БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 2003 года по МПК E21B10/16 E21B10/12 

Изобретение относится к роторному буровому долоту для бурения скважины в горной породе. Из уровня техники известны различные типы применяемых буровых долот, например, шарошечные конические долота или гидромониторные буровые долота.

В частности, известно роторное буровое долото для бурения скважины в горной породе, содержащее множество режущих элементов, расположенных с возможностью вырезания множества по существу круговых, радиально расположенных срезов в дне скважины, причем режущие элементы включают в себя, по меньшей мере, один срезающий элемент, расположенный так, чтобы выполнять срез в дне скважины с угловым интервалом поворота бурового долота после среза другого режущего элемента, слой горной породы задается между траекториями срезов, выполненных между двумя срезающими элементами, причем срезающий элемент снабжен боковой поверхностью для срезания указанного слоя горной породы в направлении среза, выполненного другим режущим элементом, дополнительно содержащее корпус долота и несколько шарошечных конусов, соединенных с возможностью вращения с корпусом долота и качения по дну скважины, причем оси вращения шарошечных конусов проходят в различных радиальных направлениях и каждый шарошечный конус снабжен, по меньшей мере, одним из указанных срезающих элементов (см. GB, А, 1082690). Эти буровые долота обычно снабжены абразивными режущими элементами, которые изготовлены из материала, имеющего высокую износостойкость, обычно применяют алмаз или карбид вольфрама. Режущее действие этих элементов обеспечивается тем, что элементы скребут по дну скважины. Продвижение бурового долота в скважине (т.е. скорость бурения) зависит от многих факторов, таких как степень износа режущих элементов, прочности породы и воздействующего на долото веса. Поскольку стоимость бурения скважины составляет существенную часть общей стоимости скважины, то постоянно существует необходимость в снижении времени бурения за счет повышения скорости бурения.

В основу изобретения положена задача создания бурового долота, обеспечивающего повышенную скорость бурения скважины в горной породе.

Поставленная задача решается тем, что в роторном буровом долоте для бурения скважины в горной породе, содержащем множество режущих элементов, расположенных с возможностью вырезания множества по существу круговых, радиально расположенных срезов в дне скважины, причем режущие элементы включают в себя, по меньшей мере, один срезающий элемент, расположенный так, чтобы выполнять срез в дне скважины, причем режущие элементы включают в себя, по меньшей мере, один срезающий элемент, расположенный так, чтобы выполнять срез в дне скважины с угловым интервалом поворота бурового долота после среза другого режущего элемента, слой горной породы задается между траекториями срезов, выполненных между двумя срезающими элементами, причем срезающий элемент снабжен боковой поверхностью для срезания указанного слоя горной породы в направлении среза, выполненного другим режущим элементом, дополнительно содержащее корпус долота и несколько шарошечных конусов, соединенных с возможностью вращения с корпусом долота и качения по дну скважины, причем оси вращения шарошечных конусов проходят в различных радиальных направлениях и каждый шарошечный конус снабжен, по меньшей мере, одним из указанных срезающих элементов, согласно изобретению каждый шарошечный конус снабжен множеством режущих вставок, расположенных с возможностью вырезания наружной радиальной секции скважины для радиальной стабилизации долота.

Желательно, чтобы каждый режущий элемент образовывал дисковый резец, проходящий вокруг оси вращения шарошечного конуса, который снабжен этим режущим элементом.

Возможно также, чтобы каждый дисковый резец имел клиновидное поперечное сечение, определяющее две боковые поверхности резца, причем, по меньшей мере, одна из боковых поверхностей была расположена с возможностью нажима на указанный слой горной породы для срезания этого слоя с образованием тем самым средства для срезания горной породы.

При этом желательно, чтобы другая боковая поверхность проходила параллельно продольной оси бурового долота.

Предпочтительно, чтобы каждый шарошечный конус был снабжен комплектом дисковых резцов, расположенных вдоль продольной оси шарошечного конуса, причем комплекты дисковых резцов, относящиеся к различным шарошечным конусам, были бы расположены в шахматном порядке друг относительно друга вдоль продольных осей шарошечных конусов.

При этом желательно, чтобы долото содержало первый шарошечный конус, имеющий первый комплект дисковых резцов, и второй шарошечный конус, имеющий второй комплект дисковых резцов.

