КОРОНКА ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН И СПОСОБ БУРЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК E21B10/04 E21B10/43 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к коронке для бурения скважин, и более конкретно цилиндрических скважин большой глубины, таких как шахтные стволы, нефтяные или газовые скважины. Настоящее изобретение также относится к способу бурения скважин с использованием этой коронки.

Уровень техники

Коронка представляет собой инструмент для бурения, предназначенный для установки на конце буровой колонны для бурения скважины в пласте. Под пластом понимают породу, достаточно пористую и проницаемую, содержащую текучую среду (воду, нефть, газ). Эта текучая среда может накапливаться и формировать залежь.

Металлическая буровая вышка поддерживает буровую колонну, которую вращает ротор буровой установки. Буровой раствор, специальную смесь глины, воды и химических продуктов непрерывно вводят во внутреннюю часть буровых труб, затем этот раствор выходит через коронку и возвращается на поверхность через кольцевой зазор между буровыми трубами и стенками скважины. Циркуляция бурового раствора охлаждает коронку и обеспечивает удаление отходов бурения. На поверхности буровой раствор фильтруют и вводят повторно. Анализ отходов бурения обеспечивает ценную информацию о природе и составе пробуренной породы.

Тридцать лет назад бурение скважины большой глубины могло занять несколько месяцев. Кроме того, для увеличения скорости бурения были предложены коронки, которые не бурят центр скважины. Фактически, периферийная линейная скорость коронки уменьшается от периферии коронки к ее центру и в центре коронки равна нулю. Таким образом, отказ от бурения центра скважины обеспечил дополнительную эффективность коронки. Однако коронка такого типа оставляет керн в центре, который необходимо измельчить или удалить.

Известны коронки различных типов, которые не бурят центр скважины.

В частности из документа US-A-2931630 известна коронка, содержащая решетку, на поверхности которой смонтирован ряд алмазов. Кроме того, эта коронка содержит полость для приема керна, который периодически отрывают и удаляют перемещением к внешней стороне и выше коронки. Решетка, на которой смонтирован ряд алмазов, обеспечивает бурение твердых и очень твердых пород. Однако, если коронка встречает мягкую породу, промежутки между алмазами могут быть забиты породой, и инструмент не может продолжать бурение. В настоящее время при бурении скважин большой глубины коронка проходит через геологические формирования различных типов, и вполне вероятна встреча с мягкой породой. Таким образом, инструмент этого типа не подходит для бурения скважин большой глубины.

Коронки, снабженные камерой для дробления сформированного в процессе бурения керна, известны из документов FR-A-2141510 и FR-A-2197325. Однако, если коронка встречает мягкую породу, камера дробления забивается породой. Поэтому коронка, снабженная камерой дробления, должна быть изготовлена так, чтобы ее можно было чистить, что приводит к значительной потере времени.

Из документа ВЕ-А-1014561 также известна коронка, оборудованная средством или устройством, пригодным для измельчения кернов прогрессивным или непрерывным способом или периодически, причем это средство или это устройство расположено в центральной области корпуса коронки. В одном варианте выполнения средство для отрыва керна представляет собой боковую стенку в центральной части корпуса коронки. В этом случае керн периодически отрывается под действием переданных ему механических колебаний. Однако если коронка встречает мягкую породу, то центральная область коронки забивается. В этом случае ее необходимо демонтировать для чистки, что приводит к значительной потере времени.

Сущность изобретения

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в предложении такой коронки, которая обеспечивает быстрое бурение скважин большой глубины в породах всех типов без риска засорения.

Эта задача достигнута коронкой для бурения скважин, содержащей:

- переднюю поверхность;

- ряд радиальных лезвий, снабженных режущими элементами, при этом лезвия распределены вокруг передней поверхности;

- пространство для формирования керна, расположенное в центре передней поверхности;

- полость для переноса керна к периферии коронки, расположенную между двумя смежными лезвиями.

Согласно другой отличительной особенности полость ограничена двумя боковыми поверхностями и задней поверхностью, причем задняя поверхность сдвинута назад относительно передней поверхности.

Согласно другой отличительной особенности задняя поверхность выполнена с возможностью для удаления керна одновременно к периферии и в сторону задней части коронки.

Согласно другой отличительной особенности коронка также содержит устройство для отрезания керна.

Согласно другой отличительной особенности отрезное устройство расположено в полости близко к центру коронки.

Согласно другой особенности отрезное устройство представляет собой наконечник, выполненный из износостойкого материала.

Согласно другой особенности наконечник имеет наклон относительно оси коронки.

