РАЗМЕЩЕНИЕ РЕЖУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА БУРОВОМ ДОЛОТЕ С ФИКСИРОВАННЫМИ РЕЗЦАМИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ СОКРАЩЕНИЕ РАСТРЕСКИВАНИЯ АЛМАЗНЫХ ПЛАСТИНОК
ARRANGEMENT OF INSERTS WITH FIXED CUTTERS AT DRILL BIT TO DECREASE CRACKING OF DIAMOND PLATES

Притязания на приоритет
Настоящая заявка претендует на приоритет патентной заявки US 12/537899, поданной 7 августа 2009 г. на "Размещение режущих элементов на буровом долоте с фиксированными резцами, обеспечивающее сокращение растрескивания алмазных пластинок".
Область техники
Настоящее изобретение, в целом, относится к лопастному долоту для роторного бурения подземных пород и, в частности, к лопастным долотам, расположение резцов которых увеличивает срок службы и улучшает рабочие характеристики долота.
Уровень техники
Лопастные долота для роторного бурения применялись для бурения подземных пород в течение многих десятилетий, и в качестве режущих элементов на буровых коронках лопастных долот использовались природные и синтетические алмазы различных размеров, форм и с различными схемами расположения. При бурении многих пород лопастное долото может обеспечить повышенную скорость проходки (ROP - от англ. rate of penetration) no сравнению с трехшарошечным долотом.
В течение последних нескольких десятилетий рабочие характеристики лопастного долота были улучшены благодаря использованию режущего элемента, или резца, с поликристаллическими алмазными вставками (ПКА), содержащего плоский алмазный режущий элемент, или пластинку, сформированную на подложке из карбида вольфрама в условиях воздействия высокой температуры и высокого давления. ПКА резцам могут придаваться самые разнообразные формы, наиболее распространенными из которых являются круглая, полукруглая или многогранная. Как правило, ПКА алмазные пластинки сформированы так, что грани пластинки копланарны с несущей подложкой из карбида вольфрама, либо пластинка может нависать или быть слегка подрезана, образуя "козырек" на задней кромке пластинки для повышения эффективности резания и срока службы резца, когда он захватывает пробуриваемую породу. Долота с ПКА резцами, которые, например, могут быть впаяны тугоплавким припоем в гнезда на торцевой поверхности долота, гнезда в лопастях, выступающих от торцевой поверхности долота, или установлены на штифтах, вставленных в корпус долота, продемонстрировали очень высокую эффективность по скорости проходки при бурении подземных пород, проявляя при этом устойчивость к сжимающим нагрузкам в интервале от низкой до средней. Использование ПКА резцов предоставляет конструкторам буровых долот широкий простор в отношении разнообразия усовершенствованных схем размещения и ориентации резцов, конфигурации буровой коронки, расположения промывочных насадок и других особенностей конструкции, ранее недоступных при использовании резцов с мелкими природными или синтетическими алмазами. Хотя ПКА режущие элементы и повышают эффективность бурового долота при бурении многих подземных пород, ПКА режущие элементы тем не менее подвержены износу и повреждению в определенных условиях бурения, что приводит к сокращению срока службы лопастного долота, использующего такие режущие элементы.
Термостойкие алмазы (TSP - от англ. thermally stable polycrystalline) представляют синтетические ПКА алмазы другого типа, которые могут быть использованы в качестве режущего элемента или резца для лопастного долота роторного бурения. TSP резцы, из которых удален катализатор, использовавшийся для стимулирования формирования в структуре связей "алмаз-алмаз", обладают улучшенными температурными характеристиками по сравнению с ПКА резцами. Большое тепловыделение, обусловленное трением при бурении твердой и абразивной породы, приводит к разогреву режущей кромки до температур, превышающих порог стабильности ПКА материала, в то время как TSP резцы сохраняют стабильность при этих повышенных температурах. Эта свойство также позволяет вставлять их при высокой температуре в торцевую поверхность лопастного долота матричного типа.
Хотя ПКА и TSP режущие элементы обеспечивают повышение скорости проходки и демонстрируют меньший износ в процессе бурения по сравнению с режущими элементами некоторых других типов, сохраняется необходимость повышения срока службы лопастных долот и долговечности резцов вне зависимости от типа резца. ПКА режущий элемент любого типа обычно неподвижно устанавливается на долоте роторного бурения, которое прорезает породу за счет режущего действия при вращении долота и приложенного к нему веса бурильной колонны. На долоте может устанавливаться несколько ПКА режущих элементов какого-либо типа, или даже обоих типов, и на одном долоте могут быть установлены режущие элементы различных размеров.
Корпуса буровых долот могут быть выполнены литьем и (или) механической обработкой из металла, обычно стали, либо могут быть отформованы из порошкового металла, пропитанного жидким связующим материалом при высоких температурах, для получения корпуса долота матричного типа. ПКА режущие элементы могут быть впаяны тугоплавким припоем в корпус долота матричного типа после обжига в печи, либо TSP элементы могут быть даже закреплены в корпусе долота в печи в процессе пропитки. Режущие элементы обычно закрепляются в корпусе долота, изготовленном литьем или механической обработкой (стальной корпус), посредством предварительного прикрепления к несущему компоненту, обычно называемому штифтом, который, в свою очередь, вставляется в отверстие в торцевой поверхности корпуса долота и прикрепляется к нему механическим или металлургическим способом. Штифты используются и в случае долот матричного типа, также как и режущие элементы, прикрепляемые посредством своих подложек к цилиндрическим несущим элементам, закрепленным на корпусе долота матричного типа.