Кроме того, возможно, чтобы долото дополнительно содержало третий шарошечный конус, имеющий третий комплект дисковых резцов.

В предпочтительном варианте каждый шарошечный конус снабжен наружным дисковым резцом, причем наружные дисковые резцы шарошечных конусов расположены в, по существу, одинаковом радиальном положении бурового долота и каждый наружный дисковый резец имеет наружную поверхность, направленную в сторону стенки скважины и снабженную множеством режущих вставок.

В другом предпочтительном варианте каждый шарошечный конус снабжен множеством внутренних режущих вставок, расположенных на внутренней части шарошечного конуса для резания центральной секции скважины.

Целесообразно, чтобы огибающая поверхность срезающих элементов на дне скважины имела выпуклую форму, и каждое средство для срезания слоя горной породы было расположено с возможностью срезания слоя в радиально внутреннем направлении.

Возможно также, чтобы огибающая поверхность срезающих элементов на дне скважины имела вогнутую форму, и каждое средство для срезания слоя горной породы было расположено с возможностью срезания указанного слоя в радиально наружном направлении.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретного варианта его осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг. 1 изображает схематично первый вариант выполнения бурового долота на виде сбоку;
фиг. 2 - правую половину первого варианта выполнения, показанного на фиг. 1;
фиг. 3 - второй вариант выполнения бурового долота в виде сбоку;
фиг. 4 - третий вариант выполнения бурового долота в виде сбоку.

На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

Первый вариант выполнения бурового долота 1, показанный на фиг. 1 и 2, включает в себя корпус 3 долота, винтовой соединитель 5 для соединения долота 1 с бурильной колонной, и два противоположных шарошечных конуса 7, 9, соединенных с возможностью вращения с корпусом 3 долота, причем оси 10, 11 вращения шарошечных конусов 7, 9 наклонены вниз и пересекаются с осью 12 вращения долота 1 в точке 14 пересечения. В качестве альтернативного решения, шарошечные конусы могут быть сдвинуты так, что оси вращения шарошечных конусов не пересекают ось вращения бурового долота 1. Шарошечный конус 7 снабжен комплектом срезающих элементов в виде дисковых резцов 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, а шарошечный конус 9 снабжен комплектом режущих/срезающих элементов в виде дисковых резцов 9а, 9b, 9с, 9d, 9е. Каждый дисковый резец имеет режущую кромку, проходящую перпендикулярно оси вращения шарошечного конуса 7, 9, к которому относится дисковый резец. Дисковые резцы 7а-7d и 9а-9d расположены так, что огибающая поверхность точек контакта дисковых резцов с дном скважины имеет выпуклую форму.

Комплект дисковых резцов 7b-7е и комплект дисковых резцов 9b-9е расположены в шахматном порядке относительно друг друга в радиальном направлении скважины. Таким образом, при рассмотрении в радиальном направлении дисковые резцы 7b-7е и дисковые резцы 9b-9е попеременно вступают в контакт с дном скважины. Для иллюстрации расположения в шахматном порядке комплектов дисковых резцов, нижние части дисковых резцов 7b-7е изображены заштрихованными между нижними частями дисковых резцов 9b-9е. Таким образом, дисковые резцы 7b-7е занимают показанное заштрихованным положение, если буровое долото 1 повернется на 180^o из показанного на фиг. 1 положения.

Радиально самые наружные дисковые резцы 7а, 9а расположены по существу в одинаковом радиальном положении бурового долота и снабжены (наружными) режущими вставками 16 на стороне, обращенной к стенке скважины, для срезания радиально наружной части скважины. Аналогичные (внутренние) режущие вставки 16 предусмотрены на внутренней концевой части каждого шарошечного конуса для бурения скальной породы, расположенной вблизи оси 12 вращения бурового долота.

Каждый дисковый резец имеет две боковые поверхности 18, 20, создающие клиновидную режущую кромку 17, как показано только на фиг. 1, причем другие дисковые резцы имеют аналогичные боковые поверхности и режущие кромки. Каждая боковая поверхность 18 проходит перпендикулярно оси 10, 11 вращения шарошечного конуса 7, 9, к которому относится дисковый резец. Таким образом, во время бурения боковая поверхность 18 нажимает на скальную породу в направлении точки 14 пересечения. Боковая поверхность 20 проходит параллельно оси 12 вращения бурового долота 1 в точке контакта с дном скважины.

