Буровые долота с антитрекинговыми свойствами

Буровые долота с антитрекинговыми свойствами

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Ссылки на родственные заявки

Настоящая заявка претендует на приоритет предварительной заявки US 61/359606, поданной 29 июня 2010 г., содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.

Область техники

Настоящее изобретение относится к буровым долотам, используемым для бурения скважин в подземных породах, и, в частности, к усовершенствованным буровым долотам, в которых, например, объединены две или более шарошки с по меньшей мере одним фиксированным резцом с установленными на нем режущими элементами, и которым свойственен уменьшенный трекинг при проведении буровых работ, а также к работе таких долот в стволе буровой скважины.

Уровень техники

Известны шарошечные буровые долота, так же как и "гибридные" буровые долота, имеющие как фиксированные лопасти, так и шарошки. Шарошечные буровые долота обычно используются в нефтегазовой промышленности для бурения скважин. Шарошечное буровое долото обычно включает корпус долота, на одном конце которого имеется резьбовое соединение с бурильной колонной, а на другом конце - несколько прикрепленных шарошек, обычно три, которые могут вращаться относительно корпуса долота. На каждой из шарошек установлено несколько режущих элементов, обычно расположенных рядами по поверхности каждой шарошки. Режущие элементы обычно могут включать вставки из карбида вольфрама, вставки из поликристаллического алмаза, фрезерованные стальные зубья или их комбинацию.

Разработка и изготовление буровых долот, обладающих повышенной эффективностью бурения и высокой долговечностью, требует больших затрат. Шарошечные буровые долота считаются более сложными по конструкции по сравнению с долотами с фиксированными резцами, поскольку режущие поверхности долота расположены на вращающихся шарошках. Каждая из шарошек на шарошечном долоте вращается независимо по отношению к вращению корпуса долота, вокруг оси, наклоненной к оси корпуса долота. Поскольку шарошки вращаются независимо друг от друга, скорости вращения шарошек обычно различны. Для каждой конкретной шарошки, скорость вращения обычно может быть определена, исходя из скорости вращения долота и эффективного радиуса "ведущего венца" шарошки. Эффективный радиус шарошки обычно относят к радиальной протяженности ее режущих элементов, наиболее удаленных вдоль оси долота в направлении дна скважины. Эти режущие элементы обычно испытывают максимальные нагрузки и могут считаться расположенными в так называемом "ведущем венце". Режущие элементы на шарошке, которыми скважина пробуривается на полный диаметр долота, относятся к "калибрующему ряду".

Помимо сложности конструкции шарошечных долот, расположенные на шарошках режущие элементы во время бурения деформируют земную породу за счет комбинированного воздействия сжимающих дробящих и срезающих сил. Кроме того, в наиболее современных конструкциях шарошечных долот, режущие элементы на каждой шарошке расположены так, что режущие элементы на соседних шарошках перемежаются друг с другом. Наличие перемежающихся режущих элементов в конструкции шарошечных буровых долот обычно желательно для сведения к минимуму налипания породы на долото между соседними концентрическими рядами режущих элементов на шарошке и (или) для большего выступа вставок, позволяющего увеличить скорость проходки, при сохранении долговечности долота. Однако, взаимное перемежение режущих элементов на шарошечных долотах существенно ограничивает варианты расположения режущих элементов на долоте, дополнительно усложняя конструирование шарошечных буровых долот.

Одной серьезной и постоянно проявляющейся проблемой многих современных конструкций шарошечных буровых долот является то, что окончательное расположение резцов на шарошке, вне зависимости от того, как оно получено - произвольно или моделированием конструкции, обеспечивает далеко не оптимальные рабочие характеристики бурения, благодаря явлениям, которые не сразу обнаруживаются, например, трекингу (рейкообразованию) и "соскальзыванию". Трекинг возникает, когда режущие элементы на буровом долоте попадают в имеющиеся следы, ранее сформированные другими режущими элементами при вращении бурового долота. При таком наложении возникает боковое давление на зубья, заставляющее шарошку совмещаться с ранее оставленными следами. Трекинг также может происходить, когда зубья периферийного ряда зубьев одной шарошки попадают в следы, оставленные зубьями периферийного ряда зубьев другой шарошки. Соскальзывание связано с трекингом и происходит, когда режущие элементы ударяются в часть ранее оставленных следов и соскальзывают в эти старые следы, вместо того, чтобы прорезать непрорезанную породу, в результате чего снижается режущая эффективность долота.

