RU2768877C2

RU2768877C2 - Стабилизирующееся буровое долото с неподвижным вооружением

Info

Publication number: RU2768877C2
Application number: RU2018138922A
Authority: RU
Inventors: Кери Эндрю МАСТЕД
Original assignee: ВАРЕЛ ИНТЕРНЭШНЛ ИНД., Эл.Эл.Си
Priority date: 2017-11-07
Filing date: 2018-11-06
Publication date: 2022-03-25
Also published as: US20200011137A1; RU2018138922A3; CA3021278A1; US10753155B2; RU2018138922A

Abstract

Изобретение относится к долоту для бурения ствола скважины. Долото содержит корпус и режущую поверхность. Режущая поверхность содержит лопасть, выступающую от корпуса, и ряд резцов. Каждый резец содержит опорную часть, смонтированную в гнезде, выполненном смежно с передней кромкой лопасти, и режущую пластину, изготовленную из сверхтвердого материала, смонтированную на опорной части и имеющую рабочую поверхность. Первая подгруппа ряда резцов ориентирована под отрицательным боковым передним углом, вторая подгруппа ряда резцов ориентирована под нулевым боковым передним углом. Первые и вторые подгруппы чередуются друг с другом, самый близкий к центральной оси резец первой подгруппы имеет максимальную абсолютную величину отрицательного бокового переднего угла, абсолютная величина каждого из отрицательных боковых передних углов остальных резцов уменьшается с увеличением расстояния от них до центра режущей поверхности. Упомянутая максимальная абсолютная величина отрицательного бокового переднего угла находится в диапазоне от 10 до 30 градусов. Упомянутый самый близкий к центральной оси резец расположен в конической секции режущей поверхности. Технический результат заключается в обеспечении устойчивости долота, снижении вибрации, снижении нагрузки на долото во время бурения. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область техники изобретения

[1] Настоящее изобретение в общем относится к стабилизирующемуся буровому долоту с неподвижным вооружением.

Уровень техники

[2] US 7,441,612 раскрывает буровое долото с неподвижным вооружением и способ разработки бурового долота с неподвижным вооружением, включающий в себя моделирование бурения буровым долотом с неподвижным вооружением в горной породе. Определяют показатели работы моделируемого бурового долота с неподвижным вооружением. Распределение величины бокового переднего угла резцов регулируют по меньшей мере вдоль конической зоны лопасти бурового долота с неподвижным вооружением для изменения показателей работы бурового долота с неподвижным вооружением.

[3] US 8,881,849 раскрывает режущий инструмент, имеющий корпус инструмента с множеством лопастей, проходящих радиально от него, и множество вращающихся режущих элементов, смонтированных по меньшей мере на одной из множества лопастей, при этом множество вращающихся режущих элементов смонтированы по меньшей мере на одной лопасти с использованием многочисленных боковых передних углов.

[4] US 9,404,312 раскрывает скважинный режущий инструмент, включающий в себя корпус инструмента; множество лопастей проходящих в азимутальном направлении от корпуса инструмента; и множество режущих элементов, расположенных на множестве лопастей, причем множество режущих элементов включает в себя: по меньшей мере два конических режущих элемента, включающих в себя опорную часть и алмазный слой, имеющих конический режущий конец, при этом по меньшей мере один по меньшей мере из двух конических режущих элементов имеет положительный передний угол в продольной плоскости, и по меньшей мере один по меньшей мере из двух конических режущих элементов имеет отрицательный передний угол в продольной плоскости.

[5] US 9,556,683 раскрывает инструменты для бурения горной породы с множеством фиксированных резцов, имеющих боковой наклон или боковые поперечные углы, сконфигурированных для улучшения управления удалением и перемещением обломков, эффективности бурения и/или глубины резания по сравнению с обычными устройствами.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[6] Настоящее изобретение в общем относится к стабилизирующемуся буровому долоту с неподвижным вооружением. В одном варианте осуществления долото для бурения ствола скважины включает в себя: корпус; и режущую поверхность, включающую в себя: лопасть, выступающую от корпуса; и ряд резцов, причем каждый резец включает в себя: опорную часть, смонтированную в гнезде, выполненном смежно с передней кромкой лопасти; и режущую пластину, изготовленную из сверхтвердого материала, смонтированную на опорной части и имеющую рабочую поверхность. Первая подгруппа ряда резцов ориентирована под отрицательным боковым передним углом. Вторая подгруппа ряда резцов ориентирована под нулевым или небольшим положительным боковым передним углом. Первые и вторые подгруппы чередуются друг с другом. Самый близкий к центральной оси резец первой подгруппы имеет максимальную абсолютную величину отрицательного бокового переднего угла. Абсолютная величина отрицательных боковых передних углов остальных резцов уменьшается с увеличением расстояния от них до центра режущей поверхности.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[7] Для лучшего понимания признаков настоящего изобретения, кратко изложенного выше, приведено подробное описание изобретения со ссылками на варианты осуществления, некоторые из которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах. Отмечаем, вместе с тем, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только обычные варианты осуществления данного раскрытия и поэтому не должны рассматриваться, как ограничивающее его объем, поскольку раскрытие может иметь другие, равно эффективные варианты осуществления.

