МУЛЬТИПОЗИЦИОННОЕ БУРОВОЕ PDC-ДОЛОТО И СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ PDC-РЕЗЦОВ НА ЛОПАТКАХ ДОЛОТА Российский патент 2014 года по МПК E21B10/43 

ЗАЯВКА НА ПРИОРИТЕТ

Данная заявка заявляет преимущество заявки на патент США №12/636506, поданной 11 декабря 2009 г., которая заявляет приоритет предварительной заявки на патент США №61/139441, поданной 19 декабря 2008 г., описания из которых ссылкой включаются в настоящее описание.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Настоящее изобретение в целом относится к долотам для бурения геологических скважин и, в частности, к долотам, в которых используются резцы со вставками из поликристаллического алмазного композита (PDC), прикрепляемые к лопастям долота для бурения породы различных типов.

ПРЕДПОСЫЛКИ

Буровые долота со вставками из поликристаллического алмазного композита (PDC) армируются PDC-резцами, прикрепляемыми к лопаткам долота. На известном уровне техники для таких PDC-резцов известно множество способов определения схем их размещения. Цели, которых необходимо достичь в отношении любой из схем размещения PDC-резцов, включают: улучшение балансировки бурового долота в одной плоскости коррекции, усовершенствование чистки торца долота, выравнивание износа резцов на торце долота, улучшение долговечности долота, а также достижение улучшенных скоростей бурения путем более эффективного воздействования на породу, бурение которой необходимо произвести.

В отношении PDC-резцов, двумя известными схемами размещения являются: «однопозиционный» способ и «многопозиционный» способ. В однопозиционном способе каждому PDC-резцу, расположенному на торце долота, придается уникальное радиальное положение, измеряемое относительно центральной оси долота наружу в направлении его диаметра. Одним из общепринятых способов осуществления однопозиционной схемы является определение спиральной функции, исходящей от оси долота, а затем размещение отдельных PDC-резцов в точках, где спиральная функция пересекает местоположение каждой лопатки долота. Тогда каждая точка пересечения спирали и лопаток будет располагаться на отличном от других радиальном расстоянии от оси долота. В многопозиционной схеме (также известной как схема «дублирующего резца» или «сопровождающего резца») PDC-резцы приводятся в действие в наборах, содержащих по два резца или более, где резцы из каждого набора располагаются на одинаковом радиальном расстоянии от оси долота. По причине уменьшения площади, вблизи торца долота может находиться меньшее количество лопаток, и поэтому не каждый PDC-резец на долоте гарантировано является членом набора, расположенного на одном и том же радиусе, однако большинство включаемых резцов все же принадлежит к набору. Типичная схема размещения распределяет резцы, включаемые в каждый набор (на одинаковом радиусе) по торцу долота (например, на противоположных лопатках).

Однопозиционные PDC-долота имеют тенденцию к более быстрому бурению, чем многопозиционные PDC-долота, при данной общей плотности размещения резцов. Слабое место однопозиционных PDC-долот заключается в том, что, если отдельный резец повреждается или теряется, то ускоряется износ резцов в близких к нему радиальных положениях. Это может приводить к преждевременному отказу бурового долота. Многопозиционные PDC-долота, как правило, более износостойки, чем однопозиционные PDC-долота, однако они также известны менее высокими скоростями бурения.

На известном уровне техники практически постоянно затрагивается тема многопозиционных бурильных долот, где, по меньшей мере, один из периферических задних резцов данного набора резцов был бы доступен в меньшей степени, чем ведущие резцы. Это делается в надежде на то, что долото будет действовать как малоармированное долото с низкой плотностью распределения резцов до того момента, как первичные резцы износятся, а затем будет действовать как более густо армированное долото с большей плотностью распределения в более трудных случаях глубокого бурения, когда вступают в действие менее доступные вторичные резцы. На практике, однако, такие многопозиционные PDC-долота обладают низкими скоростями бурения даже при первом введении в действие и даже более низкими скоростями бурения, когда они имеют минимальный износ.

Ранние примеры многопозиционных бурильных долот, где наборы резцов приводились в действие симметрично в периферическом расположении (т.е. 180 градусов один относительно другого для наборов с двумя резцами, и 120 градусов один относительно другого - для наборов с тремя резцами). Долото этого типа может включать одинаковое расположение на профиле долота всех резцов на долоте. В более современных примерах многопозиционные бурильные долота обладают снижающимся или отклоняющимся расположением задних резцов из наборов резцов на профиле долота или, если расположение на профиле долота одинаково, обладают тенденцией к варьированию перекрывания между соседними наборами резцов с целью создания областей, где плоскость горной выработки будет гребнеобразной при бурении для того, чтобы ограничить поперечную вибрацию долота. Эти более современные конструкции отличаются тем, что содержат четное количество лопаток и имеют тенденцию к симметричному развертыванию наборов резцов в периферическом расположении.