В случае шарошечных буровых долот, обычно не происходит правильного перекатывания шарошек долота в процессе бурения из-за взаимодействия с дном ствола скважины (далее называемым "забоем скважины"), например, проскальзывания. Поскольку эффективность резания режущих элементов падает, когда они попадают или соскальзывают в ранее оставленные следы, сделанные другими режущими элементами, желательно избегать трекинга и соскальзывания. В частности, трекинг снижает эффективность, поскольку не происходит срезания новой породы, и энергия расходуется впустую. В идеальном случае, каждый удар в забой скважины должен приводить к удалению новой породы. Кроме того, соскальзывание нежелательно потому, что оно может приводить к неравномерному износу режущих элементов, что, в свою очередь, ведет к преждевременному повреждению долота или резца. Было установлено, что трекинг и соскальзывание часто возникают из-за неоптимального расстояния между режущими элементами на долоте. Во многих случаях, нужным образом изменив расположение режущих элементов на долоте, можно значительно ослабить остроту проблемы трекинга и соскальзывания. Это особенно проявляется в случае режущих элементов, расположенных в ведущем венце шарошки на шарошечном долоте, поскольку ведущий венец является рядом резцов, от которого в основном зависит скорость вращения шарошек.

Как было сказано, эффективность резания режущих элементов на шарошках бурового долота падает, когда они попадают или соскальзывают в ранее образовавшиеся следы, сделанные другими режущими элементами. В частности, трекинг снижает эффективность из-за того, что не происходит срезание новой породы. Это нежелательно еще и потому, что трекинг ведет к снижению скорости проходки, разрушительному износу режущих структур и преждевременному выходу из строя самих буровых долот. Соскальзывание также нежелательно, поскольку может привести к неравномерному износу самих режущих элементов, что, в свою очередь, может привести к преждевременному выходу из строя режущих элементов. Таким образом, трекинг и соскальзывание в процессе бурения может привести к снижению скорости проходки и, во многих случаях, неравномерному износу режущих элементов и конуса шарошки. При надлежащем размещении режущих элементов на долоте, проблемы трекинга и соскальзывания могут быть значительно ослаблены. Это особенно заметно в случае режущих элементов, расположенных на ведущем венце шарошки, поскольку ведущий венец в основном определяет скорость вращения шарошки.

Учитывая важность этих вопросов, были проведены исследования количественных связей между общей конструкцией бурового долота и степени скоблящего/скребущего действия, в попытке разработать и выбрать долото, подходящее для бурения заданной породы (см. например, Decun Ma и J.J.Azar, SPE Papers (Доклады Общества инженеров-нефтяников). No.19448 (1989)). Предложен ряд решений для изменения ориентации режущих элементов на долоте для решения упомянутых вопросов и проблем трекинга. Например, в US 6401839 раскрыто изменение ориентации вершин режущих элементов долотчатого типа в пределах ряда, либо между налагающимися рядами разных шарошек, для ослабления трекинга и улучшения качества бурения. В US 6527068 и 6827161 раскрываются специальные методы проектирования долот с использованием моделирования процесса бурения долотом для определения его характеристик бурения и подгонки ориентации по меньшей мере одного режущего элемента на долоте, не обладающего симметрией относительно оси, с повторением моделирования, пока не будут достигнуты оптимальные рабочие параметры. В описанном подходе к решению задачи, пользователь также должен выполнять пошаговое решение задачи движения отдельных шарошек с тем, чтобы в будущем избежать трекинга в реальных условиях работы долота. Такое сложное моделирование требует больших затрат вычислительного времени и не всегда учитывает другие факторы, которые могут повлиять на трекинг и соскальзывание, например, твердость пробуриваемой породы.

В US 6942045 раскрывается способ использования режущих элементов с различной геометрией, расположенных в одном ряду долота, для прорезывания одной дорожки в породе и ослабления трекинга. Однако во многих случаях бурения, например, бурения более твердых пород, использование асимметричных режущих элементов, например, долотчатых режущих элементов, нежелательно из-за их невысоких рабочих характеристик при бурении таких пород.

В существующих способах решения проблемы трекинга также использовался различный шаг зубьев в одном ряду. Например, в US 7234549 и US 7292967 описаны способы оценки размещения режущих элементов для бурового долота, включающие выбор размещения режущих элементов для бурового долота и вычисления выигрыша для данной режущей конфигурации. Этот способ также может быть использован для оценки режущей эффективности буровых долот различных конструкций. В одном примере, этот способ используется для вычисления выигрыша для некоторого размещения резцов, на основании сравнения ожидаемой картины следов в забое для некоторого размещения с предпочтительной картиной следов в забое. Согласно приведенным данным этот способ позволяет получить конструкцию шарошечного бурового долота с ослабленным трекингом, по сравнению с ранее существовавшими буровыми долотами.