[8] На фиг. 1 показана режущая поверхность стабилизирующегося бурового долота с неподвижным вооружением, одного варианта осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[9] На фиг. 1 показана режущая поверхность стабилизирующегося бурового долота 1 с неподвижным вооружением одного варианта осуществления настоящего изобретения. Буровое долото 1 может включать в себя режущую поверхность, корпус 2 долота, хвостовик (не показано) и калибрующую часть (не показано). Нижний участок корпуса 2 долота может быть выполнен из композитного материала, такого как матрица из керамики и/или кермета, пропитанная металлической связкой, и верхний участок корпуса 2 долота может быть выполнен из материала, который мягче композитного материала верхней части, такого как металл или сплав порошка для части с уступом, пропитанный металлической связкой. Корпус 2 долота может быть смонтирован на хвостовике во время его отливки. Хвостовик может быть трубчатым, и его можно выполнять из металла или сплава, такого как сталь, и может иметь соединение, такое как резьбовой ниппель, выполненный на его верхнем конце, для соединения бурового долота 1 с утяжеленной бурильной трубой (не показано). Хвостовик может иметь сквозной канал, выполненный в нем, и сквозной канал может проходить в корпус 2 долота до его напорной камеры (не показано). Режущая поверхность может образовывать нижний конец бурового долота 1, и калибрующая часть может образовывать его наружный участок.

[10] В качестве альтернативы, корпус 2 долота может быть выполнен металлическим, например, стальным, и может быть снабжен твердосплавной наплавкой. Металлический корпус долота может быть соединен с модифицированным хвостовиком резьбовыми соединениями и затем скреплен сваркой, или металлический корпус долота может быть моноблочным, имеющим интегрированные корпус и хвостовик.

[11] Режущая поверхность может включать в себя одну или несколько (показано три) основные лопасти 3p, одну или несколько (показано три) вспомогательные лопасти 3s, каналы текучей среды, выполненные между лопастями, ряды передних резцов 4a-h, 5a-f и вспомогательных резцов 6. Режущая поверхность может иметь одну или несколько частей, таких как внутренняя коническая часть 7c, наружная часть 7s с уступом и промежуточная носовая часть 7n между конической частью и частью с уступом. Лопасти 3 могут быть расположены вокруг режущей поверхности, и каждая лопасть может быть выполнена во время отливки корпуса 2 долота и может выступать от нижней части корпуса долота. Основные лопасти 3p и вспомогательные лопасти 3s могут быть расположены вокруг режущей поверхности 3, чередуясь друг с другом. Каждая из основных лопастей 3p может проходить от центра 8c режущей поверхности, поперек конической части 7c и носовой части 7n, вдоль части 7s с уступом и до калибрующей части. Каждая из вспомогательных лопастей 3s может проходить от периферии конической части 7c, поперек носовой части 7n, вдоль части 7s с уступом и до калибрующей части. Каждая лопасть 3 может проходить в общем радиально поперек конической части 7c (только основные) и носовой части 7n, с небольшой спиральный кривизной и вдоль части 7s с уступом в общем продольно, с небольшой геликоидальной кривизной.

[12] Каждая лопасть 3 может быть выполнена из одинакового материала с нижним участком корпуса 2 долота. Передние резцы 4a-h, 5a-f можно монтировать вдоль передних кромок лопастей 3 после пропитки корпуса 2 долота. Передние резцы 4a-h, 5a-f можно предварительно изготавливать, например, с помощью спекания при высоком давлении и температуре, и монтировать, например, с помощью пайки высокотемпературным припоем, в соответствующих передних гнездах, выполненных в лопастях 3 смежно с их передними кромками. Каждая лопасть 3 может иметь нижнюю поверхность 3f, проходящую между ее передней кромкой и задней кромкой.

