РЕЗЦЫ ДЛЯ СКВАЖИННЫХ РЕЖУЩИХ УСТРОЙСТВ Российский патент 2010 года по МПК E21B10/567 

Область техники

Настоящее изобретение относится в основном к конструкции и применению резцов для режущих лап и лезвий (лопастей) раздвижных буровых расширителей, фрезеров и других скважинных инструментов.

Описание использованного в изобретении уровня техники

Роторные режущие фрезеры и режущие элементы оправки представляют собой устройства, которые включаются в конструкцию колонны буровых труб и используются для прорезания в боковом направлении металлической трубчатых элементов, таких как располагающаяся в стволе скважины обсадная труба, хвостовики обсадной колонны, насосно-компрессорная труба, скважинная колонна или оправки. Режущие элементы оправки используются для раздела металлических трубчатых элементов. Режущие фрезеры представляют собой инструменты, которые используются в операциях по уходу в сторону из главного ствола буровой скважины для прорезания окошка в окружающей обсадной трубе и для того, чтобы позволить осуществить бурение искривленной буровой скважины. В традиционных инструментах такого типа многочисленные небольшие индивидуальные режущие элементы (резцы) крепятся на множество лап с режущими элементами или лезвий, которые вращаются вокруг сердечника. Наиболее традиционные резцы представляют собой кольцеобразную (круглую) режущую поверхность. Другие традиционные формы резцов включают прямоугольные, звездообразные и трапецеидальные формы, хотя они являются менее распространенными. Однако применение таких кольцеобразных резцов имеет определенные недостатки, когда они применяются для прорезания через металлические трубчатые элементы. Прежде всего, существует лишь небольшая площадь сцепления между резцом и лапой с режущим элементом или лезвием, к которому крепится резец. Площадь сцепления в основном представляет собой область круга. Во время резания резцы могут ослабнуть и сломаться, отсоединившись от лапы с режущим элементом. Помимо этого, геометрия кольцеобразных резцов приводит к наличию значительного промежуточного пространства между ними. Это является вредным, особенно когда резец осуществляет прорезание через металл, который является пластичным, такой как в случае обсадной трубы, содержащей большое количества хрома и/или никеля. Эти материалы попадут в промежуточные пространства и разрушат лапу с режущим элементом во время операции прорезания.

В случае же роторных режущих фрезеров наличие больших промежуточных пространств также представляет собой значительную проблему в виду схемы резания, осуществляемой фрезером. По мере вращения фрезера резцы вынуждены осуществлять неоднократное перемещение вдоль определенных траекторий в прорезаемом материале. Эта повторяющаяся схема резания приводит к образованию выемок в прорезанном материале и вызывает нежелательное попадание несрезанных порций находящегося между выемками материала в промежуточные пространства. Для предотвращения этого на альтернативных лезвиях использовались полукруглые резцы, что приводило к смещению. Однако эти полукруглые резцы имеют небольшие площади сцепления и являются подверженными выламыванию.

Режущие элементы оправки имеют по меньшей мере один резец, который вращается таким образом, чтобы осуществить круговое прорезание через окружающий металлический трубный элемент. Режущие элементы оправки имеют много проблем, поскольку они требуют использования режущих частей, которые являются весьма маленькими и узкими, что необходимо для эффективного прорезания посредством оправки. Ограничения, накладываемые на размер режущей части, осложняют проблему площадей сцепления, которая была описана выше.

В основу настоящего изобретения положена задача устранения проблемам уровня техники.

Сущность изобретения

В настоящем изобретении предлагается улучшенная конструкция резца и скважинных режущих инструментов, таких как режущие элементы оправки, а также роторные фрезеры. В настоящем изобретении предлагается улучшенный резец, имеющий закругленную прямоугольную или ромбовидную форму. Резец может быть сформирован из карбида или прессовки поликристаллического синтетического алмаза (ПСА). Резец представляет в поперечном сечении режущую область, которая имеет пару криволинейных и предпочтительно аркообразных концевых секций, а также удлиненную центральную секцию, имеющую в основном прямые или плоские стороны. Является предпочтительным, чтобы величина общей длины резца превышала бы величину его ширины в 1,5 раза. В случае предпочтительного варианта осуществления изобретения резец имеет поднятый режущий край, который служит для стружколомания во время операций прорезания.