В других описанных путях решения проблемы, для ослабления трекинга используются новые способы размещения режущих элементов на буровом долоте. Например, такое размещение описано в US 7647991, где периферийный ряд зубьев первой шарошки имеет число режущих элементов по меньшей мере равное числу режущих элементов в периферийных рядах других шарошек, соседний ряд на второй шарошке имеет число режущих элементов, равное по меньшей мере 90 процентам числа режущих элементов в периферийном ряде первой шарошки, а периферийный ряд третьей шарошки имеет шаг на 20-50% больше шага периферийных рядов первой шарошки.

В то время как упомянутые выше методы считаются полезными в некоторых конкретных применениях, направленных на решение проблем бурения, возникающих в конкретных геологических породах, в других случаях использование таких изменяемых режущих элементов нежелательно, а использование расположения с меняющимся шагом сложно в осуществлении, в результате чего сложность конструкции долота и технологии его изготовления оказываются чрезмерными для решения задачи ослабления трекинга. Требуется упрощенная конструкция, которая обеспечивала бы в конкретных применениях пониженный трекинг, без снижения срока службы долота и необходимости больших затрат времени или средств на разработку и изготовление долота.

Одним из обычно используемых способов ослабления трекинга долота является расстановка режущих элементов в шахматном порядке. В такой конструкции зубья располагаются с неравными интервалами по окружности шарошки. Такое расположение предназначено для прерывания периодически повторяющейся картины следов на забое скважины. Однако шахматное расположение зубьев не предотвращает трекинга у зубьев самых наружных рядов, где зубья встречают следы в породе, оставленные зубьями других шарошек. Недостатком шахматного расположения зубьев является также и то, что оно приводит к флуктуациям скорости шарошки и повышенным вибрациям долота. Например, в US 5197555 (Estes) раскрываются шарошечные резцы для шарошечных буровых долот с фрезерованными резцами и с круговыми рядами износостойких вставок. Как специально указывается в этом документе, "вставки на двух самых наружных рядах ориентированы под углом к оси шарошки в сторону либо ведущей стороны, либо задней стороны шарошки. Такая ориентация позволяет достичь или повышенной устойчивости вставки к разрушению, или(и) повышенной скорости проходки".

Раскрытие изобретения

Предлагаются усовершенствованные гибридные буровые долота, обеспечивающие пониженный трекинг (при увеличенной скорости проходки бурового долота в процессе бурения) и/или соскальзывание расположенных на долоте резцов в процессе подземных буровых работ, без существенного усложнения конструкции, снижения срока службы долота и необходимости больших затрат времени или средств на разработку и изготовление долота.

В соответствии с первым аспектом изобретения, предлагается гибридное буровое долото, выполненное с формированием калибрующей области, области перегиба, носовой области (самой нижней) и конусной области (центральной), и включающее: корпус долота, имеющий продольную центральную ось (осевую линию); по меньшей мере одну лопасть, отходящую от корпуса долота; первую и вторую лапы (кронштейны), отходящие от корпуса долота; первую шарошку, которая закреплена с возможностью вращения на первой лапе, отходя внутрь в направлении центральной оси, и которая имеет несколько режущих элементов в области перегиба или носовой области; вторую шарошку, которая закреплена с возможностью вращения на второй лапе, отходя внутрь в направлении центральной оси, и которая имеет несколько режущих элементов в области перегиба или носовой области; и при этом первая шарошка имеет наибольший наружный диаметр в области перегиба или носовой области, который больше наибольшего наружного диаметра второй шарошки в области перегиба или носовой области.

В соответствии с другим аспектом изобретения, предлагается гибридное буровое долото, имеющее калибрующую область, область перегиба, носовую и конусную области, и включающее: корпус долота, имеющий продольную центральную ось; по меньшей мере одну лопасть, отходящую от корпуса долота; первую и вторую лапы, отходящие от корпуса долота; первую шарошку, которая закреплена с возможностью вращения на первой лапе, и вторую шарошку, которая закреплена с возможностью вращения на второй лапе. Причем первая и вторая шарошки отходят от лапы внутрь в направлении центральной оси, но при этом усечены в длину так, что они не выступают в конусную область долота, и имеют по несколько режущих элементов, расположенных в основном круговыми рядами по меньшей мере в области перегиба и носовой области. При этом шаг резцов первой усеченной шарошки отличается от шага резцов второй усеченной шарошки. В соответствии с дополнительными вариантами выполнения данной особенности, диаметр первой шарошки отличается от диаметра второй шарошки.

