Долото вращательного бурения с калибрующими площадками, имеющее повышенную управляемость и пониженный износ

Долото вращательного бурения с калибрующими площадками, имеющее повышенную управляемость и пониженный износ

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее раскрытие относится к долотам вращательного бурения, а конкретно - к буровым долотам с фиксированными резцами, имеющим лопасти с режущими элементами и калибрующие площадки, расположенные на них, и также к шарошечным буровым долотам.

Предпосылки создания раскрытия

Для образования буровой скважины в геологической среде могут использоваться долота вращательного бурения, расширители, стабилизаторы и другие скважинные инструменты различных видов. Примеры таких долот вращательного бурения включают в себя, но без ограничения ими, буровые долота с фиксированными резцами, долота с резцами из поликристаллического алмаза, матричные буровые долота, шарошечные буровые долота, шарошечные долота вращательного бурения и долота для твердых пород, используемые при бурении нефтяных и газовых скважин. Для режущего действия, связанного с такими буровыми долотами, обычно требуются нагрузка на долото и вращение соответствующих режущих элементов в прилегающих участках подземного пласта. Кроме того, буровой раствор может подаваться для выполнения нескольких функций, включая вымывание пластовых материалов и другого скважинного мусора из забоя ствола скважины, очистку соответствующих режущих элементов и режущего вооружения и перенос бурового шлама и другого скважинного мусора вверх к соответствующей поверхности скважины.

Некоторые долота вращательного бурения из предшествующего уровня техники образованы с лопастями, выступающими от корпуса долота вместе с соответствующей калибрующей площадкой, расположенной вблизи находящейся выше по стволу скважины кромки каждой лопасти. Калибрующие площадки расположены под положительным углом или углом положительной конусности относительно оси вращения соответствующего долота вращательного бурения. Калибрующие площадки также расположены под отрицательным углом или углом отрицательной конусности относительно оси вращения соответствующего бурового долота. Такие калибрующие площадки иногда называют имеющими положительную «осевую» конусность или отрицательную «осевую» конусность. Смотри, например, патент США №5967247. Ось вращения долота вращательного бурения обычно расположена на одной линии с осью, проходящей через прямолинейные участки ствола скважины, образуемого соответствующим долотом вращательного бурения, и является ее продолжением. Поэтому осевую конусность соответствующих калибрующих площадок также можно описать как «продольную» конусность.

Калибрующие площадки, образованные с положительной осевой конусностью, могут повышать управляемость соответствующего долота вращательного бурения. Кроме того, следствием образования калибрующей площадки с положительной осевой конусностью может быть снижение момента сопротивления. Однако поперечная стабильность соответствующего долота вращательного бурения относительно продольной оси, проходящей через ствол скважины, образуемый долотом вращательного бурения, может снижаться. Кроме того, может уменьшаться способность соответствующего долота вращательного бурения поддерживать в общем постоянный внутренний диаметр ствола скважины.

Для других применений калибрующие площадки смещают на относительно постоянное радиальное расстояние от прилегающих участков ствола скважины, образуемых соответствующим долотом вращательного бурения. Внешние участки таких калибрующих площадок могут быть расположены в общем примерно параллельно соответствующей оси вращения долота и прилегающим участкам прямолинейного ствола скважины. Величина смещения внешних участков таких калибрующих площадок от прилегающих участков прямолинейного ствола скважины обычно является постоянной. Для некоторых применений калибрующие площадки образуют с относительно постоянным радиальным смещением или постоянным уменьшенным наружным диаметром на от около 1/64 дюйма (0,396 мм) до около 4/64 дюйма (1,587 мм) по сравнению с номинальным диаметром соответствующего долота вращательного бурения.

Оснащение калибрующими площадками с отклонением от соответствующего номинального диаметра долота или калибрующими площадками уменьшенного размера может повысить управляемость соответствующего долота вращательного бурения. Однако поперечная стабильность относительно продольной оси соответствующего ствола скважины и способность долота вращательного бурения к расширению или образованию ствола скважины с в общем постоянным внутренним диаметром могут снижаться.