Резцы по настоящему изобретению имеют преимущества с точки зрения присоединения к лапе с режущим элементом или к лезвию. В частности, увеличивается площадь сцепления и благодаря этому резцы остаются на своем месте, будучи закрепленными более надежным образом. Помимо этого, расположение закругленных прямоугольных резцов на лапе с режущим элементом приводит к наличию меньших по величине промежуточных расстояний между резцами. В результате это приводит к меньшей экструзии пластичных металлов в промежуточные пространства и к меньшему ущербу лапе с режущим элементом или лезвию, на котором расположены резцы.

Краткое описание чертежей:

Для всестороннего понимания настоящего изобретения делается ссылка на последующее детальное описание предпочтительных вариантов его осуществления, приводимое вместе с сопровождающими чертежами, где аналогичные номера ссылок обозначают подобные или одинаковые элементы на нескольких чертежах, на которых:

фиг.1 представляет собой изометрическое изображение - пример резца, сконструированного согласно настоящему изобретению;

фиг.2 представляет собой вид сверху на резец, изображенный на фиг.1;

фиг.3 представляет собой вид сверху на резец альтернативного варианта настоящего изобретения;

фиг.4 представляет собой иллюстрацию лапы с режущим элементом для скважинного режущего инструмента, имеющей множество закрепленных на ней дисковых резцов, изготовленных согласно известному уровню техники;

фиг.5 представляет собой иллюстрацию лапы с режущим элементом для скважинного режущего инструмента, имеющей множество закрепленных на ней резцов типа, изображенного на фиг.1 и 2;

фиг.6 и 6А изображают лапу с режущим элементом оправки с резцами типа, изображенного на фиг.1 и 2;

фиг.7 иллюстрирует скважинный роторный фрезер, который содержит резцы согласно настоящему изобретению.

Детальное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Фиг.1 и 2 изображают резец 10, который сконструирован согласно настоящему изобретению. Резец 10 имеет корпус (тело) 12, который предпочтительно изготовлен из твердого карбида. Однако резец 10 может также быть изготовлен из ПСА, как это известно из уровня техники, или же из иного материала пригодного для применения при скважинном прорезании. Корпус 12 имеет режущую поверхность 14 и боковую стенку 16. Является предпочтительным, чтобы резец 10 имел бы приподнятый стружколомающий край 18, который бы располагался рядом с внешним контуром режущей поверхности 14. При рассмотрении сверху, как это предлагается на фиг.2, видно, что корпус 12 резца 10 в основном изготовлен из трех секций: двух концевых секций 20, 22 с торцевыми стенками 23, которые выполняются полукруглыми по форме, и из в целом прямоугольной центральной секции 24, которая соединяет две концевые секции 20, 22, что приводит к образованию закругленной прямоугольной (ромбовидной) формы резца 10.

Фиг.2 также иллюстрирует предпочтительные в настоящем случае размеры резца 10. Резец 10 имеет общую длину 26, которая измеряется от конца одной полукруглой секции 20 до конца другой полукруглой секции 22. Резец 10 также имеет ширину 28, которая проходит от одной боковой стороны центральной секции 24 к другой ее стороне. Ширина 28 также равна диаметру полукруглых концевых секций 20, 22. В предпочтительном варианте осуществления изобретения длина 26 резца 10 приблизительно равна 1,5 ширины 28 резца 10. Предпочтительная в настоящем случае ширина 29 резца 10 приблизительно равна 3/8" (0,953 сантиметра).

