Гибридное буровое долото

Группа изобретений относится к гибридным буровым долотам. Технический результат заключается в обеспечении стабилизации долота для улучшения характеристик бурения. Буровое долото включает корпус долота, приспособленный в своей верхней части для присоединения к бурильной колонне; по меньшей мере одну фиксированную лопасть, отходящую вниз от корпуса долота и имеющую радиально наиболее удаленную калибрующую поверхность; несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к фиксированной лопасти; по меньшей мере одну лапу долота, прикрепленную к корпусу долота; шарошку, установленную на лапе долота с возможностью вращения и по меньшей мере одну стабилизирующую накладку, расположенную между по меньшей мере одной лапой долота и по меньшей мере одной фиксированной лопастью и выступающую радиально наружу по существу до калибрующей поверхности. 6 н. и 25 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники

В общем, настоящее изобретение относится к области долот для бурения подземных пород, в частности к долоту, в котором объединены шарошки и запрессованные резцы и режущие элементы, и способу бурения с использованием такого долота.

Уровень техники

Достижения роторного бурения позволили обнаружить нефтяные и газовые пласты глубокого залегания и обеспечили добычу огромных количеств нефти. Долото для роторного бурения стало важным изобретением, сделавшим возможным достижения роторного бурения. Первые лопастные долота и долота ударно-канатного бурения могли использоваться для промышленного бурения только мягких грунтовых пород, но уже двухшарошечное дробящее долото, изобретенное Говардом Р.Хьюзом (US 930759), бурило покрывающую породу с относительной легкостью. По скорости и глубине бурения это почтенное изобретение, относящееся к первой декаде прошлого столетия, многократно уступает современным долотам для роторного бурения. Первое долото Хьюза могло бурить несколько часов, в то время как современные буровые долота бурят по несколько дней. В некоторых случаях современным буровым долотом пробуривают тысячи футов, вместо нескольких футов. Столь внушительные улучшения характеристик долот для роторного бурения стали возможны благодаря многим усовершенствованиям.

В бурении скважин в земных породах с использованием долот с коническими шарошками, или с шарошками, применяются дробящие долота с закрепленными на них одним, двумя или тремя вращающимися шарошками. Долото прикрепляется к нижнему концу бурильной колонны, которую вращают с поверхности либо скважинным двигателем, либо турбиной. Резцы, установленные на долоте, при вращении бурильной колонны вращаются и скользят по дну буровой скважины, захватывая и разрушая материал удаляемой породы. На шарошках имеются режущие элементы или зубья, которые под весом бурильной колонны проникают в дно буровой скважины и продалбливают его. Обломки породы со дна и боковых стенок скважины смываются буровым раствором, нагнетаемым вниз с поверхности сквозь полую вращающуюся бурильную колонну и промывочные насадки в отверстиях в буровом долоте, и уносятся в виде взвеси в буровом растворе вверх на поверхность.

Шарошечные буровые долота преобладали в бурении нефтяных скважин большую часть XX столетия. Благодаря прогрессу в технологии синтетических или искусственных алмазов в 70-80-х годах, в конце XX столетия снова стало популярным долото с фиксированными резцами, или "лопастное" долото. Современные долота с фиксированными резцами, часто называемые "алмазными" или ПКА (вставка из поликристаллического алмаза - от англ. polycrystalline diamond compact, PDC) долотами, очень далеко ушли от первых долот с фиксированными резцами XIX и начала XX столетий. В алмазных, или ПКА, долотах используются режущие элементы, включающие слои или "пластинки" вставок из поликристаллического алмаза, сформированные и закрепленные на несущей подложке, обычно выполненной из твердого сплава на основе карбида вольфрама, при этом режущие элементы устанавливаются в определенных местах на лопастях или иных структурах на корпусе долота, а алмазные пластинки обращены в основном в направлении вращения долота. Преимущество алмазных долот по сравнению с шарошечными долотами состоит в том, что у них нет движущихся частей. Алмазные долота отличаются по механике и динамике бурения от шарошечных именно благодаря тому, что у них отсутствуют движущиеся части. При проведении буровых работ алмазные долота используются так же, как и шарошечные долота, они так же вращаются, удаляя материал породы, прижимаемые к выбуриваемой породе приложенным к долоту весом (ОННД - осевая нагрузка на долото). Алмазные режущие элементы находятся в зацеплении с дном и краями скважины, срезая или соскребая материал породы, в то время как шарошечные долота дробят породу. Шарошечные и алмазные долота каждые имеют свою область применения, для которой они подходят лучше другого; никакое из этих долот в обозримом будущем, вероятно, не сможет полностью заменить другое.