Краткое изложение сущности раскрытия

В соответствии с идеями настоящего изобретения долото вращательного бурения может быть образовано со множеством лопастей, имеющих соответствующий калибрующий участок или калибрующую площадку, расположенную на каждой лопасти. По меньшей мере одна калибрующая площадка может иметь внешний конический участок и/или внешний утопленный участок с использованием идей настоящего изобретения. Калибрующие площадки, спроектированные в соответствии с идеями настоящего изобретения, могут подвергаться меньшим износу и эрозии при образовании ствола скважины, в частности невертикальных и непрямолинейных стволов скважин.

Калибрующие площадки с использованием идей настоящего изобретения могут повышать управляемость соответствующего долота вращающегося бурения и в то же время поддерживать требуемую поперечную стабильность долота вращательного бурения. Кроме того, калибрующие площадки с использованием идей настоящего раскрытия могут повышать способность соответствующего долота вращательного бурения к образованию ствола скважины с более постоянным внутренним диаметром. Долото вращательного бурения, образованное в соответствии с идеями настоящего изобретения, обычно может образовывать ствол скважины, имеющий относительно постоянный внутренний диаметр, который в общем может соответствовать связанному с ним номинальному диаметру долота вращательного бурения. Один аспект настоящего изобретения может включать в себя проектирование долот вращательного бурения в соответствии с идеями настоящего изобретения, имеющих соответствующие калибрующие площадки, расположенные на лопастях долота вращательного бурения с фиксированными резцами или опорных лапах шарошечного бурового долота, чтобы оптимизировать характеристики бурения в забое скважины. Чтобы при некоторых применениях повысить управляемость, в частности во время образования невертикальных или непрямолинейных стволов скважин без ухудшения поперечной стабильности долота вращательного бурения, такие калибрующие площадки могут иметь внешние конфигурации, которые взаимодействуют с другими элементами соответствующего долота вращательного бурения. При других применениях такие калибрующие площадки могут повышать способность соответствующего долота вращательного бурения к расширению ствола скважины или образованию ствола скважины с более постоянным внутренним диаметром, в частности во время образования невертикального или непрямолинейного ствола скважины.

Краткое описание чертежей

Более полное понимание настоящего изобретения и его преимуществ можно получить при обращении к нижеследующему описанию со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых одинаковыми позициями указаны подобные элементы и на которых показано следующее:

фигура 1А изображает схематичный вид в вертикальном разрезе с вырванными участками, иллюстрирующий примеры стволов скважины, которые могут быть образованы долотом вращательного бурения с использованием настоящего изобретения;

фигура 1В - схематичный вид в вертикальном разрезе с вырванными участками, иллюстрирующий другой вариант долота вращательного бурения с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 2 - схематичный изометрический вид долота вращательного бурения с вырванными участками;

фигура 3 - схематичный изометрический вид другого варианта долота вращательного бурения;

фигура 4 - схематичный разрез с вырванными участками, иллюстрирующий еще один вариант долота вращательного бурения;

фигура 5 - схематичный разрез с вырванными участками, иллюстрирующий увеличенный вид калибрующего участка одной лопасти на долоте вращательного бурения, показанном на фигуре 4;

фигура 6А - схематичный разрез, иллюстрирующий один вариант лопасти и соответствующей калибрующей площадки на известном долоте вращательного бурения;

фигура 6В - схематичный изометрический вид сбоку калибрующей площадки на фиг.6А;

фигура 7А - схематичный разрез с вырванными участками, иллюстрирующий один вариант лопасти и соответствующей калибрующей площадки с углом положительной радиальной конусности, расположенных на долоте вращательного бурения, в соответствии с идеями настоящего изобретения;

фигура 7В - схематичный разрез с вырванными участками, иллюстрирующий другой вариант лопасти и соответствующей калибрующей площадки с углом положительной радиальной конусности, расположенных на долоте вращательного бурения, в соответствии с идеями настоящего изобретения;

фигура 7С - схематичный разрез с вырванными участками, иллюстрирующий дальнейший вариант лопасти и соответствующей калибрующей площадки с углом отрицательной радиальной конусности, расположенных на долоте вращательного бурения, в соответствии с идеями настоящего изобретения;