Хорошо известно, что ПКА режущие элементы, вне зависимости от способа их крепления к буровым долотам, испытывают достаточно быструю деградацию при проведении бурильных работ под действием очень высоких температур и высоких нагрузок, особенно ударных нагрузок. Одним из основных проявлений такой деградации является растрескивание или скалывание режущей кромки ПКА режущего элемента, когда значительные части суперабразивного ПКА слоя отделяются от режущего элемента. Скалывание может распространяться вниз по режущей кромке ПКА режущего элемента и даже может приводить к отслаиванию суперабразивного слоя от промежуточного слоя подложки, или даже от самого долота, в отсутствие подложки. По меньшей мере, происходит снижение эффективности резания из-за повреждения режущей кромки, что также снижает скорость проходки породы лопастным долотом. Даже минимальное растрескивание может оказывать негативное воздействие на долговечность резца и его рабочие характеристики. Как только происходит скалывание острого угла на ведущей кромке (в направлении движения резца) алмазной пластинки, степень повреждения пластинки непрерывно нарастает, и также увеличивается нормальная составляющая силы, необходимой для достижения заданной глубины резания. Таким образом, при возникновении повреждения режущей кромки и режущей поверхности и снижении скорости проходки лопастного долота, обычная реакция буровой площадки в виде увеличения приложенного на долото веса быстро ведет к дальнейшей деградации и, в конце концов, внезапному разрушению раскрошившегося режущего элемента.
Одновременно с продолжением разработки и поиска усовершенствованных резцов с повышенной долговечностью и улучшения рабочих характеристик резцов было бы целесообразно использовать особенности или воспользоваться особенностями повреждения режущих элементов для увеличения долговечности лопастного долота путем снижения повреждений режущего элемента при воздействии ударных нагрузок.
Одним из подходов к увеличению долговечности долота является использование так называемого "дублирующего" резца для повышения срока службы основного резца лопастного долота, особенно при воздействии нефункциональных нагрузок или более твердого и абразивного материала подземной породы. Обычно дублирующий резец устанавливается во втором ряду резцов, следуя, по направлению вращения, по траектории движения основного резца, с тем чтобы захватывать породу в случае повреждения основного резца или его износа сверх заданного предела. Использование дублирующих резцов является обычным способом продления срока службы долота, повышая его устойчивость без необходимости разработки долота с дополнительными лопастями для установки большего числа резцов, что может привести к ухудшению гидравлических характеристик долота из-за снижения площади сечения для потока бурового раствора по торцевой поверхности долота и снижения, по сравнению с оптимальным, потока бурового раствора из-за неблагоприятного размещения промывочных насадок на торце долота. Численная оценка долговечности может быть выполнена с учетом размещения резцов и способности поддерживать остроту каждого резца в течение более длительного периода эксплуатации. В данном случае, понятие "остроты" каждого резца включает улучшение характеристик износа алмазной пластинки, включая снижение растрескивания, скалывания или повреждения пластинки воздействием сосредоточенных нагрузок, нефункциональных нагрузок или резкого сотрясения бурильной колонны.
Соответственно, существует потребность в улучшении характеристик лопастного долота роторного бурения и продлении его срока службы при бурении подземных пород любых типов. Также желательно увеличить долговечность лопастного долота путем усовершенствования ориентации и расположения резцов на корпусе долота для обеспечения работы лопастного долота путем защиты режущего элемента от чрезмерных ударных и торсионных нагрузок, для предотвращения растрескивания и скалывания режущего элемента.
Раскрытие изобретения
Предлагается долото для роторного бурения, конструкция которого обеспечивает улучшенную защиту установленных на нем режущих элементов.
Преимущества и признаки приведенных здесь вариантов осуществления будут более очевидны при ознакомлении с подробным описанием различных вариантов осуществления изобретения совместно с приложенными чертежами и формулой изобретения.
Краткое описание чертежей
на фиг.1 представлен вид спереди или с торца лопастного долота роторного бурения в соответствии с приведенным вариантом осуществления;
на фиг.2 показана часть лопасти варианта осуществления лопастного долота, показанного на фиг.1;
на фиг.3 представлен вид спереди или с торца части лопасти варианта осуществления лопастного долота, показанного на фиг.1;
на фиг.4 представлен вид спереди или с торца другого рассмотренного здесь варианта осуществления лопастного долота роторного бурения;
на фиг.5 показана часть лопасти другого рассмотренного здесь варианта осуществления лопастного долота;
на фиг.6 представлен вид спереди или с торца части лопасти другого рассмотренного здесь варианта осуществления лопастного долота;
на фиг.7 представлен фрагмент вида спереди или с торца варианта осуществления лопастного долота, аналогичного показанному на фиг.4;
на фиг.8 представлен фрагмент вида сбоку варианта осуществления лопастного долота, показанного на фиг.4.
Варианты осуществления изобретения
В приведенном далее описании и приложенных чертежах аналогичные признаки и элементы имеют одинаковые или сходные цифровые обозначения.
На фиг.1 представлен вид спереди или с торца варианта осуществления лопастного долота 110 роторного бурения. У лопастного долота 110 имеются три основные лопасти 131, 132, 133, на которых расположены три ряда 141, 142, 143 основных резцов, в каждом из которых имеются ПКА режущие элементы или резцы 114, включающие алмазную пластинку на подложке, закрепленные в гнездах 116 в основных лопастях 131, 132, 133, и три вторичные лопасти 135, 136, 137, на которых расположены три ряда 144, 145, 146 основных резцов, в каждом из которых имеются ПКА режущие элементы или резцы 114, включающие алмазную пластинку на подложке, закрепленные в гнездах 116 во вторичных лопастях 135, 136, 137. Лопастное долото 110 для роторного бурения показано, как если бы наблюдатель смотрел вверх на его торцевую поверхность или ведущий конец 112, находясь при этом на дне ствола буровой скважины. Группа ПКА режущих элементов или резцов 114 прикреплены к лопастному долоту 110, например, пайкой твердым припоем, при этом часть режущих элементов 114 проходит в гнезда 116 (как показано на чертеже), расположенные в лопастях 131, 132, 133, 135, 136, 137, а другая часть режущих элементов 114 выступает над торцевой поверхностью 112 лопастного долота 110. Могут быть использованы и другие способы крепления, известные специалистам в данной области. Лопастное долото 110 в данном варианте осуществления представляет собой долото с так называемым "матричным" корпусом. В варианте осуществления, долото также может иметь стальной корпус или быть другого типа, например с корпусом из спеченного карбида металла. "Матричные" долота включают массив порошка металла, например частиц карбида вольфрама, пропитанного расплавленным, впоследствии затвердевающим, связующим материалом, например сплавом меди. Стальные долота обычно делаются из поковки или вальцованной заготовки, и до окончательной формы доводятся механической обработкой. Изобретение не ограничено типом корпуса долота, используемого для осуществления его вариантов.