Известно, что в некоторых буровых долотах используется комбинация одной или более шарошек с одним или более фиксированными резцами. Некоторые из этих комбинированных буровых долот называют гибридными долотами. В известных конструкциях гибридных долот, например описанных в US 4343371 (Baker, III), разрушение породы выполняется в основном шарошками, особенно в центре скважины или долота. Комбинированные долота другого типа, известные под названием "керновых долот", например, раскрыты в US 4006788 (Garner), Керновые буровые долота обычно включают усеченные шарошки, не доходящие до центра долота, и предназначены для извлечения образца керна породы посредством бурения вниз, но вокруг сплошного цилиндра породы, который должен извлекаться из скважины в основном неповрежденным.

В гибридном долоте другого типа, раскрытом в US 5695019 (Shamburger, Jr,), шарошки проходят почти до центра. Вставки 50 фиксированных резцов (фиг.2 и 3) расположены в области 2 свода или "промежности" долота для завершения удаления выбуренной породы. Гибридное долото еще одного типа, иногда называемое "расширителем ствола скважины", описано в US 6527066.

Расширитель ствола скважины имеет неподвижную выступающую резьбовую часть, выходящую по оси за пределы шарошек, для прикрепления к ней направляющего долота, которое может представлять собой шарошечное долото или долото с фиксированными резцами. В этих двух последних случаях центр прорезается фиксированными режущими элементами, но фиксированные режущие элементы не образуют сплошного режущего профиля без разрывов от центра до края долота.

При использовании долот любого типа существует проблема устойчивости вращения. Долота с фиксированными резцами и шарошками отличаются по динамическим особенностям работы при проведении бурильных работ, и поэтому устойчивость или неустойчивость вращения обусловлены различными характеристиками этих долот. При устойчивой работе долото вращается в целом вокруг своего геометрического центра, соответствующего центральной оси буровой скважины, при этом исключены поперечные и иные динамические нагрузки долота и его режущих элементов. Для увеличения площади соприкосновения между корпусом долота и боковой стенкой буровой скважины с целью повышения устойчивости вращения могут использоваться стабилизирующие накладки. Такие стабилизирующие накладки могут быть эффективны в случае долот с фиксированными резцами, но в случае шарошечных резцов могут скорее усилить неустойчивость вращения, так как точка контакта между накладкой и боковой стенкой скважины становится мгновенным центром вращения долота, вызывая эксцентричное вращение долота. В находящихся в совместном владении US 4953641 (Pessier et al.) и US 5996731 (Pessier et al.) раскрыта конструкция стабилизирующей накладки для шарошечных долот, позволяющая устранить недостатки стабилизирующих накладок. Ни в одном из известных раскрытий "гибридных" долот не рассматриваются вопросы устойчивого вращения.

Хотя каждое из этих долот может быть использовано в определенных ограниченных случаях, существует потребность в усовершенствованном гибридном долоте для бурения земных пород с улучшенной стабилизацией для улучшения характеристик бурения.

Раскрытие изобретения

Варианты осуществления настоящего изобретения включают усовершенствованное буровое долото гибридного типа. Один вариант осуществления включает корпус долота, конструкция верхней части которого обеспечивает его подсоединение к бурильной колонне. По меньшей мере одна фиксированная лопасть проходит вниз от корпуса долота и имеет наиболее радиально удаленную калибрующую поверхность. К фиксированной лопасти прикреплены несколько фиксированных режущих элементов, расположенных, в предпочтительном варианте, в ряд по ее ведущей по направлению вращения кромке, а радиально наиболее удаленные режущие элементы на радиально наиболее удаленной поверхности определяют диаметр долота и буровой скважины. К корпусу долота прикреплена по меньшей мере одна лапа долота, на которой установлена шарошка с возможностью вращения. Между лапой долота и фиксированной лопастью расположена по меньшей мере одна стабилизирующая накладка, выступающая наружу в радиальном направлении по существу до калибрующей поверхности.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения стабилизирующая накладка формируется вместе с фиксированной лопастью и проходит к лапе долота в направлении вращения долота.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения часть лапы долота проходит по радиусу наружу по существу до калибрующей поверхности и стабилизирующей накладки, при этом калибрующая поверхность каждой фиксированной лопасти и часть лапы долота, выступающая до калибрующей поверхности, совместно описывают сектор окружности буровой скважины, равный или превышающий 180 градусов.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения все стабилизирующие накладки имеют равные площади.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения долото может включать несколько фиксированных лопастей и лап долота и соответствующих шарошек.

В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения радиально наиболее удаленные поверхности лап долота и фиксированных лопастей объединены или интегрально сформированы (как единое целое), определяя стабилизирующую накладку.

Другие признаки и преимущества вариантов осуществления бурового долота в соответствии с настоящим изобретением будут очевидны при ознакомлении с чертежами и подробным описанием изобретения.

