БУРОВОЕ ДОЛОТО Российский патент 2013 года по МПК E21B7/08 E21B10/26 

Изобретение, описанное в данном документе, относится к буровому долоту, которое предназначено, главным образом, для использования при подземной разработке грунта.

Далее в описании термин «поверхность конического сечения» означает усеченный обобщенный конус, профиль поверхности которого между основанием конуса и его вершиной может быть прямым, а также может представлять собой обобщенную кривую и может быть непрерывным или прерывистым.

Традиционные буровые долота, применяемые при подземной разработке грунта, обычно представляют собой удлиненные структуры, как правило, с круглым поперечным сечением, состоящие из трех частей (см. патент US 2007102195, 10.05.2007). Во-первых, у них имеется режущая часть, которая соприкасается с вынимаемым материалом. Она обычно включает в себя множество режущих элементов, движение которых по выбуриваемому материалу приводит к выбуриванию или выдалбливанию материала. Во-вторых, имеются средства соединения, которые обычно располагаются на конце долота, противоположном режущей части, для соединения долота с источником движения (которым обычно является вращательная бурильная колонна). В-третьих, так называемая калибрующая область, которая находится между режущей частью и средствами соединения и которая предназначена для соприкосновения с боковыми поверхностями пробуриваемой скважины в целях стабилизации движения долота. Калибрующая область, как правило, свободна от режущих элементов и имеет диаметр, аналогичный диаметру ствола пробуриваемой скважины. Калибрующая область может также иметь в своей поверхности каналы, позволяющие выбуренному материалу и буровому раствору отодвигаться от режущей части. Это может произойти в результате подачи бурового раствора к режущей части отдельными способами, при этом буровой раствор вытесняет тот буровой раствор, который уже присутствует возле режущей части, а также выбуренный материал, заставляя его оттекать через каналы калибрующей области от режущей части. Калибрующая область обычно может иметь постоянный диаметр. Также используются калибрующие области, которые включают в себя линейный конус, т.е. участок, где диаметр калибрующей области пропорционален расстоянию от режущей части, в результате чего, как правило, получается калибрующая область в виде усеченного конуса (см. патент GB 2433760, 04.07.2007 или патент СА 2532618, 20.07.2006).

Хорошо известно, что буровое долото необходимо направлять таким образом, чтобы оно следовало по криволинейной траектории в желаемом направлении. В данной ситуации часть поверхности калибрующей области может оказаться вдавленной в стенку буровой скважины. Это представляет серьезную проблему, так как ведет не только к нестабильности бурового долота, но также к потерям энергии на ненужное разъедание стенки буровой скважины и/или вышеуказанной поверхности калибрующей области. Так как поверхность калибрующей области обычно свободна от режущих элементов (однако она может иметь отвержденное, медленно изнашивающееся покрытие или оболочку), это означает, что ее столкновение с буровой скважиной приведет к значительному износу.

В предлагаемом изобретении сделана попытка устранить недостатки, описанные выше.

Согласно одному аспекту данного изобретения, представлено буровое долото, которое включает в себя:

- главный корпус, имеющий ось, вокруг которой он вращается в процессе эксплуатации;

- режущую часть, движение которой в процессе эксплуатации по поверхности выбуриваемого материала ведет к выдалбливанию или отскабливанию материала;

- средства соединения, которые в процессе эксплуатации используются для прикрепления долота к источнику вращательного движения, при этом вышеуказанные средства также позволяют придать усилие долоту, чтобы вогнать его режущую часть в выбуриваемый материал;

- а также калибрующую область, которая находится между вышеуказанной режущей частью и вышеуказанными средствами соединения, при этом вышеуказанная калибрующая область включает в себя, по крайней мере, три диска, радиусы которых тянутся перпендикулярно от вышеуказанной оси вращения. Диски расположены на некотором расстоянии друг от друга вдоль вышеуказанной оси вращения на вышеуказанном главном корпусе, при этом диски имеют окружные поверхности, расположенные таким образом, чтобы диски были ограничены воображаемой трехмерной поверхностью конического сечения, диаметр которой перпендикулярно оси вращения варьируется непропорциональным образом вдоль вышеуказанной оси как функция расстояния от режущей части.

Преимущественно профиль калибрующей области включает в себя хотя бы одну область, которая является вогнутой.

Желательно, чтобы профиль калибрующей области включал в себя хотя бы одну область, которая является выпуклой.

Профиль калибрующей области может включать в себя как вогнутую, так и выпуклую область.

Предпочтительно диаметр и/или форма поверхности каждого диска калибрующей области выбирается таким образом, чтобы достичь конкретной трехмерной поверхности конического сечения.

Желательно, чтобы калибрующая область и, в частности, диски были свободны от режущих элементов. Это приведет к повышенной стабильности долота.

