ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Данная заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США № 62/513,351 и заявке на патент США № 62/513,352, каждая из которых подана 31 мая 2017 г. и содержание которых включено в данный документ посредством данной ссылки в полном объеме.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Скважины бурят с места на поверхности или вглубь морского дна для различных целей, связанных с разведкой или добычей. Например, ствол скважины может быть пробурен для доступа к флюидам, таким как жидкие и газообразные углеводороды, которые содержатся в подземных пластах, и для извлечения флюидов из пластов. Могут быть использованы разнообразные способы бурения в зависимости отчасти от характеристик пласта, через который бурят ствол скважины.
Во время бурения ствола скважины режущие инструменты, такие как буровые долота и раздвижные расширители, используют для удаления материала из земли, чтобы расширить или увеличить ствол скважины. Режущие инструменты содержат режущие элементы, которые могут изнашиваться или повреждаться во время операций резания. Повреждение или утеря режущих элементов может снизить эффективность работы режущего инструмента и замедлить или остановить работу в стволе скважины. Кроме того, режущие элементы режущего инструмента могут достигать конца своего срока службы перед истечением срока службы самого корпуса режущего инструмента.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В некоторых вариантах реализации изобретения режущий инструмент содержит корпус, лопасть и лицевую накладку. Корпус вращается вокруг продольной оси и имеет лопасть, соединенную с ним и проходящую от него в радиальном направлении. Лицевая накладка соединена с лопастью, и лицевая накладка и лопасть совместно образуют по меньшей мере один паз под режущий элемент, который частично находится в лицевой накладке и частично в лопасти.
В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, скважинный инструмент содержит вращающийся корпус и лопасть, соединенную с корпусом. Лопасть содержит углубление, которое определяет область контакта. Предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой соединен с лопастью по меньшей мере вдоль части области контакта, и лопасть и предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой совместно определяют по меньшей мере один паз под режущий элемент, так что паз под режущий элемент находится частично внутри предварительно сформированного элемента с твердосплавной наплавкой и частично внутри лопасти.
В некоторых вариантах реализации изобретения способ изготовления скважинного инструмента включает в себя формирование лопасти, которая имеет углубление, и части паза под режущий элемент рядом с углублением. Формируется по меньшей мере одна лицевая накладка, и по меньшей мере одна лицевая накладка содержит другую часть паза под режущий элемент. По меньшей мере одна лицевая накладка расположена в углублении так, что части паза под режущий элемент внутри лопасти и по меньшей мере одна лицевая накладка совместно определяют полный паз под режущий элемент, и лицевая накладка соединена с лопастью.
В некоторых вариантах реализации изобретения режущий инструмент содержит корпус, лопасть и предварительно сформированный сегмент. Корпус выполнен с возможностью вращения вокруг продольной оси. Лопасть соединена с корпусом и проходит в радиальном направлении от корпуса. Предварительно сформированный сегмент соединен с лопастью и имеет в ней паз под режущий элемент. Паз под режущий элемент имеет боковую стенку и основу.
В некоторых вариантах реализации изобретения скважинный инструмент содержит корпус, выполненный с возможностью вращения вокруг продольной оси. Лопасть соединена с корпусом и имеет углубление, которое определяет поверхность контакта. Сегмент соединен с лопастью на поверхности контакта и содержит по меньшей мере один паз под режущий элемент с боковой стенкой и основой.
В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, способ изготовления скважинного инструмента включает в себя формирование лопасти с углублением в ней. Формируется закаленный сменный сегмент, который содержит по меньшей мере один паз под режущий элемент. Закаленный сменный сегмент расположен в углублении и соединен с лопастью.
В этом описании сущности изобретения приведены понятия, которые дополнительно описаны ниже в подробном описании. Данная сущность изобретения не предназначена для определения ключевых или существенных отличительных признаков заявленного объекта изобретения, а также не предназначена для использования с целью ограничения объема заявленного объекта изобретения. Действительно, дополнительные отличительные признаки и аспекты вариантов реализации данного изобретения будут изложены в описании и частично будут очевидны из описания или могут быть изучены при практическом использовании таких вариантов реализации изобретения. Отличительные признаки и аспекты таких вариантов реализации изобретения могут быть реализованы и получены посредством инструментов и комбинаций, конкретно указанных в описании и в прилагаемой формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для описания способа, которым могут быть получены вышеупомянутые и другие отличительные признаки данного изобретения, будет приведено более конкретное описание со ссылкой на содержащиеся в нем конкретные варианты реализации изобретения, которые проиллюстрированы в прилагаемых графических материалах. Для лучшего понимания одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями на различных сопровождающих фигурах. За исключением фигур, которые являются явно схематичными или преувеличенными в масштабе по своему характеру, фигуры следует рассматривать в масштабе в случае некоторых вариантов реализации данного изобретения, но не в масштабе в случае других вариантов реализации изобретения. С учетом того, что в графических материалах изображены некоторые приведенные в качестве примера варианты реализации изобретения, варианты реализации изобретения будут описаны и объяснены с дополнительной конкретизацией и подробностями посредством прилагаемых графических материалов, в которых:
на фиг. 1 проиллюстрирован схематический вид буровой системы в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 2 проиллюстрирован вид сбоку долота, соединенного с роторной управляемой системой, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 3 проиллюстрирован общий вид долота со сменными сегментами режущей конструкции, соединенными с лопастью, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 4 проиллюстрирован вид с разнесенными частями долота по фиг. 3, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 5 проиллюстрирован вид с разнесенными частями долота с упругим поглощающим энергию слоем между сменным сегментом режущей конструкции и лопастью, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 6 проиллюстрирован вид с разнесенными частями долота с упругим поглощающим энергию слоем между сменным сегментом режущей конструкции и лопастью, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 7 проиллюстрирован вид сбоку сменного сегмента режущей конструкции, который содержит множество материалов, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 8–1 проиллюстрирован вид с разнесенными частями долота с предварительно сформированной лицевой накладкой, расположенной на лопасти, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 8–2 проиллюстрирован вид в частичном поперечном сечением долота с предварительно сформированными лицевыми накладками, расположенными на передней и верхней поверхностях лопасти, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 9 проиллюстрирован вид с разнесенными частями лопасти с множеством предварительно сформованных закаленных лицевых накладок, расположенных на лопасти, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 10 проиллюстрирован частичный вид сбоку долота со сменным сегментом, смещенным от режущих элементов, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 11 проиллюстрирован вид сбоку скважинного режущего инструмента, содержащего один или более сменных элементов режущей конструкции, соединенных с раздвижной лапой с режущим элементом, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения;
на фиг. 12 представлена блок–схема последовательности операций по способу изготовления режущего инструмента в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения; а также
на фиг. 13 проиллюстрирован вид сбоку в поперечном сечении приведенного в качестве примера сменного сегмента режущей конструкции, соединенного с лопастью режущего инструмента, в соответствии по меньшей мере с одним вариантом реализации данного изобретения.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты реализации данного изобретения в целом относятся к устройствам, системам и способам увеличения срока службы и/или уменьшения времени простоя режущего инструмента. В частности, варианты реализации данного изобретения относятся к устройствам, системам и способам размещения сменного сегмента режущего элемента на режущем инструменте, при этом сегмент имеет более высокую стойкость к износу или эрозии, чем материал корпуса или лопасти режущего инструмента.
В некоторых вариантах реализации изобретения режущий инструмент в соответствии с данным изобретением имеет один или более режущих элементов для удаления материала в скважинной среде. Во время операций резания область в местоположении или около режущего элемента может испытывать сильное истирание и/или эрозию. Режущий инструмент в соответствии с данным изобретением может содержать один или более сегментов материала с высокой стойкостью к износу и эрозии, расположенных рядом с режущим элементом или полностью или частично вокруг него, чтобы увеличить срок службы и ремонтопригодность режущего инструмента.
На фиг. 1 проиллюстрирован один пример буровой системы 100 для бурения земного пласта 101 для образования ствола скважины 102. Буровая система 100 содержит буровую установку 103, используемую для вращения узла 104 бурового инструмента, который проходит вниз в ствол 102 скважины. Узел 104 бурового инструмента может содержать бурильную колонну 105, компоновку низа бурильной колонны («КНБК») 106 и долото 110, прикрепленное к забойному концу бурильной колонны 105.
Бурильная колонна 105 может содержать несколько соединений бурильной трубы 108, соединенных встык посредством замковых соединений 109. Бурильная колонна 105 передает буровой раствор через центральный канал и передает крутящий момент от буровой установки 103 на КНБК 106. В некоторых вариантах реализации изобретения бурильная колонна 105 дополнительно содержит дополнительные компоненты, такие как переводники, укороченные трубы и т. д. Бурильная труба 108 обеспечивает гидравлический канал, через который буровой раствор закачивают с поверхности. Буровой раствор выпускается через сопла, насадки или другие отверстия в буровом долоте 110 и/или КНБК 106 для охлаждения бурового долота 110 и режущих конструкций на нем, а также для транспортировки выбуренной породы из ствола скважины 102.
КНБК 106 может содержать долото 110 или другие компоненты. Приведенная в качестве примера КНБК 106 может содержать дополнительные или другие компоненты (например, соединенные с бурильной колонной 105 и долотом 110). Примеры дополнительных компонентов КНБК включают в себя утяжеленные бурильные трубы, стабилизаторы, инструменты для измерения в процессе бурения («ИПБ»), инструменты для каротажа в процессе бурения («КПБ»), забойные двигатели, раздвижные расширители, секционные шарошки, гидравлические отсоединяющие устройства, бурильные яссы, вибрационные или демпфирующие инструменты, другие компоненты или комбинации вышеперечисленного. Долото 110 может также содержать другие режущие конструкции в дополнение к буровому долоту или отличные от него, такие как фрезерные или расширяющие инструменты.
В общем, буровая система 100 может содержать другие бурильные компоненты и принадлежности, такие как устройства для свинчивания/отвинчивания бурильных труб (например, устройства для механизированной подвески и развинчивания труб или приводные трубные ключи), клапаны (например, обратные клапаны ведущей трубы, противовыбросовые превенторы и предохранительные клапаны), другие компоненты или комбинации вышеперечисленного. Дополнительные компоненты, включенные в буровую систему 100, могут рассматриваться в составе узла 104 бурового инструмента, бурильной колонны 105 или КНБК 106 в зависимости от их расположения в буровой системе 100.