В соответствии с другим аспектом изобретения, также предлагается гибридное долото для бурения пород, включающее: корпус долота, имеющий продольную центральную ось и; по меньшей мере одну лопасть, отходящую от корпуса долота и приспособленную для размещения на ней по меньшей мере одного режущего элемента; по меньшей мере две лапы долота, отходящие от корпуса долота и имеющие проходящую по кругу наружную поверхность, ведущую сторону и заднюю сторону; первую шарошку и вторую шарошку, установленные с возможностью вращения на закрепленной одним концом (консольно) цапфе подшипника, отходящей внутрь от лап долота в направлении центральной оси, при этом каждая шарошка имеет наибольший наружный диаметр в области перегиба и/или носовой области; и несколько резцов, расположенных по кругу на наружной поверхности шарошек в области перегиба или носовой области, при этом первая шарошка и вторая шарошка имеют различные наибольшие диаметры шарошки.

В соответствии с этой особенностью изобретения, резцы, относящиеся к одной или более из этих шарошек, могут дополнительно иметь изменяющийся шаг, угол наклона и (или) твердость по IADC (Международная ассоциация буровых подрядчиков), выбранные так, чтобы уменьшить трекинг долота в процессе буровых работ. В частности, зубцы шарошек могут иметь различный угол наклона.

В соответствии с этими особенностями изобретения, буровое долото может включать одну или более фиксированных режущих лопастей, отходящих в осевом направлении вниз от корпуса долота, на которых установлено несколько фиксированных режущих элементов.

Краткое описание чертежей

на фиг. 1 представлен вид снизу частного примера гибридного бурового долота, имеющего конструкцию в соответствии с некоторыми особенностями настоящего изобретения;

на фиг. 2 представлен вид сбоку гибридного бурового долота, показанного на фиг. 1, конструкция которого соответствует некоторым особенностям настоящего изобретения;

на фиг. 3 представлен вид сбоку гибридного бурового долота, показанного на фиг. 1, конструкция которого соответствует некоторым особенностям настоящего изобретения;

на фиг. 4 представлен вид сбоку комбинированной огибающей вращения вставок шарошки и фиксированных режущих элементов на гибридном буровом долоте, показанном на фиг. 1, имеющем конструкцию в соответствии с некоторыми особенностями настоящего раскрытия и взаимодействующего с пробуриваемой породой;

на фиг. 5 представлен вид сбоку с частичным вырезом частного варианта шарошечного бурового долота, в соответствии с некоторыми особенностями настоящего изобретения;

на фиг. 6-7 представлен частный вариант картины следов на забое скважины, оставленных при одном и нескольких оборотах бурового долота, обладающего высокой эффективностью резания;

на фиг. 8 представлен частный вариант картины следов на забое скважины, оставленных при нескольких оборотах бурового долота, обладающего низкой эффективностью резания;

на фиг. 9А представлен частный вариант взаимного расположения участков с перекрывающимися канавками и лунками разрушения, при этом канавки показаны прямыми для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг. 9Б представлен частный вариант взаимного расположения участков со значительно перекрывающимися канавками и лунками разрушения, при этом канавки показаны прямыми для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг. 9В представлено взаимное расположение участков с существенно перекрывающимися канавками и лунками разрушения, при этом канавки показаны прямыми для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.9Г представлено взаимное расположение участков с полностью перекрывающимися канавками и лунками разрушения, при этом канавки показаны прямыми для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.10А представлено взаимное расположение перекрывающихся лунок разрушения, созданных соответствующими рядами резцов, показанных расположенными на прямых линиях для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.10Б представлено взаимное расположение значительно перекрывающихся лунок разрушения, созданных соответствующими рядами резцов, показанных расположенными на прямых линиях для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.10В представлено взаимное расположение существенно перекрывающихся лунок разрушения, созданных соответствующими рядами резцов, показанных расположенными на прямых линиях для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.10Г представлено взаимное расположение полностью перекрывающихся лунок разрушения, созданных соответствующими рядами резцов, показанных расположенными на прямых линиях для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.11А представлено изображение двух рядов лунок разрушения, созданных рядами резцов, причем ряды резцов имеют различный шаг резцов, и показаны расположенными по прямой для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.11Б представлено другое изображение двух рядов лунок разрушения, созданных рядами резцов, причем ряды резцов имеют различный шаг резцов, и показаны расположенными по прямой для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.11В представлено изображение двух рядов лунок разрушения, созданных рядами резцов, причем один из рядов резцов имеет два различных шага резцов, и ряды показаны расположенными по прямой для лучшего понимания настоящего изобретения;