Проходы 120 для бурового раствора лежат между лопастями 131, 132, 133, 135, 136, 137 и в них подается буровой раствор из промывочных отверстий 122 на конце проходов, ведущих от камеры, проходящей в корпус долота из трубчатого хвостовика в верхнем, или заднем, конце долота 110. В промывочные отверстия (некоторые показаны с выходящим из них потоком бурового раствора) могут быть вставлены промывочные насадки (не показаны) для усиления потока бурового раствора и управления им. Проходы 120 для бурового раствора тянутся к канавкам 126 для выноса бурового шлама, проходящим вверх вдоль продольной стороны 124 долота 110 между лопастями 131, 132, 133, 135, 136, 137. Калибрующие накладки (не показаны) образуют проходящие вверх выступающие части лопастей 131, 132, 133, 135, 136, 137 и могут иметь износостойкие вставки или покрытия на своих радиально наружных поверхностях 121, как это известно в уровне техники. Обломки породы уносятся от резцов 114 буровым раствором, выходящим из промывочных отверстий 122, который перемещается в целом в радиальном направлении наружу по проходам 120 для бурового раствора и далее вверх по канавкам 126 для выноса бурового шлама в кольцевое пространство между бурильной колонной, к которой подвешено и прикреплено долото 110. Буровой раствор осуществляет охлаждение резцов 114 в процессе бурения и отводит обломки породы от торцевой поверхности 112 долота.
В то время как каждый из показанных резцов 114 является ПКА резцом, следует иметь в виду, что в изобретении могут быть использованы любые другие режущие элементы. Для ясности представления и описания изобретения, резцы 114 показаны как единые конструкции. Следует, однако, иметь в виду, что резцы 114 могут содержать слои материала. При этом каждый из ПКА резцов в данном изобретении включает ПКА алмазную пластинку, прикрепленную к несущей подложке, как это было описано выше. ПКА резцы удаляют материал с подстилающей подземной породы срезающим действием при вращении лопастного долота 110, вступая в соприкосновение с породой режущими кромками 113 резцов 114. Когда порода срезана, поток бурового раствора разделяет обломки породы, образуя взвесь, и выносит смесь с частицами по канавкам 126 для выноса бурового шлама, упомянутым выше.
Каждая из лопастей 131, 132, 133 считается на долоте 110 основной лопастью, а каждая из лопастей 135, 136, 137 считается вторичной лопастью. Лопасть 131, являющаяся, так же как и лопасти 132, 133, основной лопастью, включает часть 134 корпуса, отходящую (вдоль и по радиусу) от торцевой поверхности 112 и являющуюся частью корпуса (корпус долота также может считаться "каркасом" долота 110). Часть 134 корпуса включает поверхность 130 лопасти, ведущую грань 138 и заднюю грань 139 и может проходить в радиальном направлении наружу либо от конической области 160, либо от осевой центральной линии C/L (обозначена цифрой 161) долота 110 к калибрующей области 165, направляя, в процессе бурения, ведущей гранью 138 основное течение потока бурового раствора, выходящего из близлежащих промывочных отверстий 122, расположенных впереди по направлению вращения, по проходам 120 для бурового раствора к канавкам 126 для выноса бурового шлама. Однако часть бурового раствора будет омывать ведущую грань 138 и заднюю грань 139, обеспечивая охлаждение и очистку резцов 114 при удалении материала породы. Лопасть 131 также может быть определена частью 134 корпуса, отходящей от торцевой поверхности 112 корпуса 111 долота и проходящей к калибрующей области 165, при этом канавки 126 для выноса бурового шлама непосредственно предшествуют ведущей грани 138 и следуют за задней гранью 139. Надо заметить, что хотя долото 110 включает три основные лопасти 131, 132 и 133, долото может иметь любое число лопастей, но обычно используется не менее двух лопастей, разделенных по меньшей мере двумя проходами 120 для бурового раствора. Поскольку часть 134 корпуса лопасти 132 отходит в радиальном направлении наружу от осевой центральной линии 161 долота 110, поверхность лопасти может расширяться в радиальном направлении, а высота ведущей грани 138 и задней грани 139 над торцевой поверхностью 112 корпуса 111 долота может нарастать вдоль оси.
Как было указано ранее, лопастное долото 110, в соответствии с изобретением, включает три основныу лопасти 131, 132, 133 и три вторичные или третичные лопасти 135, 136, 137. Вторичные лопасти или третичные лопасти 135, 136, 137 образуют дополнительную несущую структуру для увеличения плотности резцов долота 110 посредством установки на них дополнительных основных резцов 114. Вторичная или третичная лопасть определена, в основном, так же как и основная лопасть, однако она отходит в радиальном направлении к калибрующей области в основном от носовой области 162, боковой области 163 или области 164 перегиба долота 110. При этом вторичные лопасти или третичные лопасти 135, 136, 137 определены между ведущим и задним проходами 120 для бурового раствора, связанными с по меньшей мере одним из промывочных отверстий 122. Кроме того, вторичная лопасть или третичная лопасть, или комбинация вторичной и третичной лопастей могут быть помещены между основными лопастями. Однако наличие вторичной или третичной лопастей сокращает имеющийся размер прилегающих проходов 120 для бурового раствора, затрудняя удаление осколков породы или очистку резцов 114. В варианте осуществления, в предложенном в изобретении лопастном долоте 110 может быть использована одна или более вторичная или третичная лопасти при необходимости или желании достижения определенных характеристик бурения лопастного долота 110.