На фиг. 3 показан второй вариант выполнения бурового долота 31, согласно изобретению который в большей части аналогичен первому варианту выполнения, а отличие состоит в том, что буровое долото 31 имеет три шарошечных конуса 35, 37, 39, из которых на чертеже изображен только шарошечный конус 39. Три шарошечных конуса расположены с интервалом в 120^o и являются аналогичными шарошечным конусам первого варианта выполнения, описанного применительно к фиг. 1 и 2. Для лучшего понимания показаны только три дисковых резца без стабилизирующих резцов для каждого из трех шарошечных конусов. Следует подчеркнуть, что на практике может быть предусмотрено любое подходящее количество дисковых резцов и стабилизирующих резцов на каждом шарошечном конусе. В варианте выполнения, согласно фиг. 3, шарошечный конус 35 имеет комплект дисковых резцов 35а, 35b, 35с, шарошечный конус 37 имеет комплект дисковых резцов 37а, 37b, 37с и шарошечный конус 39 имеет комплект дисковых резцов 39а, 39b, 39с. Три комплекта дисковых резцов расположены в шахматном порядке в радиальном направлении скважины. Таким образом, при рассмотрении в радиальном направлении дисковые резцы 35а-35с, 37а-37с и 39а-39с поочередно контактируют с дном скважины. Для иллюстрации расположения в шахматном порядке комплектов дисковых резцов, нижние части дисковых резцов 35а-35с и 37а-37с изображены заштрихованными между нижними частями дисковых резцов 39а-39с. Дисковые резцы 35а-35с занимают показанное заштрихованным положение, если буровое долото 1 повернется на 120^o из показанного на фиг. 1 положения, а дисковые резцы 37а-37с занимают показанное заштрихованным положение, если буровое долото 1 повернется на 240^o из показанного на фиг. 1 положения.

На фиг. 4 показан третий вариант выполнения бурового долота 41, согласно изобретению который в большей части аналогичен второму варианту выполнения, а отличие состоит в том, что дисковые резцы расположены так, что огибающая поверхность точек контакта дисковых резцов с дном скважины имеет вогнутую форму в противоположность выпуклой форме в первом и втором вариантах выполнения. Кроме того, боковая поверхность 18 каждого дискового резца ориентирована так, чтобы нажимать на скальную породу в радиально наружном направлении. Боковая поверхность 20 каждого дискового резца (показанная штрих-пунктирными линиями) проходит параллельно оси 412 вращения бурового долота 41. Предусмотрены три шарошечных конуса 45, 47, 49, из которых показан только шарошечный конус 49. Показаны только четыре дисковых резца без стабилизирующих резцов для каждого из трех шарошечных конусов. Следует также подчеркнуть, что на практике может быть предусмотрено любое подходящее количество дисковых резцов и стабилизирующих резцов на каждом шарошечном конусе. Шарошечный конус 45 имеет комплект дисковых резцов 45а-45d, шарошечный конус 47 имеет комплект дисковых резцов 47а-47d и шарошечный конус 49 имеет комплект дисковых резцов 49a-49d. Аналогично второму варианту выполнения, три комплекта дисковых резцов расположены в шахматном порядке в радиальном направлении скважины.

Нормальная работа первого варианта выполнения поясняется ниже со ссылками на фиг. 2, на которой показана правая половина фиг. 1. Для пояснения нормальной работы бурового долота 1 можно рассматривать только три дисковых резца 9с, 7с, 9d, поскольку другие дисковые резцы работают аналогичным образом. Во время вращения бурового долота в скважине резцы 9с, 7с, 9d создают смежные срезы 22, 24, 26 в дне скважины. На фиг. 2 эти срезы показаны в виде прямых линий, однако на практике срезы имеют форму, более или менее соответствующую сечению резцов, проникающих в дно скважины. Линии f-j обозначают огибающую поверхность уровней глубины дисковых резцов в зависимости от угла вращения бурового долота. Таким образом, начиная с угла поворота долота 0^o на уровне f глубины скважины, линия g обозначает уровень при повороте долота на угол 180^o, линия h - уровень при повороте долота на угол 360^o, линия i - уровень при повороте долота на угол 540^o и линия j - уровень при повороте долота на угол 720^o,
При повороте долота на угол 180^o резцы 9с, 9d образуют срезы 22, 26 до уровня g глубины (поворот долота на угол 180^o). Когда резец 9с создает срез 22 в дне скважины, боковая поверхность 18 резца 9с нажимает на слой скальной породы 28 в направлении оси 12 долота, причем этот слой скальной породы 28 расположен между срезами 22 и 26/ Однако срезание этого слоя скальной породы затрудняется присутствием дискового резца 9d в срезе 26. После поворота бурового долота на угол 360^o дисковый резец 7с создает срез 24, расположенный между срезами 22 и 26. Дисковые резцы находятся теперь на уровне h глубины, так что срез 24 проходит до уровня h. Во время выполнения среза 24 боковая поверхность 18 дискового резца 7с нажимает на часть 28а слоя скальной породы 28, причем часть 28а расположена между срезами 24 и 26. В этом случае присутствие среза 26 обеспечивает срезание части 28а скальной породы вдоль линии s1, проходящей между срезом 24 на уровне h и срезом 26 на уровне g.

