ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ В ГИБРИДНЫХ ПКА/ШАРОШЕЧНЫХ БУРОВЫХ ДОЛОТАХ
USING ADAPTIVE CONTROL IN HYBRID PAC/ROCK ROLLER BITS

Область техники
В общем раскрытое и описанное здесь изобретение относится к области долот для бурения подземных пород и, в частности, к гибридным ПКА (с поликристаллическими алмазными вставками)/шарошечным буровым долотам.
Уровень техники
В US 4343371 раскрыто "гибридное долото для твердых пород... в котором две расположенные против друг друга лапы лопастного долота с удлиненными наконечниками помещены рядом с двумя расположенными друг против друга шарошками на основе карбида вольфрама. В поверхность удлиненного наконечника, ближайшей к дну скважины, вмонтированы несколько алмазных вставок. Алмазные вставки расположены так, чтобы удалять гребни между рядами канавок на дне скважины, прорезанных вставками в шарошках".
В US 7398837 раскрыто "устройство бурового долота, часть корпуса которого непосредственно примыкает к хвостовику и рабочей части. В рабочей части имеется по меньшей мере один режущий элемент. В некоторых вариантах осуществления устройство бурового долота включает вал, конец которого в целом коаксиален с центральной осью устройства. Конец вала выступает из рабочей части, и по меньшей мере один скважинный прибор помещен внутри вала или связан с ним".
В US 7350568 раскрыт "способ проведения каротажа скважины. При осуществлении способа получают энергию посредством по меньшей мере одной решетки элементов, связанных с буровым долотом, причем по меньшей мере одна решетка элементов работает как электронная решетка. Устройство для каротажа скважины включает буровое долото и по меньшей мере одну решетку элементов, связанных с буровым долотом, причем по меньшей мере одна решетка элементов работает как электронная решетка".
Предложенные изобретения направлены на создание усовершенствованного гибридного ПКА/шарошечного бурового долота для бурения подземных пород.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение включает долото для бурения подземных пород, содержащее корпус долота, продольная ось которого направлена вдоль линии движения долога, первую группу резцов, закрепленных на корпусе, и вторую группу резцов, закрепленных на корпусе с возможностью вращения, причем взаимное расположение вдоль продольной оси первой группы резцов и второй группы резцов может регулироваться. Первая и(или) вторая группа резцов может закрепляться на корпусе таким образом, чтобы обеспечить их перемещение параллельно продольной оси. Взаимное расположение вдоль продольной оси первой группы резцов и второй группы резцов может регулироваться таким образом, чтобы обеспечить их взаимную перестановку между основным положением резания и вторичным положением резания. Долото может включать датчик для получения данных о типе извлекаемой долотом породы, и процессор для управления, на основе этих данных, взаимным расположением вдоль продольной оси.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 представлен первый вид сбоку частного варианта осуществления бурового долота, в котором используются некоторые особенности настоящих изобретений;
на фиг.2 представлен второй вид сбоку частного варианта осуществления бурового долота, в котором используются некоторые особенности настоящих изобретений;
на фиг.3 представлен третий вид сбоку частного варианта осуществления бурового долота, в котором используются некоторые особенности настоящих изобретений;
на фиг.4 представлен четвертый вид сбоку частного варианта осуществления бурового долота, в котором используются некоторые особенности настоящих изобретений;
на фиг.5 представлен фрагмент первой упрощенной структурной схемы частного варианта осуществления бурового долота, в котором используются некоторые особенности настоящих изобретений;
на фиг.6 представлен фрагмент второй упрощенной структурной схемы частного варианта осуществления бурового долота, в котором используются некоторые особенности настоящих изобретений.