Преимущественно профиль окружной поверхности хотя бы одного из дисков калибрующей области представляет собой практически прямую линию, располагающуюся под углом к оси вращения. Это может дать возможность дискам приблизиться к комплексной поверхности конического сечения.

В качестве альтернативы, профиль окружной поверхности хотя бы одного из дисков калибрующей области является изогнутым. Это может дать возможность дискам образовать практически любой профиль.

Желательно, чтобы хотя бы один из дисков калибрующей области был съемным.

Преимущественно диаметр и/или форму хотя бы одного из вышеуказанных дисков калибрующей области можно изменить. Это изменение можно облегчить либо механически в процессе эксплуатации долота, либо заменив хотя бы один из дисков на диск другого диаметра и/или формы, пока долото не используется для бурения. Это позволит изменить эксплуатационные характеристики долота, включая, помимо всего прочего, кривизну траектории буровой скважины, при которой долото бурит наиболее эффективно.

Желательно, чтобы хотя бы один из дисков калибрующей области мог вращаться относительно главного корпуса.

Предпочтительно профиль вышеуказанной поверхности конического сечения выбирается таким образом, чтобы он соответствовал запланированной кривизне буровой скважины, получающейся в результате изменения направления бурения при использовании бурового долота, входящего в состав системы направленного бурения.

Преимущественно окружная поверхность хотя бы одного из дисков калибрующей области включает в себя хотя бы один, как правило, осевой канал, обеспечивающий проход и удаление выбуренного материала от режущей части. Это позволяет облегчить удаление выбуренного материала от режущей части, а также дает возможность извлечь его из буровой скважины. Данный канал также может обеспечить, чтобы промежутки между дисками калибрующей области не забивались обломками породы.

Данное изобретение будет далее описано на примерах, со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:

на Фиг.1 показан вид сбоку варианта осуществления настоящего изобретения, включающего в себя множество дисков калибрующей области, при этом каждый диск имеет профиль, параллельный продольной оси бурового долота, который представляет собой прямую линию, параллельную продольной оси.

На Фиг.2 показан вид сбоку альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения, включающего в себя множество дисков калибрующей области, при этом каждый диск имеет профиль, параллельный продольной оси бурового долота, который представляет собой прямую линию, располагающуюся под постоянным углом к вышеуказанной продольной оси долота.

На Фиг.3 показан вид сбоку дополнительного альтернативного варианта осуществления настоящего изобретения, включающего в себя множество колец калибрующей области, при этом каждый диск имеет профиль, параллельный продольной оси бурового долота, который в значительной степени изогнут.

На Фиг.4 дано увеличенное изображение части калибрующей области, применяемой в составе варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг.1.

На Фиг 5 дано увеличенное изображение части калибрующей области, применяемой в составе варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг.2.

На Фиг.6 дано увеличенное изображение части калибрующей области, применяемой в составе варианта осуществления изобретения, показанного на Фиг.3.

Известные из уровня техники буровые долота включают в себя режущую часть, движение которой в процессе эксплуатации по поверхности выбуриваемого материала ведет к выдалбливанию или отскабливанию материала. Двигатель вращает долото вокруг оси с помощью вала или бурильной колонны, которая связана с соединительной областью долота с помощью средств соединения. Вал также прилагает усилие на долото, вгоняя режущую часть в выбуриваемый материал. Между режущей частью и соединительной областью находится калибрующая область. Плечо внутри соединительной области связывает калибрующую область со средствами соединения. В процессе эксплуатации калибрующая область может время от времени соприкасаться с боковой поверхностью буровой скважины, выбуренной режущей частью, и, следовательно, обеспечивает предел стабильности движения работающего долота. Калибрующая область обычно имеет круглое поперечное сечение и может быть менее твердой, чем режущая часть, и, таким образом, подвержена износу.

Калибрующие области на известных буровых долотах являются либо цилиндрическими вокруг оси вращения, либо имеют конус (для использования при направленном бурении).

Известные долота имеют следующую проблему: если они включены в систему направленного бурения (т.е. где траектория движения долота проходит не по прямой линии), то пока они двигаются по криволинейным траекториям, часть калибрующей области может оказаться вдавленной в стенку буровой скважины. Это не только приведет к потерям энергии из-за ненужного трения, но также может дестабилизировать долото и заставить его изменить свое направление. Так как калибрующая область изнашивается, если она вгоняется в выбуриваемый материал с какой-либо значительной силой, то в этих ситуациях также возникнет значительный износ, что может привести к тому, что долото станет непригодным для использования задолго до того, как будет изношена режущая часть.