Краткое описание чертежей

С тем чтобы стало более понятно, каким образом реализуются признаки и достигаются преимущества настоящего изобретения, и для ознакомления с его деталями, далее приводится описание конкретных вариантов осуществления изобретения, сущность которого была изложена выше, со ссылкой на варианты его осуществления, проиллюстрированные приложенными чертежами, которые составляют часть настоящего описания. Следует, однако, заметить, что чертежи иллюстрируют только некоторые варианты осуществления изобретения и поэтому не могут считаться ограничивающими область его притязаний, поскольку изобретение может быть применимо к другим в равной мере имеющим силу вариантам осуществления:

на фиг.1 представлен вид сбоку варианта осуществления гибридного бурового долота, конструкция которого соответствует настоящему изобретению;

на фиг.2 представлен вид снизу варианта осуществления гибридного бурового долота, показанного на фиг.1, конструкция которого соответствует настоящему изобретению;

на фиг.3 представлен вид сбоку варианта осуществления гибридного бурового долота, конструкция которого соответствует настоящему изобретению;

на фиг.4 представлен вид снизу варианта осуществления гибридного бурового долота, показанного на фиг.3, конструкция которого соответствует настоящему изобретению;

на фиг.5 представлен вид сбоку варианта осуществления гибридного бурового долота, конструкция которого соответствует настоящему изобретению;

на фиг.6 представлен вид снизу варианта осуществления гибридного бурового долота, показанного на фиг.5, конструкция которого соответствует настоящему изобретению;

на фиг.7 представлен вид сбоку другого варианта осуществления гибридного бурового долота, конструкция которого соответствует настоящему изобретению; и

на фиг.8 представлен вид снизу варианта осуществления гибридного бурового долота, показанного на фиг.7, конструкция которого соответствует настоящему изобретению.

Подробное описание осуществления изобретения

Ниже приводится раскрытие бурового долота 11 в соответствии с частным вариантом осуществления настоящего изобретения со ссылками на фиг.1-8, в частности на фиг.1 и 2. Долото 11 включает корпус 13 долота, имеющий центральную продольную ось 15, определяющую центральную ось корпуса 13 долота. В показанном варианте осуществления корпус 13 долота выполнен из стали, но также может быть выполнен и из матричного материала со стальной арматурой, либо спеченного карбидного материала. Корпус 13 долота включает на своем верхнем или заднем конце хвостовик с резьбой или иначе приспособленный для прикрепления к полой бурильной колонне (не показана), которая вращает долото 11 и подводит под давлением буровой раствор к долоту и пробуриваемой породе.

По меньшей мере одна (показаны две) лапа 17 долота проходит вниз от корпуса 13 долота в осевом направлении. Корпус 13 долота также включает несколько (показаны также две) фиксированных лопастей 19, проходящих вниз в осевом направлении. Число лап 17 долота и фиксированных лопастей 19 составляет по меньшей мере одну, но может быть и больше двух. В показанном варианте осуществления как лапы 17 долота (и соответствующие шарошки) расположены не точно друг против друга (разнесены примерно на 191 градус, при измерении в направлении вращения долота 11), так и фиксированные лопасти 19 (разнесены примерно на 169 градусов, при измерении в направлении вращения долота 11). Могут быть пригодны и другие интервалы между лапами 17 и лопастями 19 и их расстановки.

Шарошка 21 установлена на герметизированном подшипнике скольжения, являющемся частью каждой лапы 17 долота. В соответствии с показанным вариантом осуществления, ось вращения каждой шарошки 21 пересекает центральную ось 15 долота. Помимо герметизированного подшипника скольжения, могут также использоваться негерметизированные подшипники скольжения, либо герметизированные или негерметизированные роликовые подшипники. Радиально наиболее удаленная поверхность каждой шарошки 21 (в обычных шарошечных долотах называемая поверхностью калибрующей шарошки) слегка заглублена в радиальном направлении относительно наиболее удаленной от центра калибрующей поверхности корпуса 13 долота, но наиболее радиально удаленные поверхности лап долота могут достигать полного калибрующего диаметра (обычно в пределах 0,050-0,250 дюйма от полного калибрующего диаметра) с тем, чтобы лапы долота могли касаться боковой стенки ствола скважины в процессе бурения, обеспечивая стабилизацию долота при бурении. Радиально наиболее удаленная поверхность каждой лапы 17 долота также может быть утоплена относительно полного калибрующего диаметра, но при этом эффект стабилизации ослаблен или отсутствует. В представленном варианте осуществления шарошки 21 не имеют наклона, или угла, и смещения, поэтому ось вращения каждой шарошки 21 пересекает центральную ось 15 корпуса 13 долота. В альтернативном варианте шарошки 21 могут иметь угол наклона и (или) смещение, чтобы вызвать скольжение шарошечных резцов 21, когда они прокатываются по дну буровой скважины.