Подробное описание осуществления изобретения
Описанные выше фигуры чертежей и приводимое ниже описание конкретных структур и функций не предназначены для ограничения объема изобретения или области притязаний приложенной формулы. Напротив, чертежи и описание предназначены для того, чтобы показать любому специалисту, как могут быть изготовлены и использованы изобретения, для которых испрашивается патентная защита. Специалистам должно быть понятно, что для краткости и лучшего понимания описаны или показаны не все признаки промышленных вариантов осуществления изобретений. Специалистам также должно быть понятно, что разработка реальных конструкций, включающих особенности настоящего изобретения, для достижения целей разработки для промышленного образца потребует многочисленных решений, обусловленных конкретным вариантом реализации. Такие решения, обусловленные конкретным вариантом реализации, могут включать соблюдение ограничений системного, делового, нормативного и иного характера, хотя, скорее всего, не сводятся к ним. Эти ограничения могут отличаться для конкретного варианта осуществления, местоположения, и с течением времени. Хотя стоящие перед разработчиком задачи будут сложны и трудоемки в абсолютном выражении, использование данного раскрытия для специалиста сделает решение этих задач обычной работой. Следует понимать, что раскрытое и описанное здесь изобретение может иметь различные модификации и альтернативные формы. И, наконец, использование термина в единственном числе, например, выражаемого неопределенным артиклем, или иным способом, не подразумевает ограничения количества элементов. Кроме того, использование терминов, выражающих соотношения, например, "верх", "низ", "левый", "правый", "верхний", "нижний", "вниз", "вверх", "боковой" и другие, используются в описании для прояснения конкретных ссылок на чертежи, и не предполагают ограничения области притязаний изобретения или приложенной формулы.
Конкретные варианты осуществления изобретения могут быть описаны ниже со ссылкой на структурные схемы и(или) функциональные иллюстрации способов. Следует понимать, что каждый узел структурных схем и(или) функциональных иллюстраций и комбинации узлов в структурных схемах и(или) функциональных иллюстрациях могут быть реализованы аналоговыми и(или) цифровыми устройствами, и(или) компьютерными программами. Такие компьютерные программы могут быть использованы с процессором компьютера общего применения, специализированным компьютером, специализированной интегральной схемой и(или) иной программируемой системой обработки данных. Исполняемые программы могут формировать структуры и функции для выполнения действий, определенных в структурных схемах и(или) функциональных иллюстрациях. В некоторых альтернативных вариантах осуществления функции/операции/конструкции, изображенные на чертежах, могут происходить в порядке, отличающемся от показанного в структурных схемах и(или) функциональных иллюстрациях. Например две операции, показанные происходящими последовательно, фактически могут выполняться одновременно либо операции могут выполняться в обратном порядке, в зависимости от задействованных функций/действий/конструкций.
Компьютерные программы, предназначенные для использования с раскрытыми здесь вариантами осуществления, или этими вариантами могут быть написаны объектно-ориентированным языком программирования, обычным языком процедурного программирования либо кодом низкого уровня, например, на языке ассемблера и(или) в коде микрокоманд. Программа может быть исполнена целиком на одном процессоре и(или) несколькими процессорами, как отдельный пакет прикладных программ либо как часть другого пакета прикладных программ.
Предлагается буровое долото для бурения подземных пород, содержащее корпус долота, продольная ось которого направлена вдоль линии движения долота, первую группу резцов, закрепленных на корпусе, и вторую группу резцов, закрепленных на корпусе с возможностью вращения, причем взаимное продольное осевое расположение первой группы резцов и второй группы резцов может регулироваться. Первая и(или) вторая группа резцов может закрепляться на корпусе таким образом, чтобы обеспечить их перемещение преимущественно параллельно продольной оси. Взаимное расположение вдоль продольной оси первой группы резцов и второй группы резцов может регулироваться таким образом, чтобы обеспечить их взаимную перестановку между основным положением резания и вторичным положением резания. Долото может включать один или более датчиков для получения данных о типе извлекаемой долотом породы, и процессор для управления взаимным расположением вдоль продольной оси на основе этих данных.
На фиг.1 изображено гибридное долото 11, включающее как шарошки, так и фиксированные резцы со вставками из поликристаллического алмаза (ПКА), установленными на сдвоенных режущих структурах, аналогичных показанным в US 4343371 и патентной заявке US 20080296068, которые включены в настоящее раскрытие посредством ссылки. Более конкретно, также с учетом фиг.2, долото 11 включает корпус 13 долота, имеющий продольную ось 15, определяющую осевой центр корпуса 13 долота. От корпуса 13 долота в направлении продольной оси отходят несущие рычаги 17 шарошек. Корпус 13 долота также имеет несколько лопастей 19, отходящих в направлении продольной оси. Число как рычагов 17, так и лопастей 19 составляет по меньшей мере по одному, хотя может быть и более двух.