Размещение резцов на долота хорошо документировано в патентах. Отсылка дается к патентам США №4429755 и №4545411 (Williamson), описания из которых ссылкой включаются в настоящее описание. Также дается ссылка на патенты США №№5238075, 5265685, 5549171, 5551522, 5582261, 5592996, 5607024, 5607025, 5937958 и 6164394 (Keith и Mensa-Wilmot), описания из которых ссылкой включаются в настоящее описание. Также дается ссылка на патент США №3696875 (Cortes), раскрытие из которого ссылкой включается в настоящее раскрытие. Кроме того, дается ссылка на заявку на патент США №2008/0179108 (McClain), раскрытие из которого ссылкой включается в настоящее раскрытие.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение задействует способ новой схемы размещения, который называется «мультипозиционным» и отличается от «однопозиционной» и «многопозиционной» схем на известном уровне техники.

В одном из вариантов осуществления изобретения ряд лопаток для долота армируется PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным способом». Эти лопатки называются первичными лопатками долота. По меньшей мере, одна дополнительная лопатка, называемая вторичной лопаткой, армируется PDC-резцами с использованием «многопозиционного» способа так, чтобы каждый резец на этой дополнительной лопатке размещался в радиальном положении, которое идентично положениям однопозиционных резцов, располагающихся на первичной лопатке, непосредственно предшествующей этой дополнительной вторичной лопатке (в направлении вращения). Многопозиционные резцы на дополнительной (дополнительных) вторичной (вторичных) лопатке (лопатках) предпочтительно размещаются в том же или почти том же положении на профиле долота, что и однопозиционные резцы на непосредственно предшествующей первичной лопатке.

В более специфическом осуществлении 2, 3, 4 или 5 лопаток долота содержат наборы PDC-резцов, использующие традиционный однопозиционный способ, в то время как одна или несколько дополнительных вторичных лопаток содержат дополнительные резцы с тем же или почти тем же расположением на профиле долота, которые размещаются как дублирующие, многопозиционные резцы. Радиальное положение дублирующих резцов на дополнительной вторичной лопатке аналогично радиальному положению резцов для однопозиционных резцов на непосредственно предшествующей однопозиционной первичной лопатке.

Вышеописанная комбинированная схема однопозиционного и многопозиционного размещения PDC-резцов дает начало долоту, имеющему «мультипозиционную» схему размещения резцов. Такая мультипозиционная схема размещения резцов преимущественно обеспечивает долото, обладающее характерной для однопозиционных долот способностью к более быстрому бурению (ROP) при данной общей плотности размещения резцов в сочетании с улучшенной износостойкостью, характерной для многопозиционных (дублированных) долот.

Один из иллюстративных вариантов осуществления мультипозиционного долота содержит 5 лопаток. Две первичные лопатки (всего из пяти лопаток) укомплектованы PDC-резцами, расположенными в соответствии с однопозиционным способом. Непосредственно вслед за одной из однопозиционных лопаток следуют две задние вторичные лопатки, которые укомплектованы PDC-резцами, расположенными в соответствии с многопозиционным способом так, чтобы каждый резец на задних вторичных лопатках находился в радиальном положении, совпадающем с положениями резцов на первой первичной лопатке (т.е. являлся дублирующим непосредственно предшествующую первичную лопатку). За второй лопаткой из числа однопозиционных первичных лопаток затем непосредственно следует одна задняя вторичная лопатка, которая укомплектована PDC-резцами, расположенными в соответствии с многопозиционным способом так, чтобы каждый резец на задней вторичной лопатке имел радиальное положение, совпадающее с радиальными положениями резцов на второй первичной лопатке (т.е. являлся дублирующим непосредственно предшествующую первичную лопатку).

Несмотря на то, что конструкция из пяти лопаток дана для примера, разумеется, следует понимать, что мультипозиционная концепция может быть распространена на конструкции долот, имеющих любое выбранное четное или нечетное количество лопаток. Например, в данном описании предполагаются осуществления, содержащие от четырех до двенадцати лопаток.