[13] Начинающаяся в носовой части 7n, каждая лопасть 3 может иметь ряд вспомогательных гнезд, выполненных в ее нижней поверхности 3f, и проходящий вдоль нее. Каждое вспомогательное гнездо может быть выставлено по оси соответствующего переднего гнезда или с небольшим смещением от него. Вспомогательные резцы 6 можно монтировать, например, с помощью пайки высокотемпературным припоем во вспомогательных гнездах, выполненных в нижних поверхностях 3f лопастей 3. Вспомогательные резцы 6 можно предварительно изготавливать, например, с помощью спекания при высоком давлении и температуре.

[14] Каждый резец 4a-h, 5a-f, 6 может быть скалывающим резцом и включать в себя сверхтвердую режущую пластину, например, из поликристаллического алмаза, прикрепленную к твердой опорной части, например, из кермета, при этом образуется вставка штыревого долота, такая как поликристаллическая алмазная вставка (PDC). Кермет может быть карбидом, цементированным металлом группы VIIIB, таким как кобальт. Каждая опорная часть и режущая пластина могут быть сплошной и цилиндрической, и диаметр опорной части может быть равным диаметру режущей пластины.

[15] Первая подгруппа резцов 4c,e,g каждого ряда передних резцов 4a-h каждой основной лопасти 3p и первая подгруппа резцов 5a,c,e каждого ряда передних резцов 5a-f каждой вспомогательной лопасти 3s могут быть ориентированы под отрицательным боковым передним углом 8a. Боковой передний угол 8a может быть образован наклоном продольной оси 8x каждого из резцов 4c,e,g, 5a,c,e первых подгрупп относительно соответствующей линии 8n, касательной к соответствующей радиальной линии 8r, проходящей от центра 8c режущей поверхности до соответствующего центра рабочей поверхности 8w соответствующего резца вокруг соответствующей оси наклона (не показано), нормальной к соответствующему выступу (не показано) нижней поверхности 3f соответствующей лопасти 3p,s на центре рабочей поверхности. Как показано на фиг. 1, полярность бокового переднего угла 8a является отрицательной для направления против часовой стрелки и положительной для направления по часовой стрелке.

[16] Каждая первая подгруппа резцов 4c,e,g, 5a,c,e может включать в себя множество соответствующих передних резцов 4a-h, 5a-f. Вторая подгруппа резцов 4a,b,d,f,h каждого ряда передних резцов 4a-h каждой основной лопасти 3p и вторая подгруппа резцов 5b,d,f каждого ряда передних резцов 5a-f каждой вспомогательной лопасти 3s могут быть ориентированы под нулевым или небольшим положительным боковым передним углом 8a, таким как с величиной от нуля до пяти градусов. Боковые передние углы 8 каждого резца каждой второй подгруппы резцов 4a,b,d,f,h, 5b,d,f могут быть одинаковыми. Каждая первая подгруппа резцов 4c,e,g, 5a,c,e может отличаться от соответствующей второй подгруппы резцов 4a,b,d,f,h, 5b,d,f. Каждая первая подгруппа резцов 4c,e,g, 5a,c,e может чередоваться с соответствующей второй подгруппой резцов 4a,b,d,f,h, 5b,d,f.

[17] Каждый резец каждой первой подгруппы резцов 4c,e,g, 5a,c,e может иметь отличающийся от остальных резцов соответствующей первой подгруппы отрицательный боковой передний угол 8a. Самый близкий к центральной оси резец 4c, 5а каждой первой подгруппы резцов 4c,e,g, 5a,c,e может иметь отрицательный боковой передний угол максимальной абсолютной величины, и абсолютная величина отрицательных боковых передних углов остальных резцов может уменьшаться с увеличением расстояние от них до центра режущей поверхности. Прогрессирующее уменьшение можно определить вычитанием постоянной величины из абсолютной величины отрицательного бокового переднего угла предыдущего резца, или применяя компьютерное моделирование. Самый близкий к центральной оси резец 4c каждой первой основной подгруппы резцов 4c,e,g может быть третьим резцом соответствующей основной лопасти 3p и/или расположенным в конической части 7c или носовой части 7n. Самый близкий к центральной оси резец 5а каждой первой вспомогательной подгруппы резцов 5a,c,e может быть первым резцом соответствующей вспомогательной лопасти 3s и/или расположенным в конической части 7c или носовой части 7n. Максимальная абсолютная величина отрицательного бокового переднего угла может находиться в диапазоне от десяти до тридцати градусов.