Фиг.3 изображает альтернативный предпочтительный вариант резца 10', который изготовлен согласно настоящему изобретению. Резец 10' подобен резцу 10 описанному ранее. Однако концевые секции 20' и 22' выполнены аркообразными, а не полукруглыми. Вместо этого концевые секции 20' и 22' имеют торцевую стенку 23' с более большим радиусом кривизны и, следовательно, она представляет собой сегмент дуги, который по размеру меньше, чем полукруг. В случае этого предпочтительного варианта осуществления изобретения длина резца 10' все еще превышает его ширину, а описанное ранее значение величины предпочтительного отношения длины к ширине также применяется и по отношению к данному предпочтительному варианту осуществления изобретения. Отмечается, что торцевые стенки 23' концевых секций 20', 22' не требуют каких-либо особенных радиусов кривизны и, следовательно, могут представлять собой относительно сглаженную кривизну, как в случае фиг.3, или же более четко выраженную кривизну. Дополнительно к этому радиус кривизны торцевых стенок 23, 23' не должен представлять собой постоянную величину, а может быть просто криволинейным. Отмечается, что боковые стороны 31 центральной секции 24 выполнены в целом прямыми и плоскими.

Фиг.4 иллюстрирует типичную лапу с режущим элементом или режущий элемент 30, имеющий поднятую режущую часть 32. Лапа 30 с режущим элементом представляет собой тип лапы, являющейся частью скважинного режущего инструмента, которая используется для роторного прорезания в части боковой стенки ствола скважины, как это известно из уровня техники. К ней прикреплено множество резцов 34 известного уровня техники, которые имеют режущие поверхности круглой формы. Отмечается, что между резцами 34 на приподнятой режущей части 32 имеется значительное промежуточное пространство 36. Во время осуществления операций внутрискважинного прорезания или фрезерования, промежуточное пространство 36 между резцами 34 в значительной степени подвержено воздействию эрозии. Особенно это происходит тогда, когда фрезеруемые или прорезаемые материалы являются высокопластичными, как те материалы, которые имеют высокое содержание хрома и/или никеля и когда измельченный материал имеет тенденцию попадать в промежуточное пространство 36 и разъедать лапу 30 с режущим элементом. Также на фиг.4 изображен половинный резец 34а, который применяется, чтобы обеспечить наличие должного промежуточного пространства с другими резцами 34 на приподнятой режущей части 32. Применение половинных резцов 34а является проблематичным, поскольку в данном случае существует минимальная площадь сцепления и, следовательно, половинные резцы весьма вероятно будут выломаны из лапы 30 с режущим элементом.

Фиг.5 изображает лапу 30 с режущим элементом, имеющую множество закрепленных на ней резцов 10 типа, который был описан ранее относительно фиг.1 и 2, согласно настоящему изобретению. Применение закругленных прямоугольных резцов 10 приводит к наличию меньшего промежуточного пространства 36 на приподнятой режущей части 32, в результате чего лапа 30 с режущим элементом подвергается меньшему воздействию эрозии. Дополнительно к этому увеличенная длина 26 резца 10 по сравнению с резцом 34 означает, что в данном случае существует большая площадь сцепления между каждым резцом 10 и лапой 30 с режущим элементом по сравнению с резцами 34 согласно известному уровню техники. Резцы обычно крепятся к лапе с режущим элементом при помощи высокотемпературной пайки и сварки. Увеличенный размер площади сцепления приводит к использованию резцов, которые более надежно крепятся к лапе 30 с режущим элементом. Дополнительно к этому ширина 28 резца 10 аналогична по величине ширине (диаметру) традиционных округлых резцов 34, что позволяет резцам 10 располагаться на режущей поверхности, имеющей более узкую ширину при наличии улучшенной площади и силы сцепления.