По меньшей мере один (показано несколько) режущие элементы 25 шарошки расположены на шарошках 21 в основном кольцевыми рядами. Режущие элементы 25 шарошки не обязательно должны быть расположены рядами, а могут быть "хаотично" расположены на каждой шарошке 21. Более того, режущие элементы шарошки могут иметь форму одного или более дисков или расположенных по кольцу резцов для вырезания пропилов, которые также попадают под определение режущих элементов шарошки.

На чертеже показаны вставки 25 из карбида вольфрама, закрепленные на прессовой посадке в отверстиях в шарошке 21, однако в некоторых применениях могут быть использованы и фрезерованные резцы, или резцы со стальными зубьями, у которых режущие элементы (25) с твердосплавным покрытием сформированы интегрально и выступают из шарошки, а используемый здесь термин "режущие элементы шарошки" охватывает и такие зубья. Вставки или режущие элементы могут иметь остроконечную форму, как показано на чертежах, коническую, круглую или яйцевидную либо иную форму или комбинацию форм в зависимости от применения. Режущие элементы 25 шарошки могут быть также выполнены из суперабразивных или сверхтвердых материалов, например поликристаллического алмаза, кубического нитрида бора и др., или покрыты такими материалами.

Кроме того, несколько запрессованных режущих элементов 31 фиксированных лопастей расположены в ряд и прикреплены к каждой из фиксированных лопастей 19 на их ведущих кромках (ведущая кромка определяется по направлению вращения долота 11). Каждый из режущих элементов 31 фиксированной лопасти включает слой поликристаллического алмаза или пластинку на ведущей, по направлению вращения, торцевой поверхности несущей подложки из карбида вольфрама, при этом алмазный слой или пластинка образуют режущую поверхность, на периферии которой имеется режущая кромка, захватывающая породу. Наиболее радиально удаленные режущие элементы 31 на радиально наиболее удаленной поверхности каждой из фиксированных лопастей 19 определяют диаметр долота и ствола скважины (показаны штрихпунктирной линией на фиг.2, 4 и 6), пробуриваемого долотом 11. На каждой лопасти также могут быть установлены и дублирующие резцы 33.

Помимо режущих элементов 31 фиксированных лопастей (и дублирующих резцов 33), включающих пластинки из поликристаллического алмаза, установленные на подложках из карбида вольфрама, этим термином здесь обозначают и таблетки или пластинки из термостабильного поликристаллического алмаза (TSP - от англ. thermally stable polycrystalline diamond), установленные на подложках из карбида вольфрама, и другие, аналогичные сверхабразивные или сверхтвердые материалы, например кубический нитрид бора или углерод со структурой алмаза. Режущие элементы 31 фиксированных лопастей могут быть запаяны тугоплавким припоем или прикреплены другим способом в углублениях или гнездах в каждой лопасти 19 так, что их наружные или режущие кромки на режущих поверхностях обращены к породе.

Верхняя радиально наиболее удаленная (калибрующая) поверхность каждой фиксированной лопасти 19 достигает полного калибрующего диаметра (обычно в пределах 0,050-0,250 дюйма от полного калибрующего диаметра) и служит стабилизатором. На этой поверхности могут быть помещены несколько вставок 41 с плоским верхом, у которых могут быть, а могут и не быть, сделаны относительно острые режущие кромки. Вставки 41 без острых режущих кромок служат для предотвращения износа верхней части каждой фиксированной лопасти. При наличии острых режущих кромок, как показано в находящихся в совместном владении US 5287936, 5346026, 5467836, 5655612 и 6050354, вставки 41 помогают расширению ствола скважины и выдерживанию его диаметра. Вставки 41 могут быть сформированы из карбида вольфрама или иного твердого металла отдельно или в комбинации с поликристаллическим, или синтетическим, или природным алмазом или другим сверхабразивным материалом. Использование сверхабразивных материалов является предпочтительным, но не обязательным, если вставки 41 имеют острые режущие кромки для активного резания боковой стенки ствола скважины. Вставки могут быть закреплены на фиксированных лопастях 19 тугоплавким припоем, либо на прессовой посадке, либо иным обычным способом (и также могут устанавливаться на радиально наиболее удаленных поверхностях лап 17 долота).

В соответствии с представленным вариантом осуществления по меньшей мере часть по меньшей мере одного из фиксированных режущих элементов 31 расположена вблизи центральной оси 15 корпуса 13 долота и благодаря такому расположению может удалять материал породы по центральной оси пробуриваемого ствола скважины с некоторыми минимальными отклонениями из-за поперечных движений долота в процессе бурения. В показанном долоте 7-7/8 дюйма, по меньшей мере у одного из фиксированных режущих элементов 31 самая внутренняя кромка касается или проходит в непосредственной близости к центральной оси 15 долота 11. Хотя такая способность резать по оси является предпочтительной, настоящее изобретение в равной степени применимо к гибридным долотам, не обладающим таким свойством.