Из уровня техники известно, что калибрующая область может иметь изогнутую часть профиля поверхности: вогнутую (колоколообразную), выпуклую и комбинацию вогнутой и выпуклой частей. Такие профили минимизируют возможность вдавливания части калибрующей области в стенку буровой скважины в случае, если долото двигается по криволинейной траектории бурения. Это обусловлено тем фактом, что каждый из них имеет калибрующую область, диаметр которой на конце долота, противоположном режущей части, меньше диаметра режущей части. Также, между калибрующей областью и соединительной областью отсутствует резко выраженный край. Эти особенности ведут к минимизации или устранению части бурового долота, которая может оказаться вдавленной в стенку буровой скважины.

На Фиг.1, 2 и 3 показаны несколько вариантов осуществления данного изобретения. В каждом из этих случаев вместо калибрующей области, образуемой в виде непрерывной, как правило, конической поверхности как у долот в известном уровне техники, калибрующая область включает в себя три диска 1 различных диаметров, окружные поверхности 2, 3, 4 которых составляют эффективную поверхность калибрующей области, т.е. которые в процессе эксплуатации намеренно соприкасаются (по крайней мере, частично) со стенкой буровой скважины, чтобы направлять долото и придавать ему стабильность. Диски имеют такие размеры и устанавливаются в такое положение, чтобы образовывать дискретные части профиля, указанные линией 5. Это должно дать возможность дискам сымитировать эффект калибрующей области с непрерывной поверхностью профиля 5. Данная поверхность обычно представляет собой поверхность конического сечения. Диски 1 прикреплены к центральному главному корпусу 6. Эти диски 1 могут быть съемными, а также могут быть способны вращаться относительно главного корпуса 6 (однако в данном варианте осуществления изобретения они являются неподвижными). Применение дисков 1 не только сокращает потери энергии в результате уменьшения сил трения при вращении долота благодаря уменьшению площади поверхности, которая может соприкасаться со стенкой буровой скважины, но также снижает вес и стоимость материала, необходимого для изготовления долота.

Самой простой в изготовлении и, следовательно, самый дешевой формой кольца является форма, при которой профиль окружной поверхности 2 идет параллельно оси вращения А-А долота, как показано на Фиг.1 и 4. Если желательно сымитировать конкретный изогнутый профиль 5, то в этом случае параллельные плоские поверхности 2 обеспечивают плохое приближение профиля. При использовании данного типа профиля край окружной поверхности, ближайшей к режущей части долота, может нежелательным образом зарыться в выбуриваемый материал. Улучшение обеспечивается за счет использования конусообразных поверхностей 3, как показано на Фиг.2 и 5, где профиль поверхностей 3, параллельных оси вращения, представляет собой практически прямую линию, располагающуюся под углом 7 к оси вращения долота. Профиль 5 может быть точно соблюден за счет использования дисков 4, поверхность которых имеет изогнутый профиль, как показано на Фиг.3 и 6. При использовании каждого из этих типов окружной поверхности 2, 3, 4 может случится так, что только часть каждой поверхности 2, 3, 4 будет соприкасаться со стенкой буровой скважины в процессе эксплуатации.

Окружные поверхности 2, 3, 4 могут дополнительно включать в себя множество каналов 8, которые расположены, как правило, по оси и которые облегчают проход выбуренного материала между калибрующей поверхностью и стенкой буровой скважины и его удаление от режущей поверхности. Каналы 8 могут иметь постоянное поперечное сечение и быть осевыми, как показано, но также могут иметь переменное поперечное сечение и/или следовать по неосевой траектории по вышеуказанным поверхностям калибрующей области (не показано).

Профиль 5 калибрующей области можно выбрать таким образом, чтобы он соответствовал запланированной кривизне буровой скважины, получающейся в результате изменения направления бурения при использовании бурового долота, входящего в состав системы направленного бурения. Такое долото будет особенно эффективно при бурении скважин вышеуказанной кривизны.

В устройство, входящее в объем данного изобретения, можно внести ряд изменений. Примеры таких изменений включают в себя, помимо всего прочего, применение различного количества калибрующих колец (в том числе только одно), применение центрального главного корпуса различной формы, применение различной структуры режущей части, включение средств соединения вала в калибрующую область, применение различных средств для соединения долота с приводным валом, а также применение калибрующих колец, форму и диаметр которых можно изменить либо механически, либо путем замены, в целях изменения эксплуатационных характеристик долота.