Показано, что каждый резец 114 установлен на лопасти 131, 132, 133, 135, 136, 137 таким образом, что часть ведущих граней 138 лопастей 131, 132, 133, 135, 136, 137 закрывает часть резца 114 для уменьшения воздействующей на него ударной нагрузки, для сокращения растрескивания, расщепления, скалывания, разламывания и др., ПКА частей резца 114, а также выступает в качестве опоры для него в процессе бурения. Благодаря заглублению части резца 114 в гнездо 116, как передняя, так и задняя, а также и боковые стороны резца 114 опираются на лопасть 131, 132, 133, 135, 136, 137. Резцы 114 помещены в гнездах 116 в лопастях 131, 132, 133, 135, 136, 137 сзади относительно ведущих граней 138 лопастей 131, 132, 133, 135, 136, 137, благодаря чему повышается стойкость (отсутствие разрушения) к воздействию вибраций в процессе бурения и к потере резца 114, вызванной гидравлической эрозией буровым раствором в гнезде 116 и вокруг него, и в корпусе лопастного долота 110 вблизи гнезда 116 для резца, и улучшается удаление обломков от резца 114 вдоль лопастного долота 110 в канавки 126 для бурового шлама. Резец 114 утоплен в гнездо 116 примерно наполовину или на 50% диаметра или размера резца, хотя резец 114 может быть утоплен в гнездо 116 на любую глубину от 5 до 50% его диаметра или размера с тем, чтобы ведущая грань 138 лопасти 131, 132, 133, 135, 136, 137 защищала, в процессе бурения, алмазную пластинку ПКА резца 114 в гнезде для уменьшения растрескивания, расщепления, скалывания, разламывания и др., ПКА части резца 114, а также его подложки. В частности, у резцов 114 по меньшей мере примерно от 5 до 50% их соответствующих режущих поверхностей может быть закрыто материалом лопасти, к которой они соответственно прикреплены. Кроме того, благодаря использованию продольного переднего наклона резца расположенная сзади относительно направления вращения часть резца 114 может быть сильнее утоплена в гнездо 116 для резца в лопасти 131, 132, 133, 135, 136, 137 по сравнению с ведущей по направлению вращения частью резца 114 и, кроме этого, боковые стороны резца могут быть утоплены в гнездо 116 для резца на разную глубину. Наконец, можно сказать, что резец 114 по существу полностью окружен материалом лопасти 131, 132, 133, 135, 136, 137, когда утоплен в гнездо 116 для резца, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.2 представлена часть основной лопасти 131, 132, 133, в гнезда которой помещены резцы 114. Ведущая грань 138 лопасти 131, 132, 133 включает скошенную или наклоненную под углом часть 138', отклоненную назад от вертикальной части ведущей грани 138. Видно, что гнезда 116 расположены сзади от ведущей грани 138, поэтому часть лопасти 131, 132, 133 обеспечивает защиту передней части 114 резца, как было здесь описано. Поскольку резцы 114 закреплены в гнездах 116 пайкой тугоплавким припоем, все пространство между передней, задней и боковыми сторонами резца 114 и стенками, образующими гнездо, заполнены материалом тугоплавкого припоя для удержания резца 114 в гнезде 116. В то время как резцы 114 были показаны имеющими передний угол в продольной плоскости, резцы 114 могут и не иметь переднего угла в продольной плоскости, могут иметь наклон вперед или назад, в зависимости от конструкции лопастного долота 110. Ширина лопасти 131, 132, 133, 135, 136, 137 лопастного долота 110 может изменяться так, что резцы 114, помещенные в гнездах 116, могут быть надежно закреплены на лопастном долоте 110 со всех сторон.
На фиг.3 представлен вид спереди или с торца части лопастного долота 110 для роторного бурения. Основные лопасти 131, 132, 133 могут включать резцы 114 в основном ряду 141, 142, 143, помещенные в гнездах 116, а также резцы 114, помещенные в гнездах, расположенных на лопастях в дублирующих рядах (см., например, фиг.4). На чертеже, для ясности, не показан тугоплавкий припой, используемый для закрепления резцов 114 в гнездах 116. Подходящий для закрепления резцов 114 в гнездах 116 тугоплавкий припой описан в патентной заявке US 11/223215, поданной 9 сентября 2005 г.
На фиг.4 представлен вид спереди или с торца другого варианта лопастного долота 1110 для роторного бурения. Лопастное долото 1110 имеет три основные лопасти 1131, 1132, 1133, на которых имеются, соответственно, ряды 1141, 1142, 1143 основных резцов, и каждый ряд включает ПКА режущие элементы 1114, имеющие подложку с прикрепленной к ней алмазной пластинкой, помещенную в гнезда 1116 в основных лопастях 1131, 1132, 1133, и три вторичные лопасти 1135, 1136, 1137, на которых имеются ряды 1144, 1145, 1146 основных резцов, и каждый ряд включает ПКА режущие элементы 1114, имеющие подложку с прикрепленной к ней алмазной пластинкой, помещенную в гнезда 1116 во вторичных лопастях 1135, 1136, 1137. На трех основных лопастях 1131, 1132, 1133 также имеются ряды 1147, 1148, 1149 дублирующих резцов с режущими элементами 1114 в гнездах 1116, в то время как вторичные лопасти 1135, 1136, 1137 включают ряды 1151, 1152, 1153 дублирующих резцов с режущими элементами 1114, помещенными в гнездах 1116.
Лопастное долото 1110 изображено, как если бы наблюдатель смотрит со дна ствола скважины вверх на его торцевую поверхность или ведущий конец 1112. Долото 1110 включает группу режущих элементов или резцов 1114, прикрепленных, например, пайкой тугоплавким припоем, часть которых входит в гнезда 1116 (как для примера показано на чертеже), находящиеся в лопастях 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137, а другая часть выступает над торцевой поверхностью 1112 лопастного долота 1110. В то время как резцы 1114 закреплены в гнездах 1116 пайкой тугоплавким припоем, могут быть также использованы и другие способы, известные специалистам в данной области. Лопастное долото 1110 в данном варианте осуществления представляет собой долото с так называемым "матричным" корпусом. В варианте осуществления, корпус долота может быть стальным, либо долото может быть другого типа, например с корпусом из спеченного карбида металла. "Матричные" долота включают массив порошка металла, например частиц карбида вольфрама, пропитанных расплавленным, впоследствии затвердевающим, связующим веществом, например сплавом меди. Стальные долота обычно выполняются из поковки или вальцованной заготовки, окончательная форма которой получается механической обработкой. Изобретение не ограничено типом корпуса долота, используемого для реализации какого-либо его варианта осуществления.