Такой мультипозиционный подход является противоречащим интуитивному подходу и, предположительно, может сделать долота трудно балансируемыми. Напротив и весьма неожиданно, было обнаружено, что описанное мультипозиционное долото гораздо легче балансируется, чем одно- и многопозионные долота на известном уровне техники. Тесная близость замыкающих дублирующих вторичных лопаток в сочетании с эквивалентным расположением на профиле долота дублирующих резцов подразумевает то, что дублирующие резцы удаляют минимальное количество породы при каждом обороте по мере того, как долото вворачивается в породу. Однопозиционные первичные резцы на первичных лопатках выполняют большую часть работы, а дублирующие резцы на вторичных лопатках лишь обрезают дно канавки в породе, не разработанное предшествующей первичной лопаткой. В полевых испытаниях описанные здесь мультипозицонные долота осуществляют бурение приблизительно на 20% быстрее, чем традиционные многопозиционные долота с той же плотностью размещения, и демонстрируют долговечность, идентичную или превосходящую долота на известном уровне техники. Кроме того, мультипозиционные долота, как показано, являются чрезвычайно устойчивыми в работе и очень хорошо удерживаются вертикально при осуществлении вертикального бурения. Мультипозицонный способ предлагает долото, которое достигает комбинирования целей увеличения ROP и улучшения износостойкости.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

Фигура 1 - иллюстрация общей схемы торца для иллюстративного долота с семью лопатками, PDC-резцы которого размещены в соответствии с мультипозиционной схемой.

Фигура 2 - иллюстрация торцевого вида долота с мультипозиционной общей схемой расположения PDC-резцов по Фигуре 1.

Фигура 3 - профиль резцов для долота с мультипозиционной общей схемой расположения PDC-резцов по Фигуре 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЛЛЮСТРАЦИЙ

Дается ссылка на фигуру 1, которая иллюстрирует общую схему торца для иллюстративного долота с семью лопатками, PDC-резцы которого размещены в соответствии с мультипозиционной схемой по настоящему изобретению. Лопатки 1, 3 и 5 являются «первичными лопатками» долота. Эти первичные лопатки 1, 3 и 5 армированы PDC-резцами (схематически представленными линией 20, определяющей лицевую поверхность резца) в соответствии с традиционным, «однопозиционным», способом так, что каждый резец имеет уникальное радиальное положение. Например, однопозиционный способ, применяемый на Фигуре 1, включает традиционный способ спирального пересечения лопаток. Лопатки 2, 4, 6 и 7, однако, являются «вторичными» лопатками долота. Эти вторичные лопатки 2, 4, 6 и 7 армируются PDC-резцами (также схематически представленными линией 20, определяющей лицевую поверхность резца) по типу описанного здесь дублирующего, «многопозиционного», способа, формируя мультипозиционное долото.

Конкретно, вторичная лопатка 2 является многопозиционной с непосредственно предшествующей (в направлении вращения 38) первичной лопаткой 1 так, что каждый PDC-резец, предусмотренный на вторичной лопатке 2, располагается на том же радиальном расстоянии от оси 22 долота, что и соответствующие расстояния для PDC-резцов, предусмотренных на первичной лопатке 1. Такое общее для PDC-резцов лопатки 2 и некоторых PDC-резцов лопатки 1 радиальное позиционирование проиллюстрировано на Фигуре 1 дуговыми пунктирными линиями 24, где каждая линия 24 определяет набор резцов. Подобным образом, вторичная лопатка 4 является многопозиционной с непосредственно предшествующей первичной лопаткой 3 так, что каждый PDC-резец, предусмотренный на вторичной лопатке 2, располагается на том же радиальном расстоянии от оси 22 долота, что и соответствующие расстояния для PDC-резцов, предусмотренных на первичной лопатке 3. Такое общее для PDC-резцов лопатки 4 и некоторых PDC-резцов лопатки 3 радиальное позиционирование проиллюстрировано на Фигуре 1 дуговыми пунктирными линиями 26, где каждая линия 26 определяет набор резцов. Далее вторичные лопатки 6 и 7 являются многопозиционными с непосредственно предшествующей первичной лопаткой 5 так, что каждый PDC-резец, предусмотренный на вторичных лопатках 6 и 7, располагается на том же радиальном расстоянии от оси 22 долота, что и соответствующие расстояния для PDC-резцов, предусмотренных на первичной лопатке 5. Кроме того, следует отметить, что PDC-резцы на вторичных лопатках 6 и 7 делят общие радиальные положения друг с другом. Такое общее для PDC-резцов лопатки 6 и лопатки 7 и некоторых PDC-резцов лопатки 5 радиальное позиционирование проиллюстрировано на Фигуре 1 дуговыми пунктирными линиями 28, где каждая линия 28 определяет набор резцов. Поскольку лопатка 7 следует за вторичной лопаткой 6 и имеет идентичную общую схему конфигурации, лопатка 7 может, в альтернативном варианте, быть названа «третичной» лопаткой. Для ясности в данном описании, термин «вторичный» относится к одной или нескольким лопаткам, следующим непосредственно за первичной лопаткой, которая имеет общие радиальные положения PDC-резцов относительно непосредственно предшествующей первичной лопатки (иными словами, термин «вторичный» может покрывать как вторичные, так и третичные лопатки с PDC-резцами, размещенными обычным способом относительно непосредственно предшествующей первичной лопатки)