[18] В качестве альтернативы, самым близким к центральной оси резцом каждой первой основной подгруппы может быть второй резец 4b соответствующей основной лопасти 3p. Первая основная подгруппа должна тогда включать в себя второй, четвертый, шестой и восьмой резцы. В качестве альтернативы, первые подгруппы резцов 4c,e,g, 5a,c,e и/или вторые подгруппы резцов 4a,b,d,f,h, 5b,d,f могут включать в себя фасонные резцы с не планарными рабочими поверхностями 8w.

[19] В качестве альтернативы, буровое долото 1 может дополнительно включать в себя ударные вставки, выступающие от нижней поверхности 3f каждой основной лопасти 3p в конической части 7c, и каждая ударная вставка может быть совмещена по оси с соответствующим передним резцом 9p или незначительно смещена от нее.

[20] Одно или более (показано шесть) отверстий 9p могут быть выполнены в корпусе 2 долота, и каждое отверстие может проходить от напорной камеры и через нижнюю часть корпуса долота для выпуска бурового раствора (не показано) по каналам текучей среды. Сопло 9n может быть установлено в каждом отверстии 9p и смонтировано на корпусе 2 долота. Каждое сопло 9n можно смонтировать на корпусе 2 долота с помощью резьбового соединения, выполненного в его наружной поверхности, и каждое отверстие 9p может являться резьбовым гнездом для свинчивания с соответствующим резьбовым соединением. Отверстия 9p могут включать в себя внутреннюю группу из одного или более (показано три) отверстий, расположенных в конической части 7c, и наружную группу из одного или нескольких (показано три) отверстий, расположенных в носовой части 7n и/или части 7s с уступом. Каждое внутреннее отверстие 9p может быть расположено между внутренним концом соответствующей вспомогательной лопасти 3s и центром 8c режущей поверхности.

[21] Калибрующая часть может образовывать калибрующий диаметр бурового долота 1. Калибрующая часть может включать в себя множество калибрующих накладок, например, одну калибрующую накладку для каждой лопасти 3 и каналы для выноса шлама, выполненные между калибрующими накладками. Каналы для выноса шлама могут сообщаться по текучей среде с каналами текучей среды, выполненными между лопастями 3. Калибрующие накладки могут быть расположены вокруг калибрующей части, и каждая накладка может быть выполнена во время отливки корпуса 2 долота и может выступать от наружного участка корпуса долота. Каждая калибрующая накладка может быть выполнена из одинакового материала с корпусом 2 долота, и каждая калибрующая накладка может быть выполнена за одно целое с соответствующей лопастью 3. Каждая калибрующая накладка может проходить вверх от конца соответствующей лопасти 3 в части 7s с уступом до открытой внешнему воздействию наружной поверхности хвостовика. Каждая калибрующая накладка может включать в себя переходный участок с небольшой выемкой, расположенный смежно с частью 7s с уступом, участок полного диаметра, проходящий от переходного участка, и сужающийся участок, проходящий от участка полного диаметра на хвостовике.

[22] В качестве альтернативы, калибрующие накладки могут иметь калибрующие триммеры, смонтированные в гнездах, выполненных в них, например, с помощью пайки высокотемпературным припоем, и/или калибрующие протекторы, встроенные в них. Каждый из калибрующих триммеров может быть скалывающим резцом, одинаковым с рассмотренными выше. Каждый калибрующий протектор может быть выполнен из термически стабильного PCD или PDC.

[23] При применении (не показано), буровое долото 1 может быть собрано в компоновку с одной или более утяжеленными бурильными трубами, например, с помощью резьбовых соединений, при этом образуется компоновка низа бурильной колонны (КНБК). КНБК может быть соединена с низом трубной колонны, например, с бурильной трубой или гибкой насосно-компрессорной трубой с образованием бурильной колонны. КНБК может дополнительно включать в себя инструмент управления направлением движения, такой как кривой переводник или инструмент роторной управляемой системы, для бурения наклонно-направленного участка ствола скважины. Трубную колонну можно применять для спуска КНБК в ствол скважины. Буровое долото 1 можно вращать, например, посредством вращения бурильной колонны с буровой установки (не показано) и/или забойным двигателем (не показано) КНБК, когда буровой раствор, например, промывочный раствор, подают насосом в бурильную колонну. Часть веса бурильной колонны может быть передана на буровое долото 1. Буровой раствор может выпускаться с помощью сопл 9n и уносить выбуренную породу вверх в кольцевом пространстве, образованном между бурильной колонной и стволом скважины и/или между бурильной колонной и обсадной колонной и/или колонной хвостовика.