Шарошки 21 устанавливаются на соответствующие рычаги 17. На шарошках 21 установлены несколько режущих вставок или резцов 25 шарошки. Таким путем резцы 25 шарошки устанавливаются, с возможностью вращения, на корпусе 13 долота. Кроме того, несколько фиксированных режущих элементов 31, например ПКА резцов, устанавливаются на лопастях 19. Примерами режущих элементов 25 шарошки и фиксированных режущих элементов 31 могут служить вставки из карбида вольфрама, резцы, выполненные из сверхтвердого материала, например, поликристаллического алмаза, и другие, известные специалистам.
На фиг.1 и 2 как режущие элементы 25 шарошки, так и фиксированные режущие элементы 31, показаны в нейтральном положении относительно продольной оси 15. В этом положении режущие элементы 25 шарошки и фиксированные режущие элементы 31 перекрываются и дополняют друг друга.
Известно, что для бурения некоторых пород режущие элементы 25 шарошки подходят лучше фиксированных режущих элементов, или наоборот. Например, режущие элементы 25 шарошки зачастую лучше приспособлены для плотных скальных пород, в то время как фиксированные режущие элементы 31 могут быть лучше приспособлены для более мягких или более однородных пород. Поэтому целесообразно подбирать тип бурового долота для конкретной породы, которую предполагается бурить долотом 11. Ситуация осложняется тем, что в процессе бурения долотом 11 одной и той же скважины или ствола скважины могут встретиться породы разных типов.
Поэтому буровое долото 11 в соответствии с настоящим изобретением в предпочтительном варианте является регулируемым так, что либо режущие элементы 25 шарошки, либо фиксированные режущие элементы 31 могут быть основными, при этом другие резцы будут вторичными. Другими словами, в предпочтительном варианте предложенное в изобретении буровое долото 11 является настраиваемым так, что либо режущие элементы 25 шарошки могут располагаться в основном положении резания, при этом фиксированные режущие элементы 31 располагаются во вторичном положении резания, либо наоборот. Обеспечиваемая настоящим изобретением возможность выполнять взаимную перестановку режущих элементов 25 шарошки и фиксированных режущих элементов 31 между основным положением резания и вторичным положением резания позволяет проводить бурение или извлечение породы с наибольшей возможной эффективностью при минимальном износе долота 11. Эта способность выбирать, какие режущие элементы, 25 или 31, являются основными, а какие вторичными, также может улучшить управляемость долота 11 и компоновки низа бурильной колонны (КНБК) при меняющемся характере породы.
В одном варианте осуществления такая возможность настройки достигается закреплением режущих элементов 25 шарошки и(или) фиксированных элементов 31 на корпусе 13 долота таким образом, чтобы обеспечить их перемещение или сдвиг преимущественно параллельно продольной оси 15 долота 11. В другом варианте осуществления возможность настройки достигается закреплением рычагов 17 и(или) лопастей 19 на корпусе 13 долота так, чтобы обеспечить их перемещение преимущественно параллельно продольной оси 15 долота 11. В одном варианте осуществления перемещение представляет собой линейный сдвиг или скольжение рычагов 17 и(или) лопастей 19 вдоль корпуса 13 долота, например, используя систему направляющих, рельсов, шпунтов или желобов. Конечно, могут быть использованы и другие виды перемещения, которые могут включать не только простое смещение вдоль продольной оси 15 долота 11. Например крепление рычагов 17 и(или) лопастей 19 к корпусу 13 долота может быть спиральным или винтовым так, что перемещение представляет собой движение по спирали вокруг корпуса 13 долота 11. В других вариантах осуществления это движение может быть еще более сложным. Например, соединяющиеся поверхности корпуса 13 и рычагов 17 и(или) лопастей 19 могут быть шпунтованными или зубчатыми для их взаимной блокировки, предотвращающей скольжение рычагов 17 и(или) лопастей 19 относительно корпуса 13, благодаря чему рычаги 17 и(или) лопасти 19 отодвигаются от корпуса 13, смещаются или скользят вдоль оси 15, после чего придвигаются обратно к корпусу 13. В любом случае взаимное пространственное положение вдоль продольной оси режущих элементов 25 шарошки и фиксированных режущих элементов 31 может быть изменено так, что режущие элементы 25 шарошки устанавливаются в основное положение резания, а фиксированные режущие элементы 31 устанавливаются во вторичное положение резания либо наоборот.