Согласно другой отличительной особенности размеры полости подходят для формирования цилиндрических кернов, длина которых равна, по меньшей мере, их двойному диаметру.

Согласно другой отличительной особенности коронка также содержит каналы подачи бурового раствора, причем каждый канал выходит на переднюю поверхность.

Согласно другой отличительной особенности один из каналов выходит в полость и предназначен для облегчения переноса керна к периферии коронки.

Согласно другой отличительной особенности коронка также содержит элемент для радиального среза керна.

Другая задача изобретения состоит в обеспечении способа бурения скважин с использованием описанной выше коронки, содержащего шаги, на которых:

- формируют керн в центре коронки;

- удаляют керн через просверленную скважину на поверхность земли;

- извлекают керн.

Согласно другой отличительной особенности этот способ бурения также содержит шаг анализа петрофизических свойств керна.

Краткое описание

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут очевидными в последующем подробном описании вариантов выполнения настоящего изобретения, приведенных лишь в качестве примера, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг.1 показывает в аксонометрии вид коронки (инструмента из поликристаллического алмазного композита (ПАК)) согласно изобретению.

Фиг.2 показывает продольный разрез коронки (инструмент со вставками) согласно изобретению.

Фиг.3 показывает вид спереди коронки (инструмента из ПАК) согласно изобретению.

Фиг.4 показывает вид сбоку режущего элемента.

Фиг.5 показывает продольный разрез передней поверхности коронки.

Осуществление изобретения

Коронка согласно настоящему изобретению содержит переднюю поверхность. Коронка также содержит ряд радиальных лезвий, снабженных режущими элементами, причем лезвия распределены вокруг передней поверхности. Лезвия, снабженные режущими элементами, обеспечивают бурение срезанием в породах всех типов, и при этом устранена опасность засорения лезвий. Пространство, расположенное в центре передней поверхности, обеспечивает формирование керна в центре коронки. Формирование керна в центре коронки обеспечивает возможность быстрого сверления. Полость, расположенная между двумя смежными лезвиями коронки, обеспечивает возможность удаления керна к периферии коронки. Таким образом, удаление керна предотвращает любое засорение коронки. Коронка согласно изобретению обеспечивает таким способом быстрое сверление скважин большой глубины в породах всех типов без риска засорения.

Одинаковые ссылочные номера позиций на различных чертежах обозначают идентичные или подобные элементы.

На фиг.1 показан в аксонометрии вид коронки согласно настоящему изобретению. Коронка содержит корпус 12, имеющий осевую симметрию относительно оси 13. Коронка пригодна для монтажа на буровой колонне и может быть приведена во вращение двигателями различных типов, расположенными на поверхности или на дне, например двигателем со спиральным валом (например, типа Муано), или турбиной.

Передняя сторона коронки представляет собой часть коронки, которая ориентирована в направлении дна скважины, и задняя сторона коронки представляет собой часть коронки, которая ориентирована наружу из скважины, то есть в случае вертикального бурения к поверхности земли.

Кроме того, внутренняя часть коронки представляет собой часть коронки, расположенную близко к оси 13, и внешняя часть коронки представляет собой часть коронки, расположенную ближе к периферии коронки.

Корпус 12 коронки содержит переднюю поверхность 1, которая предпочтительно скруглена для облегчения проникновения коронки в породу, а так же для обеспечения достаточной устойчивости инструмента. Передняя поверхность 1 обеспечена рядом лезвий 2, например 4, 6 или 8 лезвий, или даже намного больше, например 36. Чем тяжелее породы, которые предстоит бурить, тем больше количество лезвий.

Лезвия 2 расположены по существу радиальным способом, как в частности может быть видно на фиг.3. Лезвия проходят вдоль внешней стенки корпуса 12. Лезвия 2 выступают относительно передней поверхности 1 в сторону внешней стенки корпуса 12. Каждое лезвие 2 содержит ряд режущих элементов 3, расположенных рядом друг с другом вдоль лезвия. Режущий элемент лезвия, расположенный ближе других к центру инструмента, называют внутренним режущим элементом лезвия. И режущий элемент лезвия, расположенный ближе других к периферии инструмента, называют внешним режущим элементом. Каждый режущий элемент 3 имеет по существу цилиндрическую форму. Режущие элементы 3 смонтированы в лезвиях 2.

Каждый режущий элемент 3 выполнен из материала на основе различных металлов, включая, например, карбид вольфрама (KB).

