фиг. 3C представляет собой поперечное сечение части шарошечного бурового долота, содержащего суженное эвакуационное отверстие.
Фиг. 4А представляет собой подробный вид впуска эвакуационного отверстия и ограничителя для шлама согласно варианту осуществления настоящего раскрытия; и
фиг. 4B представляет собой подробный вид суженной части впуска эвакуационного отверстия согласно другому варианту осуществления данного раскрытия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Согласно фиг. 1 показано шарошечное буровое долото, содержащее корпус 10 долота с резьбовым хвостовиком 12 на одном конце для крепления к элементу буровой колонны (не показано). Резьбовой хвостовик 12 приспособлен для резьбового соединения с буровой колонной в соответствии со стандартным функционированием бурового долота. От корпуса 10 долота проходят три лапы 14 (лишь две из которых показаны), каждая из которых обеспечивает поддержку для выполненного с возможностью вращения конуса 16 шарошки. И корпус 10 долота, и его хвостовик 12 содержат аксиально проходящий канал, определяющий внутреннюю полость (см. фиг. 2). Буровой раствор направляется через полость и выходит из сопел 20 (показано лишь одно). Буровой раствор может быть воздухом, жидкостью (водой или грязью), пеной или любым их сочетанием. Например, жидкость, такая как глинистый раствор, может использоваться для промывки буровой скважины от мусора при бурении. Сопло 20 расположено между каждой парой конусов. Каждое из сопел может быть окружено кольцевой наплавкой твердым сплавом для повышенной износостойкости, вызываемой мусором, циркулирующим вокруг бурового долота при бурении буровой скважины. Сопла 20 могут представлять собой взаимозаменяемые промывочные сопла, которые могут быть калиброванными для получения необходимого перепада давления промывочной жидкости.
Как показано на фиг. 1, все конусы 16 шарошки характеризуются, по существу, одинаковым основным диаметром для обеспечения того, чтобы режущие зубья 22 на каждом конусе выступали между режущими зубьями 22 других конусов шарошек. Режущие зубья 22 на каждом конусе 16 шарошки расположены рядами. Резцы могут быть выполнены из любого материала, подходящего для удаления и перемалывания пород, и данный материал может зависеть от состава буримых пород. В показанном варианте осуществления режущие зубья 22 содержат вставки из карбида вольфрама, запрессованные в поверхность конуса и выступающие из нее. Эвакуационное отверстие 38 показано на фиг. 1 пунктирной линией. Эвакуационное отверстие 38 проходит под углом через лапу долота и обеспечивает канал между центральной областью долота между конусами 16 и внешней поверхностью лапы 14 долота. Варианты осуществления настоящего раскрытия могут предусматривать эвакуационное отверстие 38 через каждую лапу 14 долота. Таким образом, долото может содержать три лапы 14, при этом каждая лапа определяет эвакуационное отверстие 38. Однако одного эвакуационного отверстия 38 для одного долота может быть достаточно. Шлам, отделяемый от пласта коническими шарошками 16, протекает через эвакуационное отверстие, проходит уловитель для смываемого шлама и поступает в пространство между корпусом 10 долота и стенкой буровой скважины.
Согласно фиг. 2 представлено поперечное сечение части шарошечного долота согласно фиг. 1. Поперечное сечение показывает одну лапу 14 и одну шейку 30, проходящую от лапы 14. Шейка 30 обеспечивает опорную и уплотняющую поверхности, которые контактируют с соответствующими поверхностями конической шарошки 16, которая была удалена для ясности. Конусы шарошки вращаются вокруг оси шейки 30. Эта ось вращения наклонена относительно вертикальной оси долота. Внешняя часть лапы 14 известна как затылок 32 лапы шарошечного долота.
Буровой раствор направляется через буровую колонну и достигает полости долота, которая определена поверхностью 18 внутренней полости. Из полости раствор принимается одним или более выпускными отверстиями 34. Буровые долота обычно содержат одно выпускное отверстие 34 на одну коническую шарошку. Раствор протекает через выпускные отверстия 34 и выходит в полость 36 долота, расположенную в центральной области долота среди конусов и между конусами и поверхностью площади 39 сечения горловины.