Долото 110 в КНБК 106 может быть долотом любого типа, подходящим для измельчения пласта или других скважинных материалов. Например, долото 110 может быть буровым долотом, подходящим для бурения земного пласта 101. Приведенными в качестве примера типами буровых долот, используемых для бурения земных пластов, являются буровые долота с запрессованными поликристаллическими алмазными резцами или долота с твердосплавными лопастями, шарошечные конические долота и долота ударного типа. В некоторых вариантах реализации изобретения долото 110 представляет собой раздвижной расширитель, используемый для расширения диаметра ствола скважины. В других вариантах реализации изобретения долото 110 представляет собой шарошку или фрезу, используемую для удаления металла, композита, эластомера, других скважинных материалов или их комбинаций. Например, долото 110 может использоваться с отклонителем для расфрезеровывания обсадной колонны 107, обсаживающей ствол 102 скважины. Долото 110 также может использоваться для фрезерования инструментов, пробок, цемента, других материалов внутри ствола 102 скважины или их комбинаций. Металлические опилки или другая металлическая стружка, образованная посредством фрезы, могут подниматься на поверхность или может, если необходимо, падать вглубь скважины.
На фиг. 2 проиллюстрирован общий вид забойного конца долота 210, в соответствии с некоторыми вариантами реализации данного изобретения. Долото 210 по фиг. 2 является примером бурового долота с запрессованными поликристаллическими алмазными резцами или долота с твердосплавными лопастями и содержит корпус 212 долота, а также множество лопастей 214, проходящих в радиальном направлении и азимутально от них. Одна или более лопастей 214 (и, возможно, каждая лопасть 214) могут иметь множество соединенных с ними режущих элементов 216. В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере один из режущих элементов 216 имеет плоскую режущую поверхность. Плоская режущая поверхность может быть использована для среза скважинных материалов, и такой режущий элемент может рассматриваться как срезающий режущий элемент. В других вариантах реализации изобретения по меньшей мере один из режущих элементов 216 имеет неплоскую режущую поверхность. Неплоская режущая поверхность может срезать, ударять/выдалбливать или иным образом разрушать скважинные материалы. Примеры неплоских режущих элементов (то есть режущих элементов, имеющих неплоскую режущую поверхность) включают в себя режущие элементы с коническими, ребристыми, выпуклыми, седловидными, долотообразными или другими неплоскими режущими поверхностями. В некоторых вариантах реализации изобретения долото 210 содержит одну или более опор 218 стабилизатора. Опора 218 стабилизатора может быть расположена на лопасти 214 или в других местах, помимо лопасти 214, например на корпусе 212 долота.
В соответствии с фиг. 2 долото 210 соединено с роторной управляемой системой («РУС») 211, которая может быть использована для управления долотом 210 при формировании или увеличении ствола скважины. РУС 211 может содержать одно или более устройств 220 управления бурением, которые избирательно приводятся в действие для управления долотом 210. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство 220 управления бурением содержит один или несколько штоков 222, которые могут приводиться в движение в радиальном направлении наружу относительно продольной оси 224 долота 210 и РУС 211. РУС 211 может прикладывать усилие под углом относительно направления бурения долота 210 для отклонения направления бурения. Например, штоки 222 могут прикладывать усилие под углом, который примерно перпендикулярен продольной оси 224 или находится в пределах 5°, 15° или 30° от перпендикулярного положения по отношению к продольной оси 224. В некоторых вариантах реализации изобретения устройство 220 управления бурением представляет собой или содержит приводимую в действие поверхность или наклонную площадку, которая перемещается в радиальном направлении относительно продольной оси 224. Долото 210 и РУС 211 могут вращаться вокруг продольной оси 224, и одно или более устройств 220 управления бурением могут приводиться в действие по времени с вращением, чтобы направлять долото и формировать направленный ствол скважины или поддерживать прямой ствол скважины.
В некоторых вариантах реализации изобретения часть устройства 220 управления бурением (например, шток 222 или корпус штока 222) расположена в радиальном направлении внутри корпуса 226 РУС, когда устройство 220 управления бурением находится во втянутом положении. В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере часть устройства 220 управления бурением (например, шток 222 и/или корпус штока 222) может выступать из корпуса 226 РУС, когда устройство 220 управления бурением находится в выдвинутом или втянутом положении. В некоторых вариантах реализации изобретения одна или более частей РУС 211 могут испытывать больший износ и/или ударное воздействие во время работы.
Режущие элементы 216 долота 210 могут испытывать разные степени износа в разных зонах корпуса 212 долота или лопастей 214. В некоторых вариантах реализации изобретения режущие элементы 216 долота 210 испытывают различные степени износа в зоне 228 конуса, носовой зоне 230, зоне 232 заплечика или зоне 234 калибрующей кромки лопастей 214. Например, режущие элементы 216 в носовой зоне 230 могут испытывать более высокие степени износа, чем режущие элементы 216 в зоне 234 калибрующей кромки. В других примерах режущие элементы 216 в зоне 232 заплечика испытывают более высокие степени износа, чем режущие элементы 216 в носовой зоне 230.
В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 212 долота, лопасти 214, корпус 226 РУС или их комбинации содержат один или несколько материалов корпуса. Долото 208 и/или РУС 211 может представлять собой или содержать второй материал, который является более твердым и/или имеет более высокую износостойкость или эрозионную стойкость, чем материал корпуса. Обычно второй материал может представлять собой материал для твердосплавной наплавки, который наносится вручную на корпус 212 долота, лопасти 214 или корпус 226 РУС. Твердосплавная наплавка может быть нанесена на стальное долото для повышения износостойкости и/или эрозионной стойкости образованных участков долота и/или лопастей. Нанесение твердосплавной наплавки обычно является ручным процессом, в котором плавятся наплавочные стержни. Расплавленный материал наносится на долото, и материал охлаждается на долоте для получения окончательной конфигурации. Твердосплавная наплавка может наноситься слоями. В случае выполнения процесса вручную твердосплавная наплавка является изменчивой и может иметь дефекты, которые приводят к преждевременному выходу из строя твердосплавной наплавки и/или компонентов с твердосплавной наплавкой в месте образования дефектов или возле него. Например, твердосплавная наплавка может выйти из строя на границах, вдоль изменений состава, в слоях или при других несоответствиях в материале твердосплавной наплавки. В других примерах твердосплавная наплавка отслаивается от долота и/или лопастей из–за недостаточной прочности сцепления между материалом твердосплавной наплавки и долотом и/или лопастями. В некоторых вариантах реализации режущего инструмента в соответствии с данным изобретением одна или более частей долота 210 и/или РУС 211 имеют усиление калибрующего венца долота или другие вставки, расположенные в долоте и/или лопастях и прикрепленные к долоту и/или лопасти. Вставки могут иметь более высокую износостойкость и/или эрозионную стойкость, чем смежный материал долота, для продления срока службы инструмента, который может не содержать твердосплавную наплавку.
На фиг. 3 проиллюстрирован общий вид коронки другого варианта реализации долота 310 с корпусом 312 долота, которое содержит множество лопастей. В некоторых вариантах реализации изобретения корпус 312 долота содержит одну или более первичных лопастей 314–1 и одну или более вторичных лопастей 314–2. В некоторых вариантах реализации изобретения как первичные лопасти 314–1, так и вторичные лопасти 314–2 проходят до калибровочной области 334 долота 310, но первичные лопасти 314 проходят в радиальном направлении внутрь, чтобы быть ближе к продольной оси 324 долота 310 по сравнению с вторичными лопастями 314. В некоторых вариантах реализации изобретения также включены третичные лопасти, которые проходят до калибровочной области, но находятся дальше от продольной оси 324, чем вторичные лопасти 314–2.
В некоторых вариантах реализации изобретения долото 310 содержит по меньшей мере одну первичную лопасть 314–1, вторичную лопасть 314–2 или третичную лопасть (совместно лопасти 314), которая содержит один или более сегментов 336–1, 336–2 (совместно сегменты 336), присоединенных к ней. В некоторых вариантах реализации изобретения сегменты 336 являются сменными сегментами режущего элемента и содержат внутри один или более пазов 338 под режущие элементы. Сегменты 336 могут определять пазы 338 под режущие элементы, которые содержат боковую стенку и, необязательно, основу. В некоторых вариантах реализации изобретения режущий элемент 340 расположен в пазу 338 под режущие элементы. Хотя на фиг. 3 показаны режущие элементы 340 среза, режущий элемент 340 может быть любым режущим элементом (например, неплоским режущим элементом), описанным в данном документе.
В некоторых вариантах реализации изобретения первый сегмент 336–1 соединен с лопастью 314 (например, первичной лопастью 314–1). Первый сегмент 336–1 может быть соединен с лопастью 314 одним или более механизмами соединения. Например, первый сегмент 336–1 может быть соединен с лопастью 314 сваркой, пайкой, адгезивом, механическим(и) крепежным(и) элементом(ами) (например, болтами, винтами, штифтами, зажимами, захватами или другими механическими крепежными элементами), механической блокировкой (например, канавками, соединениями типа "ласточкин хвост", опорами, углублениями, уступами, другими поверхностными элементами или другими устройствами механической блокировки), другими механизмами или их комбинациями. В некоторых вариантах реализации изобретения первый сегмент 336–1 припаян или приварен к лопасти 314. В других вариантах реализации изобретения первый сегмент 336–1 по меньшей мере частично соединен с лопастью 314 посредством механической блокировки и частично посредством пайки или сварки.
В тех же или других вариантах реализации изобретения второй сегмент 336–2 соединен с той же лопастью 314, которая имеет первый сегмент 336–1, соединенный с ним. Второй сегмент 336–2 может быть соединен с лопастью 314 тем же или другим механизмом соединения, чем первый сегмент 336–1. Например, усилия, испытываемые первым сегментом 336–1 в первой части лопасти 314, могут отличаться от усилий, испытываемых вторым сегментом 336–2 во второй части лопасти 314. В некоторых примерах усилия, прикладываемые во время операции резания, например, в носовой или конусной областях лопасти 314 (и в первом сегменте 336–1) являются другими, чем в заплечиковой области лопасти 314 (и во втором сегменте 336–2). В некоторых вариантах реализации изобретения различные соединительные механизмы используются по меньшей мере частично из–за различных усилий, возникающих во время операций резания.