Стабилизирующая накладка 51, 151 расположена на корпусе 13 долота между каждой лапой 17 долота и фиксированной лопастью 19, в предпочтительном варианте, опережая или находясь впереди по направлению вращения относительно каждой фиксированной лопасти 19 или посередине между лопастью 19 и лапой 17 долота. Каждая стабилизирующая накладка выступает радиально наружу до полного калибрующего диаметра (обычно в пределах 0,050-0,250 дюйма) долота 11, обеспечивая тем самым сохранение контакта со стенкой ствола скважины каждой накладки 51, 151 в процессе буровых работ, для стабилизации долота. Как показано на фиг.1 и 2, стабилизирующие накладки представляют собой дискретные компоненты, отделенные от фиксированной лопасти 19 и лапы 17 долота. В альтернативном варианте, как показано на фиг.3 и 4, стабилизирующие накладки 151 составляют интегральную часть каждой фиксированной лопасти 19 и выступают от нее в направлении вращения. Термином "интегральный" предполагается охватить любой процесс изготовления, в результате которого получается конструкция, показанная на фиг.3 и 4. Накладки также могут представлять собой несколько дискретных накладок между лапами 17 долота и лопастями 19.

Каждая накладка 51, 151 имеет поверхность соприкосновения с боковой стенкой ствола скважины, сформированную так, как это описано в находящемся в совместном владении US 5996713 (Pessier et al.). Кроме того, площади (обращенные к боковой стенке пробуриваемого ствола скважины) всех накладок 51, 151 должны быть равными с тем, чтобы ни одна из одиночных накладок не имела площади контакта больше любой другой и поэтому не смогла стать мгновенным центром вращения долота 11.

На фиг.5 и 6 показан другой вариант осуществления изобретения, в целом аналогичный вариантам, показанным на фиг.1-4 (аналогичные конструкции обозначены сходно, например, лапы 17, 217; лопасти 19, 219 и т.д.), за исключением того, что калибрующая, или радиально наиболее удаленная, поверхность каждой фиксированной лопасти 219 сделана шире, чем обычно, и вместо того, чтобы проходить вдоль оси вниз и параллельно продольной оси 215, проходит по спирали или линейно под углом к (не параллельно к) продольной оси 215, т.е. под углом, не равным нулю. Как ведущая, так и задняя кромки 219А и 219 В, соответственно, калибрующей поверхности каждой лопасти 219 проходят вниз под заданным углом (примерно 20 градусов, как показано на фиг.5). В альтернативном варианте одна из ведущих или задних кромок 219А, 219В могут проходить под углом или не параллельно относительно продольной оси, в то время как другая из них проходит параллельно.

Как показано на фиг.6, каждая лопасть при этом работает как стабилизирующая накладка, описывающая значительно больший сектор или угловую часть (обозначены как В" и D"), чем "прямая" лопасть, проходящая вниз параллельно продольной оси 215 долота 211. Подобная конфигурация особенно полезна при относительно небольшом числе лопастей 219, обеспечивая стабилизацию в области сзади, по направлению вращения, от каждой лопасти 219, что может предотвращать обратную прецессию. Кроме того, при спиральной или наклонной форме лопасти образуются стабилизирующие накладки большой формы, не блокирующие обратный поток бурового раствора, как это делает отдельная стабилизирующая накладка равной площади, и обеспечивает более свободное прохождение бурового раствора с осколками породы по канавкам для выноса бурового шлама в затрубное пространство. Тем не менее, как показано на фиг.6, в случае наклонных или спиральных лопастей 219 остается значительный "хордовый просвет" в области перед каждой лопастью 219. Хордовый просвет измеряется от хорды, проведенной между ведущей кромкой лопасти 219 и задней кромкой лапы 217 долота (представляет собой хорду круга с диаметром, равным диаметру ствола скважины). Максимальное расстояние между этой хордой и калибрующим диаметром, или диаметром ствола, измеренное перпендикулярно хорде, и является хордовым просветом. Желательно, чтобы величина хордового просвета была минимальной и одинаковой между каждой лапой 217 долота и лопастью 219. В случае варианта осуществления с наклонной или спиральной лопастью, чтобы не допустить чрезмерного хордового просвета, целесообразно использовать опережающую стабилизирующую накладку 251 (показана пунктиром на фиг.6) между каждой лопастью 219 и лапой 217 долота. В предпочтительном варианте осуществления такая стабилизирующая накладка отделена от лопасти 219, но также может быть и ее интегральной частью, как это было описано выше применительно к фиг.3 и 4.

