БУРОВОЕ ДОЛОТО С ФИКСИРОВАННЫМИ РЕЗЦАМИ С ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ФРАГМЕНТОВ КЕРНА
DRILL BIT WITH FIXED CUTTERS WITH ELEMENTS FOR PRODUCING FRAGMENTS OF CORE

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет по заявкам U.S. Provisional Application 61/499,851 зарегистрирована 22 июня 2011 г., и 61/609,527 зарегистрирована 12 марта 2012 г., обе полностью включены в данный документ в виде ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, в общем относятся к устройству и способам для получения фрагментов образцов керна из подземного пласта. Конкретнее, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к буровым долотам с фиксированными резцами для получения фрагментов образцов керна из подземного пласта.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] При бурении скважины вглубь земли, такой как для добычи углеводородов или для других вариантов применения, обычной практикой является соединение бурового долота с нижним концом компоновки звеньев бурильных труб, соединенных концами, для образования "бурильной колонны". Долото вращается с помощью вращения бурильной колонны с поверхности или приведения в действие забойных двигателей или турбин или обеими способами. Благодаря осевой нагрузке, прикладываемой бурильной колонной, вращающееся долото входит в контакт с горной породой пласта, обеспечивая проходку долотом породы пласта с помощью истирания, раскалывания или срезания или комбинации всех способов разрушения породы, при этом, образуется ствол скважины, проходящий по заданной траектории к проектной точке.
[0004] Буровые долота многих различных типов разработаны и находят применение в бурении таких стволов скважин. Двумя преобладающими типами буровых долот являются шарошечные долота с коническими шарошками и долота с фиксированными резцами (или роторные истирающе-режущего действия). Конструкция большинства долот с фиксированными резцами включает в себя множество лопастей, установленных с угловыми интервалами в плоскости торца долота. Лопасти выступают радиально наружу от корпуса долота и образуют между собой каналы потока. Кроме того, режущие элементы, обычно сгруппированы и установлены на несколько лопастей радиальными рядами. Конфигурация или схема расположения режущих элементов на лопастях может изменяться в широких пределах, в зависимости от ряда факторов, таких как обусловленные породой, подлежащей бурению.
[0005] Режущие элементы, расположенные на лопастях долот с фиксированными резцами, обычно выполняют из чрезвычайно твердых материалов. В обычном долоте с фиксированными резцами каждый режущий элемент содержит удлиненный, в общем, цилиндрический опорный штырь из карбида вольфрама, размещенный и закрепленный в гнезде, выполненном в поверхности лопасти. Режущие элементы, в общем, включают в себя твердый режущий слой из поликристаллического алмаза (PCD) или другие суперабразивные материалы, такие как термостабильный алмаз или поликристаллический кубический нитрид бора. Для удобства при использовании в данном документе "долото PDC" и "резцы PDC" относятся к долотам с фиксированными резцами или режущими элементами с использованием твердого режущего слоя из поликристаллического алмаза или других суперабразивных материалов.
[0006] На фиг.1 и 2 показано обычное долото 10 с фиксированными режущими элементами или лопастное долото режуще-истирающего действия, выполненное с возможностью бурения горной породы для образования ствола скважины. Долото 10, в общем, включает в себя корпус 12 долота, хвостовик 13 долота, и деталь резьбового замка или замковый ниппель 14 для соединения долота 10 с бурильной колонной (не показано), используемой для вращения долота для бурения ствола скважины. Торец 20 долота несет вооружение 15 и выполнен на конце долота 10, противоположном концу 16 с замковым ниппелем. Долото 10 имеет центральную осевую линию 11, вокруг которой долото 10 вращается в направлении резания, представленном стрелкой 18.
[0007] Вооружение 15 создано на торце 20 долота 10. Вооружение 15 включает в себя множество установленных с угловыми интервалами основных лопастей 31, 32, 33, и вспомогательных лопастей 34, 35, 36, каждая из которых выступает от торца 20 долота. Основные лопасти 31, 32, 33 и вспомогательные лопасти 34, 35, 36 проходят, в общем, радиально вдоль торца 20 долота и затем аксиально вдоль участка периферии долота 10. При этом, вспомогательные лопасти 34, 35, 36 проходят радиально вдоль торца 20 долота от положения, удаленного от осевой линии 11 долота, к периферии долота 10. Таким образом, в данном документе термин "вспомогательная лопасть" можно использовать для лопасти, которая начинается на некотором расстоянии от осевой линии долота и проходит, в общем, радиально вдоль торца долота к периферии долота. Основные лопасти 31, 32, 33 и вспомогательные лопасти 34, 35, 36 разделены каналами 19 прохода бурового раствора.
[0008] Также, как показано на фиг.1 и 2, каждая основная лопасть 31, 32, 33 включает в себя верх 42 лопасти для установки множества режущих элементов, и каждая вспомогательная лопасть 34, 35, 36 включает в себя верх 52 лопасти для установки множества режущих элементов. В частности, режущие элементы 40, каждый имеющий режущую поверхность 44, установлены в гнезда, выполненные в верхних частях 42, 52 каждой основной лопасти 31, 32, 33 и каждой вспомогательной лопасти 34, 35, 36, соответственно. Режущие элементы 40 выполнены смежно друг с другом в проходящем радиально ряду вблизи ведущей кромки каждой основной лопасти 31, 32, 33 и каждой вспомогательной лопасти 34, 35, 36. Каждая режущая поверхность 44 имеет самую удаленную от осевой линии вершину 44a резца, самую удаленную от верха 42, 52 лопастей, на котором режущий элемент 40 установлен.
[0009] На фиг.3 показан профиль долота 10, получающийся для всех лопастей (например, основных лопастей 31, 32, 33 и вспомогательных лопастей 34, 35, 36) и режущих поверхностей 44 всех режущих элементов 40 при повороте в одну плоскость при вращении. На профиле верхние участки 42, 52 всех лопастей 31-36 долота 10 образуют и определяют комбинированный или сводный профиль 3 лопасти, проходящий радиально от осевой линии 11 долота к наружному радиусу 23 долота 10. Таким образом, при использовании в данном документе, фраза "сводный профиль лопасти" относится к профилю, проходящему от осевой линии долота к наружному радиусу долота, и образованному верхними участками всех лопастей долота, повернутыми в одну плоскость при вращении (т.е. к виду профиля вращения).
[0010] Обычный сводный профиль 39 лопасти (наиболее ясно показан на правой половине долота 10 на фиг.3) можно, в общем, разделить на три зоны, обычно называемые конусообразной зоной 24, выступающей зоной 25 и калибрующей зоной 26. Конусообразная зона 24 представляет собой радиально самую близкую к осевой линии зону долота 10 и сводного профиля 39 лопасти, проходящую, в общем от осевой линии 11 долота до выступающей зоны 25. Как показано на Фиг.3, в большинстве обычных долот с фиксированным режущим элементом конусообразная зона 24 является, в общем, вогнутой. Смежной с конусообразной зоной 24 является выступающая (или имеющая вид направленной кверху кривой) зона 25. В большинстве обычных долот с фиксированным режущим элементом выступающая зона 25 является, в общем, выпуклой. Выступающая радиально наружу смежная с выступающей зоной 25 калибрующая зона 26 проходит параллельно осевой линии 11 долота на наружной радиальной периферии сводного профиля 39 лопасти. Таким образом, сводный профиль 39 лопасти обычного долота 10 включает в себя одну вогнутую конусообразную зону 24, и одну выпуклую выступающую зону 25.
[0011] Аксиально самая нижняя точка выпуклой выступающей зоны 25 и сводного профиля 39 лопасти образуют нос 27 профиля лопасти. На носу 27 профиля лопасти угол наклона касательной 27a к выпуклой выступающей зоне 25 и сводному профилю 39 лопасти равен нулю. Таким образом, при использовании в данном документе термин "нос профиля лопасти" относится к точке на выпуклой зоне сводного профиля лопасти долота на виде при повороте в одну плоскость, в которой угол наклона касательной к сводному профилю лопасти равен нулю. Для большинства обычных долот с фиксированными резцами (например, долота 10) сводный профиль лопасти включает в себя только одну выпуклую выступающую зону (например, выпуклую выступающую зону 25), и только один нос профиля лопасти (например, нос 27). Как показано на фиг.1-3, режущие элементы 40 расположены рядами вдоль лопастей 31-36 и установлены вдоль торца 20 долота в зонах, описанных выше как конусообразная зона 24, выступающая зона 25 и калибрующая зона 26 сводного профиля 39 лопасти. В частности, режущие элементы 40 установлены на лопасти 31-36 в заданных положениях радиально дистанцированных относительно центральной осевой линии 11 долота 10.
[0012] Для бурения более твердых пород механизм бурения меняется с режущего на режуще-истирающий. Для бурения с режуще-истирающим действием предпочтительными являются долота имеющие фиксированные абразивные элементы. Хотя долота PDC известны своей эффективностью для бурения некоторых пород, обнаружено, что их эффективность меньше в твердых весьма абразивных породах, таких как песчаник. Для данных твердых пород эффективным является вооружение, которое содержит твердые частицы алмаза, или твердые спекшиеся частицы алмаза, импрегнированные в несущую матрицу. В приведенном ниже рассмотрении, компоненты данного типа именуются "импрегнированными алмазами".
[13] Импрегнированные алмазами буровые долота обычно используют для бурения стволов скважин в пластах высокотвердых или абразивных горных пород. Режущая поверхность таких долот содержит в себе природные или синтетические алмазы, распределенные в несущем материале (например, композиты с металлической матрицей) для образования абразивного слоя. Во время работы бурового долота алмазы в абразивном слое постепенно обнажаются при стирании несущего материала. Непрерывный процесс обнажения новых алмазов, благодаря стиранию несущего материала на режущей поверхности, является фундаментальным принципом функционирования для импрегнированных буровых долот
[0014] Пример импрегнированного алмазами бурового долота известной техники показан на фиг.4. Импрегнированное долото 70 включает в себя корпус 72 долота и совокупность ребер 74, которые выполнены в корпусе 72 долота. Ребра 74 могут проходить от центра корпуса долота радиально наружу к наружному диаметру корпуса 72 долота, и затем аксиально вниз, для образования диаметра (или калибра) импрегнированного долота 70. Ребра 74 разделены каналами 76, которые обеспечивают буровому раствору проход между ребрами и как очистку, так и охлаждение ребер 74. Ребра 74 обычно располагаются группами 79 где канавка 78 между группами 79 обычно выполняется с помощью удаления или пропуска, по меньшей мере участка ребра 74. Канавки 78, которые можно называть "каналами прохода текучей среды", установлены для создания дополнительных каналов подачи бурового раствора и для создания прохода выбуренной породы вдоль бурового долота 70 к наземному оборудованию скважины (не показано).
[0015] На фиг.5 показан пример импрегнированного долота 80 известной техники согласно U.S. Patent No. 6394202, который выдан патентообладателю настоящего изобретения и включен в виде ссылки. На фиг.5 импрегнированное долото 80 содержит хвостовик 82 и коронку 84. Хвостовик 82 обычно выполнен из стали и включает в себя замковый ниппель 86 с резьбой для прикрепления к бурильной колонне. Коронка 84 имеет режущую поверхность 88 и наружную боковую поверхность 89. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления коронка 84 выполняется с помощью инфильтрации массы порошка карбида вольфрама, импрегнированной синтетическими или природными алмазами.
[0016] Коронка 84 может включать в себя различные элементы поверхности, такие как поднятые ребра 74. Предпочтительно, оправки включаются в конструкцию во время изготовления, так что коронка с инфильтрованными импрегнированными алмазами включает в себя множество отверстий или гнезд 85, выполняемых с размерами и формой для приема соответствующей совокупности импрегнированных алмазами штырей 83. Когда коронка 84 отформована, штыри 83 устанавливают в гнезда 85 и крепят любым подходящим способом, таким как пайка, клеевое соединение, механическим средством, таким как посадка с натягом, или т.п. Как показано на фиг.5, гнезда 85 могут располагаться по существу перпендикулярно к поверхности коронки 84. Альтернативно, и как показано на фиг.5, каждое гнездо 85 может по существу располагаться перпендикулярно поверхности коронки 84. В данном варианте осуществления гнезда 85 наклонены так, что штыри 83 ориентируются по существу в направлении вращения долота, для улучшения породоразрушения.