Фигура 2 иллюстрирует торцевой вид долота с общей схемой расположения мультипозиционных резцов, показанной на Фигуре 1 (в той же ориентации). Соответствие между линиями 20 и фактическим размещением резцов 22 на долоте очевидно выражено. Кроме того, очевидно выражено взаимоотношение между включенными лопатками (первичными и вторичными) и другими характерными особенностями долота, такими как отверстия для выноса бурового шлама 24, сопла 26 и ударные шпильки 28. Также показана боковая область 30 долота. Следует отметить, что вторичные лопатки 2, 4, 6 и 7 являются более короткими, чем первичные лопатки 1, 3 и 5. Этот вариант является иллюстративным и имеет место не во всех случаях.

В нижеследующей таблице приводится информация об общей схеме торца по Фигуре 1. Левая колонка указывает номер PDC-резца. Так, следует отметить, что в общую схему долота по Фигуре 1 включается тридцать четыре PDC-резца. Средняя колонка указывает радиальное положение каждого из резцов на долоте (это радиальное положение измеряется в миллиметрах относительно оси 22 или путем прямого радиального измерения, или путем измерения вдоль профиля долота). Правая колонка указывает лопатку, на которой располагается PDC-резец. Рассмотрение радиальных положений для резцов, связанных с первичными лопатками 1, 3 и 5, показывает, что каждый из этих резцов, исключительно в контексте первичных лопаток, имеет уникальное радиальное положение. Другими словами, первичные лопатки 1, 3 и 5 армируются PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом. Рассмотрение радиальных положений для резцов, связанных с вторичными лопатками 2, 4, 6 и 7, однако, показывает, что каждый из этих резцов на вторичных лопатках делит общее радиальное положение с резцом, расположенным на одной из первичных лопаток 1, 3 и 5. Конкретнее, общее радиальное положение делится с резцом на непосредственно предшествующей первичной лопатке. Например, седьмой резец на вторичной лопатке 2 имеет то же радиальное положение (45,800), что и восьмой резец на непосредственно предшествующей первичной лопатке 1. Это общее радиальное положение показано одной из дуговых пунктирных линий 24 на Фигуре 1. В альтернативном варианте, десятый и одиннадцатый резцы на вторичных лопатках 6 и 7 делят общее радиальное положение (53,700) с девятым резцом на непосредственно предшествующей первичной лопатке 5. Это общее радиальное положение показано одной из дуговых пунктирных линий 28 на Фигуре 1.

Номер PDC-резца Радиальное положение Положение лопатки

1 6,4 1 2 13,1 5 3 19,8 3 4 26,2 1 5 32,6 5 6 39,0 3 7 45,8 2 8 45,8 1 9 53,7 5 10 53,7 6 11 53,7 7 12 61,6 3 13 61,6 4 14 69,5 1 15 69,5 2 16 77,4 5 17 77,4 6 18 77,4 7 19 85,3 3 20 85,3 4 21 93,2 1 22 93,2 2 23 101,1 5 24 101,1 6 25 101,1 7 26 108,6 3

27 108,6 4 28 116,1 1 29 116,1 2 30 123,6 5 31 123,6 6 32 123,6 7 33 131,1 3 34 131,1 4 Таблица общей схемы размещения резцов

На Фигуре 3 показан профиль резцов для долота с мультипозиционной общей схемой расположения резцов, показанной на Фигуре 1. Как известно специалистам в данной области, профиль резцов иллюстрирует относительные положения всех включаемых резцов 20 (или 22) при вращении в общей плоскости. Каждая из окружностей 20 представляет, по меньшей мере, один PDC-резец 22 на долоте. Фигура 3 частично снабжена ссылками так, чтобы число, приведенное над указанными окружностями 20, указывало номер лопатки (или лопаток), на которой резец 22 предусмотрен в соответствии с описанной мультипозиционной общей схемой размещения в радиальном положении относительно оси 22, показанном окружностью. Эта информация согласуется с информацией, представленной в Таблице общей схемы размещения резцов выше, и дуговыми пунктирными линиями 24, 26 и 28 на Фигуре 1.