Таким образом, буровое долото 11, предложенное в настоящем изобретении, может быть приспособлено к типу извлекаемой породы. Следует иметь в виду, что основному положению резания соответствует несколько большее погружение в ствол скважины, чем вторичному положению резания. Эта настройка, или относительное положение (перемещение), может быть изменена, в зависимости от многих факторов, например конструкции долота или КНБК, или варианта применения и(или) породы. В одном варианте осуществления различие между основным положением резания и вторичным положением резания может составлять примерно одну восьмую дюйма. В других вариантах осуществления это различие, смещение или сдвиг могут составлять между одной и двумя сотыми частями дюйма. В других вариантах осуществления это различие, смещение или сдвиг могут составлять от трех тысячных дюйма до одной четвертой дюйма. Наконец, в некоторых вариантах осуществления в долоте 11 может быть обеспечено относительное смещение более одной восьмой дюйма.
Например, как показано на фиг.3, рычаги 17 могут быть выдвинуты так, что режущие элементы 25 шарошки выступают за пределы, или глубже, глубины 51 резания фиксированных режущих элементов 31, закрепленных на лопастях 19. В показанной на фиг.3 конфигурации режущие элементы 25 шарошки установлены в основное положение резания, при этом фиксированные режущие элементы 25 находятся во вторичном положении резания. В другом варианте, показанном на фиг.4, рычаги 17 могут быть отодвинуты назад так, что режущие элементы 25 шарошки не выступают, или расположены на меньшей глубине, по сравнению с глубиной 51 резания фиксированных режущих элементов 31, установленных на лопастях 19. В показанной на фиг.4 конфигурации фиксированные режущие элементы 31 находятся в основном положении резания, а режущие элементы 25 находятся во вторичном положении резания.
Такая настройка может осуществляться вручную или автоматически на поверхности либо при нахождении долота 11 в стволе скважины. Эта настройка может быть выполнена в ходе буровых работ во время паузы в бурении.
Например, долото 11 может быть поднято из… В частности, как показано на фиг.5 и фиг.6, в некоторых вариантах осуществления один или более датчиков 61 обеспечивают получение данных о типе породы, извлекаемой долотом 11, а процессор 65, на основе этих данных, управляет взаимным осевым продольным расположением режущих элементов 25 шарошки, фиксированных режущих элементов 31 и(или) корпуса 13 долота. Например, как показано на фиг.5, датчики 61 могут определить относительно мягкую породу и выдать данные о типе породы в процессор 65. Процессор 65 может принять решение переместить фиксированные режущие элементы 31 в основное положение резания и(или) поместить режущие элементы 25 шарошки во вторичное положение резания. Для этого, в некоторых вариантах осуществления, процессор 65 активизирует один или более приводов 67, которые оттянут рычаги 17, тем самым помещая режущие элементы 25 шарошки во вторичное положение резания, а фиксированные режущие элементы 31 в основное положение резания.
В альтернативном варианте, показанном на фиг.6, датчики могут определить относительно твердую породу и выдать данные о типе породы в процессор 65. Процессор 65 может принять решение переместить режущие элементы 25 шарошки в основное положение резания и(или) поместить фиксированные режущие элементы 31 во вторичное положение резания. Для этого, в некоторых вариантах осуществления, процессор 65 активизирует приводы 67, которые выдвинут рычаги 17, тем самым помещая режущие элементы 25 шарошки в основное положение резания, а фиксированные режущие элементы 31 во вторичное положение резания.
Таким образом, в предложенном в настоящем изобретении долоте 11 можно менять положение фиксированных режущих элементов 31 и режущих элементов 25 шарошки между основным положением резания и вторичным положением резания. Другими словами, таким путем может выполняться регулировка взаимного расположения вдоль продольной оси первой группы резцов и второй группы резцов. Такая взаимная перестановка или регулировка может выполняться многократно в ходе бурения одного ствола скважины. Кроме того, эта перестановка или регулировка может выполняться автоматически, с участием или без участия оператора или внешних систем. Поэтому датчик 61, процессор 65 и(или) приводы 67 могут быть встроены или составлять единое целое с долотом 11. В альтернативном варианте датчик 61, процессор 65 и(или) приводы 67 могут не входить в состав долота 11. Например, датчики 61 и(или) процессор 65 могут быть размещены в корпусе 13 долота, в хвостовике долота 11, в переходнике за долотом 11 или над ним либо могут быть частью инструмента для выполнения измерений или каротажа в процессе бурения, либо расположенного вблизи долота прибора каротажа сопротивлений. В одном варианте осуществления датчики 61 располагаются как можно ближе к режущим элементам 25, 31 или торцевой поверхности долота с тем, чтобы как можно быстрее предоставить данные о смене типа породы. Однако и датчики 61, находящиеся в хвостовике долота и(или) где-либо еще в КНБК, могут предоставить информацию о типе породы достаточно быстро для выполнения эффективной работы, при этом обеспечивая и защиту датчиков 61.