При повороте бурового долота 1 на угол 540^o срезы 22, 26 углубляются дисковыми резцами 9с, 9d до уровня i глубины. При этом боковая поверхность 18 дискового резца 9с срезает часть 28b слоя скальной породы 28, поскольку отсутствует удаленная перед этим часть 28а скальной породы. Срезание этой части 28b происходит вдоль линии s2, проходящей между срезом 22 на уровне i и срезом 24 на уровне h. Отсюда следует, что форма поперечного сечения дна скважины во время бурения определяется ступенчатым срезанием частей скальной породы вдоль линий s1, s2 и т.д. Таким образом, линии f-g на фиг. 2 отражают только огибающую поверхность дисковых резцов, а не текущую форму дна скважины.

При продолжении бурения части 28с и 28d скальной породы срезаются вдоль соответствующих линий s3 и s4 аналогично частям 28а и 28b, как описано выше. Резание и срезание скальной породы другими дисковыми резцами бурового долота происходит аналогичным образом. Таким образом, скальная порода на дне скважины удаляется с помощью комбинирования резания и срезания, что позволяет удалять со дна скважины более крупные частицы скальной породы, чем только с помощью резания (как в случае применения обычных буровых долот).

Радиально наружная часть скважины бурится наружными вставными режущими вставками 16 на радиально наружных дисковых резцах 7а, 9а, а центральная часть скважины бурится внутренними вставными режущими вставками 16 на внутренней части каждого шарошечного конуса. На наружные вставные режущие вставки 16 воздействуют срезающие усилия со стороны скальной породы. Результирующее срезающее усилие в плоскости, перпендикулярной продольной оси бурового долота, действующее на каждую режущую вставку 16, направлено внутрь от стенки скважины, и величина срезающего усилия увеличивается в зависимости от величины радиального проникновения режущей вставки 16 в стенку скважины. Общее результирующее усилие в указанной плоскости является векторной суммой результирующих срезающих усилий, действующих на все наружные вставные элементы. Если долото подвергается смещению в направлении, перпендикулярном центральной линии скважины, то эта векторная сумма изменяется по величине и имеет составляющую, которая противодействует смещению. Таким образом, если долото проникает дальше в стенку скважины в одном радиальном направлении, а не в любом другом радиальном направлении, то отклонение векторной суммы составляющих срезающей силы в указанной плоскости противодействует такому проникновению и тем самым стабилизирует радиально буровое долото во время бурения. Аналогичным образом, на внутренние вставные элементы 16 действуют направленные наружу срезающие усилия со стороны скальной породы в центральной части дна скважины, и таким образом, они также способствуют радиальной стабильности бурового долота во время бурения.

Нормальная работа второго варианта выполнения аналогична нормальной работе первого варианта выполнения, хотя скальная порода срезается при повороте бурового долота на каждые 120^o, вместо 180^o, как в первом варианте выполнения.

Нормальная работа третьего варианта выполнения аналогична нормальной работе второго варианта выполнения, хотя в этом случае скальная порода срезается в радиально наружном направлении скважины вследствие вогнутой формы огибающей поверхности точек контакта дисковых резцов с дном скважины.