На фиг.7 и 8 раскрыт другой частный пример осуществления, в котором стабилизация достигается слиянием радиально наиболее удаленных частей каждой лапы (317) долота с фиксированной лопастью, установленной впереди, по направлению вращения, лапы долота (аналогичные структуры имеют аналогичные обозначения, например, лапы 17, 317 долота; лопасти 19, 319 и т.д.). Как было описано выше, радиально наиболее удаленные поверхности лап 317 долота и фиксированных лопастей 319 конгруэнтны на окружности калибрующего диаметра долота и соединены по кругу или интегрально сформированы так, что между лопастью 319 и следующей за ней по направлению вращения лапой 317 долота не образуется канавки для выноса бурового шлама. Эта объединенная структура образует стабилизирующую накладку (не обозначена на чертеже). Хотя в описании используются термины "соединенный" или "объединенный", предполагается, что они охватывают любой процесс изготовления, в результате которого получается единая радиально наиболее удаленная поверхность для каждой лопасти 319 и следующей за ней лапой 317, вне зависимости от того, включает процесс фактическое соединение структур, или происходит интегральное их формирование в виде единого узла. В приведенном частном примере осуществления показаны две лапы 317 (и соответствующие шарошки 321, 323) и две лопасти 319, но используются и долота, имеющие больше лопастей и больше лап (и связанных с ними шарошек). Однако этот вариант осуществления не может быть также легко приспособлен к долотам, имеющим нечетное число лопастей и лап долота (и соответствующих шарошек), как варианты осуществления, показанные на фиг.1-6.

Каждая стабилизирующая накладка 51, 151, 251 (и части каждой лапы 17, 217, 317 долота и фиксированных лопастей 19, 219, 319, выступающие радиально до полного калибрующего диаметра долота 11) описывает сектор или угловую часть (А, В, С, D, Е и F на фиг.2; А', В', С' и D' на фиг.4; и А”, В”, С” и D” на фиг.6) окружности пробуриваемого ствола скважины (показан пунктиром на фиг.2 и 4). В предпочтительном варианте, размер (и число) накладок выбирается так, чтобы полный сектор или угловая часть калибрующей окружности долота была равна или превышала 180 градусов. Этот угол включает сектор или угловую часть, описываемую калибрующей, или радиально наиболее удаленной, частью фиксированных лопастей 19 и лапами 17 долота, если их калибрующая или радиально наиболее удаленная часть проходит до полного калибрующего диаметра, но не включает, если эти структуры не доходят до полного калибрующего диаметра, чтобы выполнять функцию стабилизирующих накладок.

В качестве примера, секторы или угловые части, описываемые различными стабилизирующими накладками 51, лапами 17 долота, имеющими полный калибрующий диаметр, и лопастями 19, имеющими полный калибрующий диаметр (фиг.2), составляют:

А=D=34°,

В=E=36°,

С=F=24°.

Секторы или угловые части, описываемые имеющими полный калибрующий диаметр лапами 17 долота и лопастями 19 с интегрированными стабилизирующими накладками (фиг.4), составляют:

А'=С'=34°,

B'=D'=66°.

Секторы или угловые части, описываемые имеющими полный калибрующий диаметр лапами 217 долота и лопастями 219 (фиг.6), составляют:

А”=С”=34°,

В”=D”=81°.

В случае варианта осуществления, показанного на фиг.7 и 8, где стабилизирующая накладка формируется соединенными или интегрально сформированными фиксированными лопастями 319 и лапами 317 долота, секторы или угловые части описываются как:

А'”=B'”=96°.

Изобретение обладает рядом преимуществ и предлагает гибридное буровое долото, отличающееся устойчивостью в процессе бурения при отсутствии эксцентричного вращения. У устойчиво вращающегося долота не происходит повреждения режущих элементов, что может вызвать преждевременный отказ долота.

В то время как изобретение было показано или описано только некоторыми своими формами, для специалиста будет понятно, что только этим оно не ограничено и допускает различные его изменения в пределах области притязаний изобретения, определяемой следующей далее формулой и ее законными эквивалентами.

1. Буровое долото, включающее:
корпус долота, приспособленный в своей верхней части для присоединения к бурильной колонне;
по меньшей мере одну фиксированную лопасть, отходящую вниз от корпуса долота и имеющую радиально наиболее удаленную калибрующую поверхность;
несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к фиксированной лопасти;
по меньшей мере одну лапу долота, прикрепленную к корпусу долота;
шарошку, установленную на лапе долота с возможностью вращения; и
по меньшей мере одну стабилизирующую накладку, расположенную между по меньшей мере одной лапой долота и по меньшей мере одной фиксированной лопастью и выступающую радиально наружу по существу до калибрующей поверхности.