[0017] На фиг.6 показан пример сечения ребра импрегнированного бурового долота известной техники. Ребро 74 имеет профиль 90, определяющий его общую форму/геометрию с возможным разделением на различные сегменты: зона 92 воронки (вынутая центральные площадь), торцевая зона 94 (ведущая режущая кромка профиля), зона 96 наружной кромки (начало наружного диаметра долота), переходная зона 98 (переход между наружной кромкой и вертикальным калибром), и калибрующая зона 99 (вертикальная зона, определяющая наружный диаметр долота). Основной породоразрушающий участок ребра 74 включает в себя зону 92 воронки, торцевую зону 94 и зону 96 наружной кромки, а калибрующая зона 99 в основном предназначена для поддержания диаметра ствола.
[0018] Вне зависимости от типа долота стоимость бурения ствола скважины является пропорциональной времени, затраченному на бурение ствола скважины до нужной глубины и в проектное место. На время бурения, в свою очередь, в значительной степени влияет число замен бурового долота для достижения проектного пласта. Причина состоит в том, что каждый раз, когда долото меняют, всю бурильную колонну, которая может иметь длину несколько миль (1 миля = 1,6 км), приходится извлекать из ствола скважины свечу за свечой. После извлечения бурильной колонны и установки нового долота, долото должно спускаться на забой ствола скважины на бурильной колонне, которую вновь приходится собирать из трубных свечей. Данный процесс, известный как "рейс" бурильной колонны, требует значительного времени, затрат труда и расходов. Соответственно, всегда требуется использовать буровые долота, которые должны бурить быстрее и работать дольше, применимые в более широком диапазоне пластов с отличающейся твердостью и в различных вариантах.
[0019] Продолжительность времени использования бурового долота до его замены зависит от его скорости проходки, а также его долговечности или способности поддерживать высокую или приемлемую скорость проходки. Конкретно, скорость проходки является скоростью, с которой буровое долото проходит через данный подземный пласт. Скорость проходки обычно измеряют в футах (0,3 м) в час. Продолжаются усилия по оптимизации конструкции буровых долот для ускорения бурения конкретных пластов для уменьшения затрат на бурение, на которые значительно влияет скорость проходки.
[0020] Когда требуемый пласт вскрывается в стволе скважины, образец керна пласта можно извлекать для проведения анализа. Обычно, пустотелое керновое буровое долото применяют для получения образца керна из пласта. Когда образец керна поднят из ствола скважины на поверхность, образец можно использовать для проведения анализов и испытаний, например, проницаемости, пористости, состава или других геологических свойств пласта.
[0021] Вне зависимости от типа бурового долота, применяемого для бурения пласта, обычные способы отбора керна требуют извлечения бурильной колонны из ствола скважины, замены бурового долота керновым буровым долотом, и спуска кернового бурового долота в ствол скважины на бурильной колонне для отбора образца керна, который затем поднимается по стволу скважины на поверхность для анализа. То есть, обычные способы отбора керна требуют выполнения рейса бурильной колонны в скважину и таким образом требуют значительного времени, усилий и затрат.
[0022] Соответственно, требуется создание бурового долота с фиксированными резцами, обеспечивающего извлечение фрагментов образцов керна из пласта во время бурения, таким образом исключающего выполнение рейса бурильной колонны в скважину и уменьшающего стоимость отбора керна. Дополнительно, от такого бурового долота с фиксированными резцами требуется поддержание приемлемых скоростей проходки в течение приемлемого времени и предотвращение блокирования прохода через долото при подъеме фрагментов образцов керна на поверхность для анализа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0023] В одном аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к буровому долоту для получения фрагментов образцов керна из подземного пласта, которое включает в себя: корпус долота, имеющий центральную осевую линию долота и торец долота; совокупность лопастей, проходящих радиально вдоль торца долота и разделенных совокупностью каналов прохода потока между собой, при этом, одна из совокупности лопастей является лопастью отбора керна, включающей в себя по существу вертикальную поверхность и наклонную поверхность, при этом по существу вертикальная поверхность и наклонная поверхность интегрально соединяются; и совокупность режущих элементов, расположенных на совокупности лопастей, при этом один из совокупности режущих элементов является первым режущим элементом, расположенным на лопасти отбора керна на первой радиальной позиции от центральной осевой линии долота.
[0024] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к буровому долоту для получения фрагментов образцов керна из подземного пласта, которое включает в себя: корпус долота, имеющий центральную осевую линию долота и торец долота; совокупность лопастей, проходящих радиально вдоль торца долота и разделенных совокупностью каналов прохода потока между собой, при этом одна из совокупности лопастей является лопастью отбора керна, при этом один из совокупности каналов прохода потока является желобом для удаления керна, установленным поперек центральной осевой линии долота относительно лопасти отбора керна; и совокупность режущих элементов, расположенных на совокупности лопастей, при этом один из совокупности режущих элементов является первым режущим элементом, расположенным на лопасти отбора керна на первой радиальной позиции от центральной осевой линии долота, при этом первый режущий элемент является коническим режущим элементом, встроенным в лопасть отбора керна так, что вершина конического режущего элемента ориентируется к центральной осевой линии долота, при этом опорная поверхность расположена между лопастью отбора керна и желобом для удаления керна и интегрально соединяет лопасть отбора керна с желобом для удаления керна, при этом конический штырь располагается вблизи центральной осевой линии долота на опорной поверхности, и при этом конический штырь является встроенным в корпус долота так, что вершина конического штыря устанавливается аксиально над первой радиальной позицией первого режущего элемента.
[0025] В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу получения фрагментов образцов керна из подземного пласта, который включает в себя: скрепление бурового долота с нижним концом бурильной колонны; вращение бурильной колонны, обеспечивающее проходку буровым долотом пласта с разрушением породы, создающего ствол скважины; использование первого режущего элемента бурового долота для формирования фрагмента образца керна вблизи центральной осевой линии бурового долота во время вращения бурильной колонны, при этом фрагмент образца керна имеет ширину, определяемую первой радиальной позицией первого режущего элемента; использование наклонной поверхности лопасти отбора керна для приложения поперечной нагрузки на боковую поверхность фрагмента образца керна для обеспечения отрыва фрагмента образца керна от пласта после достижения некоторой длины фрагмента образца керна; перемещение фрагмента образца керна в желоб удаления керна бурового долота; и транспортировку фрагмента образца керна из желоба для удаления керна на поверхность через кольцевое пространство, образованное между стволом скважины и бурильной колонной.
[0026] В еще одном аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к способу получения фрагмента образца керна из подземного пласта, который включает в себя: скрепление бурового долота с нижним концом бурильной колонны; вращение бурильной колонны, обеспечивающее проходку буровым долотом пласта с разрушением породы, создающего ствол скважины; использование конического режущего элемента, встроенного в лопасть отбора керна бурового долота для врубки породы, когда фрагмент образца керна формируется вблизи центральной осевой линии бурового долота во время вращения бурильной колонны, при этом фрагмент образца керна имеет ширину, определяемую первой радиальной позицией конического режущего элемента, встроенного в лопасть отбора керна; использование конического режущего элемента, встроенного в лопасть отбора керна для ослабления фрагмента образца керна для обеспечения отрыва фрагмента образца керна от пласта после достижения некоторой длины фрагмента образца керна; в случае если конический режущий элемент, встроенный в лопасть отбора керна, не может оторвать фрагмент образца керна от пласта, использование конического штыря, расположенного вблизи центральной осевой линии бурового долота для приложения осевой нагрузки на конец фрагмента образца керна для отрыва фрагмента образца керна от пласта после достижения некоторой длины фрагмента образца керна, при этом конический штырь расположенный вблизи центральной осевой линии бурового долота, является встроенным в корпус долота так, что вершина конического штыря устанавливается аксиально над первой радиальной позицией конического режущего элемента, встроенного в лопасть отбора керна; перемещение фрагмента образца керна в желоб удаления керна бурового долота; и транспортировку фрагмента образца керна из желоба для удаления керна на поверхность пласта через кольцевое пространство, образованное между стволом скважины и бурильной колонной.
[0027] Другие аспекты и преимущества изобретения должны стать ясны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0028] На фиг.1 показано в перспективе буровое долото PDC известной техники.
[0029] На фиг.2 показан вид сверху бурового долота PDC известной техники.
[0030] На фиг.3 показано сечение бурового долота PDC известной техники.
[0031] На фиг.4 показан вид сверху импрегнированного бурового долота известной техники.
[0032] На фиг.5 показано в перспективе импрегнированное буровое долото известной техники.
[0033] На фиг.6 показано сечение ребра импрегнированного бурового долота известной техники.
[0034] На фиг.7 показано в перспективе буровое долото с фрагментом образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0035] На фиг.8 показан другой вид в перспективе бурового долота с фрагментом образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0036] На фиг.9 показан вид сверху бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0037] На фиг.10 показан вид сверху бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0038] На фиг.11 показана в перспективе часть бурового долота с фрагментами образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0039] На фиг.12 показана в перспективе часть бурового долота без фрагментов образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0040] На фиг.13 показана часть разобранного бурового долота фиг.12 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0041] На фиг.14 показана другая часть разобранного бурового долота фиг.12 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0042] На фиг.15 показано сечение бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0043] На фиг.16 показано сечение бурового долота фиг.15 с фрагментом образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0044] На фиг.17 показан график процентного изменения скорости проходки бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0045] На фиг.18 показан график сравнения нормальной силы на буровом долоте согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0046] На фиг.19 показана в перспективе часть бурового долота с фрагментами образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0047] На фиг.20 показана в перспективе часть бурового долота фиг.19 без фрагментов образцов керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0048] На фиг.21 показана часть разобранного бурового долота фиг.20 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0049] На фиг.22 показана другая часть разобранного бурового долота фиг.20 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0050] На фиг.23 показано сечение бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0051] На фиг.24 показано в перспективе сечение бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0052] На фиг.25 показано сечение бурового долота фиг.23 с фрагментом образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0053] На фиг.26A-C показаны различные конические штыри или конические режущие элементы согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0054] На фиг.27 показан вариант осуществления конического штыря или конического режущего элемента согласно настоящему изобретению.
[0055] На фиг.28A-C показаны различные конические штыри или конические режущие элементы согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0056] На фиг.29 показан вариант осуществления конического штыря или конического режущего элемента согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0057] На фиг.30 показан режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[0058] Варианты осуществления настоящего изобретения описаны ниже и показаны на фигурах. в одном аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к устройству и способам для получения фрагментов образцов керна из подземного пласта. В частности, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к буровым долотам с фиксированными резцами для получения фрагментов образцов керна из подземного пласта.
[0059] На фиг.7 и 8 показаны перспективы бурового долота с фрагментом образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, буровое долото является долотом 700 типа PDC, которое включает в себя корпус 701 долота, торец 703 долота, хвостовик 705, и замковый ниппель 707. Замковый ниппель 707 используется для скрепления долота 700 типа PDC с нижним концом бурильной колонны (не показано). Долото 700 типа PDC дополнительно включает в себя центральную осевую линию 709 долота вокруг которой долото 700 типа PDC вращается в направлении резания, показанном стрелкой 711. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения торец 703 долота проходит через центральную осевую линию 709 долота и плавно переходит в площадь каналов 719 прохода потока и промежутка между ними, как подробно описано ниже.
[0060] Когда долото 700 типа PDC скрепляется с бурильной колонной, вращение бурильной колонны обуславливает вращение долота 700 типа PDC и проходку с разрушением породы через подземный пласт с использованием множества режущих элементов 713, как подробно описано ниже. При проходке с разрушением породы долота 700 типа PDC через подземный пласт образуется, ствол скважины.
[0061] Как показано на фиг.7 и 8, торец 703 долота 700 типа PDC несет совокупность лопастей 715. Совокупность лопастей 715 выполнена на конце долота 700 типа PDC противоположном замковому ниппелю 707. Как показано, совокупность лопастей 715 проходит радиально вдоль торца 703 долота и затем аксиально вдоль участка периферии долота 700 типа PDC. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения одна из совокупности лопастей является лопастью 717 отбора керна, которая описана подробно ниже. Совокупность лопастей 715 разделяет совокупность каналов 719 прохода потока, которые обеспечивают проход потока бурового раствора между совокупностью лопастей 715 и как их очистку, так и охлаждение во время бурения. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения один из совокупности каналов 719 прохода потока является желобом 721 для удаления керна, который описан подробно ниже.