Фиг.6 изображает лапу 30 с режущим элементом для режущего элемента оправки. Лапа 50 с режущим элементом имеет близлежащую (проксимальную) часть 52, имеющую отверстие 54 для штифта, благодаря которому лапа 50 с режущим элементом шарнирно крепится к оправке (не показана), а также она имеет отдаленную (дистальную) режущую часть 56. Отдаленная режущая часть 56, которая более отчетливо изображена крупным планом на фиг.6А, содержит удерживающую область 58 резца, ограниченную боковой поверхностью 60 и выступом 62. Резцы 10 располагаются сверху удерживающей области 58 и имеют весьма малое промежуточное пространство.

Фиг.7 иллюстрирует роторный фрезер 70 типа, используемого в операциях по уходу в сторону из главного ствола буровой скважины для фрезерования бокового отверстия в обсадной колонне буровой скважины. Фрезеры такого типа обычно известны из уровня техники и включают фрезер для прорезания окон в обсадной колонне марки SILVERBACK™, доступный для приобретения в компании Baker Oil Tools of Houston, штат Техас, США. Фрезер 70 имеет пять режущих лезвий или лап 72 с режущим элементом, которые вращаются вокруг сердечника 74 во время операции фрезерования. Каждое из этих лезвий 72 имеет установленные на них резцы 10. Отмечается, что лезвия 72 могут содержать также некоторые округлые традиционные резцы 34. Резцы 10, 34 закрепляются на режущих лезвиях 72 таким образом, что эти резцы оказываются смещенными относительно друг друга на соседних лезвиях 72. Так, к примеру, наиболее удаленный конец края лезвия 72А имеет четыре резца 10, которые располагаются впритык друг к другу. Однако соседнее лезвие 72 В имеет ведущий резец 10А, который повернут под углом 90 градусов относительно других резцов 10, что приводит к смещению в шахматном порядке промежуточного пространства 36 между резцами 10, 10А, 34 на соседних лезвиях 72. В результате такого смещения лезвия 72 будут менее изношенными в промежуточных пространствах 36.

Тестирование показало, что использование резцов, сконструированных согласно настоящему изобретению, обладает множеством преимуществ по сравнению с использованием традиционных круглых резцов. Скругленная прямоугольная форма резцов 10 позволяет устанавливать их на узких режущих поверхностях, таких как приподнятая режущая часть 32. Такие резцы полезны в случае лап с режущим элементом, имеющих узкие режущие поверхности, поскольку они способствуют уменьшению силы нагрузки при резании, имея при этом достаточную величину площади сцепления, чтобы оставаться надежно закрепленными во время резания. Стружколомающий край 18 служит для разлома секций с породой, которые могут формироваться во время резания.

Специалисты поймут, что могут быть осуществлены множественные модификации и изменения примеров описанных конструкций и вариантов и то, что изобретение ограничивается лишь признаками формулы изобретения, которые следуют далее, а также их эквивалентами.

Изобретение относится к буровому инструменту. Техническим результатом является повышение стойкости бурового инструмента. Резец имеет корпус, включающий первую концевую секцию (20), имеющую режущую поверхность с аркообразной торцевой стенкой, вторую концевую секцию (22), имеющую режущую поверхность с аркообразной концевой стенкой и центральную секцию (24), соединяющую первую и вторую концевые секции и имеющую в основном плоские боковые стороны. При этом аркообразные торцевые стенки первой и второй концевых секций выполнены полукруглыми или в виде сегментов арки. Длина резца составляет приблизительно 1,5 ширины резца. Предложен также режущий инструмент для использования при скважинном резании, содержащий режущий элемент и, по меньшей мере, один указанный выше резец, прикрепленный к режущему элементу. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Резец для использования на лапе с режущим элементом скважинного режущего устройства, включающий первую концевую секцию, имеющую режущую поверхность с аркообразной торцевой стенкой, вторую концевую секцию, имеющую режущую поверхность с аркообразной концевой стенкой, и центральную секцию, соединяющую первую и вторую концевые секции и имеющую в основном плоские боковые стороны.

2. Резец по п.1, в котором корпус резца изготовлен из карбида.

3. Резец по п.1, в котором корпус резца изготовлен из поликристаллического синтетического алмаза (ПСА).