В первом варианте выполнения материал на основе металла с карбидом вольфрама или без него имеет вкрапления синтетических алмазов или даже природных алмазов в форме зерен различных размеров, например от 0,2 мм до 2 мм. Инструмент, обеспеченный режущими элементами согласно этому первому варианту выполнения, называют "инструмент со вставками".

Во втором варианте выполнения, проиллюстрированном в частности на фиг.4, слой 32 поликристаллического прессованного алмазного композита (ПАК) расположен на поверхности зуба 31, выполненного из поверхностно упрочненного карбида вольфрама. Этот слой ПАК содержит небольшое количество металла для придания ему ударопрочности. Инструмент, обеспеченный режущими элементами согласно этому второму варианту выполнения, называют "инструмент ПАК".

Режущие элементы инструментов со вставками и инструментов ПАК очень тверды и потому обеспечивают возможность бурения пород переменной твердости и в частности очень твердых пород. Режущие элементы подходят для разрушения породы срезанием, что также делает их подходящими для бурения мягких пород.

Корпус 12 и лезвия 2 коронки выполнены, например, из стали или пропитанного металлом карбида вольфрама. Они предпочтительно выполнены из стали, поскольку этот материал отличается большей прочностью, чем пропитанный металлом карбид вольфрама. Таким образом, сталь обеспечивает большее разнообразие конфигураций коронок, облегчая тем самым приспособление к породе, которая подлежит бурению.

Кроме того, лезвия 2 расположены на внешнем круговом гребне передней поверхности 1. Таким образом, пространство 4 расположено приблизительно в центре передней поверхности 1. Это пространство 4 расположено приблизительно в месте пересечения плоскостей лезвий. Это пространство ограничено внутренними режущими элементами каждого лезвия. Когда коронка приведена в поступательное движение в направлении породы с одновременным вращением, в этом пространстве 4 формируется по существу цилиндрический керн 10.

Кроме того, коронка содержит полость 5 удаления, расположенную между двумя смежными лезвиями 2. Эта полость 5 удаления выполнена с возможностью удаления керна к периферии инструмента. Полость 5 удаления ограничена двумя боковыми поверхностями 6 и задней поверхностью 7. Боковые поверхности по существу параллельны и плавно переходят в боковые поверхности двух лезвий, смежных с полостью. Угол между смежными лезвиями, между которыми сформирована полость, например, составляет от 45° до 90°. Этот угол представляет собой функцию диаметра инструмента и диаметра сформированного керна. Задняя поверхность 7 отодвинута назад относительно передней поверхности 1. Задняя поверхность может быть хорошо видна в частности на фиг.2. Задняя поверхность 7 проходит от пространства 4 до периферии коронки. Основание пространства 4 расположено в полости 5. Задняя поверхность 7 поднимается к задней части коронки и проходит вдоль корпуса инструмента. Таким образом, задняя поверхность 7 направляет керн 10 одновременно к периферии коронки (благодаря центробежной силе) и к задней части коронки (благодаря перемещению инструмента вперед и течению бурового раствора) с целью удаления керна в скважину. Как только керн удален из полости 5, он поднимается с буровым раствором к поверхности земли.

Кроме того, коронка содержит отрезное устройство 11, вызывающее излом керна срезом. Отрезное устройство 11 расположено на задней поверхности 7 полости 5 вблизи центра коронки. Отрезное устройство 11, например, закреплено на этой задней поверхности 7, например, опрессовкой. Во время формирования керна отношение длина/диаметр керна растет. Чем длиннее становится керн, тем менее он прочен. Таким образом, даже малое боковое давление достаточно для излома керна. Таким образом, отрезное устройство 11 может быть любым устройством, выполненным с возможностью осуществления такого бокового давления. Излом керна происходит, когда керн достигает длины, заданной глубиной пространства 4 (а именно расстоянием между передней стороной лезвий 2 и полостью 5 удаления в центре коронки) и расположением отрезного устройства 11 относительно оси 13 коронки.

Отрезное устройство выполнено, например, из износостойкого материала, например из материала на основе металла с карбидом вольфрама или без него, с алмазными вставками или из поликристаллического прессованного алмазного композита (ПАК), или также керамики или материала на основе карбида. Отрезное устройство 11 выполнено, например, в форме наконечника. Наконечник расположен вдоль оси, которая наклонена относительно оси 13 коронки, как в частности может быть видно на фиг.2. Угол между плоскостью наконечника и осью коронки равен например от 10° до 15°.

Размеры керна 10 ограничены геометрией коронки и в частности геометрией пространства 4 и полости 5.

Кроме того, коронка содержит каналы 8, 9, которые в частности могут быть видны на фиг.3, для передачи бурового раствора, который обеспечивает охлаждение коронки и подъем отходов бурения породы через скважину к поверхности земли.