[0062] Как дополнительно показано на фиг.7 и 8, каждая из совокупности лопастей 715 включает в себя совокупность режущих элементов, 713 расположенных на ней. Как показано, в совокупности режущие элементы 713 расположены смежно друг с другом в радиально проходящем ряду вблизи передней кромки каждой из совокупности лопастей 715. Совокупность режущих элементов 713 может иметь по существу плоскую режущую поверхность для получения породоразрушения резанием во время бурения пласта. В других вариантах осуществления любой один из совокупности режущих элементов 713 может являться вращающимся режущим элементом, таким как элементы, раскрытые в U.S. Patent No. 7703559, U.S. Patent Publication No. 2010/0219001, и U.S. Patent Application Nos. 13/152626, 61/479151, и 61/479183, все выданы настоящему патентообладателю и в данный документ полностью включены в виде ссылки. В других вариантах осуществления любой один из совокупности режущих элементов 713 может являться "коническим режущим элементом", таким как элемент, описанный в U.S. Patent Application Nos. 61/441,319, 13/370734, 61/499851, 13/370862, и 61/609527, все выданы настоящему патентообладателю и в данный документ полностью включены в виде ссылки. Конические режущие элементы также описаны подробно ниже.
[0063] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения один из совокупности режущих элементов 713 является первым резцом (или первым режущим элементом) 723, расположенным на лопасти 717 отбора керна. Как описано подробно ниже, первый резец 723 и лопасть 717 отбора керна работают для формирования и отрыва фрагмента 725 образца керна, показаны на фиг.7 и 8.
[0064] Как дополнительно показано на фиг.7 и 8, долото 700 типа PDC включает в себя конический штырь 727, встроенный в корпус 701 долота и расположенный на или вблизи центральной осевой линии 709 долота. Как описано подробно ниже, конический штырь 727 работает с лопастью 717 отбора керна, обуславливая отрыв фрагмента 725 образца керна от пласта во время бурения.
[0065] На фиг.9 показан вид сверху бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно, на фиг.9 показан вид сверху долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Фрагмент 725 образца керна не показан на фиг.9 для создания не закрытого вида сверху структуры долота 700 типа PDC. На фиг.9 показан торец 703 долота, совокупность режущих элементов 713, совокупность лопастей 715, и совокупность каналов 719 прохода потока, которые по отдельности описаны выше. На фиг.9 дополнительно показана лопасть 717 отбора керна, желоб 721 для удаления керна, первый резец 723 и конический штырь 727, которые по отдельности описаны ниже.
[0066] На фиг.10 показан вид сверху бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно на фиг.10 показан вид сверху долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Фиг.10 является аналогичной фиг.9 за исключением того, что показан участок 1000 перемычки согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Для ясности некоторые элементы на фиг.10, которые перекрывают показанные на фиг.9, исключены.
[0067] Как показано на фиг.10, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения участок 1000 перемычки соединяет вместе центрально расположенные смежные концевые участки по меньшей мере двух из совокупности лопастей 715. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения участок 1000 перемычки соединяет вместе центрально расположенный концевой участок лопасти 717 отбора керна со смежным центрально расположенным концевым участком по меньшей мере одной из совокупности лопастей 715. Соединение, созданное участком 1000 перемычки, может связывать центрально расположенные смежные концевые участки по меньшей мере двух из совокупности лопастей 715 в интегральную деталь. В некоторых вариантах осуществления участок 1000 перемычки может связывать лопасть 717 отбора керна и одну из совокупности лопастей 715, которая не является не лопастью 717 отбора керна, или участок 1000 перемычки может связывать по меньшей мере две из совокупности лопастей 715, которые не являются лопастью 717 отбора керна.
[0068] Как показано на фиг.7-10, при вращении долота 700 типа PDC в пласте, долото 700 типа PDC работает, создавая ствол скважины благодаря действию совокупности режущих элементов 713, и одновременно работает, создавая фрагмент 725 образца керна благодаря действию первого резца 723 лопасти 717 отбора керна. Когда фрагмент 725 образца керна образуется во время бурения, гидравлическая схема долота на торце 703 долота и между совокупностью каналов 719 прохода потока помогает передавать вновь образованный фрагмент 725 образца керна к желобу 721 для удаления керна в долоте 700 типа PDC.
[0069] Как показано на фиг.10, когда применяется участок 1000 перемычки, описанный выше согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения механическая структура участка 1000 перемычки создает границу, и вместе с гидравлической схемой долота, помогает направлять вновь образованный фрагмент 725 образца керна к желобу 721 для удаления керна в долоте 700 типа PDC.
[0070] На фиг.11 показана в перспективе часть бурового долота с фрагментами 725 образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно на фиг.11 показана в перспективе часть долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг.12 показана в перспективе часть долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения аналогичная показанной на фиг.11 без фрагментов 725 образцов керна для показа в перспективе не закрытой части структуры долота 700 типа PDC.
[0071] На фиг.12 показана совокупность режущих элементов 713, совокупность лопастей 715 и совокупность каналов 719 прохода потока, которые описаны выше. На фиг.12 дополнительно показана лопасть 717 отбора керна, желоб 721 для удаления керна, первый резец 723 и конический штырь 727, которые по отдельности описаны ниже.
[0072] Как показано на фиг.12, лопасть 717 отбора керна является одной из совокупности лопастей 715 долота 700 типа PDC. На фиг.13-14 показаны части разобранного долота 700 типа PDC фиг.12 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно на фиг.13-14 внимание концентрируется на лопасти 717 отбора керна. Как показано, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения лопасть 717 отбора керна имеет совокупность режущих элементов 713, расположенных на ней. Один из совокупности режущих элементов 713 является первым резцом 723. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 723 располагается на лопасти 717 отбора керна на первой радиальной позиции R1 от центральной осевой линии 709 долота. Первая радиальная позиция R1 определяется с помощью поворота всех режущих элементов 713 в одну плоскость при вращении для получения профиля режущего инструмента. Режущий элемент 713 расположенный самым близким к центральной осевой линии 709 долота, т.е. на первой радиальной позиции R1, является первым резцом 723.
[0073] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первая радиальная позиция R1 расположена на некотором расстоянии от центральной осевой линии 709 долота для обеспечения создания фрагмента 725 образца керна. Как пример без ограничения, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первая радиальная позиция R1 дистанцируется от центральной осевой линии 709 долота на расстояние, составляющее 0,25 диаметра долота 700 типа PDC. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первая радиальная позиция R1 может дистанцироваться от центральной осевой линии 709 долота на расстояние с величиной в диапазоне от 0,05 диаметра долота 700 типа PDC до 0,25 диаметра долота 700 типа PDC. Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения первая радиальная позиция R1 может дистанцироваться от центральной осевой линии 709 долота на расстояние с любой величиной в диапазоне с нижним пределом 0,05, 0,075, 0,1, 0,125 или 0,15 диаметра долота 700 типа PDC и верхним пределом 0,075, 0,1, 0,125, 0,15, 0,175, 0,2, 0,225 или 0,25 диаметра долота PDC 70, где любой нижний предел можно использовать в комбинации с любым верхним пределом. Как понятно специалисту в данной области техники, первая радиальная позиция R1 может располагаться на других расстояниях от центральной осевой линии 709 долота в зависимости от требуемого диаметра фрагмента 725 образца керна без отхода от объема настоящего изобретения.
[0074] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 723 лопасти 717 отбора керна используется для формирования фрагмента 725 образца керна на или вблизи центральной осевой линии 709 долота во время бурения ствола скважины. Конкретно, первый резец 723 вырезает фрагмент 725 образца керна из пласта, когда долото 700 типа PDC вращается вокруг центральной осевой линии 709 долота во время бурения ствола скважины. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 723 может иметь по существу плоскую режущую поверхность. В других вариантах осуществления первый резец 723 может являться коническим режущим элементом, который описан подробно ниже. Место первой радиальной позиции R1, на которой первый резец 723 расположен, определяет получающуюся в результате ширину или диаметр фрагмента 725 образца керна. Например, если первая радиальная позиция R1 расположена на расстоянии от центральной осевой линии 709 долота, составляющем 0,25 диаметра долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 723, расположенный на первой радиальной позиции R1 должен образовывать фрагмент 725 образца керна с радиусом, составляющим 0,25 диаметра долота PDC 70, и шириной или диаметром, составляющим 0,5 диаметра долота 700 типа PDC. Чем дальше расположена первая радиальная позиция R1 от центральной осевой линии 709 долота, тем больше ширина получающегося в результате фрагмента 725 образца керна. Аналогично, чем ближе первая радиальная позиция R1 расположена к центральной осевой линии 709 долота, тем меньше ширина получающегося в результате фрагмента 725 образца керна. Соответственно, как понятно специалисту в данной области техники, первая радиальная позиция R1 может располагаться на различных расстояниях от центральной осевой линии 709 долота для создания фрагментов 725 образцов керна различной ширины без отхода от объема настоящего изобретения.
[0075] Как дополнительно показано на фиг.13-14, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения лопасть 717 отбора керна может включать в себя по существу вертикальную поверхность 1301, откидку 1303, и наклонную поверхность 1305. Наклонная поверхность 1305 располагается аксиально над верхом лопасти и аксиально ниже торца 703 долота, который проходит через центральную осевую линию 709 долота. В некоторых вариантах осуществления торец 703 долота может иметь штырь, вставленный в отверстие в торце, которое может располагаться на или вблизи центральной осевой линии 709 долота. Как показано, откидка 1303 может располагаться между по существу вертикальной поверхностью 1301 и наклонной поверхностью 1305. Откидка 1303 функционирует, разгружая и защищая по существу вертикальную поверхность 1301 от преждевременного износа. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения по существу вертикальная поверхность 1301, откидка 1303 и наклонная поверхность 1305 интегрально соединены для образования непрерывной детали, и ориентированы обращенными к центральной осевой линии 709 долота 700 типа PDC.
[0076] Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения лопасть 717 отбора керна может выполняться в конфигурации без откидки 1303. Согласно данным другим вариантам осуществления по существу вертикальная поверхность 1301 и наклонная поверхность 1305 интегрально соединяются для создания непрерывной детали, и ориентируются обращенными к центральной осевой линии 709 долота 700 типа PDC. Дополнительно, согласно данным другим вариантам осуществления по существу вертикальная поверхность 1301 и наклонная поверхность 1305 пересекаются в точке, расположенной аксиально над первым резцом 723 лопасти 717 отбора керна.
[0077] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения по существу вертикальная поверхность 1301 может являться по существу параллельной центральной осевой линии 709 долота 700 типа PDC. То есть, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения по существу вертикальная поверхность 1301 может являться ориентированной так, что по существу вертикальная поверхность 1301 образует угол в диапазоне от 0 до 5 градусов в любом направлении с линией параллельной центральной осевой линии 709 долота 700 типа PDC. Как лучше показано на фиг.16 и дополнительно описано ниже, уклон наклонной поверхности 1305 помогает определению длины получающегося в результате фрагмента 725 образца керна. Например, чем более пологим является уклон (т.е. чем больше угол, образованный с центральной осевой линией 709 долота) наклонной поверхности 1305, тем больше длина получающегося в результате фрагмента 725 образца керна. Аналогично, чем круче уклон (т.е. чем меньше угол, образованный с центральной осевой линией 709 долота) наклонной поверхности 1305, тем меньше длина получающегося в результате фрагмента 725 образца керна. Как понятно специалисту в данной области техники, в дополнение к уклону наклонной поверхности 1305, высота лопасти 717 отбора керна также помогает определению длины получающегося в результате фрагмента 725 образца керна. Например, чем выше лопасть 717 отбора керна, тем больше длина получающегося в результате фрагмента 725 образца керна. Аналогично, чем короче лопасть 717 отбора керна, тем меньше длина получающегося в результате фрагмента 725 образца керна. Соответственно, как понятно специалисту в данной области техники, наклонная поверхность 1305 может образовывать различные углы наклона с центральной осевой линией 709 долота, и лопасть 717 отбора керна может иметь различные высоты для создания фрагментов 725 образцов керна различной длины без отхода от объема настоящего изобретения. В конкретном варианте осуществления наклонная поверхность 1305 может располагаться так, что аксиальная точка, в которой наклонная поверхность 1305 имеет радиальное дистанцирование одинаковое с радиальной позицией первого резца 723 и может иметь нижний предел любой величины, по меньшей мере 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 или 0,5 диаметра долота, и верхний предел любой величины, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6 или 0,75 диаметра долота, при этом, любой нижний предел можно использовать в комбинации с любым верхним пределом.