Буровой раствор служит для охлаждения долота. Например, шарошечные долота часто содержат негерметичные подшипники качения, которые поддерживают конические шарошки 16 при их вращении. Некоторое количество бурового раствора может направляться с тем, чтобы протекать через каналы внутри корпуса 10 долота к этим подшипникам для их охлаждения при бурении скважины.
Буровой раствор также служит для вымывания земляного шлама из полости 36 долота вокруг затылка 32 лапы шарошечного долота и вверх по буровой скважине. Для вымывания шлама по этому пути он должен быть достаточно мелким, чтобы проходить между затылком 32 лапы шарошечного долота и стенкой буровой скважины. Более крупный шлам не может сразу вымываться из полости 36 долота. Предпочтительно он может повторно перемалываться резцами до состояния, когда он становится достаточно мелким для вытекания с буровой жидкостью между затылком 32 лапы шарошечного долота и стенкой буровой скважины. Данное повторное перемалывание уменьшает эффективность долота и ускоряет износ долота и резцов. Также, буровой раствор имеет склонность к рециркуляции в полости 36 возле выпускных сопел 20, что может вызвать эрозию и проблемы при отборе керна в районе сопел 20 долота. Кроме того, продолжительное перемалывание крупного шлама может привести к утере режущих вставок, может уменьшить срок службы долота и может уменьшить скорость проходки.
Согласно варианту осуществления настоящего раскрытия буровой раствор может смывать земляной шлам с резцов 16 конусных шарошек и долота через канал, определенный эвакуационным отверстием 38. Эвакуационное отверстие 38 может быть сформировано через лапу 14 и может быть выполнено под любым подходящим углом. Эвакуационное отверстие 38 может быть сформировано через одну лапу 14, все лапы 14 или менее чем через все лапы 14. В определенных вариантах осуществления эвакуационное отверстие 38 может быть выполнено в виде цилиндрического отверстия постоянного диаметра, как показано на фиг. 2. В других вариантах осуществления эвакуационное отверстие 38 может быть выполнено в виде суженного отверстия 38' с увеличивающимся диаметром (как показано на фиг. 3C), где диаметр суженного отверстия 38' увеличивается в направлении выпуска. Эвакуационное отверстие 38 может также иметь различные диаметры. Таким образом, большие долота могут иметь эвакуационное отверстие 38 большего диаметра. Эвакуационное отверстие 38 может быть сформировано в лапе 14 посредством сверления, фрезеровки, погружной электроэрозионной обработки или любой подходящей технологии удаления материала. Фрезерованное эвакуационное отверстие 38 может быть, как правило, в виде прорези в противоположность цилиндрическому отверстию.
В некоторых вариантах осуществления внутренняя поверхность эвакуационного отверстия 38 может поддерживать втулку. Втулка может проходить по длине эвакуационного отверстия 38 и может выступать в полость 36, как дополнительно подробно показано ниже в отношении описания ограничителя 42 для шлама. Втулка может применяться для обеспечения абразивно-/эрозионностойкой внутренней поверхности для эвакуационного отверстия 38, которая может противостоять износу, обусловленному шламом, эвакуируемым через долото. Втулка может содержать любой подходящий абразивно-/эрозионностойкий материал, такой как карбид вольфрама, стеклонаполненный полимер или керамика. Втулка может содержать суженную внутреннюю поверхность для того, чтобы способствовать предотвращению забиванию. Суженная поверхность может быть внутренней поверхностью втулки, тогда как внешняя поверхность втулки соответствует геометрии эвакуационного отверстия 38.
Выпуск эвакуационного отверстия 38 может быть выполнен в любой части задней поверхности лапы 14, которая находится выше по стволу скважины относительно нижней кромки 33 затылка 32 лапы шарошечного долота. Например, выпуск может быть выполнен в поверхности, прилегающей к поверхности 35 верхнего плеча, и может находиться на ведущей или нерабочей стороне лапы 14. В других вариантах осуществления оно может быть сформировано частично в поверхности плеча и частично во внешней (периферийной поверхности или поверхности затылка лапы шарошечного долота) лапы 14. Кроме того, выпуск может быть сформирован во внешней поверхности лапы 14.
