EA025749B1

EA025749B1 - Вооружение для бурового долота с фиксированными резцами и других скважинных породоразрушающих инструментов

Info

Publication number: EA025749B1
Application number: EA201391153A
Authority: EA
Inventors: Майкл Дж. Азар; Бала Дурайраджан; Мадапуси К. Кешаван
Original assignee: Смит Интернэшнл, Инк.
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2017-01-30
Also published as: GB2505086A; CN103827435A; CN103842607A; CA2827116A1; GB201315900D0; US20120205163A1; CN103842607B; US9404312B2; EA201391150A1; US8887837B2; BR112013020374B1; GB2503145B; EA201391153A1; CA2826939A1; US20130220706A1; EA027355B1; US20140367178A1; BR112013020374A2; EA201691772A1; WO2012109518A1

Abstract

Скважинный породоразрушающий инструмент может включать в себя корпус инструмента; множество лопастей, проходящих азимутально от корпуса инструмента, и множество режущих элементов, установленных на множестве лопастей, причем множество режущих элементов содержит по меньшей мере два конических режущих элемента, содержащих опорный штырь и алмазный слой и имеющих конический режущий торец, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере двух конических режущих элементов имеет положительный передний угол в продольной плоскости и по меньшей мере один из по меньшей мере двух конических режущих элементов имеет отрицательный передний угол в продольной плоскости.

Description

Варианты осуществления, раскрытые в данном документе, в общем, относятся к породоразрушающим инструментам с фиксированными резцами, содержащим вооружение из двух или более типов режущих элементов, где каждый тип имеет различное породоразрушающее воздействие на пласт. Другие варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к породоразрушающим инструментам с фиксированными резцами, содержащим конические режущие элементы, и включают в себя установку таких режущих элементов на долото и вариации режущих элементов, которые можно использовать для оптимизации бурения.

При бурении скважины вглубь земли, такой как для добычи углеводородов или для других вариантов применения, обычной практикой является соединение бурового долота с нижним концом компоновки звеньев бурильных труб, соединенных концами, для образования бурильной колонны. Долото вращается с помощью вращения бурильной колонны с поверхности или приведения в действие забойных двигателей или турбин или обоими способами. Благодаря осевой нагрузке, прикладываемой бурильной колонной, вращающееся долото входит в контакт с горной породой пласта, обеспечивая проходку долотом породы пласта с помощью истирания, раскалывания или срезания или комбинации всех способов разрушения породы, при этом образуется ствол скважины, проходящий по заданной траектории к проектной точке.

Буровые долота многих различных типов разработаны и находят применение в бурении таких стволов скважин. Двумя преобладающими типами буровых долот являются шарошечные долота с коническими шарошками и долота с фиксированными резцами (или роторные истирающе-режущего действия). Конструкция большинства долот с фиксированными резцами включает в себя множество лопастей, установленных с угловыми интервалами в плоскости торца долота. Лопасти выступают радиально наружу от корпуса долота и образуют между собой каналы потока. Кроме того, режущие элементы обычно сгруппированы и установлены на несколько лопастей радиальными рядами. Конфигурация или схема расположения режущих элементов на лопастях может изменяться в широких пределах в зависимости от ряда факторов, таких как обусловленные породой, подлежащей бурению.

Режущие элементы, расположенные на лопастях долот с фиксированными резцами, обычно выполняют из чрезвычайно твердых материалов. В обычном долоте с фиксированными резцами каждый режущий элемент содержит удлиненный, в общем, цилиндрический опорный штырь из карбида вольфрама, размещенный и закрепленный в гнезде, выполненном в поверхности лопасти. Режущие элементы, в общем, включают в себя твердый режущий слой из поликристаллического алмаза (РСЭ) или другие суперабразивные материалы, такие как термостабильный алмаз или поликристаллический кубический нитрид бора. Для удобства при использовании в данном документе долото РОС и резцы РОС относятся к долотам с фиксированными резцами или режущими элементами с использованием твердого режущего слоя из поликристаллического алмаза или других суперабразивных материалов.

На фиг. 1 и 2 показанное обычное долото 10 с фиксированными режущими элементами или лопастное долото режуще-истирающего действия, выполненное с возможностью бурения горной породы для образования ствола скважины. Долото 10, в общем, включает в себя корпус 12 долота, шейку 13 долота и деталь резьбового замка или замковый ниппель 14 для соединения долота 10 с бурильной колонной (не показано), используемой для вращения долота для бурения ствола скважины. Торец 20 долота несет вооружение 15 и выполнен на конце долота 10, противоположном концу 16 с замковым ниппелем. Долото 10 имеет центральную осевую линию 11, вокруг которой долото 10 вращается в направлении резания, представленном стрелкой 18.

Вооружение 15 создано на торце 20 долота 10. Вооружение 15 включает в себя множество установленных с угловыми интервалами основных лопастей 31, 32, 33 и вспомогательных лопастей 34, 35, 36, каждая из которых выступает от торца 20 долота. Основные лопасти 31, 32, 33 и вспомогательные лопасти 34, 35, 36 проходят, в общем, радиально вдоль торца 20 долота и затем аксиально вдоль участка периферии долота 10. При этом вспомогательные лопасти 34, 35, 36 проходят радиально вдоль торца 20 долота от положения, удаленного от осевой линии 11 долота, к периферии долота 10. Таким образом, в данном документе термин вспомогательная лопасть можно использовать для лопасти, которая начинается на некотором расстоянии от осевой линии долота и проходит, в общем, радиально вдоль торца долота к периферии долота. Основные лопасти 31, 32, 33 и вспомогательные лопасти 34, 35, 36 разделены каналами 19 прохода бурового раствора.

Также, как показано на фиг. 1 и 2, каждая основная лопасть 31, 32, 33 включает в себя верх 42 лопасти для установки множества режущих элементов, и каждая вспомогательная лопасть 34, 35, 36 включает в себя верх 52 лопасти для установки множества режущих элементов. В частности, режущие элементы 40, каждый имеющий режущую поверхность 44, установлены в гнезда, выполненные в верхних частях 42, 52 каждой основной лопасти 31, 32, 33 и каждой вспомогательной лопасти 34, 35, 36 соответственно. Режущие элементы 40 выполнены смежно друг с другом в проходящем радиально ряду вблизи ведущей кромки каждой основной лопасти 31, 32, 33 и каждой вспомогательной лопасти 34, 35, 36. Каждая режущая поверхность 44 имеет самую удаленную от осевой линии вершину 44а резца, самую удаленную от верха 42, 52 лопастей, на котором режущий элемент 40 установлен.

На фиг. 3 показан профиль долота 10, получающийся для всех лопастей (например, основных лопа- 1 025749 стей 31, 32, 33 и вспомогательных лопастей 34, 35, 36) и режущих поверхностей 44 всех режущих элементов 40 при повороте в один профиль вращения. На профиле вращения верхние участки 42, 52 всех лопастей 31-36 долота 10 образуют и определяют комбинированный или сводный профиль 3 лопасти, проходящий радиально от осевой линии 11 долота к наружному радиусу 23 долота 10. Таким образом, при использовании в данном документе, фраза сводный профиль лопасти относится к профилю, проходящему от осевой линии долота к наружному радиусу долота, и образованному верхними участками всех лопастей долота, повернутыми в один профиль вращения (т.е. к виду профиля вращения).

Обычный сводный профиль 39 лопасти (наиболее ясно показан на правой половине долота 10 на фиг. 3) можно, в общем, разделить на три зоны, обычно называемые конусообразной зоной 24, выступающей зоной 25 и калибрующей зоной 26. Конусообразная зона 24 представляет собой радиально самую близкую к осевой линии зону долота 10 и сводного профиля 39 лопасти, проходящую, в общем, от осевой линии 11 долота до выступающей зоны 25. Как показано на фиг. 3, в большинстве обычных долот с фиксированным режущим элементом конусообразная зона 24 является, в общем, вогнутой. Смежной с конусообразной зоной 24 является выступающая (или имеющая вид направленной кверху кривой) зона 25. В большинстве обычных долот с фиксированным режущим элементом выступающая зона 25 является, в общем, выпуклой. Выступающая радиально наружу смежная с выступающей зоной 25 калибрующая зона 26 проходит параллельно осевой линии 11 долота на наружной радиальной периферии сводного профиля 39 лопасти. Таким образом, сводный профиль 39 лопасти обычного долота 10 включает в себя одну вогнутую конусообразную зону 24 и одну выпуклую выступающую зону 25.

Аксиально самая нижняя точка выпуклой выступающей зоны 25 и сводного профиля 39 лопасти образуют нос 27 профиля лопасти. На носу 27 профиля лопасти угол наклона касательной 27а к выпуклой выступающей зоне 25 и сводному профилю 39 лопасти равен нулю. Таким образом, при использовании в данном документе термин нос профиля лопасти относится к точке на выпуклой зоне сводного профиля лопасти долота на виде вращающегося профиля, в которой угол наклона касательной к сводному профилю лопасти равен нулю. Для большинства обычных долот с фиксированными резцами (например, долота 10) сводный профиль лопасти включает в себя только одну выпуклую выступающую зону (например, выпуклую выступающую зону 25), и только один нос профиля лопасти (например, нос 27). Как показано на фиг. 1-3, режущие элементы 40 расположены рядами вдоль лопастей 31-36 и установлены вдоль торца 20 долота в зонах, описанных выше как конусообразная зона 24, выступающая зона 25 и калибрующая зона 26 сводного профиля 39 лопасти. В частности, режущие элементы 40 установлены на лопасти 31-36 в заданных радиально-разнесенных положениях относительно центральной осевой линии 11 долота 10.

Вне зависимости от типа долота стоимость бурения ствола скважины является пропорциональной времени, затраченному на бурение ствола скважины до нужной глубины и в проектное место. На время бурения, в свою очередь, в значительной степени влияет число замен бурового долота для достижения проектного пласта. Причина состоит в том, что каждый раз, когда долото меняют, всю бурильную колонну, которая может иметь длину несколько миль (1 миля = 1,6 км), приходится извлекать из ствола скважины свечу за свечой. После извлечения бурильной колонны и установки нового долота, долото должно спускаться на забой ствола скважины на бурильной колонне, которую вновь приходится собирать из трубных свечей. Данный процесс, известный как рейс бурильной колонны, требует значительного времени, затрат труда и расходов. Соответственно, всегда требуется использовать буровые долота, которые должны бурить быстрее и работать дольше, применимые в пластах с отличающейся твердостью в более широком диапазоне.