[0078] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения наклонная поверхность 1305 образует угол в диапазоне от 15 градусов до 20 градусов с центральной осевой линией 709 долота. Вместе с тем, учитывая изложенное выше, данный диапазон углов в общем не является ограничивающим, и наклонная поверхность 1305 может образовывать различные углы наклона с центральной осевой линией 709 долота. Например, в одном или нескольких вариантах осуществления наклонная поверхность 1305 может иметь нижний предел любой величины, около 5, 10, 15, 20 или 25 градусов и верхний предел любой величины, 15, 20, 25, 30, 35 или 45 градусов. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения наклонная поверхность 1305 может образовывать любой угол с центральной осевой линией 709 долота, что обеспечивает передачу наклонной поверхностью 1305 поперечной нагрузки на боковую поверхность фрагмента 725 образца керна, достаточной для обеспечения отрыва фрагмента 725 образца керна от пласта после достижения фрагментом 725 образца керна требуемой длины. Функции наклонной поверхности 1305 описаны дополнительно ниже и показаны на фиг.16.
[0079] Как также показано на фиг.13-14, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения откидка 1303 может располагаться между по существу вертикальной поверхностью 1301 и наклонной поверхностью 1305. Откидка 1303 функционирует, разгружая и защищая по существу вертикальную поверхность 1301 от преждевременного износа. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения расположение откидки 1303 между по существу вертикальной поверхностью 1301 и наклонной поверхностью 1305 определяется требуемым соотношением длины к ширине получающегося фрагмента 725 образца керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения соотношение длины фрагмента 725 образца керна к ширине фрагмента 725 образца керна может являться больше или равным единице. По существу, расположение откидки 1303 определяется высотой лопасти 717 отбора керна, уклоном наклонной поверхности 1305 и местом первой радиальной позиции R1 относительно центральной осевой линии 709 долота, как описано выше.
[0080] Как показано на фиг.13, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения по существу вертикальная поверхность 1301 может иметь стойкую к истиранию поверхность 1307 низкого трения вследствие нагрузки или нагрузок которые передаются и прикладываются на по существу вертикальную поверхность 1301 во время бурения. Использование стойкой к истиранию поверхности 1307 низкого трения может обеспечивать защиту от истирания для по существу вертикальной поверхности 1301, увеличивающую срок службы долота 700 типа PDC. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения использование стойкой к истиранию поверхности 1307 низкого трения на по существу вертикальной поверхности 1301 может также обеспечивать дополнительное породоразрушающее действие во время формирования фрагмента 725 образца керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения стойкая к истиранию поверхность 1307 низкого трения может либо являться интегральной с по существу вертикальной поверхностью 1301, или может создаваться из одной или нескольких не интегральных деталей, таких как треугольники, показанные на фиг.13, например. Хотя не интегральные детали треугольной формы показаны на фиг.13, специалист в данной области техники должен понимать, что один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения не ограничиваются деталями конкретной формы. Действительно, квадраты, круги, овалы, ромбы, диски, клинья или любую другую форму, обеспечивающую защиту от истирания по существу вертикальной поверхности 1301, можно использовать.
[0081] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения стойкая к истиранию поверхность 1307 низкого трения является интегральной с по существу вертикальной поверхностью 1301 и выполняется во время изготовления лопасти 717 отбора керна долота 700 типа PDC. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения материалом, используемым для стойкой к истиранию поверхности 1307 низкого трения может являться либо теплоустойчивый поликристаллический алмаз, природный алмаз или теплоустойчивый стойкий к истиранию материал любого другого типа. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения материал, используемый для стойкой к истиранию поверхности 1307 низкого трения является теплоустойчивым поликристаллическим алмазом.
[0082] Как показано на фиг.14, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения наклонная поверхность 1305 может иметь стойкую к истиранию поверхность 1307 низкого трения вследствие нагрузки или нагрузок, которые передаются и прикладываются на наклонную поверхность 1305 во время бурения. Использование стойкой к истиранию поверхности 1307 низкого трения обеспечивает защиту от истирания для наклонной поверхности 1305, гарантируя долговечность по критерию износа, таким образом увеличивается срок службы долота 700 типа PDC. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения стойкая к истиранию поверхность 1307 низкого трения может либо являться интегральной с наклонную поверхность 1305, или может создаваться из одной или нескольких не интегральных деталей, таких как диски, показанные на фиг.14, например. Хотя не интегральные детали в форме диска показаны на фиг.14, специалист в данной области техники должен понимать, что один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения не ограничиваются деталями конкретной формы. Действительно, треугольники, квадраты, круги, овалы, ромбы, клинья или любую другую форму, обеспечивающую защиту от истирания наклонной поверхности 1305, можно использовать.
[0083] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения стойкая к истиранию поверхность 1307 низкого трения является интегральной с наклонной поверхностью 1305 и выполняется во время изготовления лопасти 717 отбора керна долота 700 типа PDC. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения материал, используемый для стойкой к истиранию поверхности 1307 низкого трения, может являться либо теплоустойчивым поликристаллическим алмазом, природным алмазом, или теплоустойчивым стойким к истиранию материалом любого другого типа. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения материалом, используемым для стойкой к истиранию поверхности 1307 низкого трения, является теплоустойчивый поликристаллический алмаз.
[0084] На фиг.13-14 также показан конический штырь 727, расположенный на или вблизи центральной осевой линии 709 долота. При использовании в данном документе, "вблизи" относительно центральной осевой линии 709 долота означает либо на центральной осевой линии 709 долота или между центральной осевой линией 709 долота и первым радиальной позицией R1. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 727 является встроенным в корпус 701 долота так, что вершина конического штыря 727 устанавливается аксиально над откидкой 1303 лопасти 717 отбора керна. Конический штырь 727 описан подробно ниже и показан на фиг.15.
[0085] На фиг.15 показано сечение бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно, на фиг.15 показано сечение долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, конический штырь 727 располагается на или вблизи центральной осевой линии 709 долота на опорной поверхности 1500 корпуса 701 долота. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения опорная поверхность 1500 располагается между лопастью 717 отбора керна и желобом 721 для удаления керна из долота 700 типа PDC. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения опорная поверхность 1500 интегрально соединяет лопасть 717 отбора керна с желобом 721 для удаления керна в непрерывную деталь. Дополнительно, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения опорная поверхность 1500 имеет уклон меньше 5 градусов, меньше 3 или 2 градусов в других вариантах осуществления или может даже иметь нулевой уклон относительно центральной осевой линии 709 долота.
[0086] Как также показано на фиг.15, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 727 является встроенным в корпус 701 долота, так что вершина конического штыря 727 устанавливается аксиально над откидкой 1303 лопасти 717 отбора керна. При использовании в данном документе, "конический штырь" относится к режущему элементу, имеющему в общем конический режущий конец (включающий в себя либо прямой конус или косой конус), который заканчивается закругленной вершиной. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения вершина конического штыря 727 может иметь кривизну между боковыми поверхностями конического штыря 727 и вершиной. Структура конического штыря 727 может обеспечивать резание получающегося в результате фрагмента 725 с помощью разрушения при сжатии или выдалбливания.
[0087] Как показано, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 727 может являться прочным режущим элементом в общем выполненным в конфигурации конуса. Вместе с тем, форма конического штыря 727 в общем не является ограничивающей, и конический штырь 727 может выполняться в конфигурации отличающейся от конуса. Как понятно специалисту в данной области техники, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 727 может иметь любую форму, действующую отрывая фрагмент 725 образца керна, входящий с ней в контакт.
[0088] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 727 может выполняться, как интегральный элемент корпуса 701 долота, или как не интегральный штырь, изготовленный из суперабразивного материала. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 727 является не интегральным штырем, который включает в себя опорный штырь (например, опорный штырь из цементированного карбида вольфрама), который стыкуется с алмазным слоем, изготовленным из суперабразивного материала, который может включать в себя, например, поликристаллический алмаз, поликристаллический кубический нитрид бора (КНБ), или теплоустойчивый поликристаллический алмаз. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения алмазный слой образует коническую алмазную рабочую поверхность конического штыря 727, и опорный штырь образует основание конического штыря 727. Без отхода от объема настоящего изобретения можно применять дополнительные формы, структуры, композиции и размеры конического штыря 727, так как описано для "конических режущих элементов" в U.S. Provisional Application No. 61/609,527, в данном документе полностью включено в виде ссылки.
[0089] Также на фиг.15 показан желоб 721 для удаления керна, установленный непосредственно поперек центральной осевой линии 709 долота относительно лопасти 717 отбора керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения профиль желоба 721 для удаления керна заглублен в корпус 701 долота 700 типа PDC. Как понятно специалисту в данной области техники, величина заглубления желоба 721 для удаления керна в корпус 701 долота может изменяться без отхода от объема настоящего изобретения. Например, как ясно специалисту в данной области техники, желоб 721 для удаления керна может заглубляться в корпус 701 долота на величину, достаточную для обеспечения гладкого выхода фрагмента 725 образца керна из желоба 721 для удаления керна для предотвращения блокирования долота. Дополнительно, как ясно специалисту в данной области техники, желоб 721 для удаления керна может заглубляться в корпус 701 долота на величину, не нарушающую полной прочности долота 700 типа PDC. Поэтому, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения желоб 721 для удаления керна заглубляется в корпус 701 долота 700 типа PDC на величину, обеспечивающую беспрепятственный выход фрагмента 725 образца керна без блокирования долота, и на величину, отрицательно не влияющую на срок службы долота 700 типа PDC. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения желоб 721 для удаления керна имеет в общем уклон в направлении вниз относительно опорной поверхности 1500 и корпуса 701 долота.
[0090] Дополнительно, в одном или нескольких вариантах осуществления канал 719 прохода текучей среды, в котором желоб 721 для удаления керна расположен, занимает участок периметра долота 700 типа PDC больше других каналов 719 прохода текучей среды. Например, в одном или нескольких вариантах осуществления канал 719 прохода текучей среды, в котором желоб 721 для удаления керна расположен, имеет площадь поверхности, по меньшей мере больше на 50%, чем другие каналы 719 прохода текучей среды. В других вариантах осуществления канал 719 прохода текучей среды, в котором желобом 721 для удаления керна расположен, имеет площадь поверхности, по меньшей мере больше 75%, 100% или даже 150% других каналов 719 прохода текучей среды. Дополнительно, в зависимости от профиля корпуса 701 долота, может не требоваться создание желоба 721 для удаления керна, углубленного в корпус 701 долота, но уклон канала 719 прохода текучей среды в комбинации с площадью поверхности канала 719 прохода текучей среды, противоположного лопасти 717 отбора керна могут являться достаточными для получения удаления фрагмента 725 образца керна из корпуса 701 долота в кольцевое пространство для подачи с помощью циркуляции на поверхность.
[0091] На фиг.16 показано сечение долота 700 типа PDC фиг.15 с фрагментом 725 образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как описано выше, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 723 лопасти 717 отбора керна используется для формирования фрагмента 725 образца керна во время бурения ствола скважины. Конкретно, первый резец 723 вырезает фрагмент 725 образца керна из пласта, когда долото 700 типа PDC вращается вокруг центральной осевой линии 709 долота во время бурения ствола скважины. Соответственно, фрагмент 725 образца керна формируется на центральной осевой линии 709 долота благодаря породоразрушающему действию первого резца 723.
[0092] Когда фрагмент 725 образца керна достигает конкретной длины, которая определяется высотой лопасти 717 отбора керна и углом наклона поверхности 1305 относительно центральной осевой линии 709 долота, как описано выше, наклонная поверхность 1305 лопасти 717 отбора керна облегчает отрыв фрагмента 725 образца керна от пласта, благодаря приложению поперечной нагрузки на одну сторону вновь образованного фрагмента 725 образца керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения данное боковое нагружение обуславливает отрыв фрагмента 725 образца керна от пласта на конце фрагмента 725 образца керна смежном с пластом. Конец фрагмента 725 образца керна смежный с пластом является самой слабой зоной фрагмента 725 образца керна вследствие напряжений, создаваемых в нем во время формирования фрагмента 725 образца керна первым резцом 723. Соответственно, боковое нагружение от наклонной поверхности 1305 обуславливает отрыв фрагмента 725 образца керна от пласта на конце фрагмента 725 образца керна, смежном с пластом согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0093] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения, получающийся в результате фрагмент 725 образца керна имеет ширину в диапазоне от 0,75 дюйма (19 мм) до 1,25 дюйма (32 мм), и длину от 0,75 дюйма (19 мм) до 1,25 дюйма (32 мм). Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения получающийся в результате фрагмент 725 образца керна имеет ширину в диапазоне от 1,9 дюйма (23 мм) до 2,1 дюйма (28 мм) и длину в диапазоне от 1,9 дюйма (23 мм) до 2,1 дюйма (28 мм). Как понятно специалисту в данной области техники, получающийся в результате фрагмент 725 образца керна может иметь различные значения длины и ширины без отхода от объема настоящего изобретения.