Шлам следует по пути 37, поступает в эвакуационное отверстие 38 из полости 36 долота и выходит из выпуска в пространство 41 между корпусом 10 долота и стенкой 15 буровой скважины. Входная часть эвакуационного отверстия 38 может быть выполнена через поверхность долота, как правило, в области площади 39 сечения горловины. В определенных вариантах осуществления эвакуационное отверстие 38 может содержать элементы на своем впуске, которые предотвращают закупоривание шламом эвакуационного отверстия 38, и может содержать элементы на своем выпуске, которые предотвращают повторное поступление смываемого шлама или другого мусора в эвакуационное отверстие 38.
Согласно одному варианту осуществления эвакуационное отверстие 38 может находиться в жидкостной связи с отверстием 40 для бурового раствора, соединенным с полостью. Отверстие 40 для бурового раствора может быть меньше в диаметре, чем эвакуационное отверстие 38. Отверстие 40 для бурового раствора может быть с одного конца определено полостью и с другого конца - пересечением с эвакуационным отверстием 38. Подобно эвакуационному отверстию 38 отверстие 40 для бурового раствора может быть сформировано посредством сверления, погружной электроэрозионной обработки или фрезеровки.
В определенных вариантах осуществления отверстие 40 для бурового раствора может пересекаться с частью эвакуационного отверстия 38, находящейся выше по стволу скважины. Буровой раствор, протекающий через полость, может также протекать через отверстие 40 для бурового раствора в эвакуационное отверстие 38. Этот поток помогает протянуть шлам в и полностью через эвакуационное отверстие 38. Таким образом, шлам может протягиваться через эвакуационное отверстие 38 для удаления из долота. Некоторые варианты осуществления настоящего раскрытия могут эффективно эвакуировать шлам из полости 36 без отверстия 40 для бурового раствора.
Теперь согласно фиг. 3A показана изометрия части долота согласно фиг. 1 и 2. Фиг. 3B показывает поперечное сечение долота. Фиг. 3A и 3B показывают отдельно от долота ограничитель 42 для шлама на впуске эвакуационного отверстия 38 и уловитель 44 для смываемого шлама отдельно от выпуска эвакуационного отверстия 38. Ограничитель 42 для шлама и уловитель 44 для шлама могут быть выполнены из любого подходящего абразивно- или эрозионностойкого материала, включая сталь, карбид вольфрама, стеклонаполненный полимер или керамический материал. В определенных вариантах осуществления элементы ограничителя и уловителя, описанные в данном описании, могут быть выполнены как одно целое с корпусом 10 долота. Ограничитель 42 для шлама и уловитель 44 для смываемого шлама могут устанавливаться в соответствующих зенкованных отверстиях, сформированных в долоте. Ограничитель 42 и уловитель 44 могут запрессовываться, вклеиваться, крепиться винтами или иным способом в зенкованных отверстиях.
Фиг. 4A показывает подробный вид ограничителя 42 для шлама, прикрепленного к долоту. Как показано на фиг. 4А, по меньшей мере, часть ограничителя 42 для шлама входит в полость 36 долота с внутренней поверхности горловины 40 долота. В определенных вариантах осуществления ограничитель может содержать внешнюю кольцевую часть 43, ограниченную фланцем 45. Кольцевая часть 43 может проходить на 1/8 дюйма или на 1/4 дюйма, или на расстояние до половины дюйма в полость 36. В других вариантах осуществления кольцевая часть 43 может проходить на расстояние до одного дюйма в полость 36. Ограничитель 42 может проходить в полость на любое подходящее расстояние таким образом, чтобы не сталкиваться с конусами 16 шарошки. Выступание в полость позволяет ограничителю 42 выполнять свою функцию предотвращения прохождения шлама большого размера в эвакуационное отверстие 38. Когда шлам, откалиброванный как слишком большой для прохождения через эвакуационное отверстие 38, контактирует с ограничителем 42, он может удерживаться на месте ограничителем 42 до того момента, пока вибрация долота или перекрывание потока бурового раствора не позволит частице большого размера пройти через ограничитель 42.