Следует отметить, что в конической части 32 долота PDC-резцы в первую очередь, если не исключительно, предусматриваются в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом. Однако в носовой части 34, на участке бурта 36 и в боковой части 30 долота PDC-резцы предусматриваются исключительно в соответствии с описанным в данном раскрытии дублирующим, многопозиционным способом так, чтобы сформировать долото с мультипозиционными характеристиками. Важно, что предложеное дублирование является дублированием, при котором PDC-резцы на каждой вторичной лопатке имеют общие радиальные положения с некоторыми из PDC-резцов непосредственно предшествующей лопатки. Конкретнее, по причине использования «однопозиционного» способа для установки резцов в положениях на первичной лопатке, PDC-резцы на каждой вторичной лопатке имеют общие радиальные положения с некоторыми PDC-резцами исключительно с непосредственно предшествующей лопатки (без включения какой-либо другой первичной лопатки).

Кроме того, на Фигуре 3 показано, что при данном размещении все PDC-резцы имеют одинаковое положение на профиле долота (высоту выступа). Например, окружности на Фигуре 3, отмеченные метками 5-6-7, указывают на набор из трех резцов на лопатках 5, 6 и 7, имеющих одинаковое радиальное положение и, кроме того, имеющих одинаковую высоту выступа. Сходным образом, каждая окружность на Фигуре 3, отмеченная меткой 1-2 или 3-4, указывает на набор из двух резцов, соответственно, на лопатках 1 и 2 или 3 и 4, которые находятся в одном и том же положении и, кроме того, имеют одну и ту же высоту выступа. Обеспечение одной и той же высоты выступа является предпочтительным, поскольку это позволяет резцам на вторичных лопатках участвовать в выработке породы в режиме «свободного прохода» и, как описано ниже, двигаться по канавке, прорезанной первичной лопаткой.

Иллюстративное долото по Фигурам 1-3 является семилопаточным с тремя первичными лопатками и четырьмя вторичными лопатками и имеет конфигурацию, в которой дублирование предусматривается между лопатками 1-2, 3-4 и 5-6-7. В этой конфигурации лопатка 1 идентифицируется как однопозиционная первичная лопатка, содержащая первый PDC-резец, радиальное положение которого наиболее близко к оси 22. Остальные лопатки нумеруются, начиная с лопатки номер два, в направлении по часовой стрелке при рассмотрении торца долота для долота, которое сконструировано для вращения в указанном стрелкой 38 направлении (см. Фигуру 1). Соседние лопатки, которые делят, по меньшей мере, некоторые PDC-резцы в общих радиальных положениях, могут называться здесь «семейством» лопаток, а резцы в общих радиальных положениях в данном «семействе» лопаток могут называться здесь «набором» резцов. На Фигуре 1 показаны три семейства 40 лопаток, а дуговые пунктирные линии 24, 26 и 28 иллюстрируют наборы PDC-резцов в каждом из этих семейств. Следует отметить, что вторичные/третичные лопатки 6 и 7 выбираются таким образом, чтобы дублирование их резцами предусматривалось на лопатках, которые следуют непосредственно перед первой лопаткой (т.е. это лопатка с резцом, имеющим ближайшее радиальное расположение к оси 22). Предполагается, что такое позиционирование является преимущественным в аспектах эффективного функционирования долота и балансировки долота при его конструировании,

Специалистам в данной области ясно, что конфигурация с семью лопатками по Фигурам 1-3 является лишь примером мультипозиционного осуществления, и что описанные здесь концепции в равной степени применимы к долотам с любым выбранным четным или нечетным количеством лопаток. В соответствии с вышеизложенным, ниже приводится список примеров различных конфигураций долот, для которых может быть осуществлена мультипозиционная конфигурация.

Четыре лопатки (тип I): Лопатки 1 и 3 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2 и 4 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2 и 3-4. Присутствует два семейства лопаток.

Четыре лопатки (тип II): Лопатки 1, 2 и 3 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатка 4 является единственной вторичной лопаткой и армирована PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 3-4. Присутствует три семейства лопаток.

Пять лопаток (тип I): Лопатки 1 и 3 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 4 и 5 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2 и 3-4-5. Присутствует два семейства лопаток.

Пять лопаток (тип II): Лопатки 1, 3 и 5 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2 и 4 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2 и 4-5. Присутствует три семейства лопаток.

Шесть лопаток (тип I): Лопатки 1, 3 и 5 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 4 и 6 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2 и 3-4 и 5-6. Присутствует три семейства лопаток.

Шесть лопаток (тип II): Лопатки 1, 3 и 4 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 5 и 6 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном раскрытии для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2 и 4-5-6. Присутствует три семейства лопаток.

Семь лопаток (тип I): Лопатки 1, 3 и 5 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 4, 6 и 7 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2, 3-4 и 5-6-7. Присутствует три семейства лопаток.