Датчик(-и) 61 могут представлять собой детекторы гамма-излучения, датчики сопротивлений, акустические датчики либо любые иные скважинные датчики, действующие в реальном времени, используемые для распознавания изменений типа породы и(или) типа пробуриваемой породы. Информация о типе породы, данные определения типа породы и(или) индикация относительного расположения фиксированных режущих элементов 31 и режущих элементов 25 шарошки могут передаваться на поверхность. Оператор на поверхности может ознакомиться с этими данными и определить необходимость изменения расположения и направить команду процессору 65 и(или) непосредственно активизировать приводы 67. Приводы 67 могут быть гидравлическими, электрическими и(или) электромеханическими. Например, привод(-ы) 67 может содержать небольшой скважинный двигатель для сжатия или освобождения одного или более подпружиненных гидравлических поршней.
Другие варианты осуществления, использующие одну или более особенностей описанных выше изобретений, могут быть предложены без отступления от существа изобретения Заявителя. Например, в то время как несущий рычаг 17 шарошки был показан перемещаемым относительно продольной оси 15 корпуса 11 долота, в других вариантах осуществления относительно продольной оси 15 корпуса 11 долота могут перемещаться лопасти 19. Другими словами, несущий рычаг 17 шарошки и(или) лопасти 19 могут сдвигаться относительно продольной оси 15 корпуса 11 долота. Таким образом, режущие элементы 25 шарошки и(или) фиксированные режущие элементы 31 могут сдвигаться относительно друг друга и(или) продольной оси 15 корпуса 11 долота. В некоторых вариантах осуществления только часть одной или более лопасти(-ей) 19, или выбранной группы резцов 25, 31, могут быть сдвинуты для осуществления смены положений между основной и вторичной режущими структурами. Долото 11 может также включать один или более стопорных выступов, или аналогичных структур, для предотвращения смещения рычагов 17 и(или) лопастей 19 относительно корпуса 13. В этом случае долото 11 может включать дополнительные приводы 67 для введения в зацепление (расцепления) выступов после (перед) смещением рычагов 17 и(или) лопастей 19. В некоторых вариантах осуществления режущие элементы 25 шарошки и(или) фиксированные режущие элементы 31 могут быть установлены в нейтральное положение, например, как показано на фиг.1 и фиг.2, либо в основное и вторичное положения, как показано на фиг.3 и фиг.4.
Кроме того, вместо того, чтобы помещаться внутри корпуса 13 долота, как это было показано, датчик 61 и(или) процессор 65 могут быть расположены в другом месте в компоновке низа бурильной колонны, в бурильной колонне и(или) на поверхности. Кроме того, для получения различных вариантов раскрытых способов и вариантов осуществления могут использоваться различные способы и варианты осуществления гибридного бурового долота в комбинации друг с другом. Рассмотрение отдельных элементов может относиться и к множеству элементов, и наоборот.
Порядок выполнения любых шагов может иметь различную последовательность, если иное не оговорено специально. Различные описанные здесь шаги могут быть объединены с другими шагами, вставлены между имеющимися шагами и(или) разбиты на несколько шагов. Аналогично, элементы были описаны функционально и могут быть реализованы как отдельные компоненты либо могут быть объединены в компоненты, имеющие несколько функций.
Группа изобретений была описана применительно к предпочтительным и другим вариантам осуществления, но не каждый вариант осуществления изобретения был описан. Специалистам доступны очевидные модификации и изменения описанных вариантов осуществления. Раскрытые и нераскрытые варианты осуществления не подразумевают ограничения области притязаний или применения изобретения, предложенных Заявителем, напротив, в соответствии с патентным законодательством, Заявитель намерен обеспечить полную защиту всех таких модификаций и усовершенствований, попадающих в область притязаний или множество эквивалентов приведенной ниже формулы изобретения.