Буровой раствор также позволяет поднять керны, сформированные в коронке, на поверхность земли.

Экономические инвестиции в нефтедобывающую промышленность означают, что существует возможность достоверного описания геологической структуры скважин и пластов, например, при доступе к петрофизическим свойствам (пористость, проницаемость, и т.д.) пород, составляющих скважины и пласты. Эти свойства не однородны в любом пласте, и зависят от геологических структур, из которых он состоит. В этом состоит причина гетерогенности пластов. Знание пласта включает определение такой гетерогенности. Построение геологической модели скважин и пластов обеспечивает правильный выбор разработки пласта и в более общем смысле обеспечивает правильную эксплуатацию залежи и правильное поисковое бурение.

В случае скважин большой глубины (обычно 5-6 км) давления и температуры у основания скважин таковы, что невозможно выполнить стандартные построения геологической модели, такие как стандартные геофизические исследования или взятие кернов. Фактически, электроника, используемая для геофизического исследования, не выдерживает высокого давления (7800 бар или больше) и высоких температур (150°С или больше). Кроме того, стандартное взятие керновой пробы предполагает подъем полученного керна к поверхности каждые 10-40 м бурения.

Кроме того, в частности полезно иметь возможность непрерывного подъема к поверхности земли кернов, сформированных коронкой согласно настоящему изобретению, для обеспечения возможности выполнения построения геологической модели скважин на поверхности. Также предпочтителен отбор кернов достаточно большой длины с целью обеспечения возможности извлечения максимального объема информации о геологической структуре скважины.

Для подъема керна 10 к поверхности насколько возможно неповрежденным необходимо, чтобы отрезное устройство 11 отламывало его без дробления.

Было замечено, что керн может быть отломлен без дробления, когда отношение длина/диаметр керна как минимум равно 2. Таким образом, размеры полости 5 удаления должны быть по меньшей мере равны самому большому размеру керна, то есть его длине.

Керны, обеспеченные коронкой согласно настоящему изобретению, имеют длину от 10 мм до 100 мм.

Для бурения твердых пород коронка содержит большее количество лезвий, чем для бурения более мягких пород. Наружный диаметр коронки равен примерно 21,59 см (8,5 дюйма) для коронки с 8 лезвиями, 15,24 см (6 дюймов) для коронки с 6 лезвиями и 66,04 см (26 дюймов) для инструмента с 36 лезвиями.

При коронке с 8 лезвиями диаметром 21,59 см были получены керны длиной 35 мм и диаметром 15 мм.

При коронке с 6 лезвиями диаметром 15,24 см были получены керны длиной 30 мм и диаметром 10 мм.

Максимальный диаметр, который может быть предусмотрен для керна, приблизительно равен одной трети наружного диаметра коронки. Для обеспечения удовлетворительной эксплуатации кернов желательно диаметр керна равен минимум 5 мм.

Кроме того, присутствие керна в центре коронки оказывает на коронку стабилизирующее действие. Чем больше диаметр керна, тем более устойчива коронка во время бурения.

Кроме того, цилиндрическая форма керна позволяет обеспечить базовое направление, то есть более точное соответствие осей керна и пробуренной скважины.

Керн 10 срезают отрезным устройством 11 коронки, затем удаляют в полость 5 по направлению к периферии коронки, затем поднимают через скважину к поверхности земли с помощью бурового раствора.

Коронка содержит, например, каналы 8, 9, подающие буровой раствор, число которых равно количеству лезвий. Каналы 8, 9 выходят на переднюю поверхность 1 коронки.

Один из каналов 9 выходит в полость 5 вблизи центра коронки и отрезного устройства 11. Этот канал 9 облегчает удаление керна в полости вдоль задней поверхности 7 к периферии коронки. Во время его удаления через полость керн таким способом погружен в буровой раствор. Это уменьшает возможность удара керна о боковые стенки 6 или заднюю поверхность полости. Таким образом, керн имеет меньшую вероятность разрушения.

Отверстия других каналов 8 расположены по существу вокруг осевого гребня, как может быть видно в частности на фиг.3.