В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент 336 содержит материал сегмента или выполнен из материала сегмента. Материал сегмента может отличаться от материала корпуса долота или материала лопасти. Например, материал сегмента может включать в себя керамический, карбидный, алмазный или сверхтвердый материал, который отличается от керамического, карбидного, металлического материала, материала металлического сплава или другого материала корпуса или лопасти 314 долота. Под «сверхтвердым материалом» подразумеваются материалы, известные в данной области техники, твердость зерна которых составляет 1500 HV (твердость по Виккерсу в кг/мм2) или более. Такие сверхтвердые материалы могут включать материалы, способные демонстрировать физическую стабильность при температурах выше 750°С и для некоторых вариантов применения выше 1000°С, которые формируются из уплотненных материалов. В некоторых вариантах реализации изобретения значения твердости сверхтвердого материала составляют более 3000 HV. В других вариантах реализации изобретения значения твердости сверхтвердого материала составляют более 4000 HV. В еще других вариантах реализации изобретения значение твердости сверхтвердого материала составляет более 80 HRa (твердость по шкале А Роквелла). В некоторых примерах материал сегмента включает карбидный материал (например, карбид вольфрама, карбид тантала, карбид титана и т. д.). В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, карбидный материал, образующий сегмент(ы) 336, является пропитанным и/или спеченным или цементированным карбидным материалом. В некоторых вариантах реализации изобретения карбидный материал спекается и цементируется (например, спеченный карбид вольфрама, содержащий связующее вещество и формируемый посредством аддитивного производства). В еще других примерах материал сегмента содержит сверхтвердые частицы, встроенные в матричный материал.
В некоторых вариантах реализации изобретения материал корпуса долота и/или материал лопасти представляет собой материал с более низкой эрозионной стойкостью и/или износостойкостью, чем материал сегмента. В других вариантах реализации изобретения материал корпуса долота и/или материал лопасти представляет собой материал с более высокой ударной прочностью, чем материал сегмента. В некоторых примерах материал корпуса долота и/или материал лопасти включает стальной сплав, а материал сегмента включает карбид вольфрама. Стальной сплав может иметь более высокую ударную прочность, чем карбид вольфрама, который является более хрупким, и карбид вольфрама может обеспечивать большую износостойкость и/или эрозионную стойкость во время операций резания.
Поскольку сегменты 336 могут испытывать срезающие и/или сжимающие усилия во время операций резания, соединение сегментов 336 с лопастью 314–1, 314–2 может включать множество геометрических конфигураций и/или соединительных механизмов. На фиг. 4 проиллюстрирован развернутый общий вид варианта реализации долота 310 в соответствии с фиг. 3, в котором сегменты 336 могут быть соединены с лопастью 314. Лопасть 314 может быть первичной лопастью 314–1, как проиллюстрировано на фиг. 4, или вторичной или третичной лопастью в других вариантах реализации изобретения.
В некоторых вариантах реализации изобретения в лопасти 314 образована пустота или углубление 342, выполненное с возможностью приема одного или более сегментов 336. Например, на фиг. 4 углубление 342 образовано в передней окружном направлении поверхности лопасти 314, и первый сегмент 336–1 и второй сегмент 336–2 расположены по меньшей мере частично внутри углубления 342 и соединены с лопастью 314 в области контакта.
В некоторых вариантах реализации изобретения область контакта содержит одну или более задних поверхностей 344 и одну или более боковых поверхностей 346–1, 346–2. Задняя поверхность 344 может обеспечивать поддержку сегмента 336. В частности, задняя поверхность 344 может быть образована в лопасти 314 и выполнена с возможностью поддержки задней поверхности 337 одного или более сегментов 336. Задняя поверхность 337 сегментов 336 может быть противоположна передней в окружном направлении поверхности 339 сегментов 336. Боковые поверхности 346–1, 346–2 могут обеспечивать опору сегментам 336 вдоль одной или более продольных и/или радиальных поверхностей сегментов 336. Продольные и/или радиальные поверхности сегментов 336 могут проходить между задней поверхностью 337 и передней в окружном направлении поверхности 339 сегмента 336. Например, первая боковая поверхность 346–1 может быть ориентирована относительно нормали к продольной оси 324, и во время операций резания первый сегмент 336–1 может испытывать продольное сжимающее усилие со стороны пласта и передавать это сжимающее усилие первой боковой поверхности 346–1, которая проходит в радиальном направлении вдоль лопасти 314. Первая боковая поверхность 346–1 может поддерживать первый сегмент 336–1 при получении сжимающего усилия. В других вариантах реализации изобретения первая боковая поверхность 346–1 ориентирована под другим углом относительно продольной оси 324 или изогнута или имеет какой–либо другой контур, форму или ориентацию.
В тех же или других вариантах реализации изобретения вторая боковая поверхность 346–2, определяющая углубление 342, ориентирована под углом к продольной оси 324, чтобы обеспечивать опору в радиальном направлении второму сегменту 336–2. Например, во время операций резания второй сегмент 336–2 может испытывать сжимающее усилие, необязательно, как в продольном направлении (в направлении продольной оси 324), так и в радиальном направлении (перпендикулярно и в направлении продольной оси 324). Вторая боковая поверхность 346–2 может проходить как в радиальном, так и в продольном направлениях и поддерживать второй сегмент 336–2, в то же время принимая продольное и радиальное сжимающее усилие. В некоторых вариантах реализации изобретения вторая боковая поверхность 346 проходит в продольном направлении параллельно продольной оси 324, перпендикулярно продольной оси 324, чтобы иметь изогнутую форму, или имеет образованный другой контур, форму или ориентацию. Таким образом, первая и вторая боковые поверхности 346–1, 346–2 могут быть плоскими или неплоскими.
В некоторых вариантах реализации изобретения задняя поверхность 344 поддерживает заднюю поверхность 337 сегмента 336, когда долото 310 вращается в направлении вращения (так что передняя поверхность 339 вращательно ведет заднюю поверхность 337) вокруг продольной оси 324. Срезающее усилие, сила трения или другие усилия, прилагаемые к лопасти 314 со стороны пласта или другого скважинного материала, могут быть противоположны направлению перемещения долота 310, включая сегменты 336, во время операций резания. Задняя поверхность 344, определяющая углубление 342, может обеспечивать сжимающую поддержку в противодействие срезающим и другим усилиям со стороны пласта. В некоторых вариантах реализации изобретения задняя поверхность 344 является плоской, изогнутой или имеет иную конфигурацию. По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения задняя поверхность 344 находится под углом в направлении вращения, так что срезающее усилие, прилагаемое к сегменту 336–1, 336–2, частично направлено в сторону корпуса долота. Например, забойная концевая часть задней поверхности 344 (то есть часть, ближайшая к вершине лопасти 314) может быть наклонена (и ближе) к передней в окружном направлении поверхности лопасти 314. В других вариантах реализации изобретения находящаяся выше по стволу скважины концевая часть задней поверхности 344 наклонена к передней в окружном направлении поверхности лопасти 314.
В некоторых вариантах реализации изобретения сегменты 336 соединены в области контакта с углублением (а также на задней поверхности 344 и/или боковых поверхностях 346) посредством механизма соединения. Как проиллюстрировано на фиг. 4, механизм соединения содержит элементы 348 механической блокировки. В некоторых вариантах реализации изобретения элементы 348 механической блокировки включают в себя дополнительные углубления и стойки. Например, могут быть образованы одно или более углублений в лопастях 314 и одна или более дополнительных стоек в сегментах 336, или могут быть образованы одно или более углублений в сегментах 336 и одна или более стоек в лопастях 314. В другом одном или более вариантах реализации изобретения углубления образованы в каждом из сегментов 336 и в лопастях 314, и одна или более дополнительных стоек образованы отдельно и вставлены в углубления как в сегментах 336, так и в лопастях 314. В других вариантах реализации изобретения элементы 348 механической блокировки включают в себя соединения типа "ласточкин хвост", конические соединения типа "ласточкин хвост", уступы, канавки или другие поверхностные элементы, которые образуют и/или предотвращают перемещение сегмента 336 относительно лопасти 314 в одном или более направлениях.
В некоторых вариантах реализации изобретения элементы 348 механической блокировки расположены на боковой поверхности 346, определяющей углубление 342. В тех же или других вариантах реализации изобретения один или более элементов 348 механической блокировки расположены на задней поверхности 344, определяющей углубление 342. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения элементы 348 механической блокировки расположены как на боковых поверхностях 346, так и на задней(их) поверхности(ях) 344, определяющей(их) углубление 342. Например, элемент типа "ласточкин хвост" на задней поверхности 344 может обеспечить скольжение сегмента 336 вдоль соединения типа "ласточкин хвост" и, возможно, до тех пор, пока стойка не войдет в зацепление с углублением в боковой поверхности 346. В некоторых вариантах реализации изобретения элементы 348 механической блокировки или другие поверхностные элементы помогают совмещать сегмент 336 с местоположением внутри углубления 342. В некоторых примерах элементы 348 механической блокировки образуют и/или предотвращают перемещение сегмента 336 относительно лопасти 314–1 во время пайки, сварки или другого процесса крепления. В других примерах первый сегмент 336–1 и второй сегмент 336–2 имеют разные элементы 348 механической блокировки или имеют разные формы для предотвращения неправильного размещения и установки сегментов 336.
В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере часть боковых поверхностей 346 является плоской. Плоская боковая поверхность 346 может обеспечить более прочное соединение между областью контакта углубления 342 и сменными сегментами 336. Например, плоская боковая поверхность 346, смежная с сегментами 336 по варианту реализации изобретения, показанными на фиг. 4, обеспечивает более надежное присоединение пайкой первого сегмента 336–1 к лопасти 314 и второго сегмента 336–2 к лопасти 314. В других вариантах реализации изобретения плоская боковая поверхность 346 уменьшает или устраняет концентрации напряжений в пределах соответствующей боковой поверхности 346. В некоторых вариантах реализации изобретения имеется прерывистый угол между первой боковой поверхностью 346–1 и второй боковой поверхностью 346–2.
На фиг. 5 проиллюстрирован вид с разнесенными частями другого варианта реализации долота 410, имеющего сегмент 436, расположенный в углублении 442 лопасти 414. Хотя лопасть 414 показана в качестве вторичной лопасти, сегмент 436 может использоваться в связи с первичной, третичной или другой лопастью. В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере часть области контакта, образованной углублением 442 внутри лопасти 414 и сегмента 426, изогнута. Например, вся или частичная часть боковой поверхности 446 может быть изогнутой или иметь иную неплоскую форму. В других примерах часть боковой поверхности 446 изогнута, а другая часть боковой поверхности 446 плоская.