[0094] Как дополнительно показано на фиг.16, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения точка, в которой вновь образованный фрагмент 725 образца керна входит в контакт с наклонной поверхностью 1305 лопасти 717 отбора керна, расположена аксиально ниже вершины конического штыря 727. Иначе говоря, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения вновь образованный фрагмент 725 образца керна соударяется с наклонной поверхностью 1305 в точке с радиальная позициям одинаковым с первым радиальной позицией R1 первого резца 723. Данная точка расположена аксиально ниже вершины конического штыря 727 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0095] Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 723 может являться конической штырем 727, как описано выше. В данных других вариантах осуществления конический штырь 727 может являться встроенным в лопасть 717 отбора керна на первой радиальной позиции R1 так, что вершина конического штыря 727 ориентируется к центральной осевой линии 709 долота. Дополнительно, в данных других вариантах осуществления, когда фрагмент 725 образца керна достигает конкретной длины, которая определяется высотой лопасти 717 отбора керна, как описано выше, конический штырь 727 создает врубку во вновь образованном фрагменте 725 образца керна во время бурения. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения данная врубка обуславливает ослабление фрагмента 725 образца керна и отрыв от пласта на конце фрагмента 725 образца керна смежном с пластом. Конец фрагмента 725 образца керна смежный с пластом является самой слабой зоной фрагмента 725 образца керна вследствие напряжений, создаваемых в нем во время формирования фрагмента 725 образца керна породоразрушающим действием конического штыря 727, действующим как первый резец 723. Соответственно, врубка коническим штырем 727 обуславливает отрыв фрагмента 725 образца керна от пласта на конце фрагмента 725 образца керна, смежном с пластом, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[0096] На фиг.30 показан другой вариант осуществления с использованием конического штыря. В показанном варианте осуществления на или смежно с центральной осевой линией 709 долота, конический штырь 727 включен в состав как центральный элемент отбора керна в соединении с совокупностью режущих элементов 713, расположенных на лопастях (не показано). Как показано на фиг.30, совокупность режущих элементов 713 может иметь конические режущие элементы согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. В конкретном варианте осуществления первый радиальный режущий элемент 723 является коническим режущим элементом 3000. Как дополнительно показано, конический штырь 727 прикрепляется непосредственно к корпусу долота (не показано) в полости, образованной между лопастями долота 700 типа PDC вместо лопасти. Дополнительно, хотя профиль режущего инструмента в данном варианте осуществления показан содержащим только совокупность конических режущих элементов 713, конкретно в объеме настоящего изобретения профиль режущего инструмента может включать в себя совокупность резцов (не показано) и/или совокупность конических режущих элементов в любой из конфигураций, описанных в U.S. Patent Application Nos. 13/370,734 и 13/370,862, обе включены в виде ссылки полностью в данный документ, или в любой другой конфигурации.
[0097] В вариантах осуществления с коническим режущим элементом 3000 в качестве первого радиального режущего элемента 723 можно использовать конические режущие элементы 3000, имеющие радиус в диапазоне от 0,010 до 0,125 дюймов (0,3-3,2 мм) в конкретных вариантах осуществления. В некоторых вариантах осуществления радиус r конического режущего элемента 3000 на первой радиальной позиции R1 может иметь любую величину в диапазоне от нижнего предела 0,01, 0,02, 0,04, 0,05, 0,06 или 0,075 дюймов (0,3, 0,5, 1,1, 1,3, 1,5, 1,9 мм) до верхнего предела любой величины, 0,05, 0,06, 0,075, 0,085, 0,10 или 0,0125 дюймов (1,3, 1,5, 1,9, 2,2, 2,5, 3,2 мм), где любой нижний предел можно использовать в комбинации с любым верхним пределом. Кроме того, в конкретных вариантах осуществления можно использовать асимметричный или косой режущий элемент, где конический режущий концевой участок конического режущего элемента 3000 имеет ось, не коаксиальную с осью опорного штыря. Дополнительно, может также требоваться расположение конического режущего элемента 3000 с конкретной ориентацией резания (т.е. вертикальной или поперечной ориентацией) на лопасти 717 отбора керна для данной степени асимметрии, а также угла конусности для конкретного конического режущего элемента 713) при котором имеется угол α, образованный между самым радиально близким к осевой линии участком конического режущего элемента 3000 и линией параллельной центральной осевой линии 709 долота. В различных вариантах осуществления α может иметь величину в диапазоне от 0 до 45 градусов. В других вариантах осуществления угол α может иметь величину больше 0 градусов. В некоторых вариантах осуществления угол α может иметь величину в диапазоне от нижнего предела любой величины больше 0, 2, 5, 10, 15, 20 или 30 градусов до верхнего предела любой величины, 15, 20, 25, 30, 35, 40 или 45 градусов, где любой нижний предел можно использовать в комбинации с любым верхним пределом. Предпочтительно, расположение конического режущего элемента 3000 на первой радиальной позиции R1 лопасти 717 отбора керна может обеспечивать ослабление прочности на фрагменте 725 образца керна, выполненном в центральной зоне долота 700 типа PDC, обеспечивая создание коническим режущим элементом 3000 врубки в нем. Дополнительно, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения лопасть 717 отбора керна, имеющая конический режущий элемент 3000 на первой радиальной позиции R1, может выполняться в конфигурации с или без наклонной поверхности 1305, как описано выше.
[0098] В случае если поперечная нагрузка, передаваемая от наклонной поверхности (или согласно другим вариантам осуществления, врубка коническим режущим элементом 3000, как первым радиальным режущим элементом 723, встроенным в лопасть 717 отбора керна, как описано выше), является недостаточной для отрыва фрагмента 725 образца керна от пласта, конический штырь 727, встроенный вблизи центральной осевой линии 709 долота, может функционировать, обуславливая отрыв фрагмента 725 образца керна от пласта в качестве резервного варианта. Конкретно, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 727, встроенный вблизи центральной осевой линии 709 долота, передает осевую нагрузку на конец фрагмента 725 образца керна, самый близкий к вершине конического штыря 727. Осевая нагрузка, переданная коническим штырем 727, обуславливает разрыв или создание трещины во фрагменте 725 образца керна. В результате приложения данной осевой нагрузки и поскольку конический штырь 727 располагается на или вблизи центральной осевой линии 709 долота, фрагмент 725 образца керна разрывается на две половины. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения данные две половины являются по существу равными по длине и ширине.
[0099] После отрыва фрагмента 725 образца керна от пласта согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения гидравлическая схема долота и/или участок 1000 перемычки (как описано выше) помогает подавать вновь отобранный фрагмент 725 образца керна и/или направлять к желобу 721 для удаления керна для выхода из долота 700 типа PDC. Как описано выше, общий уклон в направлении вниз желоба 721 для удаления керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения обеспечивает выход фрагмента 725 образца керна из долота 700 типа PDC без блокирования долота. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения, из желоба 721 для удаления керна фрагмент 725 образца керна передается на поверхность пласта через кольцевое пространство (не показано), образованное между стволом скважины и бурильной колонной.
[00100] На фиг.17 показан график процентного изменения скорости проходки бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно на фиг.17 показан график процентного изменения скорости проходки долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, долото 700 типа PDC с элементами для получения фрагментов керна, включающими в себя лопасть 717 отбора керна, первый резец 723, наклонную поверхность 1305, конический штырь 727 и желобом 721 для удаления керна, как описано выше согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения демонстрирует увеличение скорости проходки по сравнению с базовым долотом PDC, которое не имеет элементов для получения фрагментов керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретнее, долото 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения демонстрирует среднее увеличение на 21% скорости проходки по сравнению базовым долотом PDC при заданной осевой нагрузке на долото, скорости вращения бурильной колонны, типе горной породы и горном давлении.
[00101] Как ясно специалисту в данной области техники, такое среднее увеличение скорости проходки является неожиданным результатом для долота PDC 70, которое выполнено с возможностью создания фрагментов 725 образцов керна в процессе бурения согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения, как описано выше. Данное увеличение скорости проходки для долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения может являться предпочтительным по меньшей мере поскольку увеличение скорости проходки трансформируется в увеличение срока службы долота PDC 70, возможность ускоренного бурения пласта и уменьшение стоимости бурения.
[00102] На фиг.18 показан график сравнения нормальной силы на буровом долоте согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно, на фиг.18 показан график распределения нормальной силы, приложенной на первом резце 723 долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения в сравнении с базовым долотом PDC, для данных скорости вращения бурильной колонны, осевой нагрузке на долото и типе горной породы. Как показано, когда первый резец 723 долота 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения располагается на первой радиальной позиции R1 то есть, на расстоянии около одного дюйма (25 мм) от центральной осевой линии 709 долота, первый резец 723 испытывает нормальную силу больше чем резец базового долота PDC, где радиальная позиция первого резца 723 имеет расстояние меньше одного дюйма (25 мм) от центральной осевой линии долота (резец гораздо ближе к центральной осевой линии долота).
[00103] Как ясно специалисту в данной области техники, данная увеличенная нормальная сила на первом резце 723 обеспечивает получение первым резцом 723 увеличенной глубины резания на единицу осевой нагрузки на долото. Как дополнительно ясно специалисту в данной области техники, данная увеличенная глубина резания на единицу осевой нагрузки на долото дает в результате увеличенную скорость проходки долота 700 типа PDC. Как описано выше, увеличение скорости проходки для долот 700 типа PDC согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения может являться предпочтительным, по меньшей мере поскольку увеличение скорости проходки может трансформироваться в увеличение срока службы долота PDC 70, возможность ускоренного бурения пласта, и уменьшение стоимости бурения.
[00104] На фиг.19 показана в перспективе часть бурового долота с фрагментами образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно, на фиг.19 показана в перспективе часть импрегнированного долота 1900 с фрагментами образца керна 1901 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. На фиг.20 показана в перспективе часть импрегнированного долота 1900 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения фиг.19 без фрагментов 1901 образцов керна для создания не закрытого вида в перспективе части структуры импрегнированного долота 1900.
[00105] Как показано на фиг.20, импрегнированное долото 1900 включает в себя корпус 2001 долота и торец 2002 долота. Аналогично долоту 700 типа PDC, описанному выше, импрегнированное долото 1900 включает в себя замковый ниппель (не показано), используемый для скрепления импрегнированного долота 1900 с нижним концом бурильной колонны (не показано). Импрегнированное долото 1900 дополнительно включает в себя центральную осевую линию 2003 долота, вокруг которой импрегнированное долото 1900 вращается в направлении резания. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения торец 2002 долота проходит через центральную осевую линию 2003 долота и плавно переходит в каналы 2011, проходя в них между стенок, как подробно описано ниже.
[00106] Когда импрегнированное долото 1900 скрепляется с бурильной колонной, вращение бурильной колонны обуславливает вращение импрегнированного долота 1900 и осуществление проходки с разрушением породы подземного пласта с использованием совокупности импрегнированных алмазных частиц и/или импрегнированных штырей 2005, как подробно описано ниже. Когда импрегнированное долото 1900 проходит с разрушением породы подземный пласт, образуется ствол скважины.
[00107] Как показано на фиг.20, корпус 2001 долота несет совокупность поднятых ребер 2007. Аналогично совокупности лопастей 715 долота PDC 70 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения совокупность поднятых ребер 2007 включает в себя поднятый объем материала, который проходит на некоторой высоте от торца корпуса 2001 долота. Вместе с тем, как известно специалисту в данной области техники, такие "лопасти" на импрегнированном буровом долоте обычно называют "ребрами". Совокупность поднятых ребер 2007 выполнена на конце импрегнированного долота 1900 противоположного замковому ниппелю (не показано). Как показано, совокупность поднятых ребер 2007 проходит радиально наружу от центральной осевой линии 2003 долота, и затем аксиально вниз, образуя диаметр импрегнированного долота 1900.