Продолжительность времени использования бурового долота до его замены зависит от его скорости проходки, а также его долговечности или способности поддерживать высокую или приемлемую скорость проходки. Кроме того, необходимой характеристикой долота является его устойчивость и сопротивление вибрации, наиболее серьезным видом или режимом которой является вихревой, данный термин используют для описания явления, где буровое долото вращается на дне забоя ствола скважины вокруг оси вращения, смещенной от геометрической центральной оси бурового долота. Такой вихревой режим создает увеличенную нагрузку на режущие элементы на долоте, вызывающую преждевременный износ или разрушение режущих элементов и потерю скорости проходки. Таким образом, предотвращение вибрации долота и поддержание устойчивости долот ΡΌΟ является важной целью, которую не всегда достигают.

Вибрация долота, в общем, может возникать в пласте любого типа, но является наиболее вредной в более твердых породах.

За последние годы долота ΡΌΟ стали стандартными в отрасли для разрушения пород малой и средней твердости. Вместе с тем, с разработкой долот ΡΌΟ для использования в более твердых породах более серьезной проблемой становится устойчивость долота. Как описано выше, чрезмерные вибрации долота во время бурения приводят к затуплению долота и/или могут повреждать долото до такой степени, что становится необходимым преждевременный рейс бурильной колонны.

Имеется ряд альтернативных конструкций, предложенных для вооружения долот РИС, предназначенных для обеспечения долотам РИС возможности бурения пород различной твердости с эффективны- 2 025749 ми скоростями проходки и с приемлемыми сроком эксплуатации или долговечностью долота. К сожалению, многие конструктивные исполнения долота, направленные на минимизацию вибрации, требуют проведения бурения с увеличенной осевой нагрузкой на долото в сравнении с долотами предыдущих образцов. Например, некоторые долота разработаны с резцами, установленными с менее агрессивными передними углами в продольной плоскости, при этом они требуют увеличенной осевой нагрузки на долото для прохода в породу пласта в нужной степени. Бурение с увеличенной или высокой осевой нагрузкой на долото имеет серьезные и последствия и, в общем, если возможно, его исключают. Увеличение осевой нагрузки на долото выполняют с помощью включения дополнительных утяжеленных бурильных труб в состав бурильной колонны. При этом дополнительный вес увеличивает напряжения и деформации во всех компонентах бурильной колонны, обуславливая увеличенный износ центраторов с жесткими лопастями и их менее эффективную работу и увеличение падения гидравлического давления в бурильной колонне, требуя использования насосов более высокой производительности (и, в общем, повышая стоимость) для осуществления циркуляции бурового раствора. Дополнительно усугубляя проблему, увеличенная осевая нагрузка на долото обуславливает более интенсивный износ и затупление долота, чем при обычной нагрузке. Для более редкого совершения рейсов бурильной колонны общепринятой практикой является создание дополнительной осевой нагрузки на долото и продолжение бурения частично изношенным и затупленным долотом. Соотношение между износом долота и осевой нагрузкой на долото является не линейным, но экспоненциальным, так что с превышением конкретной осевой нагрузки на данное долото весьма незначительное увеличение осевой нагрузки на долото должно вызывать огромное увеличение износа долота. Таким образом, добавление осевой нагрузки на долото для бурения частично изношенным долотом приводит к дополнительной эскалации износа долота и других компонентов бурильной колонны.

Соответственно, продолжает оставаться необходимым создание буровых долот с фиксированными резцами для высокопроизводительного бурения при экономически оправданных скоростях проходки и в идеале для бурения в горных породах с твердостью больше, чем та, при которой можно использовать обычные долота РОС. Конкретнее, продолжает оставаться необходимым создание долот РОС, которыми можно бурить в мягких, средних, средней твердости и даже твердых горных породах с поддержанием агрессивного профиля режущего элемента для сохранения приемлемых скоростей проходки для приемлемой продолжительности по времени бурения и при этом с уменьшением стоимости бурения, в настоящее время имеющейся в отрасли.

В одном аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к скважинному породоразрушающему инструменту, который включает в себя корпус инструмента; множество лопастей, проходящих азимутально от корпуса инструмента; множество режущих элементов, установленных на множестве лопастей, причем множество режущих элементов содержит по меньшей мере два конических режущих элемента, содержащих опорный штырь и алмазный слой и имеющих конический режущий торец, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере двух конических режущих элементов имеет положительный передний угол в продольной плоскости, и по меньшей мере один из по меньшей мере двух конических режущих элементов имеет отрицательный передний угол в продольной плоскости.

В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к скважинному породоразрушающему инструменту, который включает в себя корпус инструмента; множество лопастей, проходящих азимутально от корпуса инструмента; и множество режущих элементов, установленных на множестве лопастей, причем множество режущих элементов содержит по меньшей мере два конических режущих элемента, содержащих опорный штырь и алмазный слой и имеющих конический режущий торец, при этом по меньшей мере один из по меньшей мере двух конических режущих элементов имеет положительный боковой угол наклона, и по меньшей мере один из конических режущих элементов имеет отрицательный боковой угол наклона.

В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к скважинному породоразрушающему инструменту, который включает в себя корпус инструмента; множество лопастей, проходящих азимутально от корпуса инструмента; и множество режущих элементов, установленных на множестве лопастей, причем множество режущих элементов содержит по меньшей мере один резец, имеющий опорный штырь и алмазную грань, по существу, с плоской режущей поверхностью; по меньшей мере один из конических режущих элементов, содержащий опорный штырь и алмазный слой и имеющий конический режущий торец, при этом по меньшей мере один резец и по меньшей мере один конический режущий элемент установлены на одинаковом радиальном расстоянии от центральной осевой линии долота.

В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к буровому долоту для бурения ствола скважины в толще горных пород, которое включает в себя корпус долота, имеющий ось долота и торец долота; множество лопастей, проходящих радиально по торцу долота; множество режущих элементов, установленных на множестве лопастей, и конический керновый режущий элемент, расположенный в зоне между по меньшей мере двумя лопастями, при этом вершина конического кернового режущего элемента расположена на высоте Н меньше высоты режущей кромки большинства радиально внутренних режущих элементов, при этом величина Н находится в диапазоне до 0,35

- 3 025749 диаметра долота.

В другом аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к скважинному породоразрушающему инструменту, который включает в себя корпус инструмента; множество лопастей, проходящих азимутально от корпуса инструмента; и множество режущих элементов, установленных на множестве лопастей, причем множество режущих элементов содержит по меньшей мере один из конических режущих элементов, содержащий опорный штырь и алмазный слой и имеющий конический режущий торец, при этом режущий профиль множества режущих элементов на виде при повороте в одну плоскость содержит по меньшей мере одну не гладкую ступень.

Другие аспекты и преимущества изобретения должны стать ясны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где на фиг. 1 показано буровое долото известной техники; на фиг. 2 - вид сверху бурового долота известной техники; на фиг. 3 - сечение бурового долота известной техники;

на фиг. 4 - режущие элементы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 5 - режущие элементы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 6 - режущие элементы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 7 - режущие элементы согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 8 - поворот режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 9 - режущий элемент согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 10 - режущий элемент согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 11А - схема расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 11В - вид сверху бурового долота со схемой расположения режущих элементов фиг. 11А, повернутых в одну плоскость;

на фиг. 11С - вид сверху бурового долота со схемой расположения режущих элементов фиг. 11А, повернутых в одну плоскость;

на фиг. 12 - схема расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 13А-В - схемы расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 14А-В - схемы расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 15 - режущие элементы согласно настоящему изобретению;

на фиг. 16А-В - виды сверху и виды сбоку режущих элементов согласно настоящему изобретению; на фиг. 17 - схема расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 18А-В - схемы расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 19А-В - схемы расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 20А-В - схемы расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 21А-С - виды воздействия режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 22А-С - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 23 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 24 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 25 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 26 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 27 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 28 - схема расположения режущих элементов согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 29 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 30А-В - режущие профили согласно настоящему изобретению;

на фиг. 31А-С - различные конические режущие элементы согласно настоящему изобретению; на фиг. 32А-С - различные конические режущие элементы согласно настоящему изобретению; на фиг. 33 - вариант осуществления конического режущего элемента согласно настоящему изобретению;

на фиг. 34 - вариант осуществления конического режущего элемента согласно настоящему изобре- 4 025749 тению;

на фиг. 35 - вариант осуществления конического режущего элемента согласно настоящему изобретению;

на фиг. 36 - буровое долото согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 37 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 38 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 39 - режущий профиль согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения; на фиг. 40 - инструмент, в котором можно использовать режущие элементы настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

В одном аспекте варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к лопастным буровым долотам, содержащим вооружение нескольких видов. В частности, варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к буровым долотам, содержащим два или больше типов режущих элементов, причем каждый тип имеет отличающийся режим разрушающего воздействия на горную породу. Другие варианты осуществления, раскрытые в данном документе, относятся к буровым долотам с фиксированными резцами, содержащими конические режущие элементы, и включают в себя установку таких режущих элементов на долото и вариации режущих элементов, которые можно использовать для оптимизации бурения.

На фиг. 4 и 5 показаны примеры лопастей с режущими элементами на них для бурового долота (или расширителя), выполненные согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 4, лопасть 140 включает в себя множество резцов 142, обычно именуемых вставными штырями или резцами РОС. а также множество конических режущих элементов 144. При использовании в данном документе термин конические режущие элементы относится к режущим элементам, имеющим в общем конический режущий торец (включающим в себя либо прямые или наклонные конусы), заканчивающимся закругленной вершиной. В отличие от геометрических конусов, заканчивающихся в точке вершины острым концом, конические режущие элементы настоящего изобретения имеют вершину, образованную кривой, проходящей между боковой поверхностью и вершиной. Конические режущие элементы 144 отличаются от резцов 142, имеющих плоскую режущую поверхность. Для простоты установления различий между двумя типами режущих элементов термин режущие элементы должен относиться к любому типу режущих элементов, а резец должен относиться к режущим элементам с плоской режущей поверхностью, таким как описаны выше и показаны на фиг. 1 и 2, и конический режущий элемент должен относиться к режущим элементам, имеющим, в общем, конический режущий торец. Вариант осуществления, показанный на фиг. 4, включает в себя резцы 142 и конические режущие элементы 144 на одной лопасти, а вариант осуществления, показанный на фиг. 5, включает в себя резцы на одной лопасти и конические режущие элементы 144 на второй лопасти. Конкретно, резцы 142 установлены на лопасти 141, которая идет сзади лопасти, на которой установлены конические режущие элементы 144; вместе с тем, указанным настоящее изобретение не обязательно ограничивается.

На фиг. 6-7 показан обнаруженный изобретателями факт, что использование обычных плоских резцов 142 в комбинации с коническими режущими элементами 144 может обеспечивать одному долоту два типа режущего действия (представлено пунктирными линиями): резание с помощью разрушения при сжатии или выдалбливание породы пласта с помощью конических режущих элементов 142 в дополнение к резанию с помощью сдвига породы пласта резцами 142, как схематично показано на фиг. 6 и 7.

В общем, при установке в нужное положение режущих элементов (конкретно, резцов) на лопасти долота или расширителя резцы можно вставлять в гнезда резцов (или отверстия в варианте конических режущих элементов) для изменения угла встречи при ударе резца по горной породе. Конкретно, передний угол в продольной плоскости (т.е. вертикальную ориентацию) и угол бокового наклона (т.е. боковую ориентацию) резца можно регулировать. В общем, передний угол в продольной плоскости определяется, как угол α, образованный между режущей поверхностью резца 142 и линией, нормальной к разрушаемой горной породе. Как показано на фиг. 8, в случае обычного резца 142, имеющего нулевой передний угол в продольной плоскости, режущая поверхность 44 является, по существу, перпендикулярной или нормальной к горной породе. Резец 142 с отрицательным передним углом α в продольной плоскости имеет режущую поверхность 44, входящую в контакт с породой под углом меньше 90°, измеренным от материала породы. Аналогично, резец 142 с положительным передним углом α в продольной плоскости имеет режущую поверхность 44, входящую в контакт с породой под углом больше 90°, измеренным от породы. Согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения передний угол в продольной плоскости обычных резцов 142 может иметь величину в диапазоне от -5 до -45.

Вместе с тем, конические режущие элементы не имеют режущей поверхности, и поэтому ориентация конических режущих элементов должна определяться иначе. При учете ориентации конических режущих элементов в дополнение к вертикальной или боковой ориентации корпуса режущего элемента коническая геометрия режущего торца также влияет на то, как и под каким углом конический режущий элемент ударяет по горной породе. Конкретно, в дополнение к переднему углу в продольной плоскости,

- 5 025749 влияющему на активность взаимодействия конического режущего элемента с породой, геометрия режущего торца (конкретно, угол при вершине и радиус кривизны) сильно влияют на агрессивность, с которой конический режущий элемент атакует породу пласта. В контексте конического режущего элемента, как показано на фиг. 9, передний угол в продольной плоскости определяется, как угол α, образованный между осью конического режущего элемента 144 (конкретно, осью конического режущего торца) и линией, нормальной к породе пласта, разрушение которой производят. Как показано на фиг. 9, для конического режущего элемента 144 с нулевым передним углом в продольной плоскости ось конического режущего элемента 144 является, по существу, перпендикулярной или нормальной к материалу породы пласта. Конический режущий элемент 144, имеющий отрицательный передний угол α в продольной плоскости, имеет ось, входящую в контакт с породой пласта под углом меньше 90°, измеренным от материала породы. Аналогично, конический режущий элемент 144 с положительным передним углом α в продольной плоскости имеет ось, входящую в контакт с породой под углом больше 90°, измеренным от породы. В конкретном варианте осуществления передний угол в продольной плоскости конических режущих элементов может являться нулевым или в другом варианте осуществления может являться отрицательным или положительным. В вариантах осуществления передний угол в продольной плоскости конических режущих элементов может находиться в диапазоне от -35 до 35, от -10 до 10 в других вариантах осуществления, от нуля до 10 в других вариантах осуществления и от -5 до 5 в других вариантах осуществления.

Дополнительно, хотя не обязательно конкретно упомянуто в следующих частях, передние углы в продольной плоскости конических режущих элементов в следующих вариантах осуществления могут выбираться в данных диапазонах.

В дополнение к ориентации оси относительно породы пласта агрессивность конических режущих элементов может также зависеть от угла при вершине или, конкретно, угла между породой пласта и ведущим участком конического режущего элемента. Вследствие конической формы конических режущих элементов у них отсутствует режущая кромка; вместе с тем, директриса конической режущей поверхности может определяться как самые первые точки конического режущего элемента на каждой аксиальной точке вдоль поверхности конического режущего торца при вращении долота. Иначе говоря, сечение можно взять для конического режущего элемента вдоль плоскости в направлении вращения долота, как показано на фиг. 10. Директрису 145 конического режущего элемента 144 в такой плоскости можно рассматривать по отношению к породе пласта. Угол встречи конического режущего элемента 144 определяется, как угол α, образованный между директрисой 145 конического режущего элемента 144 и породой пласта, разрушение которой производят. Угол встречи должен меняться в зависимости от переднего угла в продольной плоскости и угла конусности, и таким образом, угол встречи конического режущего элемента можно вычислить, как передний угол в продольной плоскости минус одна вторая угла конусности (т.е. в=(0,5*угол конусности+α), где если передний угол в продольной плоскости отрицательный, как описано для фиг. 9, уравнение должно прибавлять отрицательную величину к величине (0,5* угол конусности). В вариантах осуществления β может иметь величину в диапазоне от около 5 до 100° и от около 20 до 65° в других вариантах осуществления. Дополнительно, хотя не обязательно конкретно упомянуто в следующих частях, углы встречи конических режущих элементов в следующих вариантах осуществления могут выбираться в данных диапазонах.

На фиг. 11А-С показаны вариации вооружения, используемого согласно настоящему изобретению. Как показано на фиг. 11А для вращения двух конических режущих элементов 144, первому коническому режущему элементу 144.1, установленному в радиальном положении К1 относительно центральной осевой линии долота, можно придать ориентацию с положительным передним углом в продольной плоскости, а второму коническому режущему элементу 144.2, установленному в радиальном положении К2 относительно центральной осевой линии долота, ориентацию с отрицательным передним углом в продольной плоскости. В данном варианте осуществления конический режущий элемент 144.1 является первым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р при вращении долота, и конический режущий элемент 144.2 является вторым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р при вращении долота. Передний угол в продольной плоскости конических режущих элементов 144.1 и 144.2 может быть выбран любым подходящим из передних углов в продольной плоскости, описанных в данном документе. Дополнительно, также в объеме настоящего изобретения один или несколько обычных резцов (не показано на фиг. 11А) могут располагаться в радиально промежуточных положениях между коническими резцами 144.1 и 144.2. В данном случае противоположные передние углы в продольной плоскости между двумя радиально смежными коническими режущими элементами относятся к виду режущего профиля в котором рассматриваются только конические режущие элементы. Поскольку настоящее изобретение учитывает для любых двух радиально смежных конических режущих элементов (на виде, где конические режущие элементы повернуты в одну плоскость) противоположные передние углы в продольной плоскости, то для конических режущих элементов возможны переменные направления переднего угла в продольной плоскости при повороте в одну плоскость, как показано на фиг. 11В, или любое число пар конических режущих элементов может иметь противополож- 6 025749 ные передние углы в продольной плоскости, как показано на фиг. 11С.

Если необходимо, конические режущие элементы 144 и резцы 142 на буровом долоте могут располагаться так, что на виде режущих элементов в режущем профиле или на виде при повороте в одну плоскость по меньшей мере один резец 142 располагается в радиальном положениии относительно оси долота, являющемся промежуточным между радиальными положениями по меньшей мере двух конических режущих элементов 144, как описано в заявке И.8. Ра1сн1 АррНсабоп № 61/441319, переуступлена настоящему патентообладателю и полностью включена в данный документ в виде ссылки. Конкретно, как показано на фиг. 12, первый конический режущий элемент 144.1 в радиальном положении К! относительно центральной осевой линии долота является первым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р при вращении долота. Конический режущий элемент 144.3 в радиальном положении КЗ относительно центральной осевой линии долота является вторым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р. Режущий элемент 142,2 в радиальном положении К2 относительно центральной осевой линии долота является третьим режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р, где К2 является радиальным расстоянием с величиной между радиальными расстояниями К1 и КЗ от центральной осевой линии долота. При вращении долота резец 142 проходит через породу, предварительно раздробленную коническим режущим элементом 144 для срезания опережающих канавок, созданных коническими режущими элементами 144.

На фиг. 13А-В показаны варианты осуществления, комбинирующие ориентацию конических режущих элементов, описанную выше и показанную на фиг. 11А со схемой расположения резца описанной выше и показанной на фиг. 12. Например, как показано на фиг. 13А, первый конический режущий элемент 144.1, имеющий положительный передний угол в продольной плоскости в радиальном положении К1 относительно центральной осевой линии долота, является первым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р, при вращении долота. Конический режущий элемент 144.3, имеющий отрицательный передний угол в продольной плоскости, в радиальном положении К3 относительно центральной осевой линии долота, является вторым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р. Режущий элемент 142.2 в радиальном положении К2 относительно центральной осевой линии долота является третьим режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р, где К2 является радиальным расстоянием с величиной между радиальными расстояниями К1 и К3 от центральной осевой линии долота. При вращении долота резец 142 проходит через породу, предварительно раздробленную коническими режущими элементами 144 для срезания опережающих канавок, созданных коническими режущими элементами 144. Такая конфигурация с семью режущими элементами (четыре конических режущих элемента 144.1, 144.3, 144.5, 144.7 и три резца 142.2, 142.4, 142.6) показана на фиг. 13В.

На фиг. 14А-В показан другой вариант расположения вооружения с использованием конических режущих элементов, имеющих передние углы противоположного направления в продольной плоскости. Двумя обычными способами установки или распределения резцов РОС являются: способ одиночной установки и способ множественной установки. В способе одиночной установки каждому резцу РОС, установленному на торце долота, придается индивидуальное радиальное положение на расстоянии, измеренном от центральной осевой линии долота в сторону калибра. Для способа множественной установки (также известного как схема с резервным резцом или сопровождающим резцом) резцы РОС развертываются группами, содержащими два или больше резцов каждая, при этом резцы данной группы устанавливают на одинаковом радиальном расстоянии от осевой линии долота. Как показано на фиг. 14А-В, каждое радиальное положение включает в себя два конических режущих элемента 144. В первом радиальном положении К1 конический режущий элемент 144.1а имеет положительный передний угол в продольной плоскости, а идущий сзади конический режущий элемент 144.Ю имеет отрицательный передний угол в продольной плоскости. Вместе с тем, обратное расположение может также применяться. Например, во втором радиальном положении К2 конический режущий элемент 144.2а имеет отрицательный передний угол в продольной плоскости, а идущий сзади конический режущий элемент 144.2Ь имеет положительный передний угол в продольной плоскости.

В различных вариантах осуществления можно также использовать несколько углов бокового наклона на конических режущих элементах настоящего изобретения. Обычно для резцов РОС угол бокового наклона определяется, как угол между режущей поверхностью и радиальной плоскостью долота (плоскостью χ-ζ), как показано на фиг. 15. При рассмотрении вдоль оси ζ отрицательный угол β бокового наклона получается в результате поворота резца против часовой стрелки, и положительный угол β бокового наклона получается в результате поворота резца по часовой стрелке. В конкретном варианте осуществления угол бокового наклона резцов может иметь величину в диапазоне от -30 до 30 и от 0 до 30 в других вариантах осуществления.

Вместе с тем, конические режущие элементы не имеют режущей поверхности и поэтому ориентация конических режущих элементов должна определяться иначе. Для конического режущего элемента, как показано на фиг. 16А-В, угол бокового наклона определяется, как угол β, образованный между осью конического режущего элемента 144 (конкретно, ось конического режущего торца) и линией параллель- 7 025749 ной центральной осевой линии долота, т.е. осью ζ. Как показано на фиг. 16А-В, для конического режущего элемента 144, имеющего нулевой угол бокового наклона, ось конического режущего элемента 144, по существу, параллельна центральной осевой линии долота. Конический режущий элемент 144, имеющий отрицательный боковой угол наклона β, имеет ось, направленную от направления центральной осевой линии долота. Наоборот, конический режущий элемент 144, имеющий положительный боковой угол наклона β имеет ось, направленную к направлению центральной осевой линии долота. Угол бокового наклона конических режущих элементов может иметь величину в диапазоне от около -30 до 30 в различных вариантах осуществления и от -10 до 10 в других вариантах осуществления. Дополнительно, хотя не обязательно конкретно упомянуто в следующих частях, боковые передние углы конических режущих элементов в следующих вариантах осуществления могут выбираться в данных диапазонах.

На фиг. 17 показан вариант вооружения, используемого согласно настоящему изобретению. На фиг. 17 показано вращение двух конических режущих элементов 144, здесь первому коническому режущему элементу 144.1, установленному в радиальном положении К1 относительно центральной осевой линии долота, может быть придана ориентация с отрицательным углом бокового наклона, а второму коническому режущему элементу 144.2, установленному в радиальном положении К2 относительно центральной осевой линии долота, придана ориентация с положительным углом бокового наклона. В данном показанном варианте осуществления конический режущий элемент 144.1 является первым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р при вращении долота, и конический режущий элемент 144.2 является вторым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р при вращении долота. Боковые углы наклона конических режущих элементов 144.1 и 144.2 можно выбирать любыми подходящими в диапазонах боковых углов наклона, описанных в данном документе. Дополнительно также в объеме настоящего изобретения, один или несколько обычных резцов (не показано на фиг. 17) могут располагаться в радиально промежуточных положениях между коническими резцами 144.1 и 144.2. Здесь противоположные боковые углы наклона между двумя радиально смежными коническими режущими элементами относят к виду режущего профиля, в котором рассматриваются только конические режущие элементы. Поскольку настоящее изобретение учитывает выполнение любых двух радиально смежных конических режущих элементов (на виде, где конические режущие элементы повернуты в одну плоскость) с противоположными боковыми углами наклона, то конические режущие элементы могут иметь меняющиеся направления углов бокового наклона при повороте в одну плоскость или любое число пар конических режущих элементов может иметь противоположные углы бокового наклона.

На фиг. 18А-В показаны варианты осуществления, в которых комбинируют конические режущие элементы с ориентацией описанной выше и показанной на фиг. 11А со схемой расположения резцов, описанной выше и показанной на фиг. 17. Например, как показано на фиг. 18А, первый конический режущий элемент 144.1, имеющий отрицательный угол бокового наклона, в радиальном положении К1 относительно центральной осевой линии долота является первым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р при вращении долота. Конический режущий элемент 144.3, имеющий положительный угол бокового наклона, в радиальном положении КЗ относительно центральной осевой линии долота является вторым режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р. Режущий элемент 142.2 в радиальном положении К2 относительно центральной осевой линии долота является третьим режущим элементом, проходящим при вращении через опорную плоскость Р, где К2 является радиальным расстоянием с величиной между радиальными расстояниями К1 и КЗ от центральной осевой линии долота. При вращении долота резец 142 проходит через породу, предварительно раздробленную коническим режущим элементом 144, срезая опережающие канавки, созданные коническими режущими элементами 144. Такая конфигурация с семью режущими элементами (четыре конических режущих элемента 144.1, 144.3, 144,5, 144.7 и три резца 142.2, 142.4, 142.6) показана на фиг. 18В. В варианте осуществления, показанном на фиг. 18А-В, пары конических режущих элементов 144.1, 144.3, через которые резец 142.2 проходит (и пары конических режущих элементов 144.5, 144.7 с резцом 142.6), направлены друг к другу и положению К2 (или К6). Наоборот, пары конических режущих элементов 144.3, 144.5, через которые резец 142.4 проходит, направлены друг от друга и положения К4. Поскольку настоящее изобретение учитывает для любых двух радиально смежных конических режущих элементов (на виде, где конические режущие элементы повернуты в одну плоскость) противоположные боковые углы наклона, при этом, для конических режущих элементов учитывают наличие, в сравнении с вариантом осуществления, показанном на фиг. 18А-В, конических режущих элементов 144, имеющих схему с противоположными углами бокового наклона (т.е. конический режущий элемент 144.1 имеет положительный угол бокового наклона, и каждый следующий радиально смежный конический резец имеет боковой угол наклона со сменой направления) при повороте в одну плоскость, как показано на фиг. 19А-В, или любое число пар конических режущих элементов может иметь противоположные углы бокового наклона. Дополнительно, также в объеме настоящего изобретения, резец 142 может быть исключен в любом радиальном промежуточном положении, например, так, что все тройки двух конических режущих элементов и резца могут иметь конические режущие элементы, направленные на радиально

- 8 025749 промежуточный резец или от него.

Дополнительно, хотя выше упомянуто, что один или несколько конических режущих элементов могут являться резервными или сопровождающими режущими элементами для другого конического режущего элемента в устройстве с множеством установленных режущих элементов, также в объеме настоящего изобретения резец 142 может сопровождать конический режущий элемент 144 или наоборот. Например, как показано на фиг. 20А-В, каждое радиальное положение (т.е. К1) включает в себя конический режущий элемент 144 и резец 142, идущий сзади конического режущего элемента 144. В данном варианте осуществления конический режущий элемент 144 может создавать канавки, каждая сторона которых затем срезается резцом 142. Вместе с тем, обратный вариант можно также применять. Дополнительно, хотя каждый конический режущий элемент показан с положительным передним углом в продольной плоскости и без бокового наклона, в объеме настоящего изобретения можно использовать любой вид или комбинацию передних углов в продольной плоскости и/или боковых углов наклона, таких как описанные в данном документе в таком варианте осуществления.

Дополнительно, при использовании набора из множества режущих элементов, где конический режущий элемент сопровождается резцом, или наоборот, как показано на фиг. 21А-С, также в объеме настоящего изобретения, резцы 142 и конические режущие элементы 144 могут устанавливаться с одинаковыми или различными высотами воздействия. На фиг. 21А показаны конические режущие элементы 142 и резцы, установленные с одинаковой высотой воздействия, а на фиг. 21В показан вариант осуществления, где конический режущий элемент установлен с высотой воздействия больше, чем у резца 142, и на фиг. 21С показан вариант осуществления, где резец 142 установлен с высотой воздействия больше, чем у конического режущего элемента 144. Выбор разности высоты воздействия может зависеть, например, от типа породы, подлежащей бурению. Например, конический режущий элемент 144 с большей высотой воздействия может являться предпочтительным, когда порода более твердая, а резцы 142 с большей высотой воздействия могут являться предпочтительными, когда порода более мягкая. Дополнительно, разное воздействие может обеспечивать лучшее бурение в зоне перехода между типами породы. Если резец имеет увеличенную высоту воздействия (для бурения через более мягкую породу), он может тупиться при ударе о породу отличающегося типа, и затупление резца может обеспечивать вход в контакт конического режущего элемента. В вариантах осуществления такая разность высот воздействия может иметь величину в диапазоне от ±0,25 дюймов (6 мм) и от ±0,1 дюйма (3 мм) в других вариантах осуществления.

Дополнительно, хотя в вариантах осуществления фиг. 21А-С показан множественный набор режущих элементов, также в объеме настоящего изобретения в одиночных наборах режущих элементов можно использовать такие вариации высоты воздействия. На фиг. 22А-С показан одиночный набор режущих элементов, который включает в себя как конические режущие элементы 144, так и резцы 142. В данном варианте осуществления конические режущие элементы 144 и резцы 142 имеют одинаковую высоту воздействия. Дополнительно, конические режущие элементы 144 и резцов меняются в последовательных радиальных положениях, и каждый набор конических режущих элементов 144 и резцов 142 образует полное поражение забоя скважины (показано на фиг. 22В-С) при рассмотрении в чистом виде, но комбинируются для образования режущего профиля, также имеющего полное поражение забоя скважины. На фиг. 23 показано аналогичное меняющееся расположение резцов 142 и конических режущих элементов 144, обеспечивающее полное поражение забоя скважины. При этом конические режущие элементы 144 имеют высоту воздействия больше, чем резцы 142. Хотя это конкретно не показано, обратную разницу высоты воздействия можно также использовать. Дополнительно, хотя в данных вариантах осуществления показана, по существу, постоянная разность высоты воздействия между двумя типами режущих элементов, настоящее изобретение этим не ограничено. Напротив, высота воздействия может меняться вдоль режущего профиля так, что, например, в любой из следующих зон: конусообразной, носа, выступающей или калибрующей, имеются более высокие или более низкие относительные разности высоты воздействия. Такие изменения могут быть плавными или ступенчатыми.

На фиг. 24 показан другой вариант осуществления режущего профиля согласно настоящему изобретению. Как рассмотрено выше, направление переднего угла в продольной плоскости может выбираться на основе радиального местоположения конических режущих элементов вдоль режущего профиля. Например, на фиг. 24 показан режущий профиль конических режущих элементов 144 при повороте в одну плоскость. Конические режущие элементы 144С в конусообразной зоне профиля имеют положительный передний угол в продольной плоскости, конические режущие элементы 144Ν в носовой зоне профиля имеют, по существу, нулевой передний угол в продольной плоскости, и конические режущие элементы 1448 в выступающей зоне профиля имеют отрицательный передний угол в продольной плоскости. Дополнительно, хотя конические режущие элементы 144 в каждой зоне показаны имеющими, по существу, одинаковый передний угол в продольной плоскости, настоящее изобретение этим не ограничено. Напротив, предполагается что можно иметь изменения величины переднего угла в продольной плоскости в каждой зоне режущего профиля. Дополнительно, хотя резцы не показаны в данном варианте осуществления, в объеме настоящего изобретения резцы можно, если необходимо, включать в состав долота, на радиально промежуточных местах или как множественный набор, сопровождающий кониче- 9 025749 ские режущие элементы 144.

Кроме того, хотя в варианте осуществления, показанном на фиг. 24, создан переход с положительного переднего угла в продольной плоскости на отрицательный передний угол в продольной плоскости с перемещением от центральной осевой линии долота, другой вариант осуществления настоящего изобретения включает в себя переход с отрицательного переднего угла в продольной плоскости на положительный передний угол в продольной плоскости, с перемещением от центральной осевой линии долота. Конкретно, на фиг. 25 показан режущий профиль конических режущих элементов 144 при повороте в одну плоскость. Конические режущие элементы 144С в конусообразной зоне профиля имеют отрицательный передний угол в продольной плоскости, конические режущие элементы 144Ν в носовой зоне профиля имеют, по существу, нулевой передний угол в продольной плоскости, и конические режущие элементы 1448 в выступающей зоне профиля имеют положительный передний угол в продольной плоскости. Дополнительно, хотя конические режущие элементы 144 в каждой зоне показаны имеющими, по существу, одинаковый передний угол в продольной плоскости, настоящее изобретение этим не ограничено. Напротив, предполагается, что можно иметь изменения величины переднего угла в продольной плоскости в каждой зоне режущего профиля. Дополнительно, хотя резцы не показаны в данном варианте осуществления в объеме настоящего изобретения, резцы можно, если необходимо, включать в состав долота на радиально промежуточных местах или как множественный набор, сопровождающий конические режущие элементы 144. При выборе различных передних углов в продольной плоскости для различных зон долота выбор может зависеть, например, от необходимого активного или пассивного режущего действия. Положительный передний угол в продольной плоскости может быть выбран для зон долота, где необходимо активное резание, а отрицательный передний угол в продольной плоскости может быть выбран для зон долота, где необходимо более пассивное резание.

Дополнительно, хотя во всех вариантах осуществления показан плавный режущий профиль, настоящее изобретение этим не ограничено. Так на фиг. 26 в одном варианте осуществления показан не плавный или пилообразный режущий профиль. Как показано на фиг. 26, конические режущие элементы 144 могут быть установлены на долото (или лопасть может иметь аналогичный профиль) так, что получается не плавный пилообразный профиль. При использовании в данном документе не плавным режущим профилем называется профиль, созданный линиями касательными к вершинам конических режущих элементов и/или режущим кромкам резцов при повороте в одну плоскость так, что профиль содержит, по меньшей мере одну вершину кривой. Конкретно, для получения режущего профиля, показанного на фиг. 26, первые три (радиально расположенных) конических режущих элемента 144.1-144.3 образуют, по существу, линейный профиль, который является плоским (копланарным) или образующим незначительный угол с плоскостью, перпендикулярной центральной осевой линии долота. Конический режущий элемент 144.4 имеет высоту воздействия больше, чем конические режущие элементы 144.1-144.3, создавая угловую ступень в режущем профиле. Режущие элементы 144.5, 144.6 образуют, по существу, линейный профиль с коническим режущим элементом 144.4, плоский или образующий незначительный угол с плоскостью, перпендикулярной центральной осевой линии долота. Начинающиеся с конического режущего элемента 144.7 и проходящие радиально в сторону от осевой линии к калибру долота конические режущие элементы 144.7-144.15 образуют плавный дугообразный режущий профиль.

Дополнительно, хотя вариант осуществления, показанный на фиг. 26, имеет форму режущего профиля, определяемую коническими режущими элементами, также создающими ступенчатый профиль, в других вариантах осуществления могут использоваться комбинации конических режущих элементов и резцов для создания формы профиля. Как показано на фиг. 27, от центральной осевой линии Ь долота множество резцов 142 проходят радиально наружу в первой форме 81 профиля до первого конического режущего элемента 144.4, который меняет форму профиля благодаря вершине и углу конусности конического режущего элемента 144.4, а также его высоте воздействия. Данный второй шаг или ступень 82 режущего профиля поддерживается двумя резцами 142, и за вторым шагом 82 четыре других таких ступени или шага (83-86) также включены в состав режущего профиля аналогичным способом для создания многоступенчатого не плавного режущего профиля. Конкретно, конические режущие элементы 144 создают переход между 81 и 82, 83 и 84, и 85 и 86, а резцы 142 создают переход между 82 и 83 и 84 и 85. Хотя резцы 142 можно использовать для создания вогнутой угловой ступени в режущем профиле (такой как переход от 82 к 83), конические режущие элементы 144 могут быть особенно полезны для создания выпуклых, наклонных ступеней в профиле, таких как от 81 к 82. Вместе с тем, один или несколько вогнутых переходов (таких как от 82 к 83 можно альтернативно получить с использованием конического режущего элемента.

Хотя в различных вариантах осуществления показаны режущие элементы проходящие, по существу, вблизи центральной осевой линии бурового долота (и/или лопасти, пересекающие центральную осевую линию), также в объеме настоящего изобретения центральная зона долота может оставаться свободной от вооружения (и лопастей). Пример схемы расположения режущих элементов такого бурового долота показан на фиг. 28. На фиг. 28 резцы 142 и конические режущие элементы 144 установлены на лопастях 146, которые не пересекают центральной осевой линии долота, вместо этого в данном центральном участке 148 долота образована выемка между лопастями, свободная от режущих элементов. Альтер- 10 025749 нативно, различные варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя центральный керновый режущий элемент, такого типа, как описан в и.8. Ра1сШ Νο. 5,655,614, выдан настоящему патентообладателю и в данном документе полностью включен в виде ссылки. Такой режущий элемент может иметь либо цилиндрическую форму, аналогичную резцам 142 или конический режущий торец, аналогичный коническим режущим элементам 144. Последний вариант осуществления показан на фиг. 29.

Как показано на фиг. 29, режущий профиль может включать в себя множество резцов 142 и/или множество конических режущих элементов 144 в любой из конфигураций, описанных выше, или любой другой конфигурации. На центральной осевой линии Ь долота или смежно с ней, в состав включают конический режущий элемент в качестве центрального кернового элемента 146. Такой керновый элемент прикрепляется напрямую к корпусу долота (не показан) в полости, образованной между лопастями, а не к лопасти (как прикрепляются конические режущие элементы 144 и резцы 142). Согласно настоящему изобретению, центральный конический керновый элемент 146 может устанавливаться с вершиной ниже режущей кромки первого радиального режущего элемента (конического режущего элемента или резца). В конкретном варианте осуществления вершина конического кернового элемента 146 может располагаться на высоте Н ниже режущей кромки первого радиального режущего элемента, как показано на фиг. 29. Высота Н может иметь величину в диапазоне от 0 до 1 дюйма (25 мм) в некоторых вариантах осуществления, от 0,1 дюйма (2,5 мм) до величины (0,35*диаметр долота) в других вариантах осуществления, или до величины (0,1*диаметр долота). Кроме того, конический керновый элемент может иметь угол конусности в диапазоне от 60 до 120 в некоторых вариантах осуществления или от 80 до 90 в других вариантах осуществления. Диаметр конического кернового элемента может иметь величину в диапазоне от 0,2 5 до 1,5 дюймов (6,5-38 мм) и от 0,3 до 0,7 дюймов (7,6-17,8 мм) в другом варианте осуществления. Дополнительно соотношение Н и диаметра конического режущего элемента может иметь величину в диапазоне от около 0,1 до 6 или от около 0,5 до 3 в других вариантах осуществления. Дополнительно диаметр центрального керна или полости, в которой установлен конический керновый элемент (т.е. зоны между множеством лопастей) может составлять до 3 диаметров конического кернового элемента.

Дополнительно, хотя в варианте осуществления фиг. 29 показано, что конический керновый элемент 146 расположен на центральной осевой линии долота, варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя конический режущий элемент, смежный с центральной осевой линией долота, т.е. отнесенный на величину от 0 до величины радиуса конической керновой вставки (для симметричных вставок). Вместе с тем, настоящее изобретение также включает в себя использование асимметричных конических керновых вставок (аналогичных по геометрии показанному на фиг. 31 С), в таком варианте расстояние от центральной осевой линии долота может иметь величину в диапазоне от нуля до суммы радиуса конической керновой вставки и смещения между вершиной конического режущего торца и центральной осевой линии вставки. Дополнительно, хотя в варианте осуществления фиг. 29 показан конический керновый элемент, установленный так, что его осевая линия соосна или параллельна с центральной осевой линией долота, также в объеме настоящего изобретения центральная осевая линия кернового конического вставного стержня проходит наклонно относительно центральной осевой линии долота. Такой наклонный вставной стержень может являться особенно полезным для асимметричного кернового конического вставного стержня. Керновой конический вставной стержень может вставляться в отверстие в центральной зоне долота так, что верхняя часть цилиндрической опоры конического кернового элемента (т.е. позиция 134, фиг. 31А) расположена на ±0,1 дюйм (2,5 мм) от поверхности долота и предпочтительно расположена заподлицо с поверхностью долота в различных вариантах осуществления.

На фиг. 30А-В показаны дополнительные варианты осуществления ступенчатого режущего профиля согласно настоящему изобретению. В вариантах осуществления фиг. 30А-В центр конического кернового режущего элемента 146 располагается по центральной осевой линии Ь долота. Проходящий радиально от центральной осевой линии Ь долота профиль на фиг. 30А является аналогичным профилю, показанному на фиг. 27. Как показано на фиг. 30А, множество резцов 142 проходят радиально наружу в первой форме 81 профиля до первого конического режущего элемента 144.4, на котором меняется форма профиля благодаря вершине и углу конусности конического режущего элемента 144.4, а также его высоте воздействия. Второй шаг или ступень 82 режущего профиля поддерживается двумя резцами 42, и за второй ступенью 82 четыре других их таких шага или ступени (83-86) также включены аналогичным способом в состав для создания многоступенчатого не плавного режущего профиля. Конкретно, конические режущие элементы 144 образуют переход между 81 и 82, 83 и 84, 85 и 86, создавая выпуклые участки профиля, а резцы 142 образуют переход между 82 и 83, 84 и 85, создавая вогнутые участки профиля.

На фиг. 30В выступающие от центральной осевой линии долота множество резцов 142 проходят радиально наружу в первой форме 81 профиля до первого конического режущего элемента 144, на котором меняется форма профиля благодаря вершине и углу конусности и высоте воздействия конического режущего элемента 144. Второй шаг или ступень 82 режущего профиля поддерживается двумя резцами 142, после чего последовательные переходы между каждой из ступеней 82-86 создаются коническими режущими элементами 144, при этом резцы 142 образуют линейные участки каждого шага или ступени.

- 11 025749

Дополнительно, хотя в вариантах осуществления, показанных на фиг. 27 и 30А-В, используются только конические режущие элементы 144 для создания переходов между последовательными ступенями, также в объеме настоящего изобретения конические режущие элементы могут иметь высоты воздействия, по существу, одинаковые с резцами, при этом конические режущие элементы дополняют линейные (или дугообразные) участки режущего профиля.

В другом аспекте использование конических режущих элементов 144 с резцами 142 может допускать для резцов скос режущей кромки меньше обычно подходящего для бурения (скоса достаточно большого для минимизации вероятности выкрашивания). Например, резцы 142 можно хонинговать (-0,001 дюйм (0,025 мм) длина скоса) или можно снабжать скосом длиной 0,005 дюйма (0,127 мм). Вместе с тем, также в объеме настоящего изобретения увеличенные скосы (более 0,005 дюймов (0,127 мм) можно использовать.

Дополнительно различные варианты осуществления настоящего изобретения могут также включать в себя режущее средство с алмазами, импрегнированными в тело матрицы. Такое импрегнирование алмазами может иметь форму импрегнирования в лопасть или иметь форму режущих элементов, выполненных с алмазами, импрегнированными в тело матрицы материала. В конкретном варианте осуществления вставные стержни с алмазами, импрегнированными в тело матрицы, описанные в и.8. Ра1еи1 № 6394202 и И.8. Ра1еи1 РиЪНсайоп № 2006/0081402, часто называемые в технике абразивными вставными стержнями горячего прессования, могут устанавливаться в гнезда, выполненные в лопасти, по существу, перпендикулярно поверхности лопасти и крепиться с помощью пайки, на клею, механическим средством, например посадкой с натягом или т.п., аналогично использованию абразивных вставных стержней горячего прессования и алмазов, импрегнированных в тело матрицы долот, как рассмотрено в и.8. Ра1еп1 № 6394202, или вставки могут укладываться бок о бок в лопасти. Дополнительно специалисту в данной области техники должно быть ясно, что любую комбинацию рассмотренных выше режущих элементов можно крепить к любым лопастям настоящего изобретения. В конкретном варианте осуществления по меньшей мере один предварительно отформованный вставной стержень с алмазами, импрегнированными в тело матрицы, может быть установлен во вспомогательном положении (т.е. сзади) по меньшей мере одного конического режущего элемента. В другом конкретном варианте осуществления предварительно отформованный вставной стержень с алмазами, импрегнированными в тело матрицы, может быть установлен, по существу, в одинаковом радиальном положении с коническим режущим элементом, во вспомогательном положении или положении сзади каждого элемента. В конкретном варианте осуществления предварительно отформованный вставной стержень с алмазами, импрегнированными в тело матрицы, устанавливается во вспомогательном положении или положении сзади конического режущего элемента с высотой воздействия меньше, чем у конического режущего элемента. В конкретном варианте осуществления вставной стержень с алмазами, импрегнированными в тело матрицы, устанавливается на около 0,030-0,100 дюймов (0,76-2,54 мм) ниже вершины конического режущего элемента. Дополнительно вставные стержни с алмазами, импрегнированными в тело матрицы, могут иметь различные формы. Например, в различных вариантах осуществления верхняя поверхность элемента с алмазами, импрегнированными в тело матрицы, может быть плоской, куполообразной или конической для контакта с породой пласта. В конкретном варианте осуществления предусмотрена либо куполообразная или коническая верхняя поверхность.

В таких вариантах осуществления, содержащих вставные стержни или лопасти с алмазами, импрегнированными в тело матрицы, такие импрегнированные материалы могут включать в себя суперабразивные частицы, диспергированные в сплошном материале матрицы, таком как материалы подробно описанные ниже. Дополнительно такие предварительно отформованные вставные стержни или лопасти могут выполняться из заключенных в оболочку частиц, как описано в и.8. Ра1еп1 РиЫюайоп № 2006/0081402 и и.8. Аррйсайоп 8епа1 №№ 11/779083, 11/779104 и 11/937969. Суперабразивные частицы можно выбирать из синтетических алмазов, природных алмазов, восстановленной абразивной крошки природных или синтетических алмазов, кубического нитрида бора, теплоустойчивого поликристаллического алмаза, карбида кремния, оксида алюминия, инструментальной стали, карбида бора или их комбинаций. В различных вариантах осуществления некоторые участки лопастей могут быть импрегнированы частицами, выбранными для получения в результате более абразивного ведущего участка в сравнении с идущим сзади участком (или наоборот).

Импрегнированные частицы могут диспергироваться в сплошном материале матрицы, образованной из порошка матрицы и связующего материала (порошка связующего и/или инфильтрующегося связующего сплава). Порошковый материал матрицы может включать в себя смесь карбидных соединений и/или металлического сплава с использованием любой методики, известной специалисту в данной области техники. Например, порошковый материал матрицы может включать в себя по меньшей мере одно из следующего: частицы макрокристаллического карбида вольфрама, частицы обогащенного углеродом карбида вольфрама, частицы литого карбида вольфрама и частицы спеченного карбида вольфрама. В других вариантах осуществления можно использовать карбиды не вольфрама, а ванадия, хрома, титана, тантала, ниобия и другие карбиды группы переходных металлов. В других вариантах осуществления можно использовать карбиды, оксиды и нитриды металлов групп 1УА, УА или У!А. Обычно связующая

- 12 025749 фаза может образовываться из порошкообразного компонента и/или инфильтрующегося компонента. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения твердые частицы можно использовать в комбинации с порошкообразным связующим, таким как кобальт, никель, железо, хром, медь, молибден и их сплавы и их комбинации. В различных других вариантах осуществления инфильтрующееся связующее может включать в себя Си-Μη-Νί сплав, №-Сг-81-В-Л1-С сплав, Νί-Ά1 сплав, и/или Си-Р сплав. В других вариантах осуществления инфильтрующийся материал матрицы может включать в себя карбиды в количествах от 0 до 70 вес.% в дополнение по меньшей мере к одному связующему в количестве от 30 до 100 вес.% для осуществления связывания материала матрицы и импрегнированных материалов. Дополнительно даже в вариантах осуществления, в которых импрегнирование алмазами не создается (или предусмотрено в виде предварительно отформованных вставных стержней), данные материалы матрицы можно также использовать для выполнения конструкций лопастей, в которых или на которых режущие элементы настоящего изобретения используются.

На фиг. 31А-С показаны различные виды конических режущих элементов, которые можно использовать в любом из вариантов осуществления, раскрытых в данном документе. Конические режущие элементы 128 (различные виды которых показаны на фиг. 31А-31С), созданные на буровом долоте или расширителе, имеют алмазный слой 132 на опорном штыре 134 (например, опорном штыре из цементированного карбида вольфрама), где алмазный слой 132 образует коническую алмазную рабочую поверхность. Конкретно, коническая геометрическая форма может содержать боковую стенку, по касательной соединяющуюся с кривой вершины. Конические режущие элементы 128 можно формовать способами, аналогичными используемым в формовании усиленных алмазами штыревых вставок (используемых в шарошечном долоте с коническими шарошками) или с твердой пайкой компонентов. Поверхность сопряжения (отдельно не показано) между алмазным слоем 132 и опорным штырем 134 может быть не плоской или неоднородной, например, для минимизации случаев отслоения алмазного слоя 132 от опорного штыря 134 в процессе работы и для улучшения прочности и ударной стойкости элемента. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что поверхность сопряжения может включать в себя один или несколько выпуклых или вогнутых участков, известных в технике, как не плоские поверхности сопряжения. Кроме того, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что использование нескольких не плоских поверхностей сопряжения может обеспечивать увеличенную толщину алмазного слоя в зоне вблизи вершины. Дополнительно, может являться необходимым создание такой геометрии поверхности сопряжения, где алмазный слой имеет максимальную толщину в критической зоне, охватывающей основную контактную зону между улучшенным алмазом элементом и породой пласта. Дополнительно формы и поверхности сопряжения, которые можно использовать для улучшенных алмазами элементов настоящего изобретения, включают в себя позиции, описанные в И.8. Ра1сп1 РиЫюабоп № 2008/0035380, полностью включено в данный документ в виде ссылки. Дополнительно алмазный слой 132 может выполняться из любого поликристаллического суперабразивного материала, включающего в себя, например, поликристаллический алмаз, поликристаллический кубический нитрид бора, теплоустойчивый поликристаллический алмаз (формируется либо обработкой поликристаллического алмаза, выполненного из металла, такого как кобальт, или поликристаллического алмаза, выполненного с помощью металла, имеющего более низкий коэффициент теплового расширения, чем кобальт).

Как упомянуто выше, вершина конического режущего элемента может иметь кривизну, включающую в себя радиус кривизны. В данном варианте осуществления радиус кривизны может находиться в диапазоне от около 0,050 до 0,125. В некоторых вариантах осуществления кривизна может иметь изменяющийся радиус кривизны, участки, образованные параболой, гиперболой, участками линии провисания или параметрического сплайна.

Дополнительно, как показано на фиг. 31А-В, угол β конусности конического конца может изменяться и может выбираться на основании конкретной породы пласта, подлежащей бурению. В конкретном варианте осуществления угол β конусности может находиться в диапазоне от около 75 до 90°.

На фиг. 31С показан асимметричный или скошенный конический режущий элемент. Как показано на фиг. 31С, участок 135 режущего торца конического режущего элемента 128 имеет ось, не совпадающую с осью опорного штыря 134. В конкретном варианте осуществления по меньшей мере один асимметричный конический режущий элемент можно использовать на любом из описанных буровых долот или расширителей. Асимметричный конический режущий элемент можно выбирать с осью режущей вершины лучше совпадающей с направлением нормальной или реактивной силы, действующей на режущий элемент от породы пласта или изменяющей агрессивность конического режущего элемента относительно породы пласта. В конкретном варианте осуществления угол γ, образованный между режущим торцом или осью конуса и осью опорного штыря, может находиться в диапазоне от 37,5 до 45, при этом угол на задней стороне больше на 5-20° ведущего угла. На фиг. 33 передний угол 165 в продольной плоскости асимметричного (т.е. скошенного) конического режущего элемента образуется с осью конического режущего торца, которая не проходит через центр основания конического режущего торца. Угол 167 встречи, как описано выше, является углом между ведущим участком боковой стенки конического режущего элемента и породой пласта. Как показано на фиг. 33, ось режущего торца, проходящая через

- 13 025749 вершину, направлена в сторону обратную направлению вращения долота.

На фиг. 32А-С показан участок конического режущего элемента 144 смежный с вершиной 139 режущего торца 135, который может выполняться скошенным или сточенным на режущем элементе для образования скошенной поверхности 138. Например, угол косого среза скоса может быть измерен, как угол между скошенной поверхностью и плоскостью нормальной вершине конического режущего элемента. В зависимости от необходимой агрессивности, угол косого среза может находиться в диапазоне от 15 до 30°. На фиг. 32В и 32С показаны углы косого среза 17 и 25°. Дополнительно длина скоса может зависеть, например, от угла косого среза, а также угла при вершине.

В дополнение к или альтернативно не плоской поверхности сопряжения между алмазным слоем 132 и карбидным опорным штырем 134 в конических режущих элементах 144 конкретный вариант осуществления конических режущих элементов может включать в себя поверхность сопряжения, не являющуюся нормальной к оси опорного штыря, как показано на фиг. 35, что дает в результате асимметричный алмазный слой. Конкретно, в таком варианте осуществления объем алмаза на одной половине конического режущего элемента больше, чем на другой половине конического режущего элемента. При выборе угла поверхности сопряжения относительно основания можно, например, учитывать конкретный передний угол в продольной плоскости, угол встречи, угол при вершине, ось для конического режущего торца и получать минимизацию значения срезающих сил на алмазно-карбидной поверхности сопряжения, создавая на поверхности сопряжения увеличенное напряжение сжатия вместо срезающего напряжения.

Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя смешанное использование резцов и конических режущих элементов, где резцы разнесены дальше друг от друга, и конические режущие элементы установлены в нужных положениях между двумя радиально смежными резцами. Интервалы между резцами 142 в вариантах осуществления (включающих в себя описанные выше) можно рассматривать, как интервалы между двумя смежными резцами 142 на одной лопасти или двумя радиально смежными резцами 142, когда все режущие элементы повернуты в одну плоскость.

Например, показанное на фиг. 36 буровое долото 100 может включать в себя множество лопастей 140 с множеством резцов 142 и множеством конических режущих элементов 144 на нем. Как показано, резцы 142 и конические режущие элементы 144 оборудованы по схеме, меняющейся на каждой лопасти 140. Для двух резцов 142, смежных друг с другом (с коническим режущим элементом 144 между ними сзади от них), на одной лопасти два смежных резца могут быть разнесены на расстояние И друг от друга, как показано на фиг. 21. В одном варианте осуществления И может быть больше или равно четверти диаметра С резца, т.е. 1/4С<И. В других вариантах осуществления нижний предел И может быть любым, 0,1С, 0,2С, 0,25С, 0,33С, 0,5С, 0,67С, 0,75С, С или 1,5С, и верхний предел И может быть любым, 0,5С, 0,67С, 0,75С, С, 1,25С, 1,5С, 1,75С или 2С, где любой нижний предел можно комбинировать с любым верхним пределом. Конические режущие элементы 144 могут устанавливаться на лопасти 140 в радиально положении между двумя резцами (на одной лопасти или на двух или больше различных лопастях в ведущем или заднем положении относительно резцов) для защиты поверхности лопасти и/или для помощи в калибровании породы пласта.

Выбор конкретного интервала между смежными резцами 142 может основываться на числе лопастей, например, и/или необходимой степени перекрывания между радиально смежными резцами при повороте резцов в один профиль вращения. Например, в некоторых вариантах осуществления может являться необходимым иметь полный шаг ствола скважины (без промежутков в профиле резания, образованном резцами 142) всеми резцами 142 на долоте 100, а в других вариантах осуществления может являться необходимым иметь промежутки 148 между по меньшей мере несколькими резцами 142, взамен, по меньшей мере, частично заполненными коническими режущими элементами 144, как показано на фиг. 22. В некоторых вариантах осуществления ширина между радиально смежными резцами 142 (при повороте в одну плоскость) может находиться в диапазоне от 0,1 дюйма (2,5 мм) до диаметра резца (т.е. С). В других вариантах осуществления нижний предел ширины между резцами 142 (при повороте в одну плоскость) может быть любым, 0,1С, 0,2С, 0,4С, 0,5С, 0,6С или 0,8С, и верхний предел ширины между резцами 142 (при повороте в одну плоскость) может быть любым, 0,4С, 0,5С, 0, 6С, 0,8С или С, где любой нижний предел можно комбинировать с любым верхним пределом.

В других вариантах осуществления режущие кромки 143 радиально смежных (при повороте) резцов 142 могут являться, по меньшей мере, касательными друг с другом, как показано на фиг. 38 в другом варианте осуществления режущего профиля 146 резцов 142 на виде при повороте в одну плоскость, проходящих наружу от продольной оси Ь долота (не показано). Хотя это не показано, конические режущие элементы можно включать в состав между любыми двумя радиально смежными резцами 142 (при повороте), как рассмотрено выше. Как показано на фиг. 39, в другом варианте осуществления режущего профиля 146 из резцов 142 на виде при повороте в одну плоскость, проходящих наружу от продольной оси Ь долота (не показано), режущие кромки 143 радиально смежных (при повороте) резцов 142 могут перекрываться на величину V. Хотя это не показано, конические режущие элементы можно включать в состав между любыми двумя радиально смежными резцами 142 (при повороте), как рассмотрено выше. Перекрывание V может определяться, как расстояние перекрывания вдоль режущей поверхности резцов

- 14 025749

142, по существу, параллельно соответствующему участку режущего профиля 146. В одном варианте осуществления верхний предел перекрывания V между двумя радиально смежными (при повороте) резцами 142 может быть равен радиусу резца (или половине диаметра С резца), т.е. ^С/2. В других вариантах осуществления верхний предел перекрывания V может основываться на радиусе (С/2) и числе лопастей, имеющихся у долота, конкретно радиусе, деленном на число лопастей, т.е. С/2В, где В - число лопастей. Таким образом, для двухлопастного долота верхний предел перекрывания V может составлять С/4, и для четырехлопастного долота верхний предел перекрывания V может составлять С/8. Таким образом, V может, в общем, находиться в диапазоне 0<У<С/2, и в конкретных вариантах осуществления нижний предел V может быть любым, С/10В, С/8В, С/6В, С/4В, С/2В или 0,1С, 0,2С, 0,3С или 0,4С (для любого числа лопастей), и верхний предел V может быть любым, С/8В, С/6В, С/4В, С/2В, 0,2С, 0,3С, 0,4С или 0,5С, где любой нижний предел можно использовать с любым верхним пределом.

В примере варианта осуществления режущие поверхности резцов могут иметь вылет по высоте больше, чем вершина конических режущих элементов (т.е. включенный профиль основных режущих элементов входит в контакт на большей глубине с породой пласта, чем вспомогательные режущие элементы; и вспомогательные режущие элементы являются выключенным профилем). В других вариантах осуществления конические режущие элементы могут иметь вылет по высоте больше, чем у обычных резцов. При использовании в данном документе термин выключенный профиль можно использовать для структуры, проходящей от несущей резец поверхности (например, ограничителя глубины резания режущего элемента и т.д.), которая имеет вылет по высоте меньше вылета по высоте одного или нескольких других режущих элементов, образующих наиболее удаленный от центра режущий профиль данной лопасти. При использовании в данном документе термин вылет по высоте используется для описания расстояния, на которое режущая поверхность выступает от несущей резец поверхности лопасти, к которой резец прикреплен. В некоторых вариантах осуществления вспомогательный режущий элемент может иметь одинаковую величину выступа с основным режущим элементом, но в других вариантах осуществления основной резец может иметь величину выступа больше или вылет по высоте больше, чем у вспомогательного резца. Такие вылеты по высоте могут находиться в диапазоне, например, от 0,005 дюймов (0,127 мм) до С/2 (радиус резца). В других вариантах осуществления нижний предел вылета по высоте может быть любым, 0,1С, 0,2С, 0,3С или 0,4С и верхний предел вылета по высоте может быть любым, 0,2С, 0,3С, 0,4С или 0,5С, где любой нижний предел можно использовать с любым верхним пределом. Дополнительные вылеты по высоте можно использовать в любых из упомянутых выше вариантов осуществления, включающих в себя использование как конических режущих элементов, так и резцов.

Также объем настоящего изобретения предусматривает возможность использования в любом из описанных выше вариантов осуществления не конических, но и не плоских долбящих режущих элементов на месте конических режущих элементов, т.е. режущих элементов с вершиной, которая может долбить породу пласта, таких как элементы в форме зубила, куполообразной формы, в форме усеченного конуса или граненые режущие элементы и т.д.

Как описано во всем настоящем изобретении, комбинации режущих элементов и вооружения можно использовать как на буровом долоте с фиксированными резцами, так и на расширителе ствола скважины. На фиг. 40 показана общая конфигурация расширителя 830 ствола скважины, который включает в себя один или несколько режущих элементов настоящего изобретения. Расширитель 830 ствола скважины содержит корпус 832 инструмента и множество лопастей 838, установленных в выбранных азимутальных положениях по периметру корпуса. Расширитель 830 ствола скважины, в общем, содержит соединения 834, 836 (например, резьбовые соединения), так что расширитель 830 ствола скважины может соединяться со смежными бурильными инструментами, содержащимися, например, в бурильной колонне и/или компоновке низа бурильной колонны (КНБК) (не показано). Корпус 832 инструмента, в общем, включает в себя сквозной канал, так что буровой раствор может проходить через расширитель 830 ствола скважины при перекачке с поверхности (например, от расположенных на поверхности буровых насосов (не показано) на дно забоя ствола скважины (не показано). Корпус 832 инструмента может выполняться из стали или других материалов известных в технике. Например, корпус 832 инструмента может также выполняться из материала матрицы с инфильтрованным связующим сплавом.

Лопасти 838, показанные на фиг. 40, являются спиральными лопастями и в общем устанавливаются, по существу, с равными угловыми интервалами по периметру корпуса инструмента, такого как расширитель 830 ствола скважины. Данное расположение не ограничивает объем изобретения, являясь только иллюстративным. Специалист в данной области техники должен понимать, что любой известный в технике скважинный породоразрушающий инструмент можно использовать. Хотя на фиг. 36 подробно не показано местоположение конических режущих элементов, их установка на инструменте может соответствовать всем вариантам, описанным выше.

Кроме того, в дополнение к варианту применения в скважинном инструменте, таком как расширитель ствола скважины, разбуриватель, центратор с жесткими лопастями, и т.д., буровое долото с использованием режущих элементов согласно различным вариантам осуществления изобретения, такое как раскрытое в данном документе, может иметь улучшенные показатели бурения на высоких скоростях вращения в сравнении с буровыми долотами известной техники. Такие высокие скорости вращения яв- 15 025749 ляются обычными, когда буровое долото вращает турбина, гидравлический двигатель или при использовании долота в других вариантах с высокой скоростью вращения.

Кроме того, специалист в данной области техники должен понимать, что не существует ограничений по диаметрам режущих элементов настоящего изобретения. Например, в различных вариантах осуществления режущие элементы могут выполняться с диаметрами, такими как, без ограничения этим, 9, 13, 16 и 19 мм. Выбор диаметров режущих элементов может основываться, например, на типе породы пласта, подлежащей бурению. Например, в более мягких породах пласта, может являться необходимым использование более крупных режущих элементов, а в более твердых породах пласта может являться необходимым использование более мелких режущих элементов.

Дополнительно также в объеме настоящего изобретения резцы 142 в любом из описанных выше вариантах осуществления могут являться вращающимися режущими элементами, такими как описанные в и.8. Ра1еи1 № 7703559, И.8. Ра1еи1 РиЬЬсайои № 2010/0219001 и И.8. Ра1еи1 АррНсайои №№ 13/152626, 61/479151 и 61/479183, все на имя патентообладателя настоящей заявки и полностью включены в данный документ в виде ссылки.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя одно или несколько следующих преимуществ. Варианты осуществления настоящего изобретения могут обеспечивать создание буровых долот с фиксированными резцами или других породоразрушающих инструментов с фиксированными резцами с возможностью эффективного бурения с экономически выгодной скоростью проходки и в породах пластов с твердостью выше приемлемой для использования обычных долот РОС. Конкретнее, настоящие варианты осуществления позволяют бурить в мягких, средних, среднетвердых и даже некоторых твердых породах, поддерживая агрессивный профиль режущего элемента для сохранения приемлемой скорости проходки в течение приемлемого времени и, при этом, обеспечивают снижение затрат, принятых в настоящее время в отрасли. Комбинация срезающих резцов с коническими режущими элементами обеспечивает бурение с созданием канавок (коническими режущими элементами) для ослабления породы и затем осуществление выемки последующим действием срезающего резца. Кроме того, другие варианты осуществления могут также обеспечивать улучшенную долговечность с помощью перехода от механизма резания к истиранию (при включении импрегнирования алмазами). Дополнительно различные варианты геометрии и установки конических режущих элементов могут обеспечивать оптимизацию использования конических режущих элементов во время работы, конкретно, с уменьшением или минимизацией повреждающих нагрузок и напряжений на режущих элементах во время бурения.

Хотя изобретение описано для ограниченного числа вариантов осуществления, специалист в данной области техники, получивший пользу от данного изобретения, должен понимать, что можно разрабатывать другие варианты осуществления, не отходящие от объема изобретения, раскрытого в данном документе. Соответственно, объем изобретения ограничивает только прилагаемая формула изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Скважинный породоразрушающий инструмент, содержащий корпус инструмента;

множество лопастей, проходящих азимутально от корпуса инструмента; и множество режущих элементов, установленных на множестве лопастей, причем множество режущих элементов содержит по меньшей мере два неплоских режущих элемента, содержащих опорный штырь и алмазный слой и имеющих неплоский режущий торец, при этом по меньшей мере один по меньшей мере из двух неплоских режущих элементов имеет положительный передний угол в продольной плоскости, и по меньшей мере один по меньшей мере из двух неплоских режущих элементов имеет отрицательный передний угол в продольной плоскости.
2. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором по меньшей мере один неплоский режущий элемент, имеющий положительный передний угол в продольной плоскости, и по меньшей мере один неплоский режущий элемент, имеющий отрицательный передний угол в продольной плоскости, расположены на долоте в одинаковом радиальном положении относительно центральной осевой линии долота.
3. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором множество режущих элементов дополнительно содержит по меньшей мере один резец, имеющий опорный штырь и алмазную грань, по существу, с плоской режущей поверхностью, при этом на виде при повороте в одну плоскость множества режущих элементов по меньшей мере один резец занимает радиальное положение относительно оси долота в промежутке между радиальными положениями по меньшей мере одного неплоского режущего элемента, имеющего положительный передний угол в продольной плоскости, и по меньшей мере одного неплоского режущего элемента, имеющего отрицательный передний угол в продольной плоскости.
4. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором множество неплоских режущих элементов в конусообразной зоне бурового долота имеет положительный передний угол в продольной плоскости, множество неплоских режущих элементов в носовой зоне бурового долота имеет, по существу, нулевой передний угол в продольной плоскости, и множество неплоских режущих элементов в вы- 16 025749 ступающей зоне бурового долота имеет отрицательный передний угол в продольной плоскости.
5. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором множество неплоских режущих элементов в конусообразной зоне бурового долота имеет отрицательный передний угол в продольной плоскости, множество неплоских режущих элементов в носовой зоне бурового долота имеет, по существу, нулевой передний угол в продольной плоскости, и множество неплоских режущих элементов в выступающей зоне бурового долота имеет положительный передний угол в продольной плоскости.
6. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором множество режущих элементов дополнительно содержит по меньшей мере один резец, имеющий опорный штырь и алмазную грань, по существу, с плоской режущей поверхностью, при этом по меньшей мере один резец расположен на одинаковом радиальном расстоянии от центральной осевой линии долота по меньшей мере с одним из неплоских режущих элементов.
7. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором по меньшей мере два неплоских режущих элемента расположены на двух отдельных лопастях.
8. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором по меньшей мере два неплоских режущих элемента расположены на одной лопасти.
9. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором по меньшей мере два неплоских режущих элемента расположены в носовой зоне и выступающей зоне режущего профиля.
10. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, дополнительно содержащий центральный керновый режущий элемент, расположенный в зоне по меньшей мере между двумя лопастями.
11. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, представляющий собой буровое долото, содержащее корпус долота, имеющий ось долота и торец долота; множество лопастей, проходящих радиально по торцу долота.
12. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.1, в котором по меньшей мере два неплоских режущих элемента имеют передний угол в продольной плоскости, выбранный с величиной от около -35 до 35.
13. Скважинный породоразрушающий инструмент, содержащий корпус инструмента;

множество лопастей, проходящих азимутально от корпуса инструмента; и множество режущих элементов, установленных на множестве лопастей, причем множество режущих элементов содержит по меньшей мере два неплоских режущих элемента, содержащих опорный штырь и алмазный слой и имеющих конический режущий торец, при этом по меньшей мере один по меньшей мере из двух неплоских режущих элементов имеет положительный боковой угол наклона, и по меньшей мере один по меньшей мере из двух неплоских режущих элементов имеет отрицательный боковой угол наклона.
14. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.13, в котором по меньшей мере один из неплоских режущих элементов, имеющий положительный боковой угол наклона, и по меньшей мере один из неплоских режущих элементов, имеющий отрицательный боковой угол наклона, расположены на долоте в одинаковом радиальном положении относительно центральной осевой линии долота.
15. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.13, в котором множество режущих элементов дополнительно содержит по меньшей мере один резец, имеющий опорный штырь и алмазную грань, по существу, с плоской режущей поверхностью, при этом на виде при повороте в одну плоскость множества режущих элементов по меньшей мере один резец занимает радиальное положение относительно оси долота в промежутке между радиальными положениями по меньшей мере одного неплоского режущего элемента, имеющего положительный боковой угол наклона, и по меньшей мере одного неплоского режущего элемента, имеющего отрицательный боковой угол наклона.
16. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.13, в котором множество режущих элементов дополнительно содержит по меньшей мере один резец, имеющий опорный штырь и алмазную грань, по существу, с плоской режущей поверхностью, при этом по меньшей мере один резец расположен на одинаковом радиальном расстоянии от центральной осевой линии долота по меньшей мере с одним из неплоских режущих элементов.
17. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.13, в котором по меньшей мере два неплоских режущих элемента расположены на двух отдельных лопастях.
18. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.13, в котором по меньшей мере два неплоских режущих элемента расположены на одной лопасти.
19. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.13, в котором по меньшей мере два неплоских режущих элемента расположены в носовой зоне и выступающей зоне режущего профиля.
20. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.13, дополнительно содержащий центральный керновый режущий элемент, расположенный в зоне между по меньшей мере двумя лопастями.
21. Скважинный породоразрушающий инструмент по п.13, представляющий собой буровое долото, содержащий корпус долота, имеющий ось долота и торец долота; множество лопастей, проходящих радиально по торцу долота.