В некоторых вариантах реализации изобретения изогнутая часть боковой поверхности 446 имеет радиус кривизны в диапазоне, имеющем верхнее значение, нижнее значение или верхнее и нижнее значения, включая любое из 5 мм, 20 мм, 40 мм, 50 мм, 60 мм, 80 мм, 100 мм или любые другие значения между ними. Например, изогнутая часть боковой поверхности 446 может иметь радиус кривизны более 5 мм. В других примерах изогнутая часть боковой поверхности 446 имеет радиус кривизны менее 100 мм. В еще других примерах изогнутая часть боковой поверхности 446 имеет радиус кривизны от 5 мм до 100 мм. В дополнительных примерах изогнутая часть боковой поверхности 446 имеет радиус кривизны от 10 мм до 80 мм. В еще других примерах изогнутая часть боковой поверхности 446 имеет радиус кривизны 25 мм. В еще других вариантах реализации изобретения радиус кривизны боковой поверхности 446 составляет менее 5 мм или более 100 мм. Кроме того, радиус кривизны боковой поверхности 446 может изменяться или может быть постоянным.
В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент 436 соединен с лопастью 414 посредством механического крепежного элемента, либо отдельно, либо в сочетании с другими способами соединения. Например, сегмент 436 и лопасть 414 могут содержать одно или более мест 450 соединения механического крепежного элемента. Например, место 450 соединения механического крепежного элемента может включать в себя резьбовое отверстие (глухое отверстие или сквозное отверстие) для приема механического крепежного элемента с резьбой или сквозное отверстие без резьбы. В тех же или других примерах место 450 соединения механического крепежного элемента включает в себя отверстие или углубление с буртиком (например, утопленный канал, имеющий первый диаметр и больший второй диаметр с шагом между ними) для приема гайки, головки болта или другой дополнительный механический крепежный элемент. По меньшей мере в одном примере место 450 соединения механического крепежного элемента в сегменте 436 имеет буртик для зацепления с головкой болта с резьбой, и место 450 соединения механического крепежного элемента в лопасти 414 имеет резьбовое отверстие для зацепления с резьбой болта с резьбой. Резьба может находиться в зацеплении, чтобы обеспечить прижимание головки болта сегмента 436 по направлению области контакта с лопастью 414.
На фиг. 6 проиллюстрирован общий вид с разнесенными частями другого варианта реализации долота 510 с модульным или сменным сегментом 536, выполненным с возможностью соединения с первичной лопастью, вторичной лопастью или образованной другой лопастью 514 посредством одного или более соединительных механических крепежных элементов. Сегмент 536 может быть прижат к задней поверхности 544 и/или боковой поверхности 546 посредством механических крепежных элементов. В некоторых вариантах реализации изобретения упругий поглощающий энергию слой 552 расположен между сегментом 536 и лопастью 514. Упругий слой 552 может быть любым материалом, который может деформироваться при сжатии между сегментом 536 и лопастью 514. Например, упругий слой 552 может включать в себя упруго сжимаемый материал, такой как пружинная сталь, титановый сплав, другой металлический сплав, полимер, композитный материал или другой материал, который может пластически или упруго деформироваться. В некоторых вариантах реализации изобретения модуль объемной упругости упругого слоя составляет менее 630 ГПа. В других примерах упругий слой 552 имеет геометрическую конфигурацию, которая обеспечивает сжатие упругого слоя 552. Например, упругий слой 552 может иметь геометрическую конфигурацию пластинчатой пружины для приложения противодействующей силы к сжатию механического крепежного элемента.
В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения во время операций резания механические крепежные элементы могут ослабляться по меньшей мере частично из–за вибраций, возникающих во время резания пласта, обсадной колонны или другого материала. В некоторых вариантах реализации изобретения упругий слой 552 может образовывать и/или предотвращать «выпадение» механического крепежного элемента во время операций резания. В других вариантах реализации изобретения упругий слой 552 может гасить передачу вибрации от сегмента 536 на лопасть 514, тем самым уменьшая усталостное повреждение лопасти 514. В тех же или других вариантах реализации изобретения эластичный или неэластичный упругий слой 552 может поглощать удары между сегментом 536 и лопастью 514, уменьшая повреждение сегмента 536 и/или лопасти 514. В других вариантах реализации изобретения упругий слой 552 может обеспечивать совместимый слой между сегментом 536 и лопастью 514, который может уменьшать концентрации напряжений, возникающие из–за какого–либо несоответствия между контактными поверхностями сегмента 536 и лопасти 514.
В других вариантах реализации изобретения упругий или другой слой является частью сегмента. На фиг. 7 проиллюстрирован вид сбоку другого варианта реализации сегмента 636, имеющего два связанных друг с другом материала. Сегмент 636 может содержать материал сегмента и материал подложки, которые металлургически связаны или механически скреплены. В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент 636 дополнительно изготавливают со слоем 654 материала сегмента, нанесенным на слой 656 материала подложки и связанным с ним. Слой 656 материала подложки может представлять собой металлический сплав, такой как стальной, алюминиевый, титановый или другой металлический сплав. В некоторых вариантах реализации изобретения материал подложки представляет собой свариваемый материал. Например, сегмент 636 со слоем 656 стального материала подложки можно сваривать со свариваемым материалом (например, сталью) лопасти долота или другого режущего инструмента.
В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент 636 содержит один или более пазов 638 под режущие элементы, в которых расположены режущие элементы 640. В некоторых вариантах реализации изобретения пазы 638 под режущие элементы расположены по меньшей мере частично в слое 654 материала сегмента 636. В других вариантах реализации изобретения паз 638 под режущие элемент полностью расположен в слое 654 материала сегмента 636. В еще других вариантах реализации изобретения паз 638 под режущий элемент расположен по меньшей мере частично в слое 656 материала подложки сегмента 636. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина слоя 656 материала подложки составляет по меньшей мере 1,27 мм (0,05 дюйма), по меньшей мере 2,54 мм (0,1 дюйма), по меньшей мере 5,08 мм (0,2 дюйма) или по меньшей мере 7,62 мм (0,3 дюйма). В других вариантах реализации изобретения слой 656 материала подложки составляет менее 1,27 мм (0,05 дюйма).
В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент содержит боковые и задние поверхности, образующие паз под режущий элемент внутри сегмента. В других вариантах реализации изобретения сегмент имеет боковую поверхность, проходящую полностью, и не имеет заднюю поверхность, так что паз под режущий элемент полностью проходит через сегмент от первой поверхности к противоположной второй поверхности, так что паз под режущий элемент открыт с обеих сторон. В таких вариантах реализации изобретения лопасть определяет по меньшей мере часть паза под режущий элемент (например, заднюю поверхность и/или часть одной или более боковых поверхностей), и режущий элемент по меньшей мере частично соединен непосредственно с лопастью долота, без сегмента, образующего чисто косвенное соединение между режущим элементом и лопастью.
На фиг. 8–1 проиллюстрирован общий вид с разнесенными частями приведенного в качестве примера варианта реализации долота 710 с пазами 738 под режущие элементы, образованными в лопасти 714 (например, первичной лопасти, вторичной лопасти, третичной лопасти и т. д.) долота 710, в то время как защитный сегмент расположены рядом с пазами 738 под режущие элементы и режущими элементами 740. В некоторых вариантах реализации изобретения защитный сегмент содержит лицевую накладку 758, которая соединяется с передней поверхностью лопасти 714 долота 710. Лицевая накладка 758 может быть похожа в некоторых отношениях на сегменты, описанные в связи с фиг. 2 по 7. Например, лицевая накладка 758 может содержать такой материал сегмента, как карбид вольфрама. В других примерах лицевая накладка 758 содержит материал подложки, который необязательно является свариваемым материалом. В других примерах лицевая накладка 758 содержит один или более механических крепежных элементов или мест соединения для облегчения соединения лицевой накладки 758 с лопастью 714.
Лицевая накладка 758 может быть расположена в области контакта с лопастью 714 и, необязательно, внутри углубления 742, образованного в передней поверхности лопасти 714. В то время как показано, что лицевая накладка 758 расположена рядом с передней поверхностью первичной лопасти 714, в других вариантах реализации изобретения лицевая накладка 758 расположена рядом с другими лопастями долота 710 (например, вторичными лопастями) или на других поверхностях лопасти (например, верхней поверхности, как показано на фиг. 8–2). В некоторых вариантах реализации изобретения углубление 742 может определять место контакта, включающее заднюю поверхность 744 и боковую поверхность 746. В некоторых примерах по меньшей мере часть боковой поверхности 746 является изогнутой или неплоской. В других примерах по меньшей мере часть боковой поверхности 746 является плоской.
В некоторых вариантах реализации изобретения задняя поверхность 744 области контакта между лицевой накладкой 758 и лопастью 714 содержит часть одного или более расположенных в ней пазов 738 под режущие элементы. Например, основа, опора или задняя поверхность паза 738 под режущие элементы может находиться по меньшей мере частично в пределах лопасти 714. В некоторых примерах по меньшей мере некоторая глубина паза 738 под режущий элемент находится в лопасти 714, так что боковая поверхность паза 738 под режущий элемент по меньшей мере частично образована лопастью 714 и по меньшей мере частично образована лицевой накладкой 758. Поэтому лопасть 714 и лицевая накладка 758 могут совместно определять паз 738 под режущий элемент, когда лицевая накладка 758 расположена относительно лопасти 714 для выравнивания соответствующих частей паза 738 под режущий элемент.
В некоторых вариантах реализации изобретения режущий элемент 740 расположен в пазу 738 под режущий элемент и соединен как с лопастью 714, так и с лицевой накладкой 758. Например, режущий элемент 740 может быть припаян к пазу 738 под режущий элемент, так что режущий элемент 740 припаивают как к лопасти 714, так и к лицевой накладке 758. В других вариантах реализации изобретения режущий элемент 740 припаивают к лопасти 714, а не к лицевой накладке 758. В других вариантах реализации изобретения режущий элемент 740 припаивают к лицевой накладке 758, а не к лопасти 714. В других вариантах реализации изобретения механизмы крепления, отличные от пайки, используют для соединения режущего элемента 740 с лопастью 714, лицевой накладкой 758 или и с тем, и с другим.
По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения лицевая накладка 758 предварительно сформирована для замены твердосплавной наплавки, нанесенной обычным способом сварки/плавления. В данном контексте «предварительно сформированная» лицевая накладка 758 имеет форму, подходящую для нанесения, адгезии или соединения с долотом или другим скважинным инструментом, даже в отсутствие плавления материала. Таким образом, в отличие от обычной твердосплавной наплавки, который расплавляется для нанесения на долото, предварительно сформированная лицевая накладка 758 имеет образованную форму, отличную от формы скважинного прибора, которая преимущественно аналогична форме лицевой накладки 758 при соединении со скважинным инструментом. Кроме того, в то время как обычную твердосплавную наплавку присоединяют путем адгезии к скважинному инструменту с использованием материала внутри самой твердосплавной наплавки, предварительно сформированная лицевая накладка 758 может быть прикреплена отдельным материалом (например, пайкой, припоем и т. д.) или отдельным механизмом (например, механическими крепежными элементами).