фигура 7D - схематичный разрез с вырванными участками, иллюстрирующий еще один вариант лопасти и соответствующей калибрующей площадки с углом отрицательной радиальной конусности, расположенных на долоте вращательного бурения, в соответствии с идеями настоящего изобретения;

фигура 8А - схематичный разрез с вырванными участками, иллюстрирующий один вариант лопасти и соответствующей калибрующей площадки, которые могут быть расположены на долоте вращательного бурения, в соответствии с идеями настоящего изобретения;

фигура 8В - схематичный разрез с вырванными участками, иллюстрирующий еще один вариант лопасти и соответствующей калибрующей площадки, которые могут быть расположены на долоте вращательного бурения, в соответствии с идеями настоящего изобретения;

фигура 9А - схематичный вид сбоку одного примера калибрующей площадки с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 9В - схематичный разрез по линии 9В-9В фигуры 9А;

фигура 9С - схематичный вид сбоку другого варианта калибрующей площадки с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 9D - схематичный разрез по линии 9D-9D фигуры 9С;

фигура 10А - схематичный вид сбоку одного варианта калибрующей площадки, имеющей угол в общем положительной радиальной конусности и угол в общем положительной осевой конусности, с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 10В - схематичный разрез по линии 10В-10В фигуры 10А;

фигура 10С - схематичный разрез по линии 10С-10С фигуры 10А;

фигура 10D - схематичный разрез по линии 10D-10D фигуры 10А;

фигура 10Е - схематичный разрез по линии 10Е-10Е фигуры 10А;

фигура 10F - схематичный вид сбоку одного варианта калибрующей площадки, имеющей угол в общем отрицательной радиальной конусности и угол в общем отрицательной осевой конусности, с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 10G - схематичный разрез по линии 10G-10G фигуры 10F;

фигура 10Н - схематичный разрез по линии 10Н-10Н фигуры 10F;

фигура 10I - схематичный разрез по линии 10I-10I фигуры 10F;

фигура 10J - схематичный разрез по линии 10J-10J фигуры 10F;

фигура 11А - схематичный вид сбоку одного примера калибрующей площадки с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 11В - схематичный разрез по линии 11В-11В фигуры 11А;

фигура 11С - схематичный разрез по линии 11С-11С фигуры 11А;

фигура 11D - схематичный вид сбоку другого варианта калибрующей площадки с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 11Е - схематичный разрез по линии 11Е-11Е фигуры 11D;

фигура 11F - схематичный разрез по линии 11F-11F фигуры 11D;

фигура 12А - схематичный вид сбоку еще одного варианта калибрующей площадки с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 12В - схематичный разрез по линии 12В-12В фигуры 12А;

фигура 12С - схематичный разрез по линии 12С-12С фигуры 12А;

фигура 12D - схематичный вид сбоку дальнейшего варианта калибрующей площадки с использованием идей настоящего изобретения;

фигура 12Е - схематичный разрез по линии 12Е-12Е фигуры 12D; и

фигура 12F - схематичный разрез по линии 12F-12F фигуры 12D.

Подробное описание изобретения

Предпочтительные варианты осуществления изобретения и их преимущества будут лучше поняты при обращении к фигурам 1-12F, на которых одинаковыми позициями обозначены одни и те же или подобные детали.

Термин «компоновка низа бурильной колонны» или «КНБК» в этой заявке будет использоваться для описания различных компонентов и узлов, расположенных вблизи долота вращательного бурения на забойном конце бурильной колонны. Примеры компонентов и узлов (не показанных явно), которые могут быть включены в компоновку низа бурильной колонны или КНБК, включают в себя, но без ограничения ими, кривой переводник, забойный буровой двигатель, наддолотный расширитель, стабилизаторы и скважинные инструменты. Кроме того, компоновка низа бурильной колонны может включать в себя скважинные каротажные приборы различных видов (не показанные явно) и другие скважинные приборы, относящиеся к наклонно-направленному бурению ствола скважины. Примеры таких каротажных приборов и/или приборов для наклонно-направленного бурения могут включать в себя, но без ограничения ими, приборы акустического, нейтронного, гамма-, плотностного, фотоэлектрического, ядерно-магнитного каротажа, инструменты для управления направлением вращательного бурения и другие доступные для приобретения скважинные приборы.