Проходы 1120 для бурового раствора лежат между лопастями 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137, а буровой раствор подается в них через промывочные отверстия 1122, которыми заканчиваются каналы, ведущие от камеры, проходящей внутри корпуса долота от трубчатого хвостовика в верхнем, или заднем, конце долота 1110. Промывочные отверстия 1122 (некоторые показаны с выходящим из них буровым раствором) могут включать промывочные насадки (не показаны), закрепленные в них для усиления потока бурового раствора и управления им. Проходы 1120 для бурового раствора проходят к канавкам 1126 для выноса бурового шлама, следующим вверх вдоль продольной стороны 1124 долота 1110 между лопастями 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137. Калибрующие накладки (не показаны) образуют проходящие вверх выступающие части лопастей 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137 и могут иметь износостойкие вставки или покрытия на своих радиально наружных поверхностях 1121, как это известно в уровне техники. Обломки породы уносятся от резцов 1114 буровым раствором (не показан), выходящим из промывочных отверстий 1122, который перемещается в целом в радиальном направлении наружу по проходам 1120 для бурового раствора и далее вверх по канавкам 1126 для выноса бурового шлама в кольцевое пространство между бурильной колонной, к которой подвешено и прикреплено долото 1110. Буровой раствор осуществляет охлаждение резцов 114 в процессе бурения и отводит обломки породы от торцевой поверхности 1112 долота.
Каждый из резцов 1114 представляет собой ПКА резец. Подразумевается, однако, что в изобретении может быть использован режущий элемент любого другого подходящего типа. Для ясности представления и описания изобретения, резцы 1114 показаны в виде единых конструкций. Подразумевается, однако, что резцы 1114 могут включать слои материала. При этом ПКА резцы 1114, в соответствии с изобретением, могут включать алмазную пластинку, прикрепленную к несущей подложке, как это было описано ранее. ПКА резцы 1114 срезающим действием удаляют материал с подстилающих подземных пород при вращении долота 1110 за счет касания породы режущими кромками 1113 резцов 1114. По мере срезания породы, поток бурового раствора разделяет обломки породы, образуя взвесь, и выносит смесь с частицами по канавкам 1126 для выноса бурового шлама, упомянутым выше.
Каждая из лопастей 1131, 1132, 1133 считается на долоте 1110 основной лопастью, а каждая из лопастей 1135, 1136, 1137 считается вторичной лопастью. Лопасть 1131, так же как и лопасти 1132, 1133, являющаяся основной лопастью, включает часть 1134 корпуса, отходящую (вдоль и по радиусу) от торцевой поверхности 1112 и являющуюся частью корпуса (корпус долота также может считаться "каркасом" долота 1110). Часть 1134 корпуса включает поверхность 1130 лопасти, ведущую грань 1138 и заднюю грань 1139 и может проходить в радиальном направлении наружу либо от конической области 1160, либо от осевой центральной линии C/L (обозначена цифрой 1161) долота 1110 к калибрующей области 1165, направляя, в процессе бурения, ведущей гранью 1138 основное течение потока бурового раствора, выходящего из близлежащих промывочных отверстий 1122, расположенных впереди по направлению вращения, по проходам 1120 для бурового раствора к канавкам 1126 для выноса бурового шлама. Однако часть бурового раствора будет омывать ведущую грань 1138 и заднюю грань 1139, обеспечивая охлаждение и очистку резцов 1114 при удалении материала породы. Лопасть 1131 также может быть определена частью 1134 корпуса, отходящей от торцевой поверхности 1112 корпуса 1111 долота и проходящей к калибрующей области 1165, при этом канавки 1126 для выноса бурового шлама непосредственно предшествуют ведущей грани 1138 и следуют за задней гранью 1139. Надо заметить, что хотя долото 1110 включает три основные лопасти 1131, 1132 и 1133, долото может иметь любое число лопастей, но обычно используется не менее двух лопастей, разделенных по меньшей мере двумя проходами 1120 для бурового раствора. Поскольку часть 1134 корпуса лопасти 1132 отходит в радиальном направлении наружу от осевой центральной линии 1161 долота 1110, поверхность лопасти может расширяться в радиальном направлении, а высота ведущей грани 1138 и задней грани 1139 над торцевой поверхностью 1112 корпуса 1111 долота может нарастать вдоль оси.
Как было указано ранее, лопастное долото 1110, в соответствии с изобретением, включает три основные лопасти 1131, 1132, 1133 и три вторичные или третичные лопасти 1135, 1136, 1137. Вторичные лопасти или третичные лопасти 1135, 1136, 1137 образуют дополнительную несущую структуру для увеличения плотности резцов долота 1110 посредством установки на них дополнительных основных резцов 1114. Вторичная или третичная лопасть определена, в основном, так же как и основная лопасть, однако она отходит в радиальном направлении к калибрующей области в основном от носовой области 1162, боковой области 1163 или области 1164 перегиба долота 1110. При этом вторичные лопасти или третичные лопасти 1135, 1136, 1137 определены между ведущим и задним проходами 1120 для бурового раствора, связанными с по меньшей мере одним из промывочных отверстий 1122. Кроме того, вторичная лопасть или третичная лопасть, или комбинация вторичной и третичной лопастей могут быть помещены между основными лопастями. Однако наличие вторичной или третичной лопастей сокращает имеющийся размер прилегающих проходов 1120 для бурового раствора, затрудняя удаление осколков породы или очистку резцов 1114. В варианте осуществления, в предложенном в изобретении лопастном долоте 1110 может быть использована одна или более вторичная или третичная лопасти при необходимости или желании достижения определенных характеристик бурения лопастного долота.