Лицевая накладка 758 может быть выполнена из карбида, керамики, матрицы, металла, металлического сплава или других материалов, имеющих более высокую износостойкость и эрозионную стойкость, чем материалы, образующие лопасть 714. В качестве примера литье, инфильтрация, формование, аддитивное производство, спекание, механическая обработка или другой способ или комбинация вышеупомянутого могут быть использованы для изготовления лицевой накладки 758, изготовленной по меньшей мере частично и, возможно, полностью из спеченного сцементированного материала из карбида вольфрама. Лицевая накладка 758 может быть соединена с лопастью стального корпуса долота. Из–за более высокой износостойкости и эрозионной стойкости спеченного сцементированного материала из карбида вольфрама по сравнению со стальным материалом лопасти лицевая накладка 758 может действовать как предварительно сформированный и потенциально заменяемый материал, который может заменить твердосплавный материал для защиты зон лопасти долота 710 рядом с режущими элементами 740. Это может позволить продлить срок службы долота 710, поскольку может быть уменьшен износ из–за контакта с пластом и другими материалами, а также эрозия из–за воздействия потока флюида из насадок или ствола скважины. Поскольку износ лицевой накладки 758 возрастает выше допустимого уровня, лицевая накладка 758 может быть удалена и заменена. Необязательно, также могут быть удалены режущие элементы 740; однако по меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения один или более режущих элементов 740 могут оставаться соединенными с лопастью 714, пока снята лицевая накладка 758, и, необязательно, пока прикреплена сменная лицевая накладка 758. По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения лицевая накладка 758 соединена с лопастью 714 пайкой, сваркой или механическим креплением. Лицевая накладка 758 необязательно может быть соединена с материалом для пайки, который отличается от материала для пайки, используемого для пайки режущих элементов 740. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения материал для пайки, используемый для припаивания лицевой накладки 758 к лопасти 714, имеет более высокую температуру плавления, чем материал для пайки, используемый для пайки режущих элементов 740 внутри пазов 738 под режущие элементы.
На фиг. 8–2 проиллюстрирован схематичный вид в частичном поперечном сечении другого примера лопасти 714, имеющего множество лицевых накладок, соединенных с лопастью 714. В варианте реализации изобретения, проиллюстрированном на фиг. 8–2, первая предварительно сформированная лицевая накладка 758–1 показана соединенной с лицевой поверхностью лопасти 714, а вторая предварительно сформированная лицевая накладка 758–2 соединена с верхней (или обращенной к забою скважины или к пласту) поверхностью лопасти 714. Первая предварительно сформированная лицевая накладка 758–1 может быть аналогичной лицевой накладке 758 по фиг. 8–1 и, необязательно, расположена в углублении на передней поверхности лопасти 714. Как проиллюстрировано на фиг. 8–2, первая лицевая накладка 758–1 может образовывать по меньшей мере часть боковой поверхности паза 738 под режущий элемент, в которой расположен режущий элемент 740, тогда как лопасть 714 также может образовывать часть боковой поверхности паза 738 под режущий элемент, а также основу паза 738 под режущий элемент.
На фиг. 8–2 вторая лицевая накладка 758–2 соединена с лопастью 714 способом, аналогичным первой лицевой накладке 758–1, за исключением того, что вторая лицевая накладка 758–2 расположена на верхней поверхности лопасти 714 и, необязательно, смежна с режущим элементом 740. В проиллюстрированном конкретном варианте реализации изобретения вторая лицевая накладка 758–2 может покрывать по меньшей мере часть режущего элемента 740, чтобы определять также часть паза 738 под режущий элемент; однако такой вариант реализации изобретения является просто иллюстративным. В других вариантах реализации изобретения вторая лицевая накладка 758–2 расположена с возможностью вращения позади режущего элемента 740 на лопасти 714. Вторая лицевая накладка 758–2 может обеспечивать повышенную износостойкость или эрозионную стойкость верхней, обращенной к пласту поверхности лопасти 714, при бурении. В некоторых вариантах реализации изобретения вторая лицевая накладка 758–2 расположена по меньшей мере частично в углублении, образованном на верхней поверхности лопасти 714; однако в других вариантах реализации изобретения вторая лицевая накладка 758–2 полностью находится в углублении или может вообще не находиться в углублении.
На фиг. 9 проиллюстрирован вид с разнесенными частями другого варианта реализации лопасти 814 с присоединенной к нему лицевой накладкой. В некоторых вариантах реализации изобретения лицевая накладка содержит множество сегментов 858–1, 858–2, 858–3, 858–4 лицевой накладки (совместно сегменты 858 лицевой накладки), которые соединены с лопастью 814. В одном примере первая лицевая накладка 858–1 может быть выполнена с возможностью расположения рядом с множеством режущих элементов 840 и/или для их защиты. Первая лицевая накладка 858–1 может быть непрерывной на некоторой протяженности рядом с множеством режущих элементов и может уменьшать отверстия или кромки, которые могут быть подвержены повышенной скорости эрозии или износа. В других примерах по меньшей мере одна лицевая накладка, такая как второй сегмент 858–2 лицевой накладки по фиг. 9, выполнена с возможностью расположения рядом и/или защиты лопасти рядом с одним режущим элементом 840. Как следует понимать с учетом представленного в данном документе изобретения, сегмент 858 лицевой накладки может быть расположен рядом и/или защищать лопасть рядом с любым количеством режущих элементов 840, включая частичные зоны режущих элементов 840. Например, третий сегмент 858–3 лицевой накладки может быть расположен рядом с половиной протяженности режущего элемента 840. Показано, что четвертый сегмент 858–4 лицевой накладки расположен рядом и/или для защиты лопасти рядом с протяженностью, равной длине полторы режущего элемента 840.
В некоторых вариантах реализации изобретения наличие отдельных лицевых накладок, которые не соединены друг с другом, может обеспечивать снятие остаточного термического или другого механического напряжения с лицевой накладки. Создание возможности термического расширения или сжатия второго сегмента лицевой накладки 858–2 независимо от третьего сегмента 858–3 лицевой накладки может снизить вероятность выхода из строя второго сегмента 858–2 лицевой накладки и/или третьего сегмента 858–3 лицевой накладки. В других вариантах реализации изобретения наличие отдельных лицевых накладок или сегментов лицевой накладки, которые не соединены друг с другом, может обеспечивать замену или ремонт отдельных лицевых накладок, поскольку разные области лопасти 814 могут испытывать различные степени эрозии или износа.
В некоторых примерах четвертый сегмент 858–4 лицевой накладки, расположенный в носовой области 830 лопасти 814, может иметь иную скорость износа/эрозии, чем второй сегмент 858–2 лицевой накладки, расположенный в заплечиковой области 832 лопасти 814. В других примерах калибровочная область 834 лопасти 814 может иметь, по существу, одинаковую скорость износа по длине калибровочной области 834. В таких примерах калибровочная область 834 может иметь непрерывный первый сегмент 858–1 лицевой накладки, так что в первом сегменте 858–1 лицевой накладки нет промежутков или отверстий для увеличения срока службы калибровочной области 834 с меньшим риском непропорционального износа/эрозии первого сегмента 858–1 лицевой накладки.
В некоторых вариантах реализации изобретения лицевая накладка имеет другую геометрическую конфигурацию в зависимости от типа режущего элемента, который защищен лицевой накладкой. Например, лицевая накладка может иметь первую геометрическую конфигурацию, когда она выполнена с возможностью защиты режущего элемента для среза, а другая лицевая накладка может иметь вторую геометрическую конфигурацию, когда она выполнена с возможностью защиты неплоского режущего элемента. Лопасть 814 с множеством лицевых накладок может обеспечивать замену одной или более лицевых накладок 858, позволяя настраивать лопасть 814 и/или соответствующее долото в зависимости от материала, подлежащего разложению. Разнообразие лицевых накладок и комбинаций сегментов лицевой накладки обеспечивает модульность конструкции отдельного долота и/или лопасти. По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения лицевые накладки или сегменты лицевой накладки могут обеспечивать предварительно сформированные закаленные элементы, которые заменяют твердосплавную наплавку, нанесенную на один или более участков поверхности лопасти на стальном или другом долоте. Как следует понимать с учетом приведенного в данном документе изобретения, отделимые модульные сегменты по фиг. 9 также могут применяться в связи с лицевыми накладками, используемыми на участках, отличных от передней в окружном направлении поверхности, в том числе с лицевой накладкой на верхней поверхности лопасти, как было рассмотрено со ссылкой на фиг. 8–2.
На фиг. 10 проиллюстрирован вид сбоку другого варианта реализации долота 910, имеющего предварительно сформированную износостойкую вставку 960, расположенную в калибровочной области 934 долота 910. Вставка 960 может содержать материал сегмента, описанный в данном документе. В некоторых вариантах реализации изобретения вставка 960 расположена в лопасти 914 для обеспечения повышенной износостойкости по сравнению с материалом корпуса лопасти 914. Вставка 960 может быть расположена в пустоте или углублении лопасти, аналогичным пустоте или углублению, описанным в связи с фиг. 4. Вставка 960 может иметь поверхность без пазов или без пазов под режущие элементы (в отличие от сегментов, несущих режущий элемент в вариантах реализации изобретения, описанных со ссылкой на фиг. 2–7) и/или может быть расположена на нережущей части долота 910 (в отличие от лицевой накладки 758, расположенной рядом с режущими элементами 740 по фиг. 8–1 и 8–2). Хотя варианты реализации изобретения включают вставку 960, припаянную к лопасти 914, в других вариантах реализации изобретения вставка 960 соединяется с лопастью 914 посредством сварки, адгезива, механического крепежного элемента (такого как болт, винт, штифт, зажим, фиксатор или другие механические крепежные элементы), механическая блокировка (такая как канавки, соединения типа "ласточкин хвост", стойки, углубления, уступы, другие поверхностные элементы или другие устройства механической блокировки), другие механизмы, раскрытые в данном документе или известные в данной области техники, или их комбинации.