Термины «режущий элемент» и «режущие элементы» могут использоваться в данной заявке для охвата, но не ограничения ими, резцов, зубьев, штырей, вставок, и калибрующих резцов различных видов, пригодных для использования в большом разнообразии долот вращательного бурения. Ограничители удара могут включаться в качестве части режущего вооружения долот вращательного бурения некоторых видов и могут иногда функционировать как режущие элементы для удаления пластовых материалов с прилегающих участков ствола скважины. Поликристаллические алмазные зубья и вставки из карбида вольфрама часто используют для образования режущих элементов. Другие твердые абразивные материалы различных видов можно также использовать для образования режущих элементов с получением удовлетворительных результатов.

Термин «режущая структура» может использоваться в данной заявке для охвата различных сочетаний и компоновок режущих элементов, ограничителей удара и/или калибрующих резцов, образуемых на внешних участках долота вращательного бурения. Некоторые долота вращательного бурения могут включать в себя одну или несколько лопастей, выступающих от связанного с ними корпуса долота вместе с резцами, расположенными на лопастях. Такие лопасти могут также называться «режущими лопастями». Различные конфигурации лопастей и резцов можно использовать для образования режущего вооружения долота вращательного бурения.

Термины «ниже по стволу скважины» и «выше по стволу скважины» могут использоваться в данной заявке для описания местоположения различных компонентов долота вращательного бурения по отношению к участкам долота вращательного бурения, которые входят в зацепление с забоем скважины или концом ствола скважины для удаления прилегающих пластовых материалов. Например, «находящийся выше по стволу скважины» компонент может быть расположен ближе к соответствующей бурильной колонне или компоновке низа бурильной колонны по сравнению с «находящимся ниже по стволу скважины» компонентом, который может быть расположен ближе к забою скважины или концу ствола скважины.

Термин «калибрующая площадка», используемый в этой заявке, может включать в себя калибрующий венец, калибрующий участок, калибрующий участок или любой другой участок долота вращательного бурения с использованием идей настоящего раскрытия. Калибрующие площадки могут использоваться для задания или установления в общем постоянного внутреннего диаметра ствола скважины, образуемого соответствующим долотом вращательного бурения. Калибрующий венец, калибрующий участок, калибрующий участок или калибрующая площадка могут включать в себя один или несколько слоев нанесенного твердосплавного материала. В соответствии с идеями настоящего раскрытия один или несколько калибрующих резцов, калибрующих вставок, калибрующих зубьев или калибрующих штырей могут быть расположены на калибрующем венце, калибрующем участке, калибрующем участке или калибрующей площадке или могут прилегать к ним. Калибрующие площадки с использованием идей настоящего раскрытия могут быть расположены на большом разнообразии долот вращательного бурения и других компонентах компоновки низа бурильной колонны и/или бурильной колонны. Вращающиеся и не вращающиеся соединительные муфты, относящиеся к системам наклонно-направленного бурения, могут также включать в себя такие калибрующие площадки.

Термин «долото вращательного бурения» может использоваться в этой заявке для охвата буровых долот с фиксированными резцами, долот типа «рыбий хвост», матричных буровых долот, буровых долот со стальным корпусом, шарошечных буровых долот, шарошечных долот вращательного бурения и долот для крепких пород, пригодных при эксплуатации для образования ствола скважины, продолжающегося через один или несколько подземных пластов. Долота вращательного бурения и связанные с ними компоненты, образуемые в соответствии с идеями настоящего раскрытия, могут иметь многочисленные различные конструкции, конфигурации и/или размеры.

Термины «осевая конусность» или «конусный по оси» могут использоваться в этой заявке для описания различных участков калибрующей площадки, расположенных под углом относительно соответствующей оси вращения долота. Во время бурения прямолинейного вертикального ствола скважины осевая конусность иногда может быть описана как «продольная» конусность. Конический по оси участок калибрующей площадки может также располагаться под углом, продолжаясь в продольном направлении относительно прилегающих участков прямолинейного ствола скважины.