[24] В некоторых диапазонах рабочих режимов (скорости вращения (RPM), осевой нагрузки на долото (WOB), буровые долота с неподвижным вооружением существующей техники проявляют тенденцию к бурению с неустойчивым движением, создавая скважину с диаметром больше требуемого, что приводит к проблемам вооружения. Предпочтительно, результатом включения в состав первых подгрупп резцов 4c,e,g, 5a,c,e является создание бурового долота 1, устойчивого во всех диапазонах рабочих режимов необходимых для бурения данной породы. Дополнительно, буровое долото 1 должно оставаться устойчивым без потери скорости проходки (ROP) во время бурения. Буровое долото 1 должно иметь увеличенный эксплуатационный ресурс, с результатом в виде уменьшенного механического напряжения, создаваемого в других элементах КНБК, благодаря уменьшенной вибрации, и должно исключать проблемы в соединениях, связанные с вибрацией КНБК. Дополнительно, буровое долото 1 можно изготавливать без значительных изменений технологического процесса.

[25] Выше описаны варианты осуществления настоящего изобретения, другие и дополнительные варианты осуществления изобретения можно разработать, не отклоняясь от его основного объема, и объем изобретения определяет формула изобретения, приведенная ниже.

Claims

1. Долото для бурения ствола скважины, содержащее:

корпус; и

режущую поверхность, содержащую:

лопасть, выступающую от корпуса; и ряд резцов, причем каждый резец содержит:

опорную часть, смонтированную в гнезде, выполненном смежно с передней кромкой лопасти; и

режущую пластину, изготовленную из сверхтвердого материала, смонтированную на опорной части и имеющую рабочую поверхность,

при этом:

первая подгруппа ряда резцов ориентирована под отрицательным боковым передним углом,

вторая подгруппа ряда резцов ориентирована под нулевым боковым передним углом,

причем первые и вторые подгруппы чередуются друг с другом,

самый близкий к центральной оси резец первой подгруппы имеет максимальную абсолютную величину отрицательного бокового переднего угла,

абсолютная величина каждого из отрицательных боковых передних углов остальных резцов уменьшается с увеличением расстояния от них до центра режущей поверхности,

причем упомянутая максимальная абсолютная величина отрицательного бокового переднего угла находится в диапазоне от 10 до 30 градусов, и

причем упомянутый самый близкий к центральной оси резец расположен в конической секции режущей поверхности.

2. Долото по п.1, в котором:

лопасть является основной лопастью, проходящей от центра режущей поверхности, и

самый близкий к центральной оси резец первой подгруппы является вторым или третьим резцом лопасти.

3. Долото по п.2, в котором:

режущая поверхность дополнительно содержит вспомогательную лопасть, выступающую от корпуса и проходящую от периферии конической части режущей поверхности, и второй ряд резцов смонтирован на передней кромке вспомогательной лопасти,

первая подгруппа второго ряда резцов ориентирована под отрицательным боковым передним углом,

вторая подгруппа второго ряда резцов ориентирована под нулевым боковым передним углом,

первые и вторые подгруппы второго ряда чередуются друг с другом,

самый близкий к центральной оси резец первой подгруппы второго ряда имеет максимальную абсолютную величину отрицательного бокового переднего угла, и

абсолютная величина каждого из отрицательных боковых передних углов остальных резцов второго ряда уменьшается с увеличением расстояния от них до центра режущей поверхности, и

самый близкий к центральной оси резец первой подгруппы второго ряда является первым резцом вспомогательной лопасти.

4. Долото по п.1, в котором режущая поверхность дополнительно содержит множество вспомогательных резцов, смонтированных в нижней поверхности лопасти.

5. Долото по п.1, которое дополнительно содержит хвостовик, имеющий соединение, выполненное на его верхнем конце, и корпус которого смонтирован на нижнем конце хвостовика.

6. Долото по п.1, в котором все резцы долота ориентированы каждый под передним боковым углом, меньшим или равным нулю.