В других вариантах реализации изобретения предварительно сформированные сегменты (включая предварительно сформированные закаленные сегменты вместо твердосплавной наплавки) используют в сочетании с режущими инструментами, отличными от долот. Например, на фиг. 11 представлен вид сбоку варианта реализации скважинного режущего инструмента 1062, иллюстрирующий раздвижной фрезерный инструмент или раздвижной расширитель с множеством сегментов 1036–1, 1036–2. Скважинный режущий инструмент 1062 могут использовать в вариантах применения фрез для удаления обсадной колонны из ствола скважины или другой скважинной среды или в вариантах применения раздвижных расширителей для измельчения пласта или цемента. Скважинный режущий инструмент 1062 может иметь один или более лам с режущим элементом раздвижного расширителя или лопастей 1064. В некоторых вариантах реализации изобретения лопасти 1064 могут быть выборочно развернуты в предполагаемом месте в стволе скважины. Лопасти 1064 могут иметь множество режущих элементов 1040, расположенных на наружной в радиальном направлении части лопасти 1064, причем данная часть выполнена с возможностью удаления обсадной колонны и/или породы пласта. Например, комбинацию различных режущих элементов 1040 могут использовать на лопасти 1064 в зависимости от местоположения на лопасти 1064. В некоторых примерах первый сегмент 1036–1 содержит и/или защищает один или более режущих элементов 1040, которые выполнены с возможностью резки стальной обсадной колонны. В других примерах второй сегмент 1036–2 содержит и/или защищает один или более режущих элементов 1040, выполненных с возможностью резки цемента или земляного пласта. В еще других примерах лопасть 1064 имеет один непрерывный сегмент, который содержит множество типов режущих элементов 1040, или непрерывный сегмент или множество сегментов содержат один тип режущего элемента 1040. В некоторых вариантах реализации изобретения множество типов режущих элементов, удерживаемых лопастью 1064, включают в себя стабилизирующие или элементы усиления калибрующего венца долота в дополнение к режущим элементам.
В некоторых вариантах реализации изобретения скважинный режущий инструмент 1062 имеет разные скорости износа в разных местах лопасти 1064 по меньшей мере частично из–за взаимодействия различных зон лопасти 1064 с различными материалами, из–за того, что эти зоны испытывают более высокую нагрузку при удалении материала, испытывают различные вибрационные/ударные силы, или по многим другим причинам. Например, скорость износа первого сегмента 1036–1 при резке обсадной колонны может быть больше, чем у второго сегмента 1036–2 при резке цемента или земляного пласта. В другом примере скорость износа второго сегмента 1036–2 может быть больше, чем у первого сегмента 1036–1, в то время как оба сегмента расширяют ствол в земляном пласте. По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения целесообразно выборочно заменять или ремонтировать один из сегментов 1036–1, 1036–2 за раз.
Некоторые варианты реализации режущего инструмента с сегментом в соответствии с данным изобретением изготавливаются в соответствии со способом, например, проиллюстрированным на фиг. 12. В некоторых вариантах реализации изобретения способ 1168 включает в себя формирование лопасти из материала корпуса в блоке 1170. Например, лопасть может быть лопастью долота, например лопастью, описанной со ссылкой на фиг. 2, или лопасть может быть лопастью для фрезерования или лопастью расширителя/раздвижного расширителя, как описано со ссылкой на фиг. 11. Лопасть может быть сформирована различными способами, включая, но не ограничиваясь этим, литье, механическую обработку, аддитивное производство или их комбинации. Например, корпус долота может быть отлит с выступающей из него лопастью. В другом примере долото механически обрабатывают с лопастью, выполненной за одно целое с корпусом долота и выступающей из него. В другом примере долото отливают или механически обрабатывают, а лопасть отдельно формируют и приваривают или иным образом прикрепляют к корпусу долота. В еще одном примере корпус и лопасть долота изготавливают посредством аддитивного производства (вместе или по отдельности). По меньшей мере в некоторых вариантах реализации изобретения формирование лопасти в блоке 1170 также включает лопасть с полостью или углублением в ней. Например, лопасть может быть отлита, подвергнута механической обработке или изготовлена посредством аддитивного производства с углублением, выполненным с возможностью приема соответствующего предварительно сформированного сегмента, который имеет более высокую износостойкость и/или эрозионную стойкость, чем материал лопасти и/или корпус долота.
В некоторых вариантах реализации изобретения углубление определяет область контакта, содержащую одну или более боковых поверхностей и/или задних поверхностей, как описано в данном документе. Область контакта может содержать плоские поверхности. В других вариантах реализации изобретения область контакта содержит по меньшей мере одну поверхность, которая полностью или частично изогнута или не является плоской. В еще других вариантах реализации изобретения область контакта представляет собой полностью изогнутые или неплоские поверхности. В соответствии по меньшей мере с некоторыми вариантами реализации изобретения формирование лопасти в блоке 1170 включает в себя формирование полных или частичных пазов под режущие элементы.
Способ 1168 может дополнительно включать в себя формирование сегмента из материала сегмента в блоке 1172. В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент содержит один или более полных или частичных пазов под режущие элементы. В других вариантах реализации изобретения сегмент представляет собой предварительно сформированную защитную закаленную лицевую накладку, которая образует по меньшей мере часть паза под режущий элемент, а основа паза под режущий элемент сформирована лопастью. В еще других вариантах реализации изобретения сегмент представляет собой вставку, в которой отсутствует паз под режущий элемент и которая расположена в лопасти для повышенной износостойкости. Необязательно, сегмент представляет собой вставку с усилением калибрующего венца долота или пазами под стабилизирующие элементы.
В некоторых вариантах реализации изобретения формирование сегмента включает в себя формирование сегмента для создания формы, соответствующей углублению, и области контакта с лопастью для заполнения по меньшей мере части углубления. Например, сегмент может соответствовать по форме углублению и сопрягаться, по существу, со всей областью контакта. В другом примере сегмент может соответствовать по форме части полости и сопрягаться с частью, меньшей всей области контакта. По меньшей мере в одном примере сегмент включает множество частей сегмента, которые соответствуют по форме полости и сопряжены, по существу, со всей областью контакта в виде полного набора частей сегмента.
Сегмент может быть сформирован из материала сегмента различными способами, включая, но не ограничиваясь этим, литье, механическую обработку, аддитивное производство или их комбинации. Например, сегмент может быть отлит так, чтобы соответствовать по форме по меньшей мере части полости. В другом примере сегмент подвергается механической обработке (например, в сыром состоянии), чтобы соответствовать по форме по меньшей мере части полости. В еще одном примере сегмент изготавливают посредством аддитивного производства, чтобы соответствовать по форме по меньшей мере части полости. По меньшей мере в одном примере сегмент изготавливают посредством аддитивного производства, отливают или формуют для получения приблизительных конечных размеров и подвергают механической обработке, чтобы он соответствовал по форме по меньшей мере части полости.
Способ 1168 может дополнительно включать в себя расположение сегмента относительно лопасти (например, в углублении или лопасти) в блоке 1174 и соединение сегмента с лопастью в блоке 1176. В некоторых вариантах реализации изобретения соединение сегмента с лопастью включает в себя использование сварки, пайки, адгезива, механического крепежного элемента (такого как болт, винт, штифт, зажим, фиксатор или другие механические крепежные элементы), механической блокировки (такой как канавки, соединения типа "ласточкин хвост", стойки, углубления, уступы, другие поверхностные элементы или другие элементы механической блокировки) или их комбинаций. В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент припаивают к лопасти. В других вариантах реализации изобретения сегмент по меньшей мере частично удерживается посредством механической блокировки лопастью и частично удерживается с паяным соединением между сегментом и лопастью. Например, толщина слоя припоя между сегментом и лопастью может составлять около 0,1 мм (0,004 дюйма).
В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент и/или область контакта содержит один или более поверхностных элементов для разнесения сегмента и лопасти друг от друга и создания зазора, в который помещается припой. Например, сегмент может содержать один или более поверхностных элементов, которые создают постоянный зазор толщиной от 0,05 мм (0,002 дюйма) до 0,015 мм (0,006 дюйма) между лопастью и сегментом. В некоторых вариантах реализации изобретения поверхностные элементы обеспечивают зазор, который больше или меньше 0,1 мм (0,004 дюйма). Например, различные припои могут более эффективно затекать в больший или меньший зазор.
В тех же или других вариантах реализации изобретения сегмент соединен с лопастью посредством механического крепежного элемента и/или упругого слоя, расположенного между сегментом и лопастью, как описано со ссылкой на фиг. 6. В таких вариантах реализации изобретения упругий слой может обеспечивать гашение и/или поглощение вибрации, чтобы ограничить вибрационное повреждение сегмента, лопасти или соединения между ними. В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент соединен с лопастью посредством подложки сегмента. Например, сегмент может содержать материал сегмента, связанный или иным образом соединенный с материалом подложки, как описано в данном документе со ссылкой на фиг. 7. Материал подложки может быть сварен или спаян с материалом лопасти или может быть соединен с лопастью посредством механических крепежных элементов.
В некоторых вариантах реализации изобретения способ 1168 дополнительно включает в себя расположение и соединение режущего элемента в пазу под режущий элемент сегмента и/или лопасти в блоке 1178. В некоторых вариантах реализации изобретения расположение и соединение режущего элемента в пазу под режущий элемент происходит до соединения предварительно сформированного или заменяемого сегмента с лопастью. Например, режущий элемент может быть запаян в паз под режущий элемент сегмента (например, как проиллюстрировано на фиг. 4) до соединения сегмента с лопастью. В таких примерах последующее соединение сегмента с лопастью косвенно прикрепляет режущий элемент к лопасти. В другом примере лицевая накладка соединена с лопастью (см. фиг. 8–1), и режущий элемент впоследствии располагают в пазу под режущий элемент, образованный лопастью и лицевой накладкой, и соединяют с ним.
В вариантах реализации изобретения, в которых применяют паяные материалы и соединения для соединения сегмента с лопастью и используют паяные материалы и соединения для соединения режущего элемента с пазом под режущий элемент и/или сегментом, любое соединение может быть создано первым. Например, первая пайка может включать пайку при относительно более высокой температуре, например более 870 °C (1600 °F), а вторая пайка может включать пайку при относительно более низкой температуре, например менее 760 °С (1400 °F). Выполнение второй пайки при более низкой температуре может ограничить и/или предотвратить повреждение или ослабление предыдущей пайки. В некоторых вариантах реализации изобретения разность температур плавления высокотемпературной и низкотемпературной пайки составляет по меньшей мере 55 °C (100 °F), чтобы ограничить повреждение предыдущей пайки. Поэтому способы пайки могут включать выполнение процесса пайки при более низкой температуре при температуре, которая по меньшей мере на 55 °C (100 °F) ниже, чем в случае процесса пайки при высокой температуре. В других вариантах реализации изобретения высокотемпературная пайка и низкотемпературная пайка выполняются с разностью температур, составляющей по меньшей мере 110 °C (200 °F), чтобы ограничить повреждение предыдущей пайки. В некоторых вариантах реализации изобретения сегмент и/или режущий элемент нагревают до более низкой температуры пайки, чтобы выборочно облегчить ремонт и/или замену сегмента и/или режущего элемента, соединенного низкотемпературной пайкой.