Известные конические по оси калибрующие площадки обычно имеют находящуюся выше по стволу скважины кромку, расположенную на первом, в общем постоянном радиусе, проходящем от соответствующей оси вращения долота, и находящуюся ниже по стволу скважины кромку, расположенную на втором, в общем постоянном радиусе, проходящем от соответствующей оси вращения долота. Коническая по оси калибрующая площадка, образуемая в соответствии с идеями настоящего изобретения, может включать в себя находящуюся выше по стволу скважины кромку и/или находящуюся ниже по стволу скважины кромку, которые не образованы с в общем постоянным радиусом, проходящим от соответствующей оси вращения долота. Как более подробно рассмотрено ниже, в случае некоторых осуществлений находящаяся выше по стволу скважины кромка и/или находящаяся ниже по стволу скважины кромка калибрующей площадки могут быть образованы с переменным радиусом или непостоянным радиусом, проходящим от соответствующей оси вращения долота.

Положительная осевая конусность калибрующей площадки может быть по меньшей мере отчасти следствием того, что первый радиус находящейся выше по стволу скважины кромки калибрующей площадки меньше второго радиуса находящейся ниже по стволу скважины кромки калибрующей площадки. Отрицательная осевая конусность калибрующей площадки может быть по меньшей мере отчасти следствием того, что первый радиус находящейся выше по стволу кромки калибрующей площадки больше, чем второй радиус находящейся ниже по стволу скважины кромки калибрующей площадки. Смотри, например, фигуры 4 и 5. Дополнительные примеры калибрующих площадок с углами в общем положительной осевой конусности показаны на фигурах 10D и 10Е. Дополнительные примеры калибрующих площадок с углами в общем отрицательной осевой конусности показаны на фигурах 10I и 10J.

Внешние участки известных калибрующих площадок могут быть расположены под в общем постоянным углом, положительным или отрицательным, относительно прилегающих участков прямолинейного ствола скважины. Находящаяся выше по стволу скважины кромка таких известных калибрующих площадок с положительной осевой конусностью будет обычно располагаться дальше от прилегающих участков прямолинейного ствола скважины. Находящаяся ниже по стволу скважины кромка известных калибрующих площадок с положительной осевой конусностью будет обычно располагаться ближе к прилегающим участкам прямолинейного ствола скважины. Находящаяся выше по стволу скважины кромка известных калибрующих площадок с углом отрицательной осевой конусности будет обычно располагаться ближе к прилегающим участкам прямолинейного ствола скважины. Находящаяся ниже по стволу скважины кромка известных калибрующих площадок с углом отрицательной конусности будет обычно располагаться на большем расстоянии от прилегающих участков прямолинейного ствола скважины.

Термины «конический по радиусу», «радиальная конусность» и/или «конусность по касательной» могут использоваться в данной заявке для описания внешних участков калибрующей площадки, расположенных на переменных радиальных расстояниях от соответствующей оси вращения долота. Каждый радиус, относящийся к коническим по радиусу или коническим по касательной внешним участкам калибрующей площадки, может быть измерен в плоскости, проходящей в общем перпендикулярно к соответствующей оси вращения долота и пересекающей конический по радиусу или конический по касательной внешний участок калибрующей площадки. Примеры калибрующих площадок с углами в общем положительной радиальной конусности показаны на фигурах 7А и 7В. Примеры калибрующих площадок с углами в общем отрицательной радиальной конусности показаны на фигурах 7С и 7D.

Идеи настоящего изобретения можно использовать для оптимизации расчета различных элементов долота вращательного бурения, включая, но без ограничения ими, количество лопастей или режущих лопастей, размеры и конфигурации каждой режущей лопасти, конфигурацию и размеры одной или нескольких опорных лап шарошечного бурового долота, конфигурацию и размеры режущих элементов, количество, местоположение, ориентацию и тип режущих элементов, калибрующих венцов (активных или пассивных), длину одной или нескольких калибрующих площадок, ориентацию одной или нескольких калибрующих площадок и/или конфигурацию одной или нескольких калибрующих площадок.