Изобретение относится к буровым долотам для использования при подземной разработке грунта. Обеспечивает стабильное направленное бурение, сокращение потерь энергии, уменьшение сил трения при вращении долота. Буровое долото включает в себя корпус с осью вращения, режущую часть, средства соединения, а также калибрующую область, которая находится между вышеуказанной режущей частью и вышеуказанными средствами соединения. Вышеуказанная калибрующая область включает в себя, по крайней мере, три диска, радиусы которых тянутся перпендикулярно от вышеуказанной оси вращения, причем диски расположены на некотором расстоянии друг от друга вдоль вышеуказанной оси вращения на вышеуказанном главном корпусе. Диски имеют окружные поверхности, расположенные таким образом, чтобы диски были ограничены воображаемой трехмерной поверхностью конического сечения, диаметр которой перпендикулярно оси вращения варьируется непропорциональным образом вдоль вышеуказанной оси как функция расстояния от режущей части. 20 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Буровое долото, которое включает в себя: главный корпус, имеющий ось, вокруг которой он вращается в процессе эксплуатации; режущую часть, движение которой в процессе эксплуатации по поверхности выбуриваемого материала ведет к выдалбливанию или отскабливанию материала; средства соединения, которые в процессе эксплуатации используются для прикрепления долота к источнику вращательного движения, при этом вышеуказанные средства также позволяют придать усилие долоту, чтобы вогнать его режущую часть в выбуриваемый материал; а также калибрующую область, которая находится между вышеуказанной режущей частью и вышеуказанными средствами соединения, при этом вышеуказанная калибрующая область включает в себя, по крайней мере, три диска, радиусы которых тянутся перпендикулярно от вышеуказанной оси вращения, причем диски расположены на некотором расстоянии друг от друга вдоль вышеуказанной оси вращения на вышеуказанном главном корпусе, при этом диски имеют окружные поверхности, расположенные таким образом, чтобы диски были ограничены воображаемой трехмерной поверхностью конического сечения, диаметр которой перпендикулярно оси вращения варьируется непропорциональным образом вдоль вышеуказанной оси как функция расстояния от режущей части.

2. Буровое долото по п.1, в котором профиль вышеуказанной поверхности конического сечения является вогнутым.

3. Буровое долото по п.1, в котором профиль вышеуказанной поверхности конического сечения является выпуклым.

4. Буровое долото по п.1, в котором профиль вышеуказанной поверхности конического сечения может включать в себя как вогнутую, так и выпуклую область.

5. Буровое долото по п.1, в котором диаметр и/или форма поверхности каждого диска выбирают таким образом, чтобы достичь конкретной трехмерной поверхности конического сечения.

6. Буровое долото по п.5, в котором профиль окружной поверхности хотя бы одного из дисков калибрующей области представляет собой практически прямую линию, параллельную вышеуказанной оси вращения.

7. Буровое долото по п.5, в котором профиль окружной поверхности хотя бы одного из дисков калибрующей области представляет собой практически прямую линию, располагающуюся под углом к оси вращения.

8. Буровое долото по п.5, в котором профиль окружной поверхности хотя бы одного из дисков калибрующей области является изогнутым.

9. Буровое долото по п.1, в котором поперечное сечение калибрующей области по отношению к оси вращения имеет диаметр, меньше либо равный диаметру режущей части.

10. Буровое долото по п.1, в котором калибрующая область и, в частности, диски свободны от режущих элементов.

11. Буровое долото по п.10, в котором поперечное сечение калибрующей области по отношению к оси вращения имеет диаметр, меньше либо равный диаметру режущей части.

12. Буровое долото по п.1, в котором профиль окружной поверхности хотя бы одного из дисков калибрующей области представляет собой практически прямую линию, параллельную вышеуказанной оси вращения.

13. Буровое долото по п.1, в котором профиль окружной поверхности хотя бы одного из дисков калибрующей области представляет собой практически прямую линию, располагающуюся под углом к оси вращения.

14. Буровое долото по п.1, в котором профиль окружной поверхности хотя бы одного из дисков калибрующей области является изогнутым.

15. Буровое долото по п.1, в котором хотя бы один из дисков является съемным.

16. Буровое долото по п.15, в котором вышеуказанный диск снимается и заменяется на диск другого диаметра и/или формы для того, чтобы изменить буровые характеристики долота.

17. Буровое долото по п.1, в котором диаметр и/или форму хотя бы одного из вышеуказанных дисков можно изменить механически в процессе эксплуатации.

18. Буровое долото по п.1, в котором хотя бы один из дисков выполнен с возможностью вращения относительно главного корпуса.

19. Буровое долото по п.1, в котором профиль вышеуказанной поверхности конического сечения выбирают таким образом, чтобы он соответствовал кривизне буровой скважины, пробуренной при использовании бурового долота, входящего в состав системы направленного бурения.

20. Буровое долото по п.1, в котором поверхности калибрующей области, которые могут соприкасаться со стенкой буровой скважины в процессе эксплуатации, включают в себя хотя бы один паз.

21. Буровое долото по п.20, в котором вышеуказанный хотя бы один паз представляет собой, как правило, осевой канал, обеспечивающий удаление выбуренного материала от режущей части.