Семь лопаток (тип II): Лопатки 1, 4 и 5 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 3, 6 и 7 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2-3 и 5-6-7. Присутствует три семейства лопаток.

Восемь лопаток (тип I): Лопатки 1, 3, 5 и 7 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 4, 6 и 8 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2, 3-4, 5-6 и 7-8. Присутствует четыре семейства лопаток.

Восемь лопаток (тип II): Лопатки 1, 3 и 6 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 4, 5, 7 и 8 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2, 3-4-5 и 6-7-8. Присутствует три семейства лопаток.

Девять лопаток (тип I): Лопатки 1, 4 и 7 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 3, 5, 6, 8 и 9 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2-3, 4-5-6 и 7-8-9. Присутствует три семейства лопаток.

Девять лопаток (тип II): Лопатки 1, 3, 5 и 7 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 4, 6, 8 и 9 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2, 3-4, 5-6 и 7-8-9. Присутствует четыре семейства лопаток.

Десять лопаток (тип I): Лопатки 1, 4, 6 и 9 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 3, 5, 7, 8 и 10 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2-3, 4-5, 6-7-8 и 9-10. Присутствует четыре семейства лопаток.

Десять лопаток (тип II): Лопатки 1, 4 и 7 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 3, 5, 6, 8, 9 и 10 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2-3, 4-5-6, 5-6 и 7-8-9-10. Присутствует три семейства лопаток.

Одиннадцать лопаток (тип I): Лопатки 1, 4, 7 и 9 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 3, 5, 6, 8, 10 и 11 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2-3, 4-5-6, 7-8 и 9-10-11. Присутствует четыре семейства лопаток.

Одиннадцать лопаток (тип II): Лопатки 1, 5 и 8 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 3, 4, 6, 7, 9, 10 и 11 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2-3-4, 5-6-7, и 8-9-10-11. Присутствует три семейства лопаток.

Двенадцать лопаток (тип I): Лопатки 1, 4, 7 и 10 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11 и 12 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2-3, 4-5-6, 7-8-9 и 10-11-12. Присутствует четыре семейства лопаток.

Двенадцать лопаток (тип II): Лопатки 1, 5 и 9 являются первичными лопатками, которые армированы PDC-резцами в соответствии с традиционным «однопозиционным» способом, лопатки 2, 3, 4, 6, 7, 8, 10, 11 и 12 являются вторичными лопатками и армированы PDC-резцами в соответствии с дублирующим, «многопозиционным» способом, как описано в данном описании для формирования мультипозиционного долота. Дублирование предусматривается между лопатками 1-2-3-4, 5-6-7-8 и 9-10-11-12. Присутствует три семейства лопаток.

Несмотря на то, что для каждого количества лопаток приводится два примера (типы I и II), следует осознавать, что для любого данного количества включаемых лопаток могут быть возможны и другие конфигурации, также использующие тот же мультипозиционный способ. Эти конфигурации будут очевидно выражены для специалистов в данной области вследствие вышеприведенных в данном описании примеров и указаний.

Также следует понимать, что каждый включаемый резец может определяться как имеющий определенную конфигурацию переднего угла в тыльной и боковой плоскостях. Другими словами, для PDC-резцов на данной лопатке или в данном наборе конфигурация переднего угла в тыльной и боковой плоскостях необязательно должны быть общими. Выбор остается за конструктором долота, который может по необходимости корректировать конфигурации передних углов для достижения конструкцией долота требуемых целей.

Фигуры 1-3 иллюстрируют лишь один ряд резцов на лопатке. Однако следует понимать, что ряд дублирующих резцов может предусматриваться на любой включаемой лопатке или нескольких включаемых лопатках (первичных или вторичных). Если такие дублирующие резцы предусмотрены, тогда на одной лопатке присутствует два ряда резцов (или более), а радиальные положения дублирующих резцов предпочтительно могут соответствовать радиальным положениям соответствующих первичных резцов на этой лопатке. Высота выступа включаемых дублирующих резцов может быть как такой же, как и высота выступа соответствующего первичного резца, или немного меньшей, чем у соответствующего первичного резца.

Как показали полевые испытания, мультипозиционное долото со схемой размещения, находящейся в соответствии с данным описанием, осуществляет бурение на 20% быстрее, чем традиционное многопозиционное долото с эквивалентной плотностью размещения резцов, и при этом демонстрирует равную или улучшенную долговечность. Также показано, что долото чрезвычайно стабильно в ходе эксплуатации и хорошо поддерживается вертикально при осуществлении вертикального бурения. Предполагается, что наличие резцов на вторичных лопатках, находящихся в тех же радиальных положениях, что и соответствующие резцы на непосредственно предшествующей первичной лопатке, служат в качестве стабилизатора в канавках, прорезанных резцами первичной лопатки. Также предполагается, что резцы на вторичных лопатках, на самом деле, имеют возможность делать «свободный» второй проход, который служит для увеличения ROP. Некоторые расположения лопаток и размещения резцов в соответствии с мультипозиционным способом приводят к несимметричной конфигурации лопатки, где асимметрия, как предполагается, вносит вклад в подавление вибраций долота.