Долота вращательного бурения, образуемые в соответствии с идеями настоящего раскрытия, могут иметь «пассивный калибрующий венец» и «активный калибрующий венец». Активный калибрующий венец может частично врезаться в пластовые материалы и удалять их из прилегающих участков или с боковой стенки соответствующего ствола скважины или буровой скважины. Пассивный калибрующий венец обычно не удаляет пластовые материалы с боковой стенки соответствующего ствола скважины или буровой скважины. Во время наклонно-направленного бурения ствола скважины активные калибрующие венцы часто удаляют некоторую часть пластовых материалов с прилегающих участков непрямолинейного ствола скважины. Пассивный калибрующий венец может пластично или эластично деформировать пластовые материалы на боковой стенке, в частности во время наклонно-направленного бурения соответствующего ствола скважины.

Различные компьютерные программы и компьютерные модели можно использовать для проектирования калибрующих площадок, зубьев, режущих элементов, лопастей и/или соответствующих долот вращательного бурения в соответствии с идеями настоящего раскрытия. Примеры таких способов и систем, которые могут быть использованы для проектирования и оценивания характеристик режущих элементов и долот вращательного бурения с использованием идей настоящего раскрытия, показаны в одновременно рассматриваемой заявке на патент США под названием “Method and systems for designing and/or selecting drilling equipment using predictions of rotary drill bit walk”, заявка №11/462898, дата подачи 7 августа 2006 г; одновременно рассматриваемой заявке на патент США под названием “Method and systems of rotary drill bit steerability prediction, rotary drill bit design and operation”, заявка №11/462918, подана 7 августа 2006 г; и в одновременно рассматриваемой заявке на патент США под названием “Methods and systems for design and/or selection of drilling equipment based on wellbore simulation”, заявка №11/462929, дата подачи 7 августа 2006 г. Предшествующие одновременно рассматриваемые патентные заявки и любые получаемые в результате патенты США включаются в эту заявку путем ссылки.

Различные аспекты настоящего раскрытия можно описать в отношении долот 100 и 100а вращательного бурения, показанных на фигурах 1-5. Долота 100 и 100а вращательного бурения можно также описать как буровые долота с фиксированными резцами. Различные аспекты настоящего раскрытия можно также использовать, чтобы проектировать шарошечные долота или шарошечные долота вращательного бурения для получения оптимальных характеристик бурения с погружным инструментом.

Используя идеи настоящего изобретения, долота 100 и/или 100а вращательного бурения можно модифицировать включение в них калибрующих венцов, калибрующих участков и/или калибрующие площадки различных видов. Кроме того, используя идеи настоящего изобретения, можно создать множество разнообразных долот вращательного бурения совместно с калибрующими венцами, калибрующими площадками, калибрующими участками и/или калибрующими участками. Объем настоящего раскрытия не ограничен долотами 100 или 100а вращательного бурения. Кроме того, объем настоящего раскрытия не ограничен калибрующими площадками, такими как показанные на фигурах 7A-12F.

На фигуре 1А представлен схематичный вид в вертикальном разрезе с вырванными участками, иллюстрирующий примеры стволов скважин, которые могут быть образованы долотами вращающегося бурения с использованием идей настоящего изобретения. Различные аспекты настоящего изобретения можно описать относительно буровой установки 20, вращающей бурильную колонну 24 и прикрепленное к ней долото 100 вращательного бурения для образования ствола скважины.

Буровое оборудование различных видов, такое как роторный стол, насосы для бурового раствора и емкости для бурового раствора (не показанные явно), может быть расположено на поверхности скважины или месте 22 расположения скважины. Буровая установка 20 может иметь различные характеристики и особенности, относящиеся к «наземной буровой установке». Однако долота вращательного бурения с использованием идей настоящего раскрытия можно с достижением удовлетворительных результатов использовать совместно с буровым оборудованием, расположенным на морских платформах, буровых судах, полупогружных и буровых баржах (не показанных явно).

Для некоторых применений долото 100 вращательного бурения можно прикреплять к компоновке 26 низа бурильной колонны на самом дальнем конце бурильной колонны 24. Бурильная колонна 24 может быть образована из секций в общем полых трубчатых бурильных труб (не показанных явно). Компоновка 26 низа бурильной колонны обычно имеет наружный диаметр, совместимый с внешними участками бурильной колонны 24.