[00108] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения одно из совокупности поднятых ребер 2007 является ребром 2009 отбора керна, которое описано подробно ниже. Совокупность поднятых ребер 2007 разделена совокупностью каналов 2011, которые обеспечивают проход потока бурового раствора между совокупностью поднятых ребер 2007 и как их очистку, так и охлаждение во время бурения. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения один из совокупности каналов 2011 является желобом 2013 для удаления керна, который описан подробно ниже.
[00109] Как дополнительно показано на фиг.20, каждое из совокупности поднятых ребер 2007 включает в себя импрегнированное вооружение, в котором либо алмаз (или другие суперабразивные) частицы импрегнированы в ребра 2007, или совокупность отверстий, в которых располагается совокупность импрегнированных штырей 2005. Также в объеме настоящего изобретения совокупность поднятых ребер 2007 может включать в себя как алмазное импрегнирование в самом ребре 2007, так и импрегнирование в штырях, 2005 закрепленных в отверстиях, выполненных в поднятых ребрах 2007. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения совокупность отверстий имеет размеры и форму для размещения соответствующей совокупности импрегнированных штырей 2005. Как показано, в совокупности импрегнированные штыри 2005 могут располагаться смежно друг с другом и/или разнесенными вдоль совокупности поднятых ребер 2007. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения совокупность импрегнированные штырей 2005 может ориентироваться по существу параллельно центральной осевой линии 2003 долота, или может ориентироваться по существу перпендикулярно центральной осевой линии 2003 долота, в зависимости от положения совокупности импрегнированных штырей 2005 на совокупности поднятых ребер 2007. Совокупность импрегнированных штырей 2005 может выполняться из природных или синтетических алмазов, а также других не суперабразивных материалов для получения истирающе-режущего породоразрушающего действия во время бурения пласта.
[00110] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения ребро 2009 отбора керна имеет первый резец (или первый режущий элемент) 2015, расположенный в нем. Как описано подробно ниже, первый резец 2015 и ребро 2009 отбора керна работают, формируя и отрывая фрагмент 1901 образца керна, такой как показан на фиг.19.
[00111] Как дополнительно показано на фиг.20, импрегнированное долото 1900 включает в себя конический штырь 2017, встроенный в корпус 2001 долота и расположенный на или вблизи центральной осевой линии 2003 долота. Как описано подробно ниже, конический штырь 2017 работает с ребром 2009 отбора керна, обуславливая отрыв фрагмента 1901 образца керна от пласта во время бурения.
[00112] Как показано на фиг.20, ребро 2009 отбора керна является одним из совокупности поднятых ребер 2007 импрегнированного долота 1900. На фиг.21-22 показано частично разобранное импрегнированное долото 1900 фиг.20 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно, на фиг.21-22 внимание обращается на ребро 2009 отбора керна. Как показано, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения ребро 2009 отбора керна имеет первый резец 2015, расположенный на нем. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 2015 располагается на ребре 2009 отбора керна на первой радиальной позиции R1 от центральной осевой линии 2003 долота. Первая радиальная позиция R1 определяется с помощью поворота всех режущих элементов импрегнированной режущей структуры в одну плоскость вращения для получения профиля режущего инструмента. Режущий элемент, расположенный самым близким к центральной осевой линии 2003 долота, т.е. на первой радиальной позиции R1, является первым резцом 2015.
[00113] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первая радиальная позиция R1 расположена на некотором расстоянии от центральной осевой линии 2003 долота для обеспечения формирования фрагмента 1901 образца керна. В качестве не ограничивающего примера, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первая радиальная позиция R1 дистанцируется от центральной осевой линии 2003 долота на расстояние, составляющее 0,25 диаметра импрегнированного долота 1900. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первая радиальная позиция R1 может дистанцироваться от центральной осевой линии 2003 долота на расстояние с величиной в диапазоне от 0,05 диаметра импрегнированного долота 1900 до 0,25 диаметра импрегнированного долота 1900. Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения первая радиальная позиция R1 может дистанцироваться от центральной осевой линии 2003 долота на расстояние с величиной в диапазоне от нижнего предела любой величины, 0,05, 0,075, 0,1, 0,125 или 0,15 диаметра импрегнированного долота 1900 до верхнего предела любой величины, 0,075, 0,1, 0,125, 0,15, 0,175, 0,2, 0,225 или 0,25 диаметра импрегнированного долота 1900, где любой нижний предел можно использовать в комбинации с любым верхним пределом. Как понятно специалисту в данной области техники, первая радиальная позиция R1 может располагаться на других расстояниях от центральной осевой линии 2003 долота в зависимости от требуемого диаметра фрагмента 1901 образца керна без отхода от объема настоящего изобретения.
[00114] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 2015 ребра 2009 отбора керна используется для формирования фрагмента 1901 образца керна на или вблизи центральной осевой линии 2003 импрегнированного долота 1900 во время бурения ствола скважины. Конкретно, первый резец 2015 вырезает фрагмент 1901 образца керна из пласта, когда импрегнированное долото 1900 вращается вокруг центральной осевой линии 2003 долота во время бурения ствола скважины. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 2015 может иметь по существу плоскую режущую поверхность. В других вариантах осуществления первый резец 2015 может являться коническим режущим элементом 3000, дополнительно описано ниже. Место первой радиальной позиции R1, на котором располагается первый резец 2015, определяет получающуюся в результате ширину или диаметр фрагмента 1901 образца керна. Например, если первая радиальная позиция R1 расположено на расстоянии от центральной осевой линии 2003 долота, составляющем 0,25 диаметра импрегнированного долота 1900 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения, первый резец 2015, расположенный на первой радиальной позиции R1, должен формировать фрагмент 1901 образца керна с радиусом, составляющим 0,25 диаметра импрегнированного долота 190 и шириной или диаметром, составляющим 0,5 диаметра импрегнированного долота 1900. Чем дальше расположена первая радиальная позиция R1 от центральной осевой линии 2003 долота, тем больше ширина получающегося в результате фрагмента 1901 образца керна. Соответственно, как понятно специалисту в данной области техники, первая радиальная позиция R1 может располагаться на различных расстояниях от центральной осевой линии 2003 долота для создания фрагментов 1901 образцов керна, имеющих различную ширину, без отхода от объема настоящего изобретения.
[00115] Как дополнительно показано на фиг.21-22, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения ребро 2009 отбора керна может включать в себя по существу вертикальную поверхность 210, откидку 2101, и наклонную поверхность 2103. Наклонная поверхность 2103 располагается аксиально над верхом лопасти и аксиально ниже торца 2002 долота, который проходит через центральную осевую линию 2003 долота. В некоторых вариантах осуществления торец 2002 долота может иметь штырь, вставленный в отверстие в нем, которое может располагаться на или вблизи центральной осевой линии 2003 долота. Как показано, откидка 2101 может располагаться между по существу вертикальной поверхностью 2100 и наклонной поверхностью 2103. Откидка 2101 функционирует, разгружая и защищая по существу вертикальную поверхность 2100 от преждевременного износа. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения по существу вертикальная поверхность 2100, откидка 2101 и наклонная поверхность 2103 интегрально соединяются для образования непрерывной детали, и ориентируются обращенными к центральной осевой линии 2003 импрегнированного долота 1900.
[00116] Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения ребро 2009 отбора керна можно выполнять в конфигурации без откидки 2101. Согласно данным другим вариантам осуществления по существу вертикальная поверхность 2100 и наклонная поверхность 2103 интегрально соединяются для образования непрерывной детали, и ориентируются обращенными к центральной осевой линии 2003 импрегнированного долота 1900. Дополнительно, согласно данным другим вариантам осуществления по существу вертикальная поверхность 2100 и наклонная поверхность 2103 пересекаются в точке, расположенной аксиально над первым резцом 2015 ребра 2009 отбора керна.
[00117] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения по существу вертикальная поверхность 2100 может являться по существу параллельной центральной осевой линии 2003 импрегнированного долота 1900. То есть, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения по существу вертикальная поверхность 2100 может являться ориентированной так, что по существу вертикальная поверхность 2100 располагается под углом в диапазоне от 0 до 5 градусов, в одном из направлений относительно линии параллельной центральной осевой линии 2003 импрегнированного долота 1900. Как лучше показано на фиг.25 и дополнительно описано ниже, уклон наклонной поверхности 2103 помогает определить длину получающегося в результате фрагмента 1901 образца керна. Например, чем более пологим является уклон (т.е. чем больше угол, образованный с центральной осевой линией 2003 долота) наклонной поверхности 2103, тем больше длина получающегося в результате фрагмента 1901 образца керна. Аналогично, чем круче уклон (т.е. чем меньше угол, образованный с центральной осевой линией 2003 долота) наклонной поверхности 2103, тем меньше длина получающегося в результате фрагмента 1901 образца керна. Как понятно специалисту в данной области техники, в дополнение к уклону наклонной поверхности 2103 высота ребра 2009 отбора керна также помогает определению длины получающегося в результате фрагмента 1901 образца керна. Например, чем выше ребро 2009 отбора керна, тем больше длина получающегося в результате фрагмента 1901 образца керна. Аналогично, чем короче ребро 2009 отбора керна, тем меньше длина получающегося в результате фрагмента 1901 образца керна. Соответственно, как понятно специалисту в данной области техники, наклонная поверхность 2103 может образовывать угол различной величины с центральной осевой линией 2003 долота, и ребро 2009 отбора керна может иметь различные высоты для создания фрагментов 1901 образцов керна различной длины без отхода от объема настоящего изобретения. В конкретном варианте осуществления наклонная поверхность 2103 может располагаться так, что аксиальная точка, на которой наклонная поверхность 2103 имеет радиальное значение равное радиальному значению позиции первого резца 2015, может иметь нижний предел любой величины по меньшей мере 0,1, 0,2, 0,3, 0,4 или 0,5 диаметра долота, и верхний предел любой величины 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6 или 0,75 диаметра долота, где любой нижний предел можно использовать в комбинации с любым верхним пределом.
[00118] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения наклонная поверхность 2103 образует угол в диапазоне от 15 градусов до 20 градусов c центральной осевой линией 2003 долота. Вместе с тем, учитывая изложенное выше, данный диапазон углов в общем не является ограничивающим, и наклонная поверхность 2103 может образовывать угол различной величины с центральной осевой линией 2003 долота. Например, в одном или нескольких вариантах осуществления наклонная поверхность может образовывать такой угол с нижним пределом любой величины около 5, 10, 15, 20 или 25 градусов и верхним пределом любой величины 15, 20, 25, 30, 35 или 45 градусов. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения наклонная поверхность 2103 может иметь угол с центральной осевой линией 2003 долота, который обеспечивает наклонной поверхности 2103 в соединении с по существу вертикальной поверхностью 2100 и откидкой 2101 приложение поперечной нагрузки на боковую сторону фрагмента 1901 образца керна, достаточной для обеспечения отрыва фрагмента 1901 образца керна от пласта после достижения фрагментом 1901 образца керна требуемой длины. Функция наклонной поверхности 2103 в данном случае описана дополнительно ниже и показана на фиг.25.
[00119] Как также показано на фиг.21-22, откидка 2101 располагается между по существу вертикальной поверхностью 2100 и наклонной поверхностью 2103. Откидка 2101 обеспечивает переход по существу вертикальной поверхности 2100 и наклонной поверхности 2103 между различными уклонами относительно центральной осевой линии 2003 долота. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения расположение откидки 2101 между по существу вертикальной поверхностью 2100 и наклонной поверхностью 2103 основывается на требуемом соотношении длины к ширине получающегося фрагмента 1901 образца керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения соотношение длины фрагмента 1901 образца керна и ширины фрагмента 1901 образца керна может являться больше или равным единице. По существу, расположение откидки 2101 ребра 2009 отбора керна определяется на основе высоты ребра 2009 отбора керна, уклона наклонной поверхности 2103 и места первой радиальной позиции R1 относительно центральной осевой линии 2003 долота, как описано выше.