В связи с вышесказанным, можно догадываться, что резцы на первичной лопатке не достигают полной глубины прохода из-за некоторого отскакивания породы. Однако, поскольку вторичная лопатка с резцами в том же радиальном положении непосредственно следует за первичной лопаткой, количество отскакивающей породы ограничивается, резцы на задней вторичной лопатке осуществляют обрезку в режиме "свободного прохода", и, таким образом, генерируется очень небольшой возрастающий момент. Если непосредственно за ней следует еще одна вторичная лопатка, т.е. третичная лопатка с резцами в тех же радиальных положениях, эта лопатка, по существу, движется в канавках, прорезанных непосредственно предшествующими первичной и вторичной лопатками, в выносном режиме, который преимущественно ограничивает поперечные перемещения и вибрацию. Предполагается, что резцы на указанной третичной лопатке выполняют небольшую дополнительную резку, но, несмотря на это, эти резцы доступны для дальнейшей зачистки отскочившей породы. Что касается осуществлений с различным количеством лопаток, соответственно, предполагается, что преимуществом является наличие количества вторичных лопаток, превышающего количество первичных лопаток так, что, по меньшей мере, одно семейство лопаток на долоте включает несколько вторичных лопаток (т.е., по меньшей мере, одну вторичную лопатку, за которой непосредственно следует третичная лопатка, где обе лопатки находятся в радиальных положениях, соответствующих первичной лопатке), которые обеспечивают дублирование лопаток по типу x-y-z. В альтернативном варианте, этот эффект может достигаться и при количестве вторичных лопаток, меньшем, чем количество первичных лопаток, - путем селективного размещения вторичных лопаток так, чтобы, по меньшей мере, одно семейство лопаток включало несколько вторичных лопаток.

Выше описаны и проиллюстрированы варианты осуществления изобретения. Изобретение не ограничивается описанными вариантами его осуществления. Несмотря на то, что проиллюстрированы и описаны предпочтительные варианты осуществления способа и устройства, следует понимать, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами его осуществления, но способно ко многим реконфигурациям, модификациям и заменам, которые входят в объем описания и, которые понятны специалистам в данной области.

Группа изобретений относится к PDC-долотам для бурения скважин и способам размещения PDC-резцов на лопатках долота. Технический результат заключается в обеспечении балансируемого PDC-долота, повышении скорости бурения, износостойкости и устойчивости в работе долота. PDC-долото содержит ряд лопаток, включающий первичные лопатки и вторичные лопатки. Первичные лопатки армированы PDC-резцами в соответствии с однопозиционным способом. Вторичные лопатки армированы PDC-резцами в соответствии с многопозиционным способом так, что каждый резец на вторичной лопатке размещен в радиальном положении, которое идентично радиальному положению однопозиционного резца, размещенного на первичной лопатке, которая непосредственно предшествует указанной вторичной лопатке. Указанная, по меньшей мере, одна вторичная лопатка размещена непосредственно после каждой первичной лопатки для обеспечения балансируемого PDC-долота. 5 н.з. и 19 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. PDC-долото, содержащее: ряд лопаток, включающий первичные лопатки и вторичные лопатки, где первичные лопатки армированы PDC-резцами в соответствии с однопозиционным способом, и где, по меньшей мере, одна вторичная лопатка армирована PDC-резцами в соответствии с многопозиционным способом так, что каждый резец на вторичной лопатке размещен в радиальном положении, которое идентично радиальному положению однопозиционного резца, размещенного на первичной лопатке, которая непосредственно предшествует указанной вторичной лопатке, причем указанная, по меньшей мере, одна вторичная лопатка размещена непосредственно после каждой первичной лопатки для обеспечения балансируемого PDC-долота.

2. Долото по п.1, отличающееся тем, что многопозиционные резцы на вторичной лопатке располагаются в том же, или почти том же положении на профиле долота, что и однопозиционные резцы на непосредственно предшествующей первичной лопатке.

3. Долото по п.1, отличающееся тем, что за одной из первичных лопаток следуют две последовательные вторичные лопатки, где каждая последовательная вторичная лопатка армирована PDC-резцами так, что каждый резец на последовательных вторичных лопатках размещается в радиальном положении, которое идентично радиальному положению однопозиционного резца, размещенного на непосредственно предшествующей одной из первичных лопаток.