Компоновка 26 низа бурильной колонны может быть образована из большого разнообразия компонентов. Например, компоненты 26a, 26b и 26с могут быть выбраны из группы, состоящей из, но без ограничения ими, утяжеленных бурильных труб, отклоняющих инструментов для вращательного бурения, инструментов для наклонно-направленного бурения и/или забойных буровых двигателей. Количество компонентов, таких как утяжеленные бурильные трубы и компоненты других видов, включенных в компоновку низа бурильной колонны, зависит от предполагаемых условий бурения в забое скважины и типа ствола скважины, образуемого бурильной колонной 24 и долотом 100 вращательного бурения.

Бурильную колонну 24 и долото 100 вращательного бурения можно использовать для образования большого разнообразия стволов скважин и/или буровых скважин, таких как в общем вертикальный ствол 30 скважины и/или в общем горизонтальный ствол 30а скважины, показанные на фигуре 1А. Различные способы наклонно-направленного бурения и соответствующие компоненты компоновки 26 низа бурильной колонны можно использовать для образования горизонтального ствола 30а скважины. Например, поперечные силы могут быть приложены к долоту 100 вращательного бурения вблизи места 37 начала отклонения ствола наклонной скважины для образования горизонтального ствола 30а скважины, проходящего от в общем вертикального ствола 30 скважины. Такое поперечное смещение долота 100 вращательного бурения можно описать как «сооружение» или образование буровой скважины с возрастающим углом относительно вертикали. Кроме того, отклонение долота может производиться во время образования горизонтального ствола 30а скважины, В частности, вблизи места 37 начала отклонения ствола наклонной скважины.

Ствол 30 скважины может быть частично ограничен обсадной колонной 32, продолжающейся от поверхности 22 скважины до выбранного места в скважине. Участки ствола 30 скважины, показанного на фигуре 1А, которые не включают в себя обсадную колонну 32, можно описать как «открытый ствол скважины». Буровой раствор различных видов может нагнетаться с поверхности 22 скважины по бурильной колонне 24 до прикрепленного долота 100 вращательного бурения. Буровой раствор может возвращаться обратно к поверхности 22 скважины по кольцевому пространству 34, частично ограниченному наружным диаметром 25 бурильной колонны 24 и внутренним диаметром 31 ствола 30 скважины. Кольцевое пространство 34 также может ограничиваться наружным диаметром 25 бурильной колонны 24 и внутренним диаметром 33 обсадной колонны 32.

Внутренний диаметр 31 иногда может быть приписан «боковой стенке» ствола 30 скважины. Внутренний диаметр 31 часто может соответствовать номинальному диаметру или номинальному наружному диаметру соответствующего долота 100 вращательного бурения. Однако в зависимости от условий бурения в забое, степени износа одного или нескольких компонентов долота вращательного бурения и отклонений номинального диаметра долота от заводских размеров долота вращательного бурения ствол скважины, образуемый долотом вращательного бурения, может иметь внутренний диаметр, который может быть больше или меньше, чем соответствующий номинальный диаметр долота. Поэтому различные диаметры и другие размеры, относящиеся к калибрующим площадкам, образуемым в соответствии с идеями настоящего изобретения, могут задаваться относительно соответствующей оси вращения долота, а не внутреннего диаметра ствола скважины, образуемого соответствующим долотом вращательного бурения.

Номинальный диаметр долота может иногда называться «номинальным размером долота» или «размером долота». Американский нефтяной институт публикует различные стандарты, относящиеся к номинальному размеру долота, диаметрам зазоров и размерам обсадной колонны.

Обломки выбуренной горной породы могут образовываться долотом 100 вращательного бурения, зацепляющим пластовые материалы вблизи конца 36 ствола 30 скважины. Буровые растворы можно использовать для удаления бурового шлама и другого скважинного мусора (не показанного явно) из конца 36 ствола 30 скважины на поверхность 22 скважины. Конец 36 иногда можно описать как «забой 36 скважины». Кроме того, обломки выбуренной горной породы могут образовываться долотом 100 вращательного бурения, зацепляющим конец 36а горизонтального ствола 30а скважины.