[00120] Как показано на фиг.21, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения по существу вертикальная поверхность 2100 ребра 2009 отбора керна может иметь стойкую к истиранию поверхность 2105 c низким коэффициентом трения вследствие действия нагрузки или нагрузок, которые передаются по существу вертикальной поверхностью 2100 и прикладываются к ней во время бурения. Использование стойкой к истиранию поверхности 2105 c низким коэффициентом трения может обеспечивать защиту от истирания для по существу вертикальной поверхности 2100, которая увеличивает срок службы импрегнированного долота 1900. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения использование стойкой к истиранию поверхности 2105 c низким коэффициентом трения на по существу вертикальной поверхности 2100 может также обеспечивать дополнительное породоразрушающее действие во время формирования фрагмента 1901 образца керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения стойкая к истиранию поверхность 2105 c низким коэффициентом трения может либо являться интегральной с по существу вертикальной поверхностью 2100, или может создаваться из одной или нескольких не интегральных деталей, таких как треугольники, показанные на фиг.21, например. Хотя не интегральные детали треугольной формы показаны на фиг.21, специалист в данной области техники должен понимать, что один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения не ограничиваются не интегральными деталями конкретной формы. Действительно, можно использовать квадраты, круги, овалы, ромбы, диски, клинья, или любую другую форму, обеспечивающую защиту от истирания по существу вертикальной поверхности 2100.
[00121] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения стойкая к истиранию поверхность 2105 c низким коэффициентом трения является интегральной с по существу вертикальной поверхностью 2100 и выполняется во время изготовления ребра 2009 отбора керна импрегнированного долота 1900. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения материалом, используемый для стойкой к истиранию поверхности c низким коэффициентом трения, может являться либо теплоустойчивый поликристаллический алмаз, природный алмаз или теплоустойчивый стойкий к истиранию материал любого другого типа. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения материалом, используемым для стойкой к истиранию поверхности 2105 c низким коэффициентом трения, является теплоустойчивый поликристаллический алмаз.
[00122] Как показано на фиг.22, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения наклонная поверхность 2103 ребра 2009 отбора керна может иметь стойкую к истиранию поверхность 2105 c низким коэффициентом трения вследствие нагрузки или нагрузок которые передаются на наклонную поверхность 2103 и прикладываются ей во время бурения. Использование стойкой к истиранию поверхности 2105 c низким коэффициентом трения обеспечивает защиту от истирания для наклонной поверхности 2103, которая обеспечивает длительное время износа, при этом увеличивается срок службы импрегнированного долота 1900. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения стойкая к истиранию поверхность 2105 c низким коэффициентом трения может либо являться интегральной с наклонной поверхностью 2103, или может создаваться из одной или нескольких не интегральных деталей, таких как диски, показанные на фиг.22, например. Хотя не интегральные детали в форме диска показаны на фиг.22, специалист в данной области техники должен понимать, что один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения не ограничиваются не интегральными деталями конкретной формы. Действительно, можно использовать треугольники, квадраты, круги, овалы, ромбы, клинья, или любую другую форму, обеспечивающую защиту от истирания наклонной поверхности 2103.
[00123] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения стойкая к истиранию поверхность 2105 c низким коэффициентом трения является интегральной с наклонной поверхностью 2103 и выполняется во время изготовления ребра 2009 отбора керна импрегнированного долота 1900. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения материалом, используемым для стойкой к истиранию поверхности 2105 c низким коэффициентом трения может являться либо теплоустойчивый поликристаллический алмаз, природный алмаз, или теплоустойчивый стойкий к истиранию материал любого другого типа. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения материалом, используемым для стойкой к истиранию поверхности 2105 c низким коэффициентом трения является теплоустойчивый поликристаллический алмаз.
[00124] На фиг.21-22 также показана конический штырь 2017, расположенная на или вблизи центральной осевой линии 2003 долота. При использовании в данном документе, "вблизи" относительно центральной осевой линии 2003 долота означает либо на центральной осевой линии 2003 долота или между центральной осевой линией 2003 долота и первым радиальной позицией R1. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 2017 является встроенной в корпус 2001 долота так, что вершина конического штыря 2017 устанавливается аксиально над откидкой 2101 ребра 2009 отбора керна. Конический штырь 2017 описан подробно ниже и показан на фиг.23.
[00125] На фиг.23 показано сечение бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно, на фиг.23 показано сечение импрегнированного долота 1900 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, конический штырь 2017 располагается на или вблизи центральной осевой линии 2003 долота на опорной поверхности 2300 корпуса 2001 долота. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения опорная поверхность 2300 располагается между ребром 2009 отбора керна и желобом 2013 для удаления керна из импрегнированного долота 1900. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения опорная поверхность 2300 интегрально соединяет ребро 2009 отбора керна с желобом 2013 для удаления керна в непрерывную деталь. Дополнительно, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения опорная поверхность 2300 имеет уклон меньше 5 градусов, меньше 3 или 2 градусов в других вариантах осуществления или может даже иметь нулевой уклон относительно центральной осевой линии 2003 долота.
[00126] Также как показано на фиг.23, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 2017 является встроенным в корпус 2001 долота так, что вершина конического штыря 2017 устанавливается аксиально над откидкой 2101 ребра 2009 отбора керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь 2017 импрегнированного долота 1900 имеет одинаковую форму, структурные, состава, габаритные и функциональные характеристики с коническим штырем 727 долота PDC 70, описанным выше.
[00127] Также на фиг.23 желоб 2013 для удаления керна показан установленным непосредственно поперек центральной осевой линии 2003 долота относительно ребра 2009 отбора керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения профиль желоба 2013 для удаления керна заглубляется в корпус 2001 импрегнированного долота 1900. Как понятно специалисту в данной области техники, величина заглубления желоба 2013 для удаления керна в корпус 2001 долота может изменяться без отхода от объема настоящего изобретения. Например, как ясно специалисту в данной области техники, желоб 2013 для удаления керна может заглубляться в корпус 2001 долота на величину, достаточную для обеспечения беспрепятственного выхода фрагмента 1901 образца керна из желоба 2013 для удаления для предотвращения блокирования долота. Дополнительно, как ясно специалисту в данной области техники, желоб 2013 для удаления керна может заглубляться в корпус 2001 долота на величину, при которой не нарушается общая прочность импрегнированного долота 1900. Поэтому, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения желоб 2013 для удаления керна заглубляется в корпус 2001 импрегнированного долота 1900 на величину, обеспечивающую беспрепятственный выход фрагмента 1901 образца керна без блокирования долота, и на величину, отрицательно не влияющую на срок службы импрегнированного долота 1900. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения желоб 2013 для удаления керна имеет в общем уклон в направлении вниз относительно опорной поверхности 2300 и корпуса 2001 долота.
[00128] Дополнительно, в одном или нескольких вариантах осуществления канал 2011, в котором желоб 2013 для удаления керна расположен занимает участок периметра импрегнированного долота 1900 больше других каналов 2011. Например, в одном или нескольких вариантах осуществления канал 2011 в котором желоб 2013 для удаления керна расположен, имеет площадь поверхности, по меньшей мере больше 50% площади поверхности других каналов 2011. В других вариантах осуществления канал 2011, в котором желоб 2013 для удаления керна расположен, имеет площадь поверхности, по меньшей мере больше 75%, больше 100%, или даже больше 150% площади поверхности других каналов 2011. Дополнительно, в зависимости от профиля корпуса 2001 долота может не требоваться создание желоба 2013 для удаления керна, углубленного в корпус 2001 долота, но уклон канала 2011 в комбинации с площадью поверхности канала 2011 противоположного ребру 2009 отбора керна может являться достаточным для получения в результате удаления фрагмента 1901 образца керна из корпуса 2001 долота в кольцевое пространство для подачи с помощью циркуляции на поверхность.
[00129] На фиг.24 показано в перспективе сечение бурового долота согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Конкретно, на фиг.24 показано в перспективе сечение импрегнированного долота 1900 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано, импрегнированное долото 1900 включает в себя центральную осевую линию 2003 долота, ребро 2009 отбора керна, желоб 2013 для удаления керна, первый резец 2015, первую радиальную позицию R1, конический штырь 2017, наклонную поверхность 2103, по существу вертикальную поверхность 2100, откидку 2101, наклонную поверхность 2103, и опорную поверхность 2300. Взаимодействие данных компонентов при формировании, отрыве и удалении фрагмента 1901 образца керна дополнительно описано ниже и показано на фиг.25.
[00130] На фиг.25 показано сечение импрегнированного долота 1900 фиг.23 с фрагментом образца керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как описано выше, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения первый резец 2015 ребра 2009 отбора керна используется для формирования фрагмента 1901 образца керна во время бурения ствола скважины. Конкретно, первый резец 2015 вырезает фрагмент 1901 образца керна из пласта, когда импрегнированное долото 1900 вращается вокруг центральной осевой линии 2003 долота во время бурения ствола скважины. Соответственно, фрагмент 1901 образца керна формируется на центральной осевой линии 2003 долота благодаря породоразрушающему действию первого резца 2015.
[00131] Когда фрагмент 1901 образца керна достигает конкретной длины, которая определяется высотой ребра 2009 отбора керна и углом наклонной поверхности 2103 относительно центральной осевой линии 2003 долота, как описано выше, наклонная поверхность 2103 ребра 2009 отбора керна облегчает отрыв фрагмента 1901 образца керна от пласта, благодаря приложению поперечной нагрузки на одну сторону вновь сформированного фрагмента 1901 образца керна. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения данное боковое нагружение обуславливает отрыв фрагмента 1901 образца керна от пласта на конце фрагмента 1901 образца керна смежном с пластом. Конец фрагмента 1901 образца керна смежный с пластом является самой слабой зоной фрагмента 1901 образца керна вследствие напряжений, создаваемых в нем во время формирования фрагмента 1901 образца керна первым резцом 2015. Соответственно, боковое нагружение от наклонной поверхности 2103 обуславливает отрыв фрагмента 1901 образца керна от пласта на конце фрагмента 1901 образца керна смежном с пластом согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[00132] Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения получающийся в результате фрагмент 1901 образца керна имеет ширину в диапазоне от 0,75 дюймов (19 мм) до 1,25 дюймов (32 мм) и длину в диапазоне от 0,75 дюймов (19 мм) до 1,25 дюймов (32 мм). Как понятно специалисту в данной области техники, получающийся в результате фрагмент 1901 образца керна может иметь различные величины длины и ширины без отхода от объема настоящего изобретения.
[00133] Как дополнительно показано на фиг.25, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения точка, в которой вновь сформированный фрагмент 1901 образца керна входит в контакт с наклонной поверхностью 2103 ребра 2009 отбора керна, расположена аксиально ниже вершины конического штыря 2017. Иначе говоря, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения вновь сформированный фрагмент 1901 образца керна соударяется с наклонной поверхностью 2103 в точке с радиальной позицией одинаковой с первой радиальной позицией R1 первого резца 2015. Данная точка расположена аксиально ниже вершины конического штыря 2017 согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[00134] Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения первым резцом 2015 импрегнированного долота 1900 может являться конический режущий элемент 3000, как описано выше для долота 700 типа PDC и показано на фиг.30. В данных других вариантах осуществления конический режущий элемент 3000 может являться встроенным в ребро 2009 отбора керна на первой радиальной позиции R1 так что вершина конического режущего элемента 3000 ориентируется к центральной осевой линии 2003 долота. Дополнительно, в данных других вариантах осуществления, когда фрагмент 1901 образца керна достигает конкретной длины, которая определяется высотой ребра 2009 отбора керна, как описано выше, конический режущий элемент 3000 создает врубку во вновь сформированный фрагмент 1901 образца керна во время бурения. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения данная врубка обуславливает ослабление и отрыв фрагмента 1901 образца керна от пласта на конце фрагмента 1901 образца керна смежном с пластом. Конец фрагмента 1901 образца керна смежный с пластом является самой слабой зоной фрагмента 1901 образца керна вследствие напряжений, создаваемых в нем во время формирования фрагмента 1901 образца керна породоразрушающим действием конического режущего элемента 3000, действующим как первый резец 2015. Соответственно, врубка коническим режущим элементом 3000 обуславливает отрыв фрагмента 1901 образца керна от пласта на конце фрагмента 1901 образца керна смежном с пластом согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения.