4. Резец по п.1, в котором корпус резца имеет длину, измеряемую от конца первой концевой секции до конца второй концевой секции, а также ширину, измеряемую от противоположных боковых сторон центральной секции, и при этом длина резца превышает его ширину.

5. Резец по п.4, в котором длина резца составляет приблизительно 1,5 ширины резца.

6. Резец по п.1, в котором корпус резца образует режущую поверхность, имеющую приподнятый стружколомающий край.

7. Резец по п.4, в котором ширина резца приблизительно равна 3/8" (0,953 см).

8. Резец по п.1, в котором аркообразные торцевые стенки первой и второй концевых секций выполнены полукруглыми.

9. Резец по п.1, в котором аркообразные торцевые стенки первой и второй концевых секций выполнены в виде сегментов арки.

10. Режущий инструмент для использования при скважинном резании, содержащий режущий элемент для ротационного резания внутри пласта, окружающего ствол скважины, по меньшей мере, один резец, прикрепленный к режущему элементу и имеющий корпус, включающий первую концевую секцию, имеющую режущую поверхность с аркообразной торцевой стенкой, вторую концевую секцию, имеющую режущую поверхность с аркообразной концевой стенкой, и центральную секцию, соединяющую первую и вторую концевые секции и имеющую в основном плоские боковые стороны.

11. Режущий инструмент по п.10, в котором корпус, по меньшей мере, одного резца изготовлен из карбида.

12. Режущий инструмент по п.10, в котором корпус, по меньшей мере, одного резца изготовлен из ПСА.

13. Режущий инструмент по п.10, в котором на режущем элементе закреплено множество резцов.

14. Режущий инструмент по п.10, в котором, по меньшей мере, один резец имеет длину, измеряемую от конца первой концевой секции до конца второй концевой секции, а также ширину, измеряемую от противоположных боковых сторон центральной секции, и при этом длина резца превышает его ширину.

15. Режущий инструмент по п.14, в котором длина каждого из резцов составляет приблизительно 1,5 его ширины.

16. Режущий элемент по п.10, в котором корпус каждого из резцов образует режущую поверхность, имеющую приподнятый стружколомающий край.

17. Режущий инструмент по п.14, в котором ширина упомянутого, по меньшей мере, одного резца приблизительно равна 3/8".

18. Режущий инструмент по п.10, в котором аркообразные торцевые стенки первой и второй концевых секций выполнены полукруглыми.

19. Режущий инструмент по п.10, в котором аркообразные торцевые стенки первой и второй концевых секций выполнены в виде сегментов арки.

20. Режущий инструмент по п.10, в котором режущий элемент представляет собой лезвие на роторном фрезере.

21. Режущий инструмент по п.10, в котором режущий элемент представляет собой режущий элемент оправки.

22. Режущий инструмент для скважинного резания, содержащий режущий элемент для ротационного резания внутри пласта, окружающего ствол скважины, по меньшей мере, один резец, прикрепленный к режущему элементу и включающий первую концевую секцию, имеющую криволинейную торцевую стенку, вторую концевую секцию, имеющую криволинейную торцевую стенку, и центральную секцию, соединяющую первую и вторую концевые секции и имеющую в основном плоские боковые стороны, причем, по меньшей мере, один резец имеет длину, измеряемую от конца первой концевой секции до конца второй концевой секции, а также ширину, измеряемую от противоположных боковых сторон центральной секции, и при этом длина резца превышает его ширину.

23. Режущий инструмент по п.22, в котором корпус, по меньшей мере, одного резца изготовлен из карбида.

24. Режущий инструмент по п.22, в котором длина каждого из резцов резца составляет приблизительно 1,5 ширины упомянутого резца.

25. Режущий инструмент по п.22, в котором ширина, по меньшей мере, одного упомянутого резца приблизительно равна 3/8".
Приоритет по пунктам: 07.07.2006 по пп.1-25.