Как показано на фигуре 1А, бурильная колонна 24 может прилагать нагрузку на и вращать долото 100 вращательного бурения для образования ствола 30 скважины. Внутренний диаметр или боковая стенка 31 ствола 30 скважины может соответствовать примерно общему наружному диаметру лопастей 130 и связанных с ними калибрующих площадок 150, выступающих от долота 100 вращательного бурения. Скорость проходки долотом вращательного бурения обычно является функцией нагрузки на долото и числа оборотов в минуту. Для некоторых применений забойный двигатель (не показанный явно) может быть предусмотрен как часть компоновки 26 низа бурильной колонны, чтобы также вращать долото 100 вращательного бурения. Скорость проходки долотом вращательного бурения обычно выражают в футах в час.

В дополнение к вращению и приложению нагрузки на долото 100 вращательного бурения бурильная колонна 24 может обеспечивать канал для передачи буровых растворов и других флюидов с поверхности 22 скважины к буровому долоту 100 на конце 36 ствола 30 скважины. Такие буровые растворы могут направляться для протекания из бурильной колонны 24 в соответствующие насадки, предусмотренные в долоте 100 вращательного бурения. Смотри, например, насадку 56 на фигуре 3.

В то время когда бурильная колонна 24 вращает долото 100 вращательного бурения, корпус 120 долота часто в значительной степени покрывается смесью бурового раствора, бурового шлама и другим скважинным мусором. Буровой раствор, выходящий из одной или нескольких насадок 56, может быть направлен для протекания в основном вниз между соседними лопастями 130 и протекания под и вокруг нижних участков корпуса 120 долота.

Термин «шарошечное буровое долото» может использоваться в данной заявке для описания долота вращательного бурения любого вида, имеющего по меньшей мере одну опорную лапу с шарошечным узлом, установленным на ней с возможностью вращения. Шарошечные буровые долота иногда могут описываться как «шарошечные долота вращательного бурения», «режущие шарошечные буровые долота» или «долота вращательного бурения для твердых пород». Шарошечные буровые долота часто включают в себя корпус долота с тремя опорными лапами, выступающими из него, и соответствующий шарошечный узел, установленный с возможностью вращения на каждой опорной лапе. Однако идеи настоящего раскрытия с достижением удовлетворительных результатов можно использовать в случае долот вращательного бурения, имеющих одну опорную лапу, две опорные лапы или любое другое количество опорных лап и связанных с ними шарошечных узлов.

На фигуре 1В представлен схематичный вид в вертикальном разрезе с вырванными участками, иллюстрирующий один вариант шарошечного бурового долота с использованием идей настоящего изобретения, расположенного в стволе скважины. Шарошечное буровое долото 40, показанное на фигуре 1В, может быть прикреплено к концу бурильной колонны 24, проходящей от поверхности 22 скважины. Шарошечные буровые долота, такие как долото 40 вращательного бурения, обычно образуют стволы скважин путем дробления или проникновения в пласт и скобления или скалывания пластовых материалов со дна ствола скважины при использовании режущих элементов, которые часто создают высокую концентрацию мелких абразивных частиц.

Корпус 61 долота может быть образован из трех участков, которые включают в себя соответствующие опорные лапы 50, выступающие из них. Для образования корпуса 61 долота участки могут быть сварены друг с другом при использовании обычных способов. На фигуре 1В показаны только две опорные лапы 50.

Каждую опорную лапу 50 обычно можно описать как имеющую удлиненную конфигурацию, выступающую из корпуса 61 долота. Каждая опорная лапа может включать в себя соответствующий вал (не показанный явно) с соответствующим шарошечным узлом 80, объединенным с ним с возможностью вращения. Каждая опорная лапа 50 может включать в себя соответствующие переднюю кромку 131а и заднюю кромку 132а. Каждая опорная лапа 50 может также включать в себя соответствующую калибрующую площадку 150а, образованную в соответствии с идеями настоящего раскрытия.

Каждый из шарошечных узлов 80 может иметь ось вращения, обычно соответствующую угловой взаимосвязи относящегося к нему вала и соответствующей опорной лапы 50. Ось вращения каждого шарошечного узла 80 может в общем соответствовать продольной оси связанног