На лопастном долоте 110' на лопастях 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137 показаны износостойкие вставки 1114', расположенные, в основном, в области 1164 перегиба, которые вступают на определенное расстояние над поверхностью лопастей 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137, в зависимости от конструкции лопастного долота 1110. Показано, что каждый резец 1114 установлен на лопасти 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137 таким образом, что часть ведущих граней 1138 лопастей 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137 закрывает часть резца 1114 для уменьшения воздействующей на него ударной нагрузки, для сокращения растрескивания, расщепления, скалывания, разламывания и др., ПКА части резца 1114, а также выступает в качестве опоры для него в процессе бурения. Резцы 1114 помещены в гнездах 1116 в лопастях 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137 сзади относительно ведущих граней 1138, благодаря чему повышается стойкость (отсутствие разрушения) к воздействию вибраций в процессе бурения, и к потере резца 1114, вызванной гидравлической эрозией буровым раствором в гнезде 1116 и вокруг него, и в корпусе лопастного долота 1110 вблизи гнезда 1116 для резца, и улучшается удаление обломков от резца 1114 вдоль лопастного долота 1110 в канавки 1126 для бурового шлама. Благодаря заглублению части резца 1114 в гнездо 1116, как передняя, так и задняя, а также и боковые стороны резца 1114 опираются на лопасть 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137. Резец 1114 утоплен в гнездо 1116 примерно наполовину или на 50% диаметра или размера резца, хотя резец 1114 может быть утоплен в гнездо 1116 на любую глубину от 5 до 50% его диаметра или размера с тем, чтобы материал лопасти 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137 защищал, в процессе бурения, алмазную пластинку ПКА резца 1114 в гнезде 1116 для резца для уменьшения растрескивания, расщепления, скалывания, разламывания и др., ПКА части резца 1114, а также его подложки. В частности, у резцов 1114 по меньшей мере от примерно 5 до 50% их соответствующих режущих поверхностей может быть закрыто материалом лопасти, к которой они соответственно прикреплены. Кроме того, благодаря использованию продольного переднего наклона резца расположенная сзади относительно направления вращения часть резца 1114 может быть сильнее утоплена в гнездо 1116 для резца в лопасти 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137 по сравнению с ведущей по направлению вращения частью резца 1114 и, кроме этого, боковые стороны резца могут быть утоплены в гнездо 1116 для резца на разную глубину. Наконец, можно сказать, что резец 1114 по существу полностью окружен материалом лопасти 1131, 1132, 1133, 1135, 1136, 1137, когда утоплен в гнездо 1116 для резца, в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.
На фиг.5 показана часть основной лопасти 131, 132, 133 с резцами 114, помещенными в гнездах 116 лопасти. Ведущая грань 138 лопасти 131, 132, 133 включает скошенную или наклоненную под углом часть 138', отклоненную назад от вертикальной части ведущей грани 138. Видно, что гнезда 116 расположены сзади от ведущей грани 138, поэтому часть лопасти 131, 132, 133 обеспечивает защиту передней части 114 резца. Поскольку резцы 114 закреплены в гнездах 116 пайкой тугоплавким припоем, все пространство между передней, задней и боковыми сторонами резца 114 и стенками, образующими гнездо 116, заполнены материалом тугоплавкого припоя для удержания резца 114 в гнезде 116. В то время как резцы 114 были показаны имеющими передний угол в продольной плоскости, резцы 114 могут и не иметь переднего угла в продольной плоскости, могут иметь наклон вперед или назад, в зависимости от конструкции лопастного долота 110. Ширина лопасти 131, 132, 133, 135, 136, 137 лопастного долота 110 может изменяться так, что резцы 114, помещенные в гнездах 116, могут быть надежно закреплены на лопастном долоте 110 со всех сторон.
На фиг.6 представлен вид спереди или с торца части лопастного долота 110 для роторного бурения, основные лопасти 131, 132, 133 которого включают резцы 114 в основном ряду 141, 142, 143, помещенные в гнездах 116, а также резцы 114, помещенные в гнездах, расположенных на лопастях в дублирующих рядах. На чертеже, для ясности, не показан тугоплавкий припой, используемый для закрепления резцов 114 в гнездах 116. Подходящий для закрепления резцов 114 в гнездах 116 тугоплавкий припой описан в патентной заявке US 11/223215, поданной 9 сентября 2005 г.
На фиг.7 представлен вид сверху части лопастного долота 1110, иллюстрирующий понятия боковой передний угол резца (боковой наклон), расположение резцов (поперечный интервал) и размер резца (размер). "Боковой передний угол" был описан выше. "Поперечный интервал" представляет расстояние между резцами, находящимися в одном ряду резцов. "Размер" представляет размер резца, обычно определяемый его торцевой длиной или диаметром. На фиг.8 представлен вид сбоку части лопастного долота 1110, показанного на фиг.7, иллюстрирующий понятия продольного переднего угла, величины выступа, фаски и продольного интервала, используемые в настоящем описании.
В описанных здесь вариантах осуществления, на лопасти лопастного долота могут быть установлены один или более дополнительных рядов дублирующих резцов, идущих, по направлению вращения, за рядом основных резцов и рядом дублирующих резцов и дополняющих их. Каждый из этих одного или более дополнительных рядов дублирующих резцов, ряда дублирующих резцов и ряда основных резцов имеют один или более режущих элементов или резцов на одной лопасти. Каждый из резцов одного или более дополнительных рядов дублирующих резцов могут располагаться по линии или в целом по линии на концентрической траектории вращения с резцами, ведущими по направлению вращения. В варианте осуществления, каждый резец может быть слегка смещен в радиальном направлении от середины траектории вращения резцов, расположенных в ряду дублирующих резцов и ряду основных резцов.