Другой вариант выполнения поясняется в частности на фиг.5, на которой показан продольный разрез передней поверхности коронки. На фиг.5 показаны режущие элементы 3, смонтированные на лезвии. В коронке, вдоль оси 13, керн 10 представлен в процессе его формирования в пространстве 4. Согласно фиг.5 размеры пространства 4 увеличены. Это обеспечивает достижение более высоких скоростей бурения. Кроме того, коронка содержит элемент 14 для радиальной резки керна. Элемент 14 может быть расположен в центре коронки. Элемент может быть расположен поперечно относительно пространства 4. Этот элемент может быть выполнен, например, аналогично режущему элементу 3, описанному выше. Элемент 14, например, может быть смонтирован в коронке, причем вращение коронки обеспечивает возможность уменьшения диаметра керна резкой керна элементом 14. Сокращение диаметра керна позволяет не только поднять керн на поверхность с большей легкостью, но также поднять керн без повреждения. Таким образом, размер пространства 4 может быть увеличен и таким способом обеспечено быстрое бурение с сохранением керна неповрежденным. Например, может быть использована коронка с 6 лезвиями (6 дюймов), имеющая пространство 4 диаметром 20 мм. Начиная с внутреннего диаметра 20 мм, элемент 14 обеспечивает получение керна размером 8 мм.

Настоящее изобретение также относится к способу бурения скважин с использованием коронки согласно настоящему изобретению. Способ содержит шаги, на которых:

- формируют керн в центре коронки;

- удаляют керн через скважину к поверхности земли;

- извлекают керн, например, с помощью сита.

Способ бурения также содержит шаг анализа петрофизических свойств керна.

Способ бурения также содержит шаг анализа механических свойств керна.

Группа изобретений относится к коронкам для бурения скважин и к способам бурения скважин с использованием таких коронок. Обеспечивает быстрое бурение скважин большой глубины в любых породах без риска забивания коронки породой. Коронка для бурения скважин содержит переднюю поверхность; множество радиальных лезвий, снабженных режущими элементами, причем лезвия распределены вокруг передней поверхности; пространство для формирования керна, расположенное в центре передней поверхности; полость для удаления керна к периферии коронки, причем указанная полость расположена между двумя смежными лезвиями и ограничена двумя боковыми поверхностями и задней поверхностью, причем задняя поверхность отодвинута назад относительно передней поверхности. Способ бурения скважин включает использование указанной коронки и содержит формирование керна в центре коронки, удаление керна через пробуренную скважину к поверхности земли, извлечение керна. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Коронка для бурения скважин, содержащая: переднюю поверхность (1); множество радиальных лезвий (2), снабженных режущими элементами (3), причем лезвия распределены вокруг передней поверхности; пространство (4) для формирования керна (10), расположенное в центре передней поверхности; полость (5) для удаления керна к периферии коронки, причем указанная полость расположена между двумя смежными лезвиями и ограничена двумя боковыми поверхностями (6) и задней поверхностью (7), причем задняя поверхность отодвинута назад относительно передней поверхности (1).

2. Коронка по п.1, в которой задняя поверхность (7) выполнена с возможностью удаления керна одновременно к периферии и к задней части коронки.

3. Коронка по п.1, также содержащая устройство (11) для срезания керна (10).

4. Коронка по п.3, в которой отрезное устройство (11) расположено в полости (5) вблизи центра коронки.

5. Коронка по п.4, в которой отрезное устройство (11) является наконечником, выполненным из износостойкого материала.

6. Коронка по п.5, в которой наконечник имеет наклон относительно оси коронки.

7. Коронка по любому из пп.1-6, в которой размеры полости (5) подходят для формирования цилиндрических кернов, длина которых равна по меньшей мере их двойному диаметру.

8. Коронка по любому из пп.1-6, дополнительно содержащая каналы (8) подачи бурового раствора, причем каждый из каналов выходит на переднюю поверхность (1).

9. Коронка по п.8, в которой один из каналов (9) выходит в полость (5) и предназначен для облегчения удаления керна (10) к периферии коронки.

10. Коронка по п.9, в которой указанный канал (9), предназначенный для облегчения удаления керна (10) к периферии коронки, выходит в полость (5) вблизи центра коронки.

11. Коронка по любому из пп.1-6 и 9-10, дополнительно содержащая элемент (14) для радиальной резки керна.

12. Коронка по любому из пп.1-6 и 9-10, в которой полость (5) является открытой.

13. Коронка по п.7, дополнительно содержащая каналы (8) подачи бурового раствора, причем каждый из каналов выходит на переднюю поверхность (1).

14. Коронка по п.13, дополнительно содержащая элемент (14) для радиальной резки керна.

15. Способ бурения скважин с использованием коронки, выполненной по любому из пп.1-14, содержащий следующие шаги: формируют керн в центре коронки; удаляют керн через пробуренную скважину к поверхности земли; извлекают керн.

16. Способ бурения по п.15, содержащий дополнительно шаг анализа петрофизических свойств керна.