2. Буровое долото по п. 1, включающее несколько режущих элементов шарошки, расположенных на шарошке.

3. Буровое долото по п. 1, в котором стабилизирующая накладка сформирована с фиксированной лопастью как единое целое и проходит до лапы долота.

4. Буровое долото по п. 1, в котором по меньшей мере часть фиксированных режущих элементов расположена в ряд на ведущей по направлению вращения кромке фиксированной лопасти.

5. Буровое долото по п. 1, в котором стабилизирующая накладка, калибрующая поверхность каждой фиксированной лопасти и часть лапы долота, выступающая к калибрующей поверхности, в совокупности описывают сектор окружности ствола скважины, равный или превосходящий 180 градусов.

6. Буровое долото по п. 1, включающее:
несколько фиксированных лопастей, отходящих вниз от корпуса долота;
несколько лап долота, отходящих вниз от корпуса долота; и
стабилизирующую накладку между каждой лапой долота и каждой фиксированной лопастью.

7. Буровое долото по п. 1, в котором каждые стабилизирующие накладки имеют равную площадь поверхности, обращенной к боковой стенке ствола пробуриваемой скважины.

8. Буровое долото, включающее:
корпус долота, приспособленный в своей верхней части для присоединения к бурильной колонне;
несколько фиксированных лопастей, отходящих вниз от корпуса долота и имеющих радиально наиболее удаленную калибрующую поверхность;
несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к каждой фиксированной лопасти;
по меньшей мере одну лапу долота, прикрепленную к корпусу долота;
шарошку, установленную на лапе долота с возможностью вращения;
по меньшей мере один режущий элемент шарошки, расположенный на шарошке; и
по меньшей мере одну стабилизирующую накладку, расположенную между по меньшей мере одной из лап долота и по меньшей мере одной из фиксированных лопастей и выступающую радиально наружу по существу до калибрующей поверхности.

9. Буровое долото по п. 8, в котором стабилизирующая накладка сформирована с фиксированной лопастью как единое целое и проходит к одной из лап долота в направлении вращения.

10. Буровое долото по п. 8, в котором по меньшей мере часть фиксированных режущих элементов расположена в ряд на ведущей по направлению вращения кромке фиксированной лопасти.

11. Буровое долото по п. 8, в котором часть лапы долота выступает радиально наружу по существу до калибрующей поверхности и стабилизирующая накладка, калибрующая поверхность каждой фиксированной лопасти и часть лапы долота, отходящая к калибрующей поверхности, в совокупности описывают сектор окружности ствола скважины, равный или превосходящий 180 градусов.

12. Буровое долото по п. 8, в котором каждые стабилизирующие накладки имеют равную площадь поверхности, обращенной к боковой стенке ствола пробуриваемой скважины.

13. Буровое долото, включающее:
корпус долота, приспособленный в своей верхней части для присоединения к бурильной колонне;
несколько фиксированных лопастей, отходящих от корпуса долота и имеющих радиально наиболее удаленную калибрующую поверхность, определяющую калибрующий диаметр долота и пробуриваемого ствола скважины;
несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к ведущей по направлению вращения кромке каждой фиксированной лопасти;
несколько лап долота, отходящих от корпуса долота;
шарошку, установленную на каждой лапе долота с возможностью вращения;
несколько режущих элементов шарошки, расположенных на каждой шарошке; и
по меньшей мере одну стабилизирующую накладку, расположенную между каждой лапой долота и каждой фиксированной лопастью и выступающую радиально наружу по существу до калибрующей поверхности.

14. Буровое долото по п. 13, в котором стабилизирующая накладка сформирована с фиксированной лопастью как единое целое и проходит к одной из лап долота в направлении вращения.

15. Буровое долото по п. 13, в котором каждые стабилизирующие накладки имеют равную площадь поверхности, обращенной к боковой стенке ствола пробуриваемой скважины.

16. Буровое долото по п. 13, в котором часть лапы долота выступает радиально наружу по существу до калибрующей поверхности и стабилизирующая накладка, калибрующая поверхность каждой фиксированной лопасти и часть лапы долота, отходящая к калибрующей поверхности, в совокупности описывают сектор окружности ствола скважины, равный или превосходящий 180 градусов.