В представленных здесь вариантах осуществления, каждый дополнительный ряд дублирующих резцов может иметь свою величину выступа на лопасти лопастного долота по отношению к ряду резцов, расположенному впереди по направлению вращения. Например, у каждого ряда резцов может быть ступенчато уменьшающаяся величина выступа по сравнению с предшествующим рядом резцов, то есть каждый ряд резцов все больше и больше заглубляется по отношению к предшествующему ряду резцов. В варианте осуществления, каждый следующий ряд резцов может быть загублен в большей или меньшей степени относительно предшествующего ему ряда резцов. Посредством выбора величины заглубления рядов резцов расположение рядов дублирующих резцов может быть спроектировано так, чтобы они вступали в соприкосновение с материалом породы по мере нарастания площади кромки износа основных резцов. При этом резцы рядов дублирующих резцов должны захватывать породу при износе основных резцов с тем, чтобы продлить срок службы бурового долота. Обычно основной резец располагается спереди лопасти, принимая на себя большую часть рабочей нагрузки, особенно, когда резцы еще не имеют большого износа. Поскольку основные резцы лопастного долота подвержены воздействию нефункциональных динамических нагрузок или при износе резцов, дублирующие резцы, расположенные в рядах дублирующих резцов, начинают захватывать породу и начинают принимать на себя или делить с основными резцами нагрузку с тем, чтобы лучше удалять материал породы.
1
2
В представленных здесь вариантах осуществления, группы резцов могут включать комплекты или ряды резцов, имеющие резцы разного размера с тем, чтобы улучшить, путем уменьшения размера, сопротивление, испытываемое лопастным долотом, из-за дублирующего резца, следующего за основным резцом. При этом дублирующий резец меньшего размера лучше подходит для следования за основным резцом, имеющим больший диаметр, для обеспечения плавного концентрического движения при вращении лопастного долота. Согласно одной особенности, уменьшение диаметра каждого дублирующего резца по сравнению с диаметром основного резца, равного 5/8 дюйма (15,875 мм), например до / дюйма (12,7 мм), 11 мм или 3,8 дюйма (9,525 мм) или иного, позволяет уменьшить помехи от соприкосновения с породой при удалении материала породы по траектории движения основных резцов. Согласно другой особенности, благодаря использованию дублирующих резцов с меньшим размером резца, снижается соприкосновение породы с поверхностями дублирующих резцов, не срезающими породу, что позволяет повысить скорость проходки лопастного долота.
В описываемых здесь вариантах осуществления, продольный передний угол резца ряда дублирующих резцов может быть более или менее агрессивным, по сравнению с продольным передним углом резца в ряду основных резцов. Обычно для обеспечения большей долговечности основного резца, он имеет менее агрессивный продольный передний угол; хотя эффективность резца снижается, при менее агрессивном продольном передним угле долговечность основного резца увеличивается и снижается вероятность скалывания при воздействии нефункциональных нагрузок или резкого сотрясения бурильной колонны. При использовании дублирующих резцов в описываемых вариантах осуществления, может быть установлен более агрессивный продольный передний угол у дублирующих резцов, основных резцов или у тех и других. Комбинации резцов обеспечивают повышенную надежность, позволяя выбирать более агрессивный продольный передний угол для повышения общей эффективности резцов при их меньшем износе или вероятности скалывания под воздействием вибраций при бурении.
В описываемых здесь вариантах осуществления, резец ряда дублирующих резцов может иметь фаску, отличающуюся большей или меньшей агрессивностью по сравнению с фаской резца в ряду основных резцов. Как правило, для обеспечения устойчивости к внешним воздействиям основного резца использовалась более длинная фаска, особенно, когда основной резец имел более агрессивный продольный передний угол. Хотя эффективность резца снижается, благодаря более длинной фаске основной резец становится более устойчивым к воздействиям, и уменьшается вероятность его разрушения при воздействии нефункциональных нагрузок в процессе бурения. Благодаря использованию дублирующих резцов, на дублирующих резцах, на основных резцах, или на тех и на других, может быть использована более агрессивная, т.е. более короткая фаска, для повышения скорости резания резца. Комбинированные резцы обладают повышенной устойчивостью, что позволяет использовать фаски с более или менее агрессивной длиной для улучшения общих рабочих характеристик резцов при уменьшенной вероятности растрескивания, также возникающего из-за вибраций при бурении.
В описанных вариантах осуществления, лопастное долото может включать резец, закрепленный в гнезде для резца в лопасти, причем резец имеет боковой передний угол относительно траектории вращательного движения резца.
В описанных вариантах осуществления, режущая структура может быть прикреплена к лопасти лопастного долота, при условии, что основной резец большего диаметра помещен в передней части лопасти, а за ним размещены резцы меньшего диаметра одного или более рядов из нескольких резцов, расположенные либо по существу на той же спиральной траектории, либо на каких-либо иных сопряженных вращательных траекториях. Резцы меньшего диаметра, идущие за основным резцом, могут быть заглублены на разные уровни относительно глубины резания или характеристик износа основного резца, поэтому резцы меньшего размера могут захватывать материал породы на определенной глубине резания либо после того, как основной резец достигнет некоторой степени износа. В вариантах осуществления изобретения могут использоваться элементы управления глубиной резания, например, описанные в US 7096978 под названием "Буровые долота с уменьшенным выступом резцов".
В то время как выше были показаны и описаны конкретные варианты осуществления, специалисты могли бы предложить многочисленные изменения и альтернативные варианты осуществления. Соответственно, предполагается, что изобретение ограничено только формулировками приложенной формулы и их эквивалентами.
Ниже приведено описание частных вариантов осуществления, не ограничивающих изобретение.
Вариант осуществления 1: Лопастное долото для роторного бурения, содержащее: корпус долота, имеющий торцевую поверхность и ось; по меньшей мере одну лопасть, имеющую ведущую грань и заднюю грань, и проходящую продольно и в радиальном направлении наружу над торцевой поверхностью корпуса долота; и ряд основных резцов, включающий по меньшей мере один основной резец, имеющий режущую поверхность, часть которой закрыта частью по меньшей мере одной лопасти, выступающий по меньшей мере частично из лопасти и расположенный так, чтобы проходить траекторию резания при вращении корпуса долота вокруг оси, для захвата породы при движении вдоль траектории резания.
Вариант осуществления 2: Лопастное долото в соответствии с Вариантом 1, в котором по меньшей мере одна лопасть включает основную лопасть.
Вариант осуществления 3: Лопастное долото в соответствии с Вариантом 1, в котором по меньшей мере одна лопасть включает вторичную лопасть.