[00135] В вариантах осуществления с коническим режущим элементом 3000 в качестве первого радиального режущего элемента можно использовать конические режущие элементы 3000 с радиусом в диапазоне от 0,010 до 0,125 дюймов (0,3-3,2 мм) в конкретных вариантах осуществления. В некоторых вариантах осуществления радиус r конического режущего элемента 3000 на первой радиальной позиции R1 может иметь величину в диапазоне от нижнего предела любой величины, 0,01, 0,02, 0,04, 0,05, 0,06 или 0,075 дюймов (0,3, 0,6, 1,1, 1,3, 1,5 или 1,8 мм) до верхнего предела любой величины, 0,05, 0,06, 0,075, 0,085, 0,10 или 0,0125 дюймов (1,3, 1,5, 1,8, 2,0, 2,5 или 0,3 мм), где любой нижний предел можно использовать в комбинации с любым верхним пределом. Кроме того, в конкретных вариантах осуществления можно использовать асимметричный или косой режущий элемент, где режущий конический концевой участок конического режущего элемента 3000 имеет ось не коаксиальную с осью опорного штыря. Дополнительно, может также требоваться установка конического режущего элемента 3000 с конкретной ориентацией резания (т.е. вертикальной или поперечной ориентацией) на ребре 2009 отбора керна (для данной величины асимметрии, а также угла конусности для конкретного конического режущего элемента 3000), так что имеется угол α, образованный между самым ближним к центральной осевой линии участком конического режущего элемента 3000 и линией параллельной центральной осевой линии 709 долота. В различных вариантах осуществления α может иметь величину в диапазоне от 0 до 45 градусов. В других вариантах осуществления угол α может составлять больше 0 градусов. В некоторых вариантах осуществления угол α может иметь величину в диапазоне от нижнего предела любой величины больше 0, 2, 5, 10, 15, 20 или 30 градусов до верхнего предела любой величины 15, 20, 25, 30, 35, 40 или 45 градусов, где любой нижний предел можно использовать в комбинации с любым верхним пределом. Предпочтительно, установка конического режущего элемента 3000 на первой радиальной позиции R1 ребра 2009 отбора керна может обеспечивать ослабление прочности на фрагмент 1901 образца керна, формируемом в центральной зоне импрегнированного долота 1900, обеспечивая создание коническим режущим элементом 3000 врубки в нем. Дополнительно, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения ребро 2009 отбора керна с коническим режущим элементом 3000 на первой радиальной позиции R1 может выполняться в конфигурации с наклонной поверхностью 2103 или без нее, как описано выше.
[00136] В случае, если поперечная нагрузка, передаваемая от наклонной поверхности 2103 (или, согласно другим вариантам осуществления, врубка коническим режущим элементом 3000, встроенным в ребро 2009 отбора керна, как описано выше) является недостаточной для отрыва фрагмента 1901 образца керна от пласта, конический штырь 2017, встроенный вблизи центральной осевой линии 2003 долота, может функционировать обеспечивая отрыв фрагмента 1901 образца керна от пласта в качестве резервного варианта. Конкретно, согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения конический штырь, 2017 встроенный вблизи центральной осевой линии 2003 долота, передает осевую нагрузку на конец фрагмента 1901 образца керна ближний к вершине конического штыря 2017. Осевая нагрузка, переданная конической штырем 2017, обуславливает образование трещины или перелом фрагмента 1901 образца керна. В результате приложения данной осевой нагрузки и поскольку конический штырь 2017 располагается на или вблизи центральной осевой линии 2003 долота, фрагмент 1901 образца керна разрывается на две половины. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения данные две половины имеют по существу равную длину и ширину.
[00137] После отрыва фрагмента 1901 образца керна от пласта согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения гидравлическая схема долота (как описано выше относительно долота 700 типа PDC) помогает перемещению вновь отобранного фрагмента 1901 образца керна к желобу 2013 удаления для выхода керна из импрегнированного долота 1900. Альтернативно, как описано выше для долота 700 PDC, в импрегнированном долоте 1900 можно использовать участок перемычки, механическая структура которого создает границу, помогающую направлять вновь отобранный фрагмент 1901 образца керна к желобу 2013 удаления для выхода керна из импрегнированного долота 1900.
[00138] Как описано выше, общий уклон в направлении вниз желобов 2013 для удаления согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения может обеспечивать выход фрагмента 1901 образца керна из импрегнированного долота 1900 без блокирования долота. Согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения из желоба 2013 для удаления фрагмент 1901 образца керна поднимается на поверхность в кольцевом пространстве (не показано), образованном между стволом скважины и бурильной колонной. В других вариантах осуществления, как описано выше, может не требоваться создание желоба 2013 для удаления керна, углубленного в корпус 2001 долота. Согласно данным другим вариантам осуществления уклон канала 2011 в комбинации с площадью поверхности канала 2011, противоположного ребру 2009 отбора керна может являться достаточным для получения в результате удаления фрагмента 1901 образца керна из корпуса 2001 долота без блокирования долота и в кольцевое пространство для подачи с помощью циркуляции на поверхность.
[00139] На фиг.26A-C показаны вариации конических штырей 727, 2017 или конических режущих элементов 3000 подходящих для любых вариантов осуществления, раскрытых в данном документе. Конические штыри 727, 2017 или конические режущие элементы 3000 (вариации которых показаны на фиг.26A-C), оснащения бурового долота имеют алмазный слой 2600 на опорном стержне 2601 (таком как опорный штырь из цементированного карбида вольфрама), где алмазный слой 2600 образует коническую алмазную рабочую поверхность. Конкретно, геометрия конуса может иметь боковую стенку, по касательной соединяющуюся с криволинейной поверхностью вершины. Конические штыри 727, 2017 или конические режущие элементы 3000 можно выполнять способом, аналогичным применяемому в изготовлении улучшенных алмазным покрытием штырей (используемых в шарошечных долотах) или с помощью соединения компонентов пайкой. Граничная поверхность (не показано отдельно) между алмазным слоем 2600 и опорным стержнем 2601 может являться неплоской или не гладкой, например, для уменьшения возможности отслоения алмазного слоя 2600 от опорного штыря 2601 в процессе работы и улучшения прочности и ударной стойкости элемента. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что граничная поверхность может включать в себя один или несколько выпуклых или выпуклых участков, известных в технике не плоских граничных поверхностей. Кроме того, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что использование некоторых не плоских граничных поверхностей может обеспечивать создание алмазного слоя увеличенной толщины в зоне заостренного конца. Дополнительно, может требоваться создание граничной поверхности такой геометрии, при которой алмазный слой имеет наибольшую толщину в критической зоне, заключающей в себя основную контактную зону между улучшенным алмазным слоем элементом и пластом. Дополнительно формы и граничные поверхности, которые можно использовать для улучшенных алмазным слоем элементов настоящего изобретения, включают в себя описанные в U.S. Patent Publication No. 2008/0035380, полностью включено в данном документе в виде ссылки. Дополнительно, алмазный слой 2600 может создаваться из любого поликристаллического суперабразивного материала, включающего в себя, например, поликристаллический алмаз, поликристаллический кубический нитрид бора (КНБ), теплоустойчивый поликристаллический алмаз (образованный либо обработкой поликристаллического алмаза, созданного из металла, такого как кобальт или поликристаллического алмаза, созданного из металла имеющего более низкий коэффициент теплового расширения, чем кобальт).
[00140] Вершина конических штырей 727, 2017 или конических режущих элементов 3000 может иметь кривизну с некоторым радиусом. В данном варианте осуществления радиус кривизны может иметь величину в диапазоне от около 0,050 до 0,125 дюймов (1,3-3,2 мм). В некоторых вариантах осуществления кривизна может иметь переменный радиус, являться участком параболы, участком гиперболы, участком цепной линии или параметрического сплайна. Дополнительно, как показано на фиг.26A-B, угол β конусности конического конца можно изменять и выбирать на основе параметров конкретного пласта, подлежащего бурению. В конкретном варианте осуществления угол β конусности может иметь величину в диапазоне от около 75 до 90 градусов.
[00141] На фиг.26C показана асимметричный или скошенный конический штырь или конический режущий элемент согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.26C, конический режущий концевой участок 2603 конического штыря 727, 2017 или конический режущий элемент 3000 имеет ось не коаксиальную с осью опорного штыря 2601. В конкретном варианте осуществления по меньшей мере один асимметричный конический штырь 727, 2017 или конический режущий элемент 3000 можно использовать на любом из описанных буровых долот. Выбор асимметричного конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000 можно выполнять для получения лучшего совмещения нормальной или реактивной силы на коническом штыре 727, 2017 или коническом режущем элементе 3000 относительно пласта с осью режущей вершины или для изменения агрессивности конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000 относительно пласта. В конкретном варианте осуществления угол γ, образованный между режущим торцом или осью конуса и осью опорного штыря может иметь величину в диапазоне от 37,5 до 45 градусов, при этом, угол на задней стороне больше на 5-20 градусов ведущего угла. Как показано на фиг.27, передний угол 2700 в продольной плоскости асимметричного (т.е. скошенного) конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000 образуется с осью конического режущего торца, которая не проходит через центр основания конического режущего торца. Как показано, угол 2701 набегания является углом между ведущим участком боковой стенки конического режущего элемента по существу вертикальной поверхности конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000 и пластом. Как показано на фиг.27, ось режущего конца, проходящая через вершину, направлена в сторону обратную направлению вращения долота.
[00142] Как показано на фиг.28A-C, участок конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000 смежный вершине 2800 режущего конца 2603, можно выполнять скошенным или сточенным на режущем элементе для образования скошенной поверхности 2801 на нем. Например, угол косого среза скоса может быть измерен, как угол между скошенной поверхностью и плоскостью нормальной вершине конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000. В зависимости от необходимой агрессивности, угол косого среза может иметь величину в диапазоне от 15 до 30 градусов. На фиг.28B и 28C показаны углы косого среза 17 градусов и 25 градусов. Дополнительно длина скоса может зависеть, например, от угла косого среза, а также угла при вершине.
[00143] В дополнение к или альтернативно не плоской поверхности сопряжения между алмазным слоем 2600 и карбидным опорным штырем 2601 в конической вставке 727, 2017 или коническом режущем элементе 300, конкретный вариант осуществления конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000 может включать в себя граничную поверхность, не являющуюся нормальной к оси опорного штыря, как показано на фиг.29, что дает в результате асимметричный алмазный слой. Конкретно, в таком варианте осуществления объем алмаза на одной половине конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000 больше, чем на другой половине конического штыря 727, 2017 или конического режущего элемента 3000. При выборе угла поверхности сопряжения относительно основания можно, например, учитывать конкретный передний угол в продольной плоскости, угол набегания, угол при вершине, ось для конического режущего торца и получать минимизацию значения срезающих сил на алмазно-карбидной поверхности сопряжения, создавая на поверхности сопряжения увеличенное напряжение сжатия вместо срезающего напряжения.
[00144] Варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя одно или несколько следующих преимуществ. Варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечивать создание буровых долот с фиксированными резцами или других породоразрушающих инструментов с возможностью формировании и извлечения фрагментов образцов керна от пласта одновременно с бурением, и непрерывно по ходу бурения. Поскольку варианты осуществления настоящего изобретения дают возможность формирования и извлечение фрагментов образцов керна из пласта в процессе бурения, можно исключить дополнительные рейсы бурильной колонны, которые отнимают время и увеличивают расходы. Варианты осуществления настоящего изобретения дают возможность формирования фрагментов образцов керна с лучшим качеством, чем дает выбуренная порода, проходящая к устью скважины через кольцевое пространство. Соответственно, варианты осуществления настоящего изобретения дают возможность формирования фрагментов образцов керна для испытаний с получением значащих результатов и достоверного анализа реологических характеристик пласта, из которого фрагменты образцов керна извлечены. Варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечивать создание бурового долота с фиксированными резцами с желобом для удаления керна согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения, в котором осуществляется выход фрагментов образца керна из бурового долота в кольцевое пространство без какого-либо риска блокирования долота. Кроме извлечения качественных фрагментов образцов керна из пласта, буровые долота с фиксированными резцами согласно одному или нескольким вариантам осуществления настоящего изобретения также дают увеличение скорости проходки, которое трансформируется в увеличение срока службы бурового долота с фиксированными резцами, возможность ускоренного бурения пласта, и уменьшение стоимости бурения.
[00145] Хотя изобретение описано для ограниченного числа вариантов осуществления, специалист в данной области техники, получивший пользу от данного изобретения, должен понимать, что можно разрабатывать другие варианты осуществления, не отходящие от объема изобретения, раскрытого в данном документе. Соответственно, объем изобретения ограничивает только прилагаемая формула изобретения.