4. Долото по п.3, отличающееся тем, что первая первичная лопатка содержит PDC-резец, имеющий ближайшее радиальное положение к оси долота, и где последовательные вторичные лопатки следуют непосредственно перед этой первичной лопаткой.

5. Долото по п.1, отличающееся тем, что несколько лопаток содержат чётное количество лопаток.

6. Долото по п.1, отличающееся тем, что несколько лопаток содержат нечётное количество лопаток.

7. Способ размещения PDC-резцов на лопатках долота, который включает стадии, на которых: определяют несколько лопаток, включающих первичные лопатки и вторичные лопатки; размещают PDC-резцы на первичных лопатках в соответствии с однопозиционным способом; и размещают PDC-резцы на, по меньшей мере, одной вторичной лопатке с использованием многопозиционного способа так, что каждый резец на вторичной лопатке размещается в радиальном положении, которое идентично радиальному положению однопозиционного резца, размещенного на первичной лопатке, которая непосредственно предшествует указанной вторичной лопатке, причем указанную, по меньшей мере, одну вторичную лопатку размещают непосредственно после каждой первичной лопатки для обеспечения балансируемого PDC-долота.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что многопозиционные резцы размещают на вторичной лопатке в том же или почти том же положении на профиле долота, что и положения однопозиционных резцов на непосредственно предшествующей первичной лопатке.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что определение нескольких лопаток включает определение двух последовательных вторичных лопаток, которые следуют непосредственно за одной из первичных лопаток, и где размещение PDC-резцов на вторичных лопатках включает размещение каждого резца в радиальном положении, которое идентично радиальному положению однопозиционного резца, размещенного на непосредственно предшествующей одной из первичных лопаток.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что определение нескольких лопаток также включает позиционирование двух последовательных вторичных лопаток для непосредственного следования перед первой первичной лопаткой, которая содержит PDC-резец, имеющий ближайшее радиальное положение к оси долота.

11. PDC-долото, содержащее: несколько семейств лопаток, где каждое семейство включает первичную лопатку, и, по меньшей мере, одну вторичную лопатку, где первичные лопатки во всех семействах лопаток однопозиционно армированы PDC-резцами, и где вторичная лопатка в каждом семействе лопаток дублирующим образом армирована PDC-резцами в радиальных положениях, которые эквивалентны радиальным положениям соответствующих PDC-резцов, размещенных на первичной лопатке данного семейства лопаток, причем указанная вторичная лопатка размещена непосредственно после каждой первичной лопатки для обеспечения балансируемого PDC-долота.

12. Долото по п.11, отличающееся тем, что многопозиционные резцы на вторичной лопатке размещены в том же или почти том же положении на профиле долота, что и однопозиционные резцы на непосредственно предшествующей первичной лопатке.

13. Способ размещения PDC-резцов на лопатках долота, который включает стадии, на которых: определяют ряд семейств лопаток, где каждое семейство лопаток включает первичную лопатку, и, по меньшей мере, одну вторичную лопатку; однопозиционно размещают PDC-резцы на первичных лопатках всех семейств лопаток; и дублирующим образом армируют вторичную лопатку в каждом семействе лопаток PDC-резцами в радиальных положениях, которые идентичны радиальному положению соответствующих PDC-резцов, размещенных на первичной лопатке для этого данного семейства лопаток, причем указанную вторичную лопатку размещают непосредственно после каждой первичной лопатки для обеспечения балансируемого PDC-долота.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что многопозиционные резцы размещают на вторичной лопатке в том же или почти том же положении на профиле долота, что и положения однопозиционных резцов на непосредственно предшествующей первичной лопатке.

15. PDC-долото, содержащее несколько лопаток и PDC-резцов, размещенных по мультипозиционной схеме, которая использует однопозиционную схему для первичных лопаток из нескольких лопаток, и дублирующее размещение на вторичных лопатках из нескольких лопаток, и где дублирование дублирующего набора применяется исключительно между вторичной лопаткой и непосредственно предшествующей ей первичной лопаткой, причем указанная вторичная лопатка размещена непосредственно после каждой первичной лопатки для обеспечения балансируемого PDC-долота.

16. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит четыре лопатки.

17. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит пять лопаток.

18. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит шесть лопаток.

19. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит семь лопаток.

20. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит восемь лопаток.

21. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит девять лопаток.

22. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит десять лопаток.

23. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит одиннадцать лопаток.

24. PDC-долото по п.15, отличающееся тем, что несколько лопаток содержит двенадцать лопаток.