Хотя фиг. 4А показывает только находящийся выше по стволу скважины периметр кольцевой части 43, проходящей в полость 36 в определенных вариантах осуществления, находящийся ниже по стволу скважины периметр кольцевой части 43 может также проходить в полость 36. Ограничитель 42 для шлама не обязательно должен содержать цилиндрическое отверстие. Ограничитель 42 может быть любой подходящей формы, которая предотвращает попадание в эвакуационное отверстие 38 шлама, размер которого обеспечивает закупоривание эвакуационного отверстия 38. В определенных вариантах осуществления впуск ограничителя для шлама может иметь асимметричную форму.
Скошенная поверхность 46 может быть внутренней относительно кольцевой части 43. Скошенная поверхность 46 переходит в суженную внутреннюю поверхность 48. Внутренний периметр, где происходит данный переход, может быть минимальным диаметром 50 ограничителя 42. Этот минимальный диаметр 50 обеспечивает то, что если частица шлама прошла минимальный диаметр 50, то затем она продолжает двигаться или течь через часть ограничителя 42, определенную суженной внутренней поверхностью 48 и через эвакуационное отверстие 38 большего диаметра. Таким образом, только шлам такого размера, который может полностью выходить из долота через эвакуационное отверстие 38, может проходить через ограничитель 42.
Фиг. 4B иллюстрирует альтернативный вариант осуществления настоящего раскрытия, где суженная поверхность подобно суженной поверхности 48 ограничителя 42 для шлама фрезерована непосредственно в долоте. Как таковое эвакуационное отверстие 38 содержит суженную впускную часть 56. Подобно суженной поверхности ограничителя 42 для шлама, суженная впускная часть 56 характеризуется минимальным диаметром, который предотвращает попадание в эвакуационное отверстие 38 шлама, откалиброванного как не проходящий полностью через эвакуационное отверстие 38.
Вернемся к фиг. 3A и 3B, на которых показан уловитель 44. Шлам, протекающий через эвакуационное отверстие 38, достигает уловителя 44 для смываемого шлама на выпуске эвакуационного отверстия 38. Уловитель 44 для смываемого шлама содержит кольцо 52, которое содержит зубец 54. Альтернативный вариант осуществления содержит зубец 54 или подобный исключающий элемент, который установлен на корпусе 10 долота, в отличие от отдельного кольца. Зубец 54 обеспечивает то, чтобы шлам, который уже был смыт с долота и удален вверх по стволу буровой скважины, или любой другой мусор не поступал повторно в эвакуационное отверстие 38 через выпуск. Также может предотвращаться попадание в эвакуационное отверстие 38 через выпуск частиц, которые отделяются от стенки буровой скважины, или руды, иным способом присутствующей в буровой скважине. В определенных вариантах осуществления зубец 54 может проходить через кольцо 52 менее чем на весь диаметр уловителя 44. Уловитель 44 для смываемого шлама может содержать стальной поворотный зубец, который открывается в направлении наружу от долота. Таким образом, шлам, протекающий через эвакуационное отверстие 38, или давление жидкости, протекающей через эвакуационное отверстие 38, может открывать зуб с тем, чтобы позволить шламу выйти через уловитель 44 для смываемого шлама. Однако при прекращении действия давления бурового воздуха/грязи/пены шлам более не протекает через эвакуационное отверстие 38, и пружина зубца 54 может смещать зубец 54 в положение покоя, в котором он может препятствовать попаданию шлама вниз в выпуск эвакуационного отверстия 38 с верхней стороны буровой скважины.
Уловитель 44 для смываемого шлама, содержащий кольцо 52 и зубец 54, также может располагаться у впуска эвакуационного отверстия вместо ограничителя 42.
Таким образом, согласно идее настоящего раскрытия раскрыт альтернативный путь для обеспечения удаления или эвакуации шлама из бурового долота в верхнюю часть буровой скважины. Эвакуационное отверстие 38 согласно настоящему раскрытию обеспечивает эвакуацию шлама большого размера из долота без его продолжительного перемалывания резцами 16 шарошек до тех пор, пока не останется шлам достаточно мелкого размера, чтобы он мог следовать по пути вокруг кромки затылка лапы шарошечного долота и вверх по буровой скважине. Таким образом, может предотвращаться выход из строя резца или долота, при этом может быть увеличена эффективность бурения.
Варианты осуществления изобретения были описаны и показаны выше. Изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления.