Долото обсадной колонны и расширительное долото обсадной колонны
Группа изобретений относится к вариантам концевого инструмента обсадной колонны, обеспечивает эффективное, равномерное пробуривание концевого инструмента, улучшенную фрагментацию концевого инструмента при его пробуривании, повышение эффективности работы инструмента при бурении и разбуривании, повышение устойчивости к разрушению, абразивному воздействию, ударным нагрузкам. Концевой инструмент обсадной колонны содержит чашеобразный корпус с центральной осью, образованный стенкой с внешней выпуклой поверхностью и внутренней вогнутой поверхностью напротив внешней выпуклой поверхности. Внутренняя вогнутая поверхность неосесимметрична относительно центральной оси, а внешняя выпуклая поверхность осесимметрична относительно центральной оси. Согласно варианту исполнения концевого инструмента внутренняя вогнутая поверхность содержит множество неосесимметричных областей, образованных более толстыми частями стенки. Согласно другому варианту исполнения концевого инструмента внутренняя вогнутая поверхность содержит по меньшей мере одну канальную область, выполненную в стенке, где указанная по меньшей мере одна канальная область выполнена в виде несквозного прерывистого выреза или глухого отверстия для улучшенной фрагментации концевого инструмента обсадной колонны при его пробуривании. 3 н. и 46 з.п. ф-лы, 11 ил.
ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ
Настоящая заявка заявляет приоритет заявки Соединенных Штатов на патент №12/793,489, поданной 3 июня, 2010 г., которая заявляет приоритет предварительной заявки Соединенных Штатов на патент №61/184,635, поданной 5 июня, 2009 г., описание которой данной ссылкой включается в настоящее описание.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в целом относится к бурению скважин и, в частности, к буровым инструментам, используемым в конце обсадной колонны или обсадной трубы буровой скважины. Настоящее изобретение касается буровых инструментов (и способов формирования буровых инструментов), прикрепляемых к обсадной колонне или обсадной трубе колонны. В контексте данного изобретения термины обсадная колонна и обсадная труба используются как эквивалентные.
ПРЕДПОСЫЛКИ
В стандартных способах бурения проходящая в продольном направлении колонна, содержащая секции буровой трубы, прикрепляется к буровому долоту большего чем буровая труба диаметра. После того как выбранная часть буровой скважины была пробурена, бурильная колонна извлекается и колонна из трубчатых элементов меньшего чем буровая скважина диаметра, известная как обсадная колонна, помещается в буровую скважину. После чего кольцевое пространство между стенкой буровой скважины и внешней стороной обсадной колонны заполняется тампонажным раствором посредством закачки тампонажного раствора вниз через башмак обсадной колонны или через башмак расширительного долота, расположенные в конце обсадной колонны.
Альтернативный способ, предназначенный для решения проблемы неэффективности при осуществлении многократных спускоподъемных операций в буровой скважине при обычном способе бурения, рассмотренном выше, известен как бурение с обсадной колонной. В этом способе при операции бурения применяется буровое долото, называемое долотом обсадной колонны, которое прикреплено к концу обсадной колонны. Долото обсадной колонны функционирует не только для бурения толщи пород, а также и для направления обсадной колонны в буровой скважине. Долото обсадной колонны остается на месте во время последующего тампонирования цементом обсадной колонны на месте. Обсадная колонна, таким образом, входит в буровую скважину, поскольку буровая скважина сформирована долотом обсадной колонны. Это исключает необходимость одной или нескольких дополнительных спускоподъемных операций для извлечения обсадной колонны и бурового долота после достижения необходимой глубины, на которой необходимо тампонирование цементом.
В обоих способах может быть необходимо дополнительное бурение сверх конечной глубины обсадной колонны. Если необходимо, то оператор должен пробурить концевой инструмент (башмак или долото) обсадной колонны, для того чтобы достичь лежащей под ним породы. Как правило, это осуществляется посредством применения фрезерной насадки, которая специально предназначена для прорезания материала, из которого изготовлен башмак. Это привело к разработке концевых инструментов обсадной колонны, которые могут пробуриваться быстрее. Преимущественно такие концевые инструменты используют алюминиевый сплав в качестве основного материала корпуса для носовой части расширительного долота или несущей режущую структуру поверхности концевого инструмента. Совсем недавно концевые инструменты обсадной колонны, изготовленные из легированной стали, производились заводским путем и применялись в обсадной колонне перед тем, как быть пробуренными специально сконструированными PDC-долотами для пробуривания, которые содержат дополнительную отдельную сильно выступающую режущую структуру из карбида вольфрама, предназначенными для осуществления пробуривания.
Исследования уровня техники, относящиеся к работе обсадной колонны, рассмотрены ниже. Все ссылки, рассмотренные в настоящем описании, включаются посредством ссылки.
Патент Соединенных Штатов №6,062,326, Strong et al., раскрывает башмак/расширительное долото обсадной колонны с режущими средствами. Башмак/расширительное долото содержит канавки (лопасти), которые в одном варианте осуществления вмещают PDC-резцы вдоль диаметра и поперек носовой части инструмента. Раскрыт инструмент, который выполнен или из поддающегося бурению алюминия или из материала, не поддающегося бурению. В одном варианте осуществления носовая часть выполнена сегментируемой с сегментами, шарнирно закрепленными на внешней части инструмента таким образом, что носовые сегменты могут выталкиваться и следовать перед тампонированием цементом или как часть процесса тампонирования цементом.
Патенты Соединенных штатов №№6,401,820 и 6,659,173, Kirk et al., описывают башмак с элементами расширительного долота и носовой частью, выполненными из алюминиевого или цинкового сплава для обеспечения возможности пробуривания носовой части.
Патент Соединенных Штатов №6,443,247, Wardley, описывает буровой башмак обсадной колонны с внешней буровой частью, выполненной из твердого материала, такого как сталь, и внутренней частью, выполненной из материала, легко поддающегося бурению, такого как алюминий. Он также включает устройство для перемещения внешней буровой секции радиально наружу.
Патент Соединенных Штатов №6,848,517, Wardley, описывает поддающуюся бурению насадку бурового долота, используемую в буровом долоте, бурение которой предполагается.
Патент Соединенных Штатов №7,066,253, Baker, описывает башмак обсадной колонны или башмак расширительного долота с внешним корпусом из относительно твердого материала и носовой частью из относительно мягкого материала, которые соединены между собой. Последующее буровое долото используется для пробуривания основной части мягкого материала, оставляя кожух из мягкого материала во внутренней окружности твердого материала.
Патент Соединенных Штатов №7,096,982, McKay et al., раскрывает буровой башмак с корпусом, выполненным из относительно мягкого материала, в котором установлены лопасти из относительно твердого материала. Лопасти, как правило стальные, дополнительно оснащены PDC-резцами. Как только необходимая глубина бурения была достигнута, активируется перемещающий элемент для выталкивания мягкого материала и сгибания лопастей к боковым стенкам кольцевого пространства. Затем перемещающий элемент может быть пробурен последующим долотом. McKay хочет обеспечить опорный механизм режущей структуры стальными лопастями достаточно прочными для воздействия нагрузок при бурении.
Патент Соединенных Штатов №7,117,960, Wheele et al., описывает долото для бурения с добуривающей колонной, которая включает встроенную принимающую безбортовую резьбу добуривающей колонны нефтяного месторождения. Описание описывает долото, как изготовленное из материала, который не позволяет долоту быть быстро пробуренным.
Патент Соединенных Штатов №7,216,727, Wardley, раскрывает буровое долото обсадной колонны, выполненное из относительно мягкого материала, такого как алюминий, медь или латунный сплав и покрытое относительно твердым материалом. Режущие средства режущих инструментов состоят из тонких слоев или режущих элементов, сформированных из твердого материала.
Патент Соединенных Штатов №7,395,882, Oldham et al., под названием "Casing and Liner Drilling Bits". Этот патент предлагает изготавливать такие инструменты с осесимметричным внутренним профилем, чтобы равномерно контактировать со следующим за ними буровым долотом. Он также предлагает использовать насадки, выполненные с муфтами и частями диаметра, которые проходят по обсадной колонне, к которой присоединен инструмент.
Публикация патентной заявки Соединенных Штатов №2007/028972, dark et al., под названием "Reaming Tool Suitable for Running on Casing or Liner and Method of Reaming". Настоящая опубликованная заявка также предлагает осесимметричный внутренний профиль и также утверждает следующее "… отсутствие лопастей в носовой области, выступающих над поверхностью носовой части, обеспечивает непрерывную резку материала оболочки корпуса в носовой части, что обеспечивает возможность пробуривания расширительного инструмента PDC-долота."
Патент Соединенных Штатов №6,845,816, Kirk et al., предлагает использование аустенированного ковкого железа (ADI) для центратора. Этот материал более крепкий, чем алюминий, а также более легкий и лучше обрабатывается, чем сталь. Смотрите также, например, ADI-материалы, предоставляемые на продажу компанией THDick.
Ссылка также сделана на инструменты от компаний "Baker Hughes (Hughes Christensen) EZ Case Casing Bit System" и "Weatherford International DrillShoe", используемые для бурения с устройствами обсадной колонны из уровня техники (описания которых ссылкой включаются в настоящее описание).
Подводя итоги уровня техники в данной области, большое внимание уделялось потенциальному пробуриванию концевого инструмента обсадной колонны, но мало внимания уделялось эффективности бурения самого концевого инструмента обсадной колонны. Значительные усовершенствования в работе концевого инструмента обсадной колонны могут быть выполнены посредством применения эффективной технологии бурения к уникальным задачам для структуры и архитектуры концевого инструмента обсадной колонны. Другое значительное компромиссное решение в уровне техники заключается в выборе материала для корпуса. Алюминий легко бурится, однако обладает низкой устойчивостью к разрушению и абразивному воздействию, а также не может выдерживать уровень нагрузки, который может выдерживать сталь. Альтернативно, сталь более крепкая, чем алюминий, но гораздо хуже пробуривается. Если оборудование обсадной колонны необходимо пробурить PDC-долотом, то необходимо использование специально сконструированных PDC-долот для пробуривания, эффективность бурения которых в пластах горных пород снижается после пробуривания.
Существует необходимость в концевых инструментах обсадной колонны (включая долота обсадной колонны и башмаки расширительных долот, обсадные трубы долот, обсадные трубы расширительных долот и приводимые забойным двигателем расширительные долота или фрезы обсадных труб или колонн), которые работают эффективно при бурении или разбуривании, устойчивы к разрушению, абразивному воздействию, ударным нагрузкам и которые могут быть эффективно и равномерно пробуриваться, используя стандартные бурильные PDC-долота или PDC-долота с защищенными резцами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Представлены концевые инструменты обсадной колонны, используемые для бурения на обсадной колонне и расширения или бурения на обсадных трубах или расширения, которые преодолевают многие из ранее указанных недостатков уровня техники. Данные инструменты используют новую конструкцию и способы изготовления, которые ранее не применялись на практике в концевых инструментах обсадной колонны. Описан предпочтительный, но не ограничивающий, вариант осуществления долота обсадной колонны. Также описано расширительное долото обсадной колонны.
При конструировании суперабразивных режущих элементов для концевого инструмента обсадной колонны используется несколько подходов. Такие конфигурации режущих элементов предназначены для уменьшения общего объема материала подложки из карбида вольфрама, который должен разрушиться, оттесниться или полностью вымыться, как часть, образованная в результате, пробуривания концевого инструмента обсадной колонны. В стандартном суперабразивном режущем инструменте большая часть его длины выполнена из карбида вольфрама. В предпочтительном варианте осуществления концевого инструмента обсадной колонны включенный в ее состав резец использует короткую подложку. В альтернативном варианте осуществления применяется короткая подложка из карбида вольфрама, приклеенная к дополнительному отрезку альтернативного материала подложки, такого как сталь или карбид ванадия. Это предусматривает также, что концевые инструменты обсадной колонны, предусмотренные вокруг резцов стандартной общей длины, во время пробуривания столкнутся с меньшим общим количеством высокоцементированного материала, содержащего карбид вольфрама.
В предпочтительном варианте осуществления PDC или другая режущая структура из суперабразивных режущих элементов выполнена таким образом, что является сбалансированной по силе в пределах 10%, или менее 7%, или менее 5%, или менее 2%.
В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны использует частично неглубоко выщелоченные или частично глубоко выщелоченные PDC-резцы. В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны использует полностью выщелоченные резцы, которые были повторно прикреплены к металлической подложке посредством второго цикла прессования с высоким давлением и температурой (НР/НТ).
В одном варианте осуществления концевой инструмент использует схему размещения резцов, в которой содержатся задние или ведущие дублирующие, направляющие или множественные резцы. Эти резцы могут устанавливаться на одной лопасти в виде набора основных резцов или могут устанавливаться на отдельной и отличной лопасти или лопастях.
В одном варианте осуществления концевого инструмента обсадной колонны применяются структуры, дублирующие резцы. Эти структуры, дублирующие резцы, могут отливаться из материала основного корпуса или могут изготавливаться отдельно и запрессовываться, приклеиваться или впаиваться. Эти структуры могут изготавливаться из стали, карбида вольфрама, карбида ванадия, матрицы из карбида вольфрама, выпуклых суперабразивных элементов или могут быть сегментами импрегнированными алмазами. Структуры, дублирующие резцы, могут чуть сильнее выступать, одинаково выступать или меньше выступать по сравнению с их соответствующими основными резцами. Структуры, дублирующие резцы, могут также располагаться на одинаковом радиальном расстоянии или на немного большем расстоянии или на немного меньшем расстоянии от осевой линии долота, чем соответствующие им основные резцы.
В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны использует большое количество портов или муфты портов. В случае использования муфт они могут изготавливаться из тонкостенного карбида вольфрама, карбида ванадия, керамики или стали. Концевой инструмент обсадной колонны согласно данному изобретению специально не использует сменных или резьбовых насадок для дросселирования потока и создания большей гидравлической мощности на квадратный дюйм, он скорее основан на величине расхода через большое количество муфт портов относительно большого внутреннего диаметра для эффективной очистки и бурения, при этом обеспечивается уменьшение количества случаев разрушения корпуса долота. В одном варианте осуществления муфты портов проходят далеко во внутреннюю полость концевого инструмента обсадной колонны для смещения активной области разрушительного потока от внутренней вогнутой поверхности инструмента.
В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны не имеет однородного осесимметричного внутреннего профиля, однако неосесимметричная схема расположения приподнятых выпуклостей или плоских участков создает неровную, волнообразную и нерегулярную поверхность (следует понимать, что "осесимметричная" - значит "обладающая симметрией вокруг оси, или обладающая цилиндрической симметрией"). Важным моментом здесь является увеличение количества прерывистых вырезов (посредством осесимметричного фрезерного/бурового долота) для обеспечения внутренних напряжений в центральной части корпуса долота и улучшения фрагментации при пробуривании. По меньшей мере, некоторые из приподнятых выпуклостей и плоских участков контактируют для обеспечения улучшенной контактной и поддерживающей области в том случае, если используются сильно удлиненные муфты каналов. В одном варианте осуществления приподнятые плоские участки совпадают с каналами, отлитыми или выполненным фрезерованием в носовой части или передней стороне концевого инструмента обсадной колонны. На долоте с лопастями плоские внутренние участки исходят в целом из центра и чередуются с внутренними каналами. Каждый внутренний плоский участок расположен так, чтобы в целом соответствовать внешнему лицевому жидкостному каналу, при этом внутренний канал расположен так, чтобы в целом соответствовать внешней лицевой лопасти. Даже если в этом случае предпочтительный вариант осуществления является неосесимметричным вертикального и радиального расположения внутренних плоских участков. Во время пробуривания эти участки пробуриваются первыми, таким образом увеличивая вероятность разлома и фрагментации соответствующих приподнятых лицевых деталей на носовой или передней части концевого инструмента обсадной колонны при ее пробуривании.
В любом из вариантов осуществления с лопастями разрезы могут быть вырезаны или отлиты между некоторыми из карманов резцов для увеличения уровня фрагментации при пробуривании. В любом из вариантов осуществления глухие отверстия могут быть пробурены или отлиты в передней части концевого инструмента обсадной колонны. Эти отверстия не проходят в полость инструмента. Предназначением данных отверстий является создание прерывистых вырезов и мест излома поперек передней части концевого инструмента обсадной колонны с целью ускорения разлома и фрагментации передней части концевого инструмента при пробуривании.
В альтернативном варианте осуществления внутренняя вогнутая поверхность имеет осесимметричный внутренний профиль.
Варианты осуществления концевых инструментов обсадных колонн, которые используются в качестве расширительных долот, могут иметь или могут не иметь резцы, размещенные поперек всей носовой или передней части инструмента. Варианты осуществления концевых инструментов обсадных колонн, которые используются в качестве расширительных долот, могут иметь эксцентричные носовые части или симметричные носовые части. В случае если она концентрична, носовая или передняя части могут содержать вогнутую "коническую" часть. Альтернативные варианты осуществления концевых инструментов обсадных колонн, предназначенные для использования в качестве расширительных долот, могут использовать выпуклые суперабразивные режущие элементы или выпуклые элементы из карбида вольфрама вместо плоских режущих элементов. Выпуклые элементы создают меньший крутящий момент и менее склонны к вгрызанию в стенки буровой скважины. В одном варианте осуществления центрирующее внутреннее кольцо из алюминия, фенольного полимера или подобного предусмотрено для стабилизации долота для пробуривания при пробуривании концевого инструмента обсадной колонны.
В предпочтительном варианте осуществления основным материалом для изготовления корпуса концевого инструмента обсадной колонны является аустенированное ковкое железо (ADI).
В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны изготавливается с использованием алюминия или алюминиевого сплава.
В альтернативном варианте осуществления основной корпус концевого инструмента обсадной колонны изготавливается с использованием меди, латуни, цинкового сплава, стали или титана.
В другом варианте осуществления основной корпус концевого инструмента обсадной колонны отливается из кристаллического вольфрама, пропитанного латунным связующим. В этом варианте осуществления материал основного корпуса может быть "отсортирован" с включением объема порошка карбида вольфрама или пасты, размещенного на внешней поверхности, за которым следует слой или слои смешенного карбида вольфрама и кристаллического вольфрама, которые в конечном итоге заканчиваются чистым кристаллическим вольфрамом, покрывающим расстояние до внутренней вогнутой поверхности концевого инструмента обсадной колонны. Целью отсортированных слоев порошка является увеличение сопротивления разрушению носовой или передней части инструмента, используя при этом хорошо обрабатываемый кристаллический вольфрам для основной части порошковой смеси при отливке корпуса инструмента. Посредством сортировки материала при пробуривании удается избежать резкого перехода от мягкого материала к твердому материалу. В таком варианте осуществления с пропитыванием внешняя цилиндрическая оболочка, как правило, выполняется стальной. Этот стальной цилиндр действует как заготовка или литейная оправка, как известно из уровня техники. Обычно заготовка образует центральный корпус пропитанного бурового долота. В случае данного изобретения заготовка представляет собой цилиндр, размещенный вокруг окружности фрезерованных лицевых деталей в графитовой литейной форме. Стальной цилиндр может устанавливаться в фрезерованную канавку, выполненную в форме, с тем, чтобы точно разметить его относительно лицевых деталей. Когда форма загружена карбидом вольфрама или кристаллическим вольфрамом, или обоими, пропитывающий металл, как правило никелево-латунный сплав, располагается таким образом, чтобы впитываться в порошок (порошки) на стадии обработки в печи. Предпочтительно нижний конец цилиндрической стальной заготовки выполнен с каналами и/или канавками для создания положительного зацепления с литой передней частью инструмента. Любая лишняя сталь цилиндра, которая выступает ниже передней части отливки, может быть отрезана. Большим преимуществом данного варианта осуществления является то, что он может использовать существующие материалы, программное обеспечение, способы литья и станки, используемые при производстве буровых долот с матрицей из карбида вольфрама.
В альтернативном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны содержит обратный клапан для использования при операциях тампонирования цементом. В альтернативном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны использует обратный клапан, который смещен от центра для улучшения пробуривания обратного клапана.
В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны включает одну или более хрупких зон или обводных портов для обеспечения дополнительной проходной области для потока тампонажного цемента из концевого инструмента обсадной колонны во время тампонирования цементом обсадной колонны.
В одном варианте осуществления корпус концевого инструмента обсадной колонны обработан нитридом для изменения электрического заряда поверхности для улучшения очистки долота.
В одном варианте осуществления части диаметра концевого инструмента обсадной колонны сужаются в направлении вверх по стволу скважины по сравнению с направлением вниз по стволу скважины.
В одном варианте осуществления резцы концевого инструмента обсадной колонны размещены парами, что в результате дает большее количество, но более коротких секций лопастей. Эти секции лопастей более вероятно разломаются на меньшие части во время пробуривания, что обеспечит их более простое вымывание из скважины.
В одном варианте осуществления центральная часть концевого инструмента обсадной колонны выполнена посредством лазерной резки или проволочной электроэрозионной обработки цилиндра, предпочтительно из основного материала корпуса. Затем эти части прочно скрепляются вместе и обрабатываются для образования лопастей, карманов и внутренней поверхности. Затем внешний диаметр обрабатывается таким образом, что центральная часть может поворачиваться по часовой стрелке в соответствующей резьбе на поверхности корпуса основного инструмента, предпочтительно останавливаясь на внутреннем борте. При бурении скважины силы, действующие на поверхности резца, удерживают центральную часть зафиксированной в инструменте. При пробуривании последующим, как только долото начинает бурить внутреннюю поверхность концевого инструмента обсадной колонны, оно прикладывает крутящий момент к резьбовой поверхности вставки таким образом, что откручивает ее в направлении против часовой стрелки и позволяет ей разделиться на легко ломающиеся и вымываемые частицы.
В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны согласно данному изобретению используется в сочетании с невращающимися центраторами обсадной колонны для улучшения передачи веса и крутящего момента к концевому инструменту обсадной колонны.
В одном варианте осуществления резцы концевого инструмента обсадной колонны снабжены защитными колпачками. В этом случае концевой инструмент обсадной колонны обладает улучшенной способностью осуществления пробуривания через оборудование для цементирования скважин или ранее использовавшийся и затампонированный цементом концевой инструмент или и через то, и через другое.
В одном варианте осуществления верхние части диаметра концевого инструмента обсадной колонны снабжены верхними PDC-резцами или другой твердой или суперабразивной верхней буровой режущей структурой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг.1 представляет собой упрощенное схематическое изображение поперечного сечения концевого инструмента обсадной колонны в виде долота обсадной колонны;
фиг.2А представляет собой вид сбоку одного варианта осуществления резца, используемого для инструмента согласно фиг.1;
фиг.2В представляет собой вид сбоку другого варианта осуществления резца, используемого для инструмента согласно фиг.1;
фиг.3 представляет собой упрощенное схематическое поперечное сечение, показывающее, что положение некоторых приподнятых выпуклостей/плоских участков совпадает с каналами в носовой или передней части концевого инструмента обсадной колонны;
фиг.4 представляет собой вид сверху внутренних поверхностей долота обсадной колонны согласно фиг.1;
фиг.5 представляет собой вид сверху долота обсадной колонны согласно фиг.1;
фиг.6А представляет собой вид сверху концевого инструмента обсадной колонны согласно фиг.1, подобно показанному на фиг.4;
фиг.6В представляет собой частичный вид в разрезе согласно фиг.6А;
фиг.7 представляет собой расширительное долото обсадной колонны;
фиг.8 представляет собой упрощенное схематическое изображение поперечного сечения долота обсадной колонны (как показано, например, на фиг.1) дополнительно содержащего внутреннее кольцо;
фиг.9 представляет собой упрощенное схематическое изображение поперечного сечения другого варианта осуществления долота обсадной колонны;
фиг.10 представляет собой вид сверху поверхности долота, показанного на фиг.9; и
фиг.11 представляет собой вид сбоку резца согласно с другим вариантом осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Сошлемся теперь на фиг.1, которая показывает изображение поперечного сечения концевого инструмента обсадной колонны в виде долота 100 обсадной колонны в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения. Долото 100 обсадной колонны имеет чашеобразную конфигурацию с внутренней вогнутой поверхностью 102, образующей центральную полую область, и внешней выпуклой поверхностью 104. Внутренняя и внешняя поверхности образуют противоположные стороны стенки, которые окружают центральную полую область. Несколько лопастей 106 сформированы на внешней выпуклой поверхности 104 долота 100 обсадной колонны. На каждой лопасти 106 закреплено множество резцов 108. Резцы 110, закрашенные темным, на иллюстрации ориентированы на первой лопасти 106, причем их алмазные лопасти направлены к зрителю, а светлые резцы 112 на иллюстрации ориентированы на другой лопасти 106 (например, радиально противоположно первой пластине), причем их алмазные лопасти направлены в сторону от зрителя. Лопасти 106 проходят наружу от центральной оси 114 вращения долота 100 обсадной колонны для образования диаметра 116 долота. Отверстия 118 в долоте, предназначенные для выноса бурового шлама, расположены между лопастями 106.
В предпочтительном варианте осуществления основным материалом для изготовления корпуса концевого инструмента обсадной колонны является аустенированное ковкое железо (ADI). В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны изготавливается с использованием алюминия или алюминиевого сплава. В альтернативном варианте осуществления основной корпус концевого инструмента обсадной колонны изготавливается с использованием меди, латуни, цинкового сплава, стали или титана.
В другом варианте осуществления основной корпус концевого инструмента обсадной колонны отливается из кристаллического вольфрама, впитанного в связующее на основе латуни. В данном варианте осуществления материал основного корпуса может быть "отсортирован" согласно содержанию объема порошка карбида вольфрама или пасты, размещенной на внешней поверхности, за которой следует слой или слои смешанного карбида вольфрама и кристаллического вольфрама и которая в конечном итоге заканчивается чистым кристаллическим вольфрамом, покрывающим расстояние до внутренней вогнутой поверхности концевого инструмента обсадной колонны. Целью слоев из калиброванного порошка является увеличение сопротивления разрушению носовой или передней части инструмента, при этом используя хорошо обрабатываемый кристаллический вольфрам для основной части порошковой смеси при отливке корпуса инструмента. Посредством сортировки материала при пробуривании стенки инструмента удается избежать резкого перехода от мягкого материала к твердому материалу.
В таком варианте осуществления с пропитыванием внешняя цилиндрическая оболочка долота, как правило, выполняется из стали. Этот стальной цилиндр действует как заготовка или литейная оправка, как известно из уровня техники. Обычно заготовка образует центральный корпус пропитанного бурового долота. В данном случае заготовка представляет собой цилиндр, размещенный вокруг окружности выфрезерованных лицевых деталей в графитовой литейной форме.
Стальной цилиндр может устанавливаться в выфрезерованную канавку в форме с тем, чтобы точно разметить его относительно лицевых деталей. Когда форма загружена карбидом вольфрама, или кристаллическим вольфрамом, или обоими, пропитывающий металл, как правило никелево-латунный сплав, располагается таким образом, чтобы впитываться в порошок (порошки) на стадии обработки в печи. Предпочтительно, нижний конец цилиндрической стальной заготовки выполнен с каналами и/или канавками для создания прочного зацепления с литой поверхностью инструмента. Любая лишняя сталь цилиндра, которая выступает ниже передней части отливки, может быть отрезана. Большим преимуществом данного варианта осуществления является то, что он может использовать существующие материалы, программное обеспечение, способы литья и станки, используемые при производстве буровых долот с матрицей из карбида вольфрама.
В альтернативном варианте осуществления долото обсадной колонны содержит обратный клапан для использования при операциях тампонирования цементом. В альтернативном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны использует обратный клапан, который смещен от центра для улучшения буримости обратного клапана. Смотрите, например, опубликованную заявку на патент США №2007/0246224, описание которой включено посредством ссылки.
При конструировании суперабразивных режущих элементов для концевого инструмента обсадной колонны согласно фиг.1 используется несколько подходов. Такие конфигурации режущих элементов предназначены для уменьшения общего объема материала подложки из карбида вольфрама, который должен разрушиться, оттесниться или вымываться через отверстие как часть пробуривания концевого инструмента обсадной колонны. Стандартные суперабразивные режущие элементы выполнены 13 мм в диаметре и 13 мм длины. Большая часть 13 мм длины представляет собой карбид вольфрама.
Фиг.2А показывает вид сбоку варианта осуществления резца 108, используемого для инструмента согласно фиг.1. Резец, например, с диаметром, находящимся в диапазоне 8 мм - 19 мм, использует короткую подложку 200 из карбида вольфрама (что приводит, например, к общей длине резца, составляющей 8 мм, или 5 мм, или 3 мм). Резец дополнительно содержит алмазный слой (пластину) 202.
Фиг.2В показывает вид сбоку другого варианта осуществления резца 108, используемого для инструмента согласно фиг.1. Резец также содержит короткую подложку 200 из карбида вольфрама. Однако, если необходим более длинный резец, короткая подложка 200 из карбида вольфрама приклеивается к дополнительному отрезку альтернативного материала 204 подложки, такого как сталь или карбид ванадия. Это позволяет концевым инструментам обсадной колонны, которые выполнены вокруг резцов стандартной общей длины, использовать резцы, которые снижают общее количество высокоцементированного материала, содержащего карбид вольфрама, с которым придется столкнуться при пробуривании.
Резцы согласно фиг.2А и 2В могут использовать алмазные слои 202 частично неглубоко выщелоченные или частично глубоко выщелоченные (см., например, патенты США №№6861098, 6861137, 6878447, 6601662, 6544308, 6562462, 6585064, 6589640, 6592985, 6739214, 6749033 и 6797326, описания которых включены ссылкой в данное описание). В альтернативном варианте осуществления резцы согласно фиг.2А и 2 В используют полностью выщелоченные алмазные пластины 202, которые были повторно прикреплены к подложке 200 посредством второго цикла прессования с высоким давлением и температурой (НР/НТ) (см., например, патент США №5127923,описание которого включено ссылкой в данное описание).
Обратимся еще раз к фиг.1. Концевой инструмент обсадной колонны содержит большое количество портов 130. При необходимости каждый порт может содержать муфту 132 порта. В случае использования муфты 132 порта в качестве данного порта 130, муфта может быть выполнена из тонкостенного карбида вольфрама, карбида ванадия, керамики или стали. Концевой инструмент обсадной колонны специально не использует сменные или резьбовые насадки, которые могут дросселировать поток и создавать большую гидравлическую мощность на квадратный дюйм. Вместо этого инструмент основан на величине расхода через большое количество портов 130 (муфт 132 портов) относительно большого внутреннего диаметра для эффективной очистки и бурения, в то же время обеспечивая уменьшение количества случаев разрушения корпуса долота. В одном варианте осуществления муфты 132 портов проходят далеко во внутреннюю полость 134 концевого инструмента обсадной колонны для смещения активной области разрушительного потока от внутренней вогнутой поверхности 102 инструмента.
В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны не имеет однородного или симметричного профиля внутренней вогнутой поверхности 102, но зато имеет внутреннюю вогнутую поверхность 102 с неосесимметричной схемой приподнятых выпуклостей 140 или плоских участков. Это образует неравномерную, волнообразную внутреннюю вогнутую поверхность и, таким образом, нерегулярный внутренний профиль. Важным моментом здесь является увеличение количества прерывистых вырезов во всем корпусе долота при пробуривании посредством фрезерного/бурового долота, которое будет контактировать осесимметричной передней частью с внутренней вогнутой поверхностью 102. Это нагрузит центральную часть корпуса долота и улучшит фрагментацию концевого инструмента обсадной колонны при пробуривании.
Таким образом, операция пробуривания может быть осуществлена гораздо легче. Внешняя выпуклая поверхность 104, наоборот, образует осесимметричную форму.
В альтернативном варианте осуществления внутренняя вогнутая поверхность 102 концевого инструмента обсадной колонны может иметь осесимметричный профиль, который предпочтительно не совпадает с осесимметричной поверхностью фрезерного/бурового долота.
По меньшей мере, некоторые из приподнятых выпуклостей 140 или плоских участков обеспечивают дополнительную функцию, которая заключается в том, что они увеличивают толщину структуры концевого инструмента обсадной колонны в и вокруг портов 130. Это важно для обеспечения улучшенной контактной и поддерживающей области в том случае, если используются сильно удлиненные муфты 132 портов. Муфты 132 портов проходят на расстояние, например, по меньшей мере ¼” от окружающей выпуклости 140 или плоского участка.
В одном варианте осуществления корпус концевого инструмента обсадной колонны обработан нитридом для изменения электрического заряда поверхности для улучшения очистки долота. Смотрите, например, патент США №5330016, описание которого включено посредством ссылки.
В одном варианте осуществления части 116 диаметра концевого инструмента обсадной колонны имеют ширину, меньшую в направлении вверх по стволу скважины, чем в направлении вниз по стволу скважины. Смотрите, например, патент США №4696354, описание которого включено посредством ссылки в данное описание. Это неявно показано на фиг.1.
Концевой инструмент обсадной колонны может содержать одну или более хрупкие зоны или обводные порты для обеспечения дополнительной проходной области для потока тампонажного цемента из концевого инструмента обсадной колонны во время тампонирования цементом обсадной колонны.
В одном варианте осуществления концевой инструмент обсадной колонны согласно данному изобретению используется в сочетании с невращающимися центраторами обсадной колонны для улучшения передачи веса и крутящего момента к концевому инструменту обсадной колонны. Смотрите, например, патент США №5797455, описание которого включено посредством ссылки в данное описание.
В одном варианте осуществления положение приподнятых выпуклостей/плоских участков 140 совпадает с каналами 150 во внешней поверхности 104, отлитыми или выфрезерованными в носовой или передней части 152 концевого инструмента обсадной колонны. Это показано на поперечном сечении на фиг.3. Каналы и канальные муфты на фиг.3 не показаны для ясности. Приподнятые выпуклости/плоские участки 140 с соответствующим каналом 150 предусмотрены для того, чтобы образовывать неравномерную, волнообразную внутреннюю вогнутую поверхность 102 (с нерегулярным внутренним профилем) для увеличения количества прерывистых вырезов в корпусе при пробуривании, а также для обеспечения улучшенной фрагментации концевого инструмента обсадной колонны при пробуривании. Каналы 150 сформированы на внешней выпуклой поверхности 104, а каналы 154 сформированы на внутренней вогнутой поверхности 102. Предпочтительно, если содержатся на обеих поверхностях, каналы 150 и 154 расположены со смещением, как показано.
Обратимся теперь к фиг.4, на которой показан вид сверху долота 100 обсадной колонны согласно фиг.1. Вид, показанный на фиг.4, показывает чашеобразную конфигурацию в направлении внутренней вогнутой поверхности 102. Приподнятые выпуклости 140, как правило, показаны круглой/овальной формы для удобства, а не для ограничения, поскольку данные выпуклости могут принимать любую необходимую форму, которая поддерживает формирование неосесимметричной схемы на внутренней вогнутой поверхности. Пример овальной формы, в отличие от круглой формы, предоставлен для отображения того, что рассматриваемая выпуклость расположена больше на боковой внутренней поверхности, чем на нижней внутренней поверхности инструмента. Фиг.4 также показывает то, как выпуклость 140 связана с положением каждой сильно удлиненной муфты 132 порта.
Обратимся теперь к фиг.5, на которой показан вид сверху концевого инструмента обсадной колонны согласно фиг.1. Вид согласно фиг.5 показывает переднюю часть (внешнюю выпуклую поверхность 104) долота 100. Долото включает несколько лопастей 106, каждая из которых имеет спиральную конфигурацию. Следует отметить, что лопасти 106 альтернативно могут представлять собой прямые лопасти, как известно из уровня техники. Схема размещения лопастей 106 является ассиметричной, однако следует понимать, что альтернативно может применяться симметричная схема размещения пластин.
В одном варианте осуществления, как показано на фиг.5, долото 100 обсадной колонны использует схему размещения резцов на одной или более лопастях, в которой содержатся задние или ведущие дублирующие, направляющие или множественные резцы 160. Смотрите, например, патенты США №№5549171, 5551522, 5582261 и 5651421, описания которых включены посредством ссылки. Эти резцы 160 могут устанавливаться на одной пластине в виде набора основных резцов 108 или могут устанавливаться на отдельной или другой лопасти 106 или лопастях.
В одном варианте осуществления резцы 108 долота обсадной колонны размещены парами, что в результате дает большее количество, но более короткие секции лопастей. Смотрите, например, патент США №4714120, описание которого включено посредством ссылки в данное описание. Эти секции пластин более вероятно разломаются на меньшие части во время пробуривания, что обеспечит их более простое вымывание через отверстие.
В одном варианте осуществления, как показано на фиг.5, долото 100 обсадной колонны содержит по меньшей мере на одной лопасти набор структур 170, дублирующих резцы. Смотрите, например, патенты США №№5090492, 5244039, 4889017 и 4823892, описания которых включены посредством ссылки. Эти структуры 170, дублирующие резцы, могут отливаться из материала основного корпуса или могут изготавливаться отдельно и запрессовываться, приклеиваться или впаивается. Эти структуры могут изготавливаться из стали, ADI, карбида вольфрама, карбида ванадия, матрицы из карбида вольфрама, матрицы из кристаллического вольфрама, выпуклого суперабразива или могут быть сегментами импрегнированными алмазами. Структуры 170, дублирующие резцы, могут чуть сильнее выступать, одинаково выступать или выступать меньше по сравнению с их соответствующими основными резцами. Структуры 170, дублирующие резцы, могут также располагаться на одинаковом радиальном расстоянии, или на немного большем расстоянии, или на немного меньшем расстоянии от осевой линии долота, чем соответствующие им основные резцы 108.
В одном варианте осуществления верхние части 116 диаметра концевого инструмента обсадной колонны снабжены PDC-резцами или другой твердой или суперабразивной верхней буровой режущей структурой.
В предпочтительном варианте осуществления долото 100 обсадной колонны содержит PDC или другую режущую структуру с суперабразивными режущими элементами выполненную таким образом, чтобы быть сбалансированным по силе. Смотрите, например, патенты США 4815342, и 5042596, описания которых включены посредством ссылки. Предполагается, что такая балансировка предпочтительно находится в пределах менее 7%, или менее 5%, или менее 2%.
Балансировка по силе может быть выполнена относительно долота при нескольких (или в диапазоне) условиях резания.
В варианте осуществления, где концевой инструмент обсадной колонны представляет собой расширительное долото, предназначенное для использования в уже существующей буровой скважине, балансировка по силе осуществляется посредством выполнения пошагового уменьшения диаметров. Например, смоделированный спуск расширительного долота выполняется, принимая во внимание уменьшение на 0,125" первоначального диаметра скважины, при этом инструмент сбалансирован по силе таким образом, чтобы обеспечить выполнение резания при заданном уменьшении диаметра. Затем дальнейшие моделированные спуски инструмента выполняются, принимая во внимание большие уменьшения первоначального размера скважины с балансировкой по силе, осуществляемой на каждой стадии. В результате конструкция расширительного долота является сбалансированной по силе в диапазоне предусмотренных диаметров скважины таким образом, что при применении настоящего расширительного долота оно будет сбалансированным по силе для настоящего уменьшения диаметра, которое присутствует в буровой скважине. Смотрите, например, заявку на патент США №2010/0051349, описание которой включено посредством ссылки.
Обратимся теперь к фиг.6А, на которой представлен вид сверху концевого инструмента обсадной колонны согласно фиг.1, подобно показанному на фиг.4. Вид, показанный на фиг.6А, подобный виду, показанному на фиг.4, показывает чашеобразную или чашеобразную в направлении внутренней вогнутой поверхности 102 конфигурацию. На долоте с лопастями размещение групп 180 внутренних выпуклостей/плоских участков 140 исходит, в основном, от центра.
Данные группы плоских участков чередуются с внутренними каналами 182, сформированными во внутренней вогнутой поверхности 102 долота. При такой конфигурации группа 180 внутренних выпуклостей/плоских участков, как правило, соответствует внешнему лицевому каналу для жидкости (отверстие в долоте, предназначенное для выноса бурового шлама). Каждый из содержащихся внутренних каналов 182, как правило, соответствует внешней лицевой лопасти 106. Даже в этом случае предпочтительным вариантом осуществления является неосесимметричность вертикального и радиального расположений внутренних плоских участков. При пробуривании плоские участки сначала бурятся осесимметричной поверхностью фрезерного/бурового долота, таким образом увеличивая вероятность разлома и фрагментации соответствующих приподнятых лицевых деталей на носовой или передней части концевого инструмента обсадной колонны. На фиг.6В представлен частичный вид в разрезе согласно фиг.6А.
В любом из вариантов осуществления с лопастями разрезы 190 могут быть вырезаны или отлиты в лопастях 106 между некоторыми из карманов резцов 106, как показано на фиг.5, для увеличения уровня фрагментации долота обсадной колонны при пробуривании. Смотрите также фиг.3 и проиллюстрированные каналы 150 как воплощение разрезов 190.
В любом из описанных выше вариантов осуществления одно или более отверстий 200 могут быть пробурены или отлиты в передней части долота обсадной колонны (как показано на фиг.5). Важно, чтобы эти отверстия являлись глухими и не проходили в полость инструмента. Предназначением данных глухих отверстий 200 является создание прерывистых вырезов и мест излома в передней части концевого инструмента с целью ускорения разлома и фрагментации передней поверхности концевого инструмента при пробуривании. Альтернативно, глухие отверстия могут быть выполнены на внутренней вогнутой поверхности.
Обратимся теперь к фиг.7, на которой показано расширительное долото 300 обсадной колонны. Варианты осуществления концевых инструментов обсадной колонны в соответствии с описаниями, приведенными здесь, могут содержать расширительное долото. Расширительное долото 300 может иметь или может не иметь резцы 302, размещенные по всей носовой 304 или передней 306 части инструмента. Варианты осуществления концевых инструментов обсадных колонн, которые используются в качестве расширительных долот, могут иметь эксцентричные носовые части 308 или симметричные носовые части. В случае если она концентрична, носовая 304 или передняя 306 часть может содержать вогнутую "коническую" часть 310 (см. фиг.1). Альтернативные варианты осуществления концевых инструментов обсадных колонн, предназначенные для использования в качестве расширительных долот, могут использовать выпуклые суперабразивные режущие элементы или выпуклые элементы из карбида вольфрама вместо плоских режущих элементов. Выпуклые элементы создают меньший крутящий момент и менее склонны к вгрызанию в буровую скважину.
Обратимся теперь к фиг.8, которая показывает вид поперечного сечения долота 100 обсадной колонны (как показано, например, на фиг.1) дополнительно содержащего внутреннее кольцо 330. Внутреннее кольцо 330 может быть выполнено из алюминия, фенольного полимера или подобного материала. Внутреннее кольцо 330 имеет центральное отверстие 332, совмещенное с осью долота и наклонными сторонами 334 и функционирует для стабилизации пробуривающего долота (например, фрезерного долота) при пробуривании концевого инструмента обсадной колонны.
Обратимся теперь к фиг.9, на которой показано изображение поперечного сечения другого варианта осуществления долота 100 обсадной колонны. Фиг.10 показывает вид сверху поверхности долота, показанного на фиг.9. В данном варианте осуществления долото 100 обсадной колонны сформировано из части 400 цилиндрической боковой стенки и многосекционной носовой части 402. Часть 400 цилиндрической боковой стенки обработана 404 со стороны внутренней поверхности стенки на верхнем конце для соединения с обсадной колонной. Часть 400 цилиндрической боковой стенки также содержит резьбу 406 со стороны внутренней поверхности стенки на нижнем конце для соединения с многосекционной носовой частью 402. Многосекционная носовая часть 402 собрана из нескольких носовых сегментов 410. Узел из носовых сегментов 410 имеет внешний диаметр, который снабжен резьбой для сопряжения с резьбой 406 на нижнем конце части цилиндрической боковой стенки. Узел 402 носовой части, как одно целое, вкручивается в часть 400 цилиндрической боковой стенки в первом направлении, которое противоположно направлению вращения долота 100 обсадной колонны при контактировании с породой. Таким образом, вращение долота 100 обсадной колонны при бурении породы усилит резьбовое соединение узла 402 носовой части с частью 400 цилиндрической боковой стенки.
Пунктирные линии 430 на фиг.9 и 10 показывают места на поперечном сечении и на виде сверху, в которых один носовой сегмент 410 узла 402 носовой части заканчивается, а другой носовой сегмент 410 начинается. Вкручивание узла 402 носовой части выполняет функцию зажима для скрепления вместе отдельных насадок 410 узла носовой части. Зажим производится в радиальном вовнутрь направлении. Установка различных носовых сегментов 410 носовой части должна быть точной. В предпочтительном варианте осуществления проволочная электроэрозионная обработка (EDM) применяется для определения кромок (линии 430) каждого сегмента 410 в отношении других сегментов. Однако следует понимать, что альтернативно могут применяться любые другие способы точной обработки (например, лазерная резка) для формирования сегментов 410 узла 402 носовой части.
Узел 402 носовой части может быть порезан на части из одного основного материала корпуса. Затем эти сегменты 410 могут прочно скрепляться вместе и обрабатываться для образования лопастей, карманов и внутренней поверхности долота обсадной колонны (как описано в данном описании). Затем внешний диаметр нарезается таким образом, что центральная часть может поворачиваться в первом направлении (например, по часовой стрелке) в соответствующей резьбе 406 на внутренней поверхности части 400 цилиндрической боковой стенки. Вращение в первом направлении при сборке предпочтительно останавливается внутренним бортом 450. При бурении с погружным пневмоударником силы, действующие на поверхности резца, усиливают первое направление вращения и удерживают узел 402 носовой части зафиксированным в инструменте.
Преимущество обеспечения многосекционного (носовые сегменты 410) узла 402 носовой части реализуется тогда, когда долото 100 обсадной колонны должно затем пробуриваться. Когда это происходит, фрезерное/буровое долото, которое спускается в буровую скважину и вращается, не только начинает стачивать внутреннюю поверхность 102 узла носовой части долота обсадной колонны, зацепление резцов фрезерного/бурового долота с внутренней поверхностью прикладывает крутящий момент к узлу 402 носовой части во втором направлении (например, против часовой стрелки), противоположном направлению, используемому для укрепления резьбового соединения. Таким образом, узел 402 носовой части выкручивается из части 400 цилиндрической боковой стенки. Без зацепления посредством резьбового зажима узел 402 носовой части разделится на множество сегментов 410 и затем будет легче ломаться и вымываться из буровой скважины для завершения пробуривания долота 100 обсадной колонны.
Обратимся теперь к фиг.11, на которой показан вид сбоку резца 500. Резец 500 согласно фиг.11 может использоваться в любом одном или нескольких местоположениях резца на концевых инструментах обсадной колонны, таких как долота 100 обсадной колонны или расширительные долота, показанные в данном описании. Резец 500 снабжен защитным колпачком 502, выполненным из материала, который лучше подходит для фрезерования (такого как карбид вольфрама или CBN). В этом случае концевой инструмент обсадной колонны обладает улучшенной способностью осуществления пробуривания через оборудование для цементирования скважин или ранее использовавшийся и затампонированный цементом концевой инструмент или и через то и через другое.
На фиг.11 PDC-резец 500 содержит слой 504 алмазной пластины (или алмазную верхнюю часть) и нижележащую подложку 506, которая может быть выполнена из материала, содержащего карбид вольфрама. Нижележащая подложка 506 альтернативно может иметь форму, показанную на фиг.2А и 2В. При необходимости слой 504 алмазной пластины может быть невыщелоченным, неглубоко выщелоченным, глубоко выщелоченным или полностью выщелоченным с другой подложкой.
Следует понимать, что колпачок 502 в первом варианте осуществления может устанавливаться на PDC-резец 500 после того, как PDC-резец был закреплен в кармане резца корпуса долота. Альтернативно, во втором варианте осуществления колпачок 502 может устанавливаться на PDC-резец 500 перед закреплением комбинированного узла "резец-колпачок" в кармане резца корпуса долота. Таким образом, первый вариант осуществления показывает, например, модернизацию изготовленного PDC-долота обсадной колонны таким образом, чтобы он включал колпачки на содержащихся желаемых резцах 500. И наоборот, второй вариант осуществления показывает, например, изготовление нового PDC-долота обсадной колонны таким образом, чтобы он включал PDC-резец с колпачком в выбранных местоположениях.
Фиг.11, в частности, показывает применения колпачка 502 из карбида вольфрама (т.е. колпачка, выполненного из материала, содержащего карбид вольфрама). Материал для колпачка 502 может содержать высокопрочный материал, содержащий карбид вольфрама с низкой устойчивостью к абразивному воздействию, например содержащий карбид вольфрама с содержанием кобальта в диапазоне 14-18%. Колпачок 502 может иметь любую желаемую форму, причем несколько различных форм и конфигураций рассмотрены в данном описании. Альтернативно, как будет описано более подробно в данном описании, колпачок 502 может альтернативно быть выполнен из металла (или металлического сплава). Кроме того, данный колпачок 502 из металла/металлического сплава может содержать наконечник из карбида вольфрама или CBN. Альтернативно, колпачок 502 может быть выполнен из другого подходящего подобранного материала (неограничивающие примеры материалов для колпачка включают: сталь, алюминий, титан, никель и молибден).
Колпачок 502 удерживается на месте на PDC-резце посредством склеивания колпачка и подложки 506 PDC-резца 500. В частности, часть колпачка приклеивается к части или к большей части подложки 506 установленного PDC-резца, который выступает наружу корпуса долота обсадной колонны (т.е. наружу из кармана резца). Колпачок 502 в одном варианте осуществления прикреплен к PDC-резцу посредством припаивания 508 к подложке 506 (например, из карбида вольфрама). Толщина припоя 508, показанного на фиг.11 изображена большей, чем она есть на самом деле, для того, чтобы ясно показать ее наличие и местоположение.
Предпочтительно колпачок 502 не припаян (т.е. не прикреплен) к слою 504 алмазной пластины PDC-резца 500. Скорее первая часть 510 колпачка над передней частью слоя 504 алмазной пластины PDC-резца 500 просто опирается на данную поверхность, тогда как вторая часть 512 колпачка над подложкой 506 прикрепляется к подложке посредством приклеивания. В данном случае нельзя не отметить тот факт, что PDC-алмаз не смачивается стандартным припоем. Важно, чтобы передняя часть алмазной пластины 504 PDC-резца 500 была защищена колпачком 502 без непосредственного приклеивания колпачка к передней части. Вторая часть 512 колпачка 502 прилегающая к подложке 506 PDC-резца, который припаян и прикреплен к материалу подложки, может также крепиться посредством припаивания к корпусу долота в области сзади кармана резца. Первая часть 510 колпачка 502 может также крепиться посредством припаивания к карману резца (в частности, к основанию кармана резца ниже поверхности PDC-резца). В некоторых вариантах осуществления более короткие подложки PDC-резцов применяются для увеличения площади сцепления колпачка на основании кармана резца. В некоторых вариантах осуществления более короткие подложки PDC-резцов применяются для увеличения площади сцепления колпачка с основанием кармана резца.
Некоторое количество припоя 508 предпочтительно может присутствовать между колпачком 502 и передней частью слоя 504 алмазной пластины PDC-резца, однако данный припой не служит для прикрепления колпачка к слою алмазной пластины. В предпочтительном варианте осуществления припой, используемый для припаивания колпачка к подложке резца, пристает к внутренним поверхностям колпачка, которые прилегают к поверхности алмазной пластины и окружности PDC алмазного слоя. Припой обеспечивает тонкий слой подкладки для ограничения передачи ударных нагрузок алмазному слою, в то время как колпачки используются для фрезерования обсадной колонны или оборудования, связанного с обсадной колонной. Предпочтительна конфигурация, в которой колпачок не приклеивается к передней части алмазной пластины, поскольку это позволяет колпачку отделяться от резца, когда он больше не нужен (например, по завершении операции фрезеровки).
В альтернативном варианте осуществления колпачок может быть предварительно закреплен на PDC-резце с использованием тугоплавкого припоя в LS-установке для пайки, как известно из уровня техники. PDC-резец с предварительно установленным колпачком затем может быть впаян в карман резца бурового долота с использованием известных способов пайки и температур для впаивания резцов в долота.
Концевой инструмент обсадной колонны согласно настоящему изобретению выполнен таким образом, чтобы удовлетворять требованиям буримости наряду с необходимыми бурильными характеристиками, необходимыми для эффективного и экономного бурения с обсадной колонной. Для этого данное изобретение включает новую технологию и технологию, заимствованную от других буровых инструментов, но модифицированную и улучшенную для соответствия задачам, связанным с уникальной геометрией, допусками и требованиями к закреплению бурового инструмента на обсадной колонне. Концевой инструмент обсадной колонны согласно настоящему изобретению содержит детали, предназначенные для улучшения показателей бурения обсадной колонны, улучшения разбуривания, улучшения буримости, уменьшения разрушения корпуса и улучшения разламывания и вымывания выбуриваемой породы.
Варианты осуществления изобретения были описаны и показаны выше. Изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления.
1. Концевой инструмент обсадной колонны, содержащий: чашеобразный корпус, образованный стенкой с внешней выпуклой поверхностью и внутренней вогнутой поверхностью напротив внешней выпуклой поверхности, причем чашеобразный корпус имеет центральную ось, внутренняя вогнутая поверхность неосесимметрична относительно центральной оси, а внешняя выпуклая поверхность осесимметрична относительно центральной оси.
2. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что неосесимметричная внутренняя вогнутая поверхность образована множеством более толстых областей стенки.
3. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, причем более толстые области на внутренней вогнутой поверхности расположены напротив положений отверстий в долоте, предназначенных для выноса бурового шлама, сформированных между парами лопастей.
4. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество портов, проходящих через стенку, причем каждый порт содержит окружающую его более толстую область стенки на внутренней вогнутой поверхности.
5. Инструмент по п.4, отличающийся тем, что дополнительно содержит муфту порта для каждого порта, причем муфта порта проходит над окружающей более толстой областью.
6. Инструмент по п.2, отличающийся тем, что более толстые области содержат приподнятую выпуклую структуру или приподнятую уплощенную структуру.
7. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что неосесимметричная внутренняя вогнутая поверхность образована множеством канальных областей, сформированных в стенке.
8. Инструмент по п.7, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, причем канальные области внутренней вогнутой поверхности расположены напротив положений лопастей.
9. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, причем на каждой лопасти закреплено множество режущих элементов, а также содержится канал, сформированный между прилегающими режущими элементами.
10. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит внутреннее уплотнительное кольцо, образующее направляющую для долота.
11. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что стенка чашеобразного корпуса содержит цилиндрическую часть боковой стенки с нижним концом; и часть передней стенки, прикрепленную к цилиндрической части боковой стенки на нижнем конце.
12. Инструмент по п.11, отличающийся тем, что часть передней стенки прикреплена к цилиндрической части боковой стенки посредством резьбового соединения возле нижнего конца.
13. Инструмент по п.12, отличающийся тем, что передняя часть содержит множество деталей, соединенных вместе посредством сцепления с резьбовым соединением в первом направлении вращения, противоположном второму направлению вращения для режущего действия инструмента.
14. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что инструмент является долотом обсадной колонны или расширительным долотом обсадной колонны.
15. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, причем на каждой лопасти закреплено множество режущих элементов и каждый режущий элемент содержит алмазную пластинку, закрепленную на подложке из первого материала, причем подложка имеет длину, которая предусмотрена для режущего элемента длиной приблизительно менее 8 мм.
16. Инструмент по п.15, отличающийся тем, что дополнительно содержит дополнительную подложку из второго материала, отличающегося от первого материала, причем дополнительная подложка прикреплена к концу режущего элемента, противоположному алмазной лопасти.
17. Инструмент по п.15, отличающийся тем, что дополнительно содержит колпачок, прикрепленный к подложке из первого материала, причем колпачок, по меньшей мере, частично перекрывает алмазную пластинку, но не прикреплен к ней.
18. Инструмент по п.17, отличающийся тем, что колпачок выполнен из карбида вольфрама или снабжен наконечником из карбида вольфрама.
19. Инструмент по п.17, отличающийся тем, что колпачок выполнен из карбида вольфрама и снабжен наконечником из кубического нитрида бора.
20. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит режущую структуру, расположенную на передней части инструмента, который сбалансирован по силе на менее чем приблизительно 10%.
21. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит режущую структуру, расположенную на передней части инструмента, который сбалансирован по силе на менее чем приблизительно 5%.
22. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество глухих отверстий, выполненных во внутренней поверхности или во внешней поверхности.
23. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что чашеобразный корпус выполнен из одного или более материалов, выбранных из группы, включающей: аустенированное ковкое железо, цинковый сплав, алюминий, сталь, кристаллический вольфрам, сортированный карбид вольфрама и кристаллический вольфрам, медь или латунь.
24. Инструмент по п.23, отличающийся тем, что чашеобразный корпус из аустенированного ковкого железа или стали содержит азотированное аустенированное ковкое железо или азотированную сталь.
25. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что чашеобразный корпус выполнен из материала, твердость которого ступенчато изменяется от менее твердого ближе к внутренней вогнутой поверхности к более твердому ближе к внешней выпуклой поверхности.
26. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, проходящей к области диаметра инструмента, причем области диаметра лопастей имеют ширину, которая сужается в направлении, проходящем к задней части инструмента.
27. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит обратный клапан.
28. Инструмент по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит хрупкий обводной порт.
29. Концевой инструмент обсадной колонны, содержащий: чашеобразный корпус, содержащий внутреннюю полость и образованный стенкой с внешней выпуклой поверхностью и внутренней вогнутой поверхностью напротив внешней выпуклой поверхности, причем чашеобразный корпус имеет центральную ось, внутренняя вогнутая поверхность содержит множество неосесимметричных областей, образованных более толстыми частями стенки.
30. Инструмент по п.29, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, причем более толстые части на внутренней вогнутой поверхности расположены напротив положений отверстий в долоте, предназначенных для выноса бурового шлама, сформированных между парами лопастей.
31. Инструмент по п.30, отличающийся тем, что более толстые области содержат приподнятую выпуклую структуру или приподнятую уплощенную структуру.
32. Инструмент по п.29, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, причем на каждой лопасти закреплено множество режущих элементов, а также содержится канал, сформированный между прилегающими режущими элементами.
33. Инструмент по п.29, отличающийся тем, что стенка чашеобразного корпуса содержит цилиндрическую часть боковой стенки с нижним концом; и часть передней стенки, прикрепленную к цилиндрической части боковой стенки на нижнем конце.
34. Инструмент по п.33, отличающийся тем, что часть передней стенки прикреплена к цилиндрической части боковой стенки посредством резьбового соединения возле нижнего конца.
35. Инструмент по п.34, отличающийся тем, что передняя часть содержит множество деталей, соединенных вместе посредством сцепления с резьбовым соединением в первом направлении вращения, противоположном второму направлению вращения для режущего действия инструмента.
36. Инструмент по п.29, отличающийся тем, что чашеобразный корпус выполнен из материала, твердость которого ступенчато изменяется от менее твердого ближе к внутренней вогнутой поверхности к более твердому ближе к внешней выпуклой поверхности.
37. Инструмент по п.29, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, проходящей к области диаметра инструмента, причем области диаметра лопастей имеют ширину, которая сужается в направлении, проходящем к задней части инструмента.
38. Инструмент по п.29, отличающийся тем, что дополнительно содержит обратный клапан.
39. Инструмент по п.29, отличающийся тем, что дополнительно содержит хрупкий обводной порт.
40. Концевой инструмент обсадной колонны, содержащий: чашеобразный корпус, содержащий внутреннюю полость и образованный стенкой с внешней выпуклой поверхностью и внутренней вогнутой поверхностью напротив внешней выпуклой поверхности, причем чашеобразный корпус имеет центральную ось, внутренняя вогнутая поверхность содержит по меньшей мере одну канальную область, выполненную в стенке, где указанная по меньшей мере одна канальная область выполнена в виде несквозного прерывистого выреза или глухого отверстия для улучшенной фрагментации концевого инструмента обсадной колонны при его пробуривании.
41. Инструмент по п.40, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, причем канальные области на внутренней вогнутой поверхности расположены напротив положений лопастей.
42. Инструмент по п.40, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, причем на каждой лопасти закреплено множество режущих элементов, а также содержится канал, сформированный между прилегающими режущими элементами.
43. Инструмент по п.40, отличающийся тем, что стенка чашеобразного корпуса содержит цилиндрическую часть боковой стенки с нижним концом; и часть передней стенки, прикрепленную к цилиндрической части боковой стенки на нижнем конце.
44. Инструмент по п.43, отличающийся тем, что часть передней стенки прикреплена к цилиндрической части боковой стенки посредством резьбового соединения на нижнем конце.
45. Инструмент по п.44, отличающийся тем, что передняя часть содержит множество деталей, соединенных вместе посредством сцепления с резьбовым соединением в первом направлении вращения, противоположном второму направлению вращения для режущего действия инструмента.
46. Инструмент по п.40, отличающийся тем, что чашеобразный корпус выполнен из материала, твердость которого ступенчато изменяется от менее твердого ближе к внутренней вогнутой поверхности к более твердому ближе к внешней выпуклой поверхности.
47. Инструмент по п.40, отличающийся тем, что дополнительно содержит множество лопастей на внешней выпуклой поверхности стенки, проходящей к области диаметра инструмента, причем области диаметра лопастей имеют ширину, которая сужается в направлении, проходящем к задней части инструмента.
48. Инструмент по п.40, отличающийся тем, что дополнительно содержит обратный клапан.
49. Инструмент по п.40, отличающийся тем, что дополнительно содержит хрупкий обводной порт.