Изобретение относится к буровой технике, в частности к роторному буровому долоту для бурения скважины в горной породе. Долото содержит множество режущих элементов, расположенных с возможностью вырезания множества, по существу, круговых, радиально расположенных срезов в дне скважины. Режущие элементы включают в себя, по меньшей мере, один срезающий элемент, расположенный так, чтобы выполнять срез в дне скважины с угловым интервалом поворота бурового долота после среза другого режущего элемента. Слой горной породы задается между траекториями срезов, выполненных между двумя срезающими элементами. Срезающий элемент снабжен боковой поверхностью для срезания указанного слоя горной породы в направлении среза, выполненного другим режущим элементом. Долото также содержит корпус долота и несколько шарошечных конусов, соединенных с возможностью вращения с корпусом долота и качения по дну скважины. Оси вращения шарошечных конусов проходят в различных радиальных направлениях. Каждый шарошечный конус снабжен, по меньшей мере, одним из указанных срезающих элементов и множеством режущих вставок, расположенных с возможностью вырезания наружной радиальной секции скважины для радиальной стабилизации долота. Повышается надежность работы и производительность долота. 10 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Роторное буровое долото для бурения скважины в горной породе, содержащее множество режущих элементов, расположенных с возможностью вырезания множества, по существу, круговых, радиально расположенных срезов в дне скважины, причем режущие элементы включают в себя, по меньшей мере, один срезающий элемент, расположенный так, чтобы выполнять срез в дне скважины с угловым интервалом поворота бурового долота после среза другого режущего элемента, слой горной породы задается между траекториями срезов, выполненных между двумя срезающими элементами, причем срезающий элемент снабжен боковой поверхностью для срезания указанного слоя горной породы в направлении среза, выполненного другим режущим элементом, дополнительно содержащее корпус долота и несколько шарошечных конусов, соединенных с возможностью вращения с корпусом долота и качения по дну скважины, причем оси вращения шарошечных конусов проходят в различных радиальных направлениях и каждый шарошечный конус снабжен, по меньшей мере, одним из указанных срезающих элементов, отличающееся тем, что каждый шарошечный конус снабжен множеством режущих вставок, расположенных с возможностью вырезания наружной радиальной секции скважины для радиальной стабилизации долота. 2. Долото по п.1, отличающееся тем, что каждый режущий элемент образует дисковый резец, проходящий вокруг оси вращения шарошечного конуса, который снабжен этим режущим элементом. 3. Долото по п.2, отличающееся тем, что каждый дисковый резец имеет клиновидное поперечное сечение, определяющее две боковые поверхности резца, причем, по меньшей мере, одна из боковых поверхностей расположена с возможностью нажима на указанный слой горной породы для срезания этого слоя с образованием тем самым средства для срезания горной породы. 4. Долото по п.3, отличающееся тем, что другая боковая поверхность проходит параллельно продольной оси бурового долота. 5. Долото по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что каждый шарошечный конус снабжен комплектом дисковых резцов, расположенных вдоль продольной оси шарошечного конуса, причем комплекты дисковых резцов, относящиеся к различным шарошечным конусам, расположены в шахматном порядке друг относительно друга вдоль продольных осей шарошечных конусов. 6. Долото по п.5, отличающееся тем, что оно содержит первый шарошечный конус, имеющий первый комплект дисковых резцов, и второй шарошечный конус, имеющий второй комплект дисковых резцов. 7. Долото по п.6, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит третий шарошечный конус, имеющий третий комплект дисковых резцов. 8. Долото по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что каждый шарошечный конус снабжен наружным дисковым резцом, причем наружные дисковые резцы шарошечных конусов расположены в, по существу, одинаковом радиальном положении бурового долота и каждый наружный дисковый резец имеет наружную поверхность, направленную в сторону стенки скважины и снабженную множеством режущих вставок. 9. Долото по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что каждый шарошечный конус снабжен множеством внутренних режущих вставок, расположенных на внутренней части шарошечного конуса для вырезания центральной секции скважины. 10. Долото по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что огибающая поверхность срезающих элементов на дне скважины имеет выпуклую форму, и каждое средство для срезания слоя горной породы расположено с возможностью срезания указанного слоя в радиально внутреннем направлении. 11. Долото по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что огибающая поверхность срезающих элементов на дне скважины имеет вогнутую форму, и каждое средство для срезания слоя горной породы расположено с возможностью срезания указанного слоя в радиально наружном направлении.