В то время как варианты реализации сегментов описаны в данном документе с пазами под режущие элементы и без них или с частью паза под режущий элемент в нем, сам сегмент может дополнительно иметь диапазон геометрических конфигураций относительно лопасти. На фиг. 13 проиллюстрирован вид сбоку в поперечном сечении другого варианта реализации долота 1210 в соответствии с данным изобретением. В некоторых вариантах реализации изобретения предварительно сформированный сменный сегмент 1236 необязательно закален относительно материала лопасти и соединен с лопастью 1214, которая проходит от корпуса 1212 долота. Режущий элемент 1240 может быть расположен в сегменте 1236 и соединен с ним. В некоторых вариантах реализации изобретения размер сегмента 1236 определяется соотношением по вертикали и по горизонтали относительно режущего наконечника 1278 режущего элемента 1240. Режущий наконечник 1278 может быть самой наружной точкой режущего элемента 1240 от корпуса 1212 долота, так что режущий наконечник 1278 является первой точкой режущего элемента 1240, соприкасающейся с материалом, удаляемым во время операций резания.
В некоторых вариантах реализации изобретения лопасть 1214 имеет высоту 1280–1 лопасти, а сегмент 1236 имеет высоту 1280–2 сегмента. Высоту 1280–1 лопасти измеряют от корпуса 1212 долота до точки 1278 резания. Высоту 1280–2 сегмента измеряют от точки сегмента 1236, ближайшей к корпусу 1212 долота, до точки 1278 резания.
Вертикальное соотношение представляет собой отношение высоты 1280–2 сегмента к высоте 1280–1 лопасти. Например, высота 1280–2 сегмента, которая составляет половину высоты 1280–1 лопасти, имеет вертикальное соотношение 0,5. В некоторых вариантах реализации изобретения вертикальное соотношение находится в диапазоне, имеющем верхнее значение, нижнее значение или верхнее и нижнее значения, включая любое из 0,1, 0,25, 0,5, 0,75, 0,95, 1,0 или любые промежуточные значения. Например, вертикальное соотношение может быть больше 0,1. В других примерах вертикальное соотношение составляет от 0,2 до 0,95. В еще других примерах вертикальное соотношение составляет от 0,3 до 0,95. В других примерах вертикальное соотношение составляет от 0,34 до 0,9. По меньшей мере в одном примере вертикальное соотношение составляет более 0,34. В еще других вариантах реализации изобретения вертикальное соотношение составляет менее 0,1 или же более 1,0 (например, когда сегмент вставлен в корпус долота и проходит по всей высоте 1280–1 лопасти).
В некоторых вариантах реализации изобретения лопасть 1214 имеет ширину 1282–1 лопасти, а сегмент 1236 имеет ширину 1282–2 сегмента. Ширину 1282–1 лопасти измеряют от самой задней точки лопасти 1214 до точки 1278 разреза. Ширину 1282–2 сегмента измеряют от самой задней точки сегмента 1236 до точки 1278 разреза.
Горизонтальное соотношение представляет собой отношение ширины 1282–2 сегмента к ширине 1282–1 лопасти. Например, ширина 1282–2 сегмента, которая составляет половину ширины 1282–1 лопасти, имеет горизонтальное отношение 0,5. В некоторых вариантах реализации изобретения горизонтальное соотношение находится в диапазоне, имеющем верхнее значение, нижнее значение или верхнее и нижнее значения, включая любое из 0,1, 0,25, 0,5, 0,75, 0,95, 1,0 или любые промежуточные значения. Например, горизонтальное соотношение может быть больше 0,1. В других примерах вертикальное соотношение составляет от 0,2 до 0,95. В еще других примерах горизонтальное соотношение составляет от 0,3 до 0,95. В других примерах горизонтальное соотношение составляет от 0,37 до 0,9. По меньшей мере в одном примере горизонтальное соотношение составляет более 0,37. В еще других вариантах реализации изобретения горизонтальное соотношение составляет менее 0,1 или более 1,0 (например, когда над сегментом свисает лопасть 1214). На фиг. 13 пунктирные линии на основе лопасти иллюстрируют приведенный в качестве примера сегмент 1236, горизонтальное соотношение которого равно 1,0.
По меньшей мере в одном варианте реализации изобретения режущий инструмент в соответствии с данным изобретением имеет увеличенный срок службы по сравнению с обычным режущим инструментом. В некоторых вариантах реализации изобретения режущий инструмент с лопастями, содержащими предварительно сформированные сменные сегменты, в соответствии с данным изобретением, обладает повышенной износостойкостью/стойкостью к эрозии по сравнению с обычным режущим инструментом. Например, один или более сегментов могут быть расположены на лопасти в тех местах, в которых износ и эрозия наиболее высоки. Когда сегменты изнашиваются, они могут быть удалены и заменены, чтобы продлить срок службы корпуса долота и лопастей. Например, фантомные линии иллюстрируют использование приведенных в качестве примера механических крепежных элементов (например, взаимодополняющих штифтов типа "ласточкин хвост" и гнезд), которые могут использоваться в дополнение или вместо пайки, сварки или других способов крепления. В тех же или других вариантах реализации изобретения режущий инструмент с лопастями, содержащими сегменты в соответствии с данным изобретением, может обеспечить более быстрый и/или менее трудоемкий ремонт по сравнению с обычными режущими инструментами, в которых лопасти выполнены за одно целое с корпусом или же в которых сами лопасти являются съемными или заменяемыми.
Варианты реализации режущих инструментов в основном описаны со ссылкой на операции резки ствола скважины; однако описанные в данном документе режущие инструменты могут использоваться в других областях, помимо бурения ствола скважины. В других вариантах реализации изобретения режущие инструменты в соответствии с данным изобретением используются вне ствола скважины или другой скважинной среды, используемой для разведки или добычи природных ресурсов. Например, режущие инструменты по данному изобретению могут применяться в стволе скважины, используемом для размещения линий энергоснабжения. Соответственно, термины «ствол скважины», «скважина» и тому подобное не следует толковать как образующие инструменты, системы, компоновки или способы по данному изобретению для какой–либо конкретной отраслью, областью или окружающей средой.
В данном документе описаны один или более конкретных вариантов реализации данного изобретения. Эти описанные варианты реализации изобретения являются примерами раскрытых в настоящее время методов. К тому же, в попытке предоставить краткое описание этих вариантов реализации изобретения в описании могут быть описаны не все признаки фактического варианта реализации изобретения. Следует принимать во внимание, что при разработке любого такого фактического варианта реализации, как и в любой инженерной или опытно–конструкторской разработке, будут приниматься многочисленные конкретные решения для варианта реализации для достижения конкретных целей разработчиков, таких как соблюдение связанных с системой и связанных с бизнесом ограничений, которые будут изменяться в зависимости от варианта реализации изобретения. Кроме того, следует понимать, что попытки такой разработки могут быть сложными и трудоемкими, но, тем не менее, благодаря преимуществу, получаемому от раскрытия данного изобретения, она может быть обычным делом в связи с проектированием, изготовлением и производством для средних специалистов в данной области техники.
В предшествующем описании форма единственного числа предназначена для обозначения одного или более элементов. Термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» являются включающими и означают, что могут присутствовать дополнительные элементы, отличные от перечисленных элементов. Кроме того, следует понимать, что ссылки на «один вариант реализации изобретения» или «вариант реализации изобретения» по данному раскрытию не предназначены для толкования как исключающие существование дополнительных вариантов реализации изобретения, которые также включают приведенные признаки. Например, любой элемент, описанный в связи с вариантом реализации изобретения в данном документе, может комбинироваться с любым элементом любого другого варианта реализации изобретения, описанного в данном документе. Числа, проценты, соотношения или другие значения, указанные в данном документе, предназначены для включения данного значения, а также других значений, которые «приблизительно» или «примерно» близки к указанному значению, что будет понятно специалисту в данной области техники, охватываемой вариантами реализации данного изобретения. Поэтому заявленное значение следует интерпретировать достаточно широко, чтобы охватить значения, которые по меньшей мере достаточно близки к заявленному значению для выполнения требуемой функции или достижения требуемого результата. Указанные значения включают по меньшей мере ожидаемые отклонения в подходящем производстве или производственном процессе и включают значения, которые находятся в пределах 5%, в пределах 1%, в пределах 0,1% или в пределах 0,01% от заявленного значения.
Ввиду данного раскрытия изобретения специалист в данной области техники должен понимать, что эквивалентные конструкции не отходят от сущности и объема данного изобретения, и что в данной заявке могут быть сделаны различные изменения, замены и исправления без отхода от сущности и объема данного изобретения. Эквивалентные конструкции, в том числе функциональные пункты с указанием «средства и функции», предназначены для охвата конструкций, описанных в данном документе как выполняющие указанную функцию, включая как конструкционные эквиваленты, которые работают таким же образом, так и эквивалентные конструкции, которые обеспечивают такую же функцию. Заявитель явно намерен не ссылаться на «средство и функцию» или другие функциональные требования для какого–либо пункта формулы, за исключением пунктов, в которых слова «средства для...» появляются вместе со связанной функцией. Каждое добавление, удаление и модификация вариантов реализации изобретения, которые подпадают под значение и объем формулы изобретения, должны охватываться формулой изобретения.
Термины «приблизительно», «около» и «по существу», используемые в данном документе, представляют количество, близкое к указанному количеству, которое все еще выполняет требуемую функцию или достигает требуемого результата. Например, термины «приблизительно», «около» и «по существу» могут относиться к количеству, которое находится в пределах менее 5%, в пределах менее 1%, в пределах менее 0,1% и в пределах менее 0,01% от заявленного количества. Кроме того, следует понимать, что любые направления или системы координат в предшествующем описании являются просто относительными направлениями или перемещениями. Например, любые упоминания слов «вверх» и «вниз» или «выше» или «ниже» просто описывают относительное положение или перемещение связанных элементов. Разрешительные термины «может» или «имеет возможность» используются в данном документе для указания того, что признаки присутствуют в некоторых вариантах реализации изобретения, но являются необязательными и не включены в другие варианты реализации изобретения в пределах объема данного изобретения.
Данное изобретение может быть воплощено в других конкретных формах без отклонения от его сущности или характеристик. Описанные варианты реализации изобретения следует рассматривать как иллюстративные, а не образующие. Следовательно, объем изобретения указан в прилагаемой формуле изобретения, а не в предшествующем описании. Изменения, которые подпадают под значение и диапазон эквивалентности формулы изобретения, должны быть включены в ее объем.