17. Буровое долото, включающее:
корпус долота, приспособленный в своей верхней части для присоединения к бурильной колонне и имеющий центральную продольную ось;
по меньшей мере одну фиксированную лопасть, отходящую вниз от корпуса долота и имеющую радиально наиболее удаленную калибрующую поверхность, при этом калибрующая поверхность каждой фиксированной лопасти отходит вдоль оси вниз под углом, не равным нулю, относительно продольной оси корпуса долота;
несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к каждой фиксированной лопасти, причем по меньшей мере часть по меньшей мере одного из этих фиксированных режущих элементов расположена на или вблизи центральной оси корпуса долота, так что ее самая внутренняя в плане кромка проходит по касательной к этой центральной оси;
по меньшей мере одну лапу долота, прикрепленную к корпусу долота;
шарошку, установленную на лапе долота с возможностью вращения;
по меньшей мере один режущий элемент шарошки, расположенный на шарошке; и
стабилизирующую накладку, расположенную между по меньшей мере одной лапой долота и по меньшей мере одной фиксированной лопастью и выступающую радиально наружу по существу до калибрующей поверхности.

18. Буровое долото по п. 17, в котором калибрующая поверхность фиксированной лопасти имеет ведущую кромку и заднюю кромку, и по меньшей мере ведущая или задняя кромка проходит вдоль оси вниз под углом, не равным нулю, относительно продольной оси корпуса долота.

19. Буровое долото по п. 17, включающее:
несколько фиксированных лопастей, отходящих вниз от корпуса долота под углом, не равным нулю, относительно продольной оси корпуса долота; и
несколько лап долота, отходящих вниз от корпуса долота, причем часть каждой лапы долота проходит по радиусу наружу по существу до калибрующей поверхности.

20. Буровое долото по п. 18, в котором ведущая и задняя кромки выполнены линейными.

21. Буровое долото по п. 18, в котором ведущая и задняя кромки выполнены криволинейными и образуют спираль вокруг продольной оси.

22. Буровое долото, включающее:
корпус долота, приспособленный в своей верхней части для присоединения к бурильной колонне и имеющий центральную продольную ось;
по меньшей мере одну фиксированную лопасть, отходящую вниз от корпуса долота и имеющую радиально наиболее удаленную калибрующую поверхность, при этом калибрующая поверхность каждой фиксированной лопасти отходит вдоль оси вниз не параллельно продольной оси корпуса долота;
несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к каждой фиксированной лопасти;
по меньшей мере одну лапу долота, прикрепленную к корпусу долота;
шарошку, установленную на лапе долота с возможностью вращения;
по меньшей мере один режущий элемент шарошки, расположенный на шарошке; и
стабилизирующую накладку, расположенную между по меньшей мере одной лапой долота и по меньшей мере одной фиксированной лопастью и выступающую радиально наружу по существу до калибрующей поверхности,
при этом по меньшей мере одна фиксированная лопасть также выполняет функцию стабилизирующей накладки и
хордовые просветы между ведущей кромкой по меньшей мере одной фиксированной лопасти и задней кромкой по меньшей мере одной лапы долота по существу равны.

23. Буровое долото по п. 22, в котором калибрующая поверхность фиксированной лопасти имеет ведущую кромку и заднюю кромку, и по меньшей мере ведущая или задняя кромка проходит вдоль оси вниз не параллельно продольной оси корпуса долота.

24. Буровое долото по п. 22, включающее:
несколько фиксированных лопастей, отходящих вниз от корпуса долота не параллельно продольной оси корпуса долота; и
несколько лап долота, отходящих вниз от корпуса долота, причем часть каждой лапы долота проходит по радиусу наружу по существу до калибрующей поверхности.

25. Буровое долото по п. 23, в котором ведущая и задняя кромки выполнены линейными.

26. Буровое долото по п. 23, в котором ведущая и задняя кромки выполнены криволинейными и образуют спираль вокруг продольной оси.

27. Буровое долото, включающее:
корпус долота, приспособленный в своей верхней части для присоединения к бурильной колонне;
по меньшей мере одну фиксированную лопасть, отходящую вниз от корпуса долота и имеющую радиально наиболее удаленную калибрующую поверхность;
несколько фиксированных режущих элементов, прикрепленных к каждой фиксированной лопасти;
по меньшей мере одну лапу долота, прикрепленную к корпусу долота;
шарошку, установленную на лапе долота с возможностью вращения, при этом радиально наиболее удаленная поверхность лапы долота отходит вниз и соединяется с радиально наиболее удаленной поверхностью фиксированной лопасти; и
по меньшей мере один режущий элемент шарошки, расположенный на шарошке.

28. Буровое долото по п. 27, включающее несколько режущих элементов шарошки, расположенных на шарошке.

29. Буровое долото по п. 27, включающее несколько фиксированных лопастей и несколько лап долота, причем число фиксированных лопастей равно числу лап долота.

30. Буровое долото по п. 27, в котором по меньшей мере часть фиксированных режущих элементов расположена в ряд на ведущей по направлению вращения кромке фиксированной лопасти.

31. Буровое долото по п. 27, в котором соединенные радиально наиболее удаленные поверхности фиксированной лопасти и лапы долота совместно описывают сектор окружности ствола скважины, равный или превосходящий 180 градусов.