Вариант осуществления 4: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 1-3, дополнительно включающее по меньшей мере один задний дублирующий резец, часть режущей поверхности которого закрыта частью по меньшей мере одной лопасти.
Вариант осуществления 5: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 1-4, в котором режущая поверхность по меньшей мере одного основного резца покрыта частью по меньшей мере одной лопасти на примерно от 5 до 50% диаметра или размера по меньшей мере одного основного резца.
Вариант осуществления 6: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 4 и 5, в котором режущая поверхность по меньшей мере одного заднего дублирующего резца покрыта частью по меньшей мере одной лопасти на примерно от 5 до 50% диаметра или размера по меньшей мере резца.
Вариант осуществления 7: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 1-6, имеющее несколько основных лопастей, на каждой из которых имеется по меньшей мере один основной резец и по меньшей мере один задний дублирующий резец.
Вариант осуществления 8: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 1-7, в котором по меньшей мере одна лопасть включает несколько основных лопастей, а лопастное долото дополнительно включает несколько вторичных лопастей, на каждой из которых имеется по меньшей мере один основной резец и по меньшей мере один задний дублирующий резец.
Вариант осуществления 9: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 7 и 8, в котором режущая поверхность по меньшей мере некоторых из основных резцов закрыта частью по меньшей мере одной лопасти на примерно от 5 до 50% диаметра или размера по меньшей мере одного основного резца.
Вариант осуществления 10: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 7-9, в котором режущая поверхность по меньшей мере некоторых из задних дублирующих резцов закрыта частью по меньшей мере одной лопасти на примерно от 5 до 50% диаметра или размера по меньшей мере одного заднего дублирующего резца.
Вариант осуществления 11: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 1-10, в котором на по меньшей мере одной лопасти расположена износостойкая вставка.
Вариант осуществления 12: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 4 и 6-11, в котором по меньшей мере один задний дублирующий резец меньше по меньшей мере одного основного резца.
Вариант осуществления 13: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 4 и 6-11, в котором по меньшей мере один основной резец и по меньшей мере один задний дублирующий резец имеют одинаковый размер.
Вариант осуществления 14: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 4 и 6-13, в котором по меньшей мере один основной резец и по меньшей мере один задний дублирующий резец включают ПКА резцы.
Вариант осуществления 15: Лопастное долото для роторного бурения, содержащее: корпус долота, имеющий торцевую поверхность и ось; по меньшей мере одну лопасть, имеющую ведущую грань и заднюю грань и проходящую продольно и в радиальном направлении наружу над торцевой поверхностью корпуса долота; ряд основных резцов, включающий по меньшей мере один основной резец, имеющий режущую поверхность, часть которой закрыта частью по меньшей мере одной лопасти, выступающий по меньшей мере частично из лопасти и расположенный так, чтобы проходить траекторию резания при вращении корпуса долота вокруг оси, для захвата породы при движении по траектории резания; и ряд дублирующих резцов, включающий по меньшей мере один задний дублирующий резец, имеющий режущую поверхность, выступающую по меньшей мере частично от лопасти, расположенной так, чтобы проходить траекторию резания при вращении корпуса долота вокруг оси, для захвата породы при движении по траектории резания.
Вариант осуществления 16: Лопастное долото в соответствии с Вариантом 15, в котором по меньшей мере одна лопасть включает основную лопасть.
Вариант осуществления 17: Лопастное долото в соответствии с Вариантом 15, в котором по меньшей мере одна лопасть включает вторичную лопасть.
Вариант осуществления 18: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 15-17, в котором часть режущей поверхности по меньшей мере одного заднего дублирующего резца закрыта частью по меньшей мере одной лопасти.
Вариант осуществления 19: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 15-18, в котором режущая поверхность по меньшей мере одного основного резца закрыта частью по меньшей мере одной лопасти на примерно от 5 до 50% диаметра или размера по меньшей мере одного основного резца.
Вариант осуществления 20: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 15-19, в котором режущая поверхность по меньшей мере одного заднего дублирующего резца закрыта частью по меньшей мере одной лопасти на примерно от 5 до 50% диаметра или размера по меньшей мере одного резца.
Вариант осуществления 21: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 15-20, в котором по меньшей мере одна лопасть включает несколько основных лопастей, причем на каждой основной лопасти из нескольких основных лопастей имеется по меньшей мере один основной резец и по меньшей мере один задний дублирующий резец.
Вариант осуществления 22: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 15-21, в котором по меньшей мере одна лопасть включает несколько вторичных лопастей, причем на каждой вторичной лопасти из нескольких вторичных лопастей имеется по меньшей мере один основной резец и по меньшей мере один задний дублирующий резец.
Вариант осуществления 23: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 15-22, в котором по меньшей мере один задний дублирующий резец меньше по меньшей мере одного основного резца.
Вариант осуществления 24: Лопастное долото в соответствии с любым из Вариантов 15-23, в котором по меньшей мере один основной резец и по меньшей мере один задний дублирующий резец имеют одинаковый размер.
Вариант осуществления 25: Лопастное долото для роторного бурения, содержащее: корпус долота, имеющий торцевую поверхность и ось; по меньшей мере одну лопасть, имеющую ведущую грань и заднюю грань и проходящую продольно и в радиальном направлении наружу от торцевой поверхности корпуса долота, причем на ведущей грани имеется скос по ее наружной протяженности; ряд основных резцов, включающий по меньшей мере один основной резец, имеющий режущую поверхность, часть которой закрыта частью по меньшей мере одной лопасти, выступающий по меньшей мере частично из лопасти и расположенный так, чтобы проходить траекторию резания при вращении корпуса долота вокруг оси для захвата породы при движении по траектории резания; и ряд дублирующих резцов, включающий по меньшей мере один задний дублирующий резец, имеющий режущую поверхность, часть которой закрыта частью по меньшей мере одной лопасти, выступающую по меньшей мере частично от лопасти, расположенной так, чтобы проходить траекторию резания при вращении корпуса долота вокруг оси для захвата породы при движении по траектории резания.