Группа изобретений относится к нефтегазовой отрасли, в частности к инструментам для бурения скважин. Режущий инструмент содержит корпус, имеющий продольную ось; лопасть, соединенную с корпусом и проходящую в радиальном направлении от корпуса; лицевую накладку, соединенную с передней в окружном направлении поверхностью лопасти и изготовленную из материала, отличного от материала лопасти. Лицевая накладка и лопасть совместно образуют множество пазов под режущий элемент частично в лицевой накладке и частично в лопасти. Каждый паз под режущий элемент из множества пазов под режущий элемент содержит боковую стенку и основание. Боковая стенка образована лопастью. Основание образовано внутри лопасти. Режущий элемент расположен в первом пазу под режущий элемент из множества пазов под режущий элемент. Режущий элемент припаян к лопасти и к лицевой накладке первого паза под режущий элемент. Скважинный инструмент содержит вращающийся корпус, лопасть и режущий инструмент. Заявлен способ изготовления скважинного инструмента. Достигается технический результат – повышение эффективности бурения и увеличение срока службы и ремонтопригодности режущего инструмента. 6 н. и 28 з.п. ф-лы, 14 ил.
1. Режущий инструмент, содержащий:
корпус, имеющий продольную ось;
лопасть, соединенную с корпусом и проходящую в радиальном направлении от корпуса;
лицевую накладку, соединенную с передней в окружном направлении поверхностью лопасти и изготовленную из материала, отличного от материала лопасти, причем лицевая накладка и лопасть совместно образуют множество пазов под режущий элемент частично в лицевой накладке и частично в лопасти, при этом каждый паз под режущий элемент из множества пазов под режущий элемент содержит боковую стенку и основание, при этом боковая стенка образована лопастью, а основание образовано внутри лопасти; и
режущий элемент, расположенный в первом пазу под режущий элемент из множества пазов под режущий элемент, при этом режущий элемент припаян к лопасти и к лицевой накладке первого паза под режущий элемент.
2. Режущий инструмент по п. 1, в котором лицевая накладка соединена с лопастью посредством одного или более из паяного соединения, сварного соединения или механического крепежного элемента.
3. Режущий инструмент по п. 2, дополнительно содержащий:
слой поглощения энергии между по меньшей мере частью лицевой накладки и лопастью.
4. Режущий инструмент по п. 1, в котором лицевая накладка является первой лицевой накладкой и соединена с передней в окружном направлении поверхностью лопасти, причем режущий инструмент дополнительно содержит:
вторую лицевую накладку, соединенную с верхней поверхностью лопасти.
5. Режущий инструмент по п. 1, дополнительно содержащий:
первое паяное соединение, соединяющее лицевую накладку с лопастью первым припоем; и
второе паяное соединение, соединяющее режущий элемент с лицевой накладкой вторым припоем, причем первый припой и второй припой имеют разные температуры плавления.
6. Режущий инструмент по п. 1, в котором лопасть содержит сталь.
7. Режущий инструмент по п. 6, в котором лицевая накладка содержит керамический материал.
8. Режущий инструмент по п. 7, в котором лицевая накладка содержит керамический материал, изготовленный посредством аддитивного производства и металлургически связанный с подложкой из металлического сплава в процессе аддитивного производства.
9. Скважинный инструмент, содержащий:
вращающийся корпус;
лопасть, соединенную с корпусом, причем лопасть содержит в себе углубление, образующее область контакта в передней в окружном направлении поверхности лопасти;
предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой, соединенный с лопастью по меньшей мере вдоль части области контакта, причем лопасть и предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой совместно образуют боковую стенку по меньшей мере одного паза под режущий элемент частично внутри предварительно сформированного элемента с твердосплавной наплавкой и частично внутри лопасти, при этом лопасть образует основание по меньшей мере одного паза под режущий элемент; и
режущий элемент, расположенный в по меньшей мере одном пазу под режущий элемент, при этом режущий элемент припаян к лопасти и к твердосплавной наплавке по меньшей мере одного паза под режущий элемент.
10. Скважинный инструмент по п. 9, в котором предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой является первым предварительно сформированным элементом с твердосплавной наплавкой, причем скважинный инструмент дополнительно содержит:
второй предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой, соединенный с лопастью вдоль другой части области контакта, причем лопасть и второй предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой совместно образуют другой паз под режущий элемент частично внутри второго предварительно сформированного элемента с твердосплавной наплавкой и частично внутри лопасти.
11. Скважинный инструмент по п. 10, в котором углубление, а также первый и второй предварительно сформированные элементы с твердосплавной наплавкой расположены на передней в окружном направлении поверхности лопасти.
12. Скважинный инструмент по п. 9, в котором предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой является первым предварительно сформированным элементом с твердосплавной наплавкой и углубление является первым углублением, причем скважинный инструмент дополнительно содержит:
второй предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой, соединенный с лопастью внутри второго углубления лопасти, причем первое и второе углубления по меньшей мере частично находятся на разных поверхностях лопасти.
13. Скважинный инструмент по п. 12, в котором первое углубление и первый предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой расположены на передней в окружном направлении поверхности лопасти, а второе углубление и второй предварительно сформированный элемент с твердосплавной наплавкой расположены на верхней поверхности лопасти.
14. Скважинный инструмент по п. 11, в котором область контакта является по меньшей мере частично изогнутой.
15. Способ изготовления скважинного инструмента, включающий в себя этапы, на которых осуществляют:
формирование лопасти, причем лопасть образует углубление, основание паза под режущий элемент и часть боковой стенки паза под режущий элемент рядом с углублением, при этом углубление расположено в передней в окружном направлении поверхности лопасти;
формирование по меньшей мере одной лицевой накладки, имеющей другую часть боковой стенки паза под режущий элемент;
расположение по меньшей мере одной лицевой накладки в углублении таким образом, чтобы часть боковой стенки паза под режущий элемент внутри лопасти и другая часть боковой стенки паза под режущий элемент внутри по меньшей мере одной лицевой накладки совместно образовывали полную боковую стенку паза под режущий элемент;
соединение лицевой накладки с лопастью; и
расположение режущего элемента в пазу под режущий элемент и спайка режущего элемента по меньшей мере с одной лицевой накладкой и лопастью после соединения по меньшей мере одной лицевой накладки с лопастью.
16. Способ по п. 15, в котором формирование по меньшей мере одной лицевой накладки включает в себя аддитивное производство лицевой накладки из спеченного сцементированного карбида вольфрама.
17. Способ по п. 16, в котором формирование лопасти включает в себя механическую обработку лопасти или упрочнение лопасти из металлического сплава, и лопасть выполнена за одно целое с корпусом скважинного инструмента.
18. Режущий инструмент, содержащий:
корпус, выполненный с возможностью вращения вокруг продольной оси;
лопасть, соединенную с корпусом, причем лопасть отходит от корпуса; и
предварительно сформированный сегмент, соединенный с лопастью, причем указанный сегмент имеет паз под режущий элемент, и паз под режущий элемент имеет боковую стенку и основание, при этом предварительно сформированный сегмент содержит по меньшей мере одно место соединения механического крепежного элемента.
19. Режущий инструмент по п. 18, в котором предварительно сформированный сегмент соединен с лопастью посредством пайки.
20. Режущий инструмент по п. 18, дополнительно содержащий:
упругий слой между по меньшей мере частью предварительно сформированного сегмента и по меньшей мере частью лопасти.
21. Режущий инструмент по п. 18, дополнительно содержащий:
сварной шов, соединяющий предварительно сформированный сегмент с лопастью.
22. Режущий инструмент по п. 18, дополнительно содержащий:
режущий элемент, расположенный в пазу под режущий элемент.
23. Режущий инструмент по п. 22, дополнительно содержащий:
первое паяное соединение, соединяющее предварительно сформированный сегмент с лопастью первым припоем; и
второе паяное соединение, соединяющее режущий элемент с предварительно сформированным сегментом вторым припоем, причем первый припой и второй припой имеют разные температуры плавления.
24. Режущий инструмент по п. 18, в котором лопасть содержит сталь.
25. Режущий инструмент по п. 24, в котором предварительно сформированный сегмент содержит керамический материал.
26. Режущий инструмент по п. 25, в котором предварительно сформированный сегмент содержит керамический материал, изготовленный посредством аддитивного производства и металлургически связанный с подложкой из металлического сплава в процессе аддитивного производства.
27. Скважинный инструмент, содержащий:
корпус, выполненный с возможностью вращения вокруг продольной оси;
лопасть, соединенную с корпусом, причем лопасть содержит в себе углубление, образующее область контакта; и
сегмент, соединенный с лопастью в области контакта, причем сегмент содержит по меньшей мере один паз под режущий элемент с боковой стенкой и основанием; и
упругий слой, расположенный в области контакта между сегментом и лопастью.
28. Скважинный инструмент по п. 27, в котором область контакта является по меньшей мере частично изогнутой.
29. Скважинный инструмент по п. 27, в котором область контакта является плоской.
30. Скважинный инструмент по п. 27, в котором область контакта имеет заднюю поверхность и боковую поверхность.
31. Скважинный инструмент по п. 30, в котором задняя поверхность наклонена так, что находящаяся ниже по стволу концевая часть задней поверхности находится ближе к передней кромке лопасти, чем находящаяся выше по стволу концевая часть задней поверхности.
32. Способ изготовления скважинного инструмента, включающий в себя этапы, на которых осуществляют:
формирование лопасти, причем лопасть имеет в себе углубление;
формирование закаленного сменного сегмента, имеющего в себе по меньшей мере один паз под режущий элемент, причем формирование закаленного сменного сегмента включает в себя аддитивное изготовление сегмента из спеченного сцементированного карбида вольфрама;
расположение по меньшей мере части закаленного сменного сегмента в углублении; и
соединение сегмента с лопастью.
33. Способ по п. 32, в котором формирование лопасти включает в себя механическую обработку лопасти из металлического сплава, причем лопасть выполнена за одно целое с корпусом скважинного инструмента.
34. Способ по п. 32, дополнительно включающий в себя этап, на котором:
располагают режущий элемент в пазу под режущий элемент и осуществляют спайку режущего элемента с сегментом перед соединением сегмента с лопастью.
| US 20080314645 A1, 25.12.2008 | |||
| US 20150129320 A1, 14.05.2015 | |||
| US 20090107730 A1, 30.04.2009 | |||
| US 20110108326 A1, 12.05.2011 | |||
| US 20100101866 A1, 29.04.2010 | |||
| ДИНАМИЧЕСКИ УСТОЙЧИВОЕ ГИБРИДНОЕ БУРОВОЕ ДОЛОТО | 2009 |
|
RU2536914C2 |