на фиг.12А-12Б представлены виды сечения частных вариантов шарошек в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.13 представлен вид сечения двух соответствующих рядов резцов, имеющих по меньшей мере одинаковый вынос относительно центральной оси долота, при этом каждый ряд расположен на своей шарошке, а ряды резцов имеют различный шаг резцов;

на фиг.14 представлен вид сечения двух соответствующих рядов резцов, имеющих по меньшей мере одинаковый вынос относительно центральной оси долота, при этом каждый ряд расположен на своей шарошке и один из рядов резцов имеет два разных шага резцов;

на фиг.15 представлен вид сечения двух соответствующих рядов резцов, имеющих по меньшей мере одинаковый вынос относительно центральной оси долота, при этом каждый ряд расположен на своей шарошке, а шарошки имеют различный диаметр, и ряды резцов имеют различный шаг резцов;

на фиг.16 представлен вид снизу частного варианта долота для бурения подземных пород в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения, в котором одна из шарошек не сцеплена с другими шарошками;

на фиг.17 представлен вид снизу частного варианта долота для бурения подземных пород в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения, в котором одна из шарошек имеет диаметр и твердость, отличающиеся от других шарошек;

на фиг.18 представлен вид снизу частного варианта гибридного долота для бурения подземных пород в соответствии с вариантами выполнения настоящего изобретения, в котором одна из шарошек имеет другой диаметр и резцы с переменным шагом в отличие от других шарошек;

на фиг.19 представлена часть классификационной таблицы долот IADC.

В то время как описанные здесь изобретения допускают различные модификации и альтернативные формы, в качестве примера ниже были показаны и подробно описаны только некоторые конкретные варианты выполнения. Чертежи и подробные описания этих конкретных вариантов выполнения не предполагают ни в какой мере ограничения области притязаний идеи изобретения или приложенной формулы. Напротив, чертежи и подробные описания представлены для иллюстрации идеи изобретения специалисту и должны позволить ему реализовать и использовать идею изобретения.

Подробное описание осуществления изобретения

Описанные выше чертежи и приводимое ниже описание конкретных структур и функций не предназначены для ограничения объема изобретения Заявителя или области притязаний приложенной формулы. Напротив, чертежи и описание предназначены для того, чтобы показать любому специалисту, как могут быть изготовлены и использованы изобретения, для которых испрашивается патентная защита. Специалистам должно быть понятно, что для краткости и лучшего понимания описаны или показаны не все признаки промышленных вариантов осуществления изобретений. Специалистам также должно быть понятно, что разработка реальных конструкций, включающих особенности настоящего изобретения, для достижения целей разработки в промышленном образце, потребует многочисленных решений, обусловленных конкретным вариантом реализации. Такие решения, обусловленные конкретным вариантом реализации, могут включать соблюдение ограничений системного, делового, нормативного и иного характера, хотя, скорее всего, не сводятся к ним. Эти ограничения могут отличаться для конкретного варианта осуществления, местоположения, и с течением времени. Хотя стоящие перед разработчиком задачи будут сложны и трудоемки в абсолютном выражении, использование данного раскрытия для специалиста сделает решение этих задач обычной работой. Следует понимать, что раскрытое и описанное здесь изобретение может иметь различные модификации и альтернативные формы. И, наконец, использование термина в единственном числе, например, выражаемого неопределенным артиклем, или иным способом, не подразумевает ограничения количества элементов. Кроме того, использование единственного числа, например, выражаемого артиклем, не подразумевает ограничения числа объектов. Далее, использование терминов, выражающих соотношения, например, помимо прочих, "верх", "низ", "левый", "правый", "верхний", "нижний", "вниз", "вверх", "боковой", "первый", "второй" и другие, используются в описании для прояснения конкретных ссылок на чертежи, и не предполагают ограничения области притязаний изобретения или приложенной формулы.

Как правило, одна или более шарошек на буровом долоте будут вращаться в процессе работы с различными отношениями скоростей вращения шарошки и долота, в зависимости от различных условий, включая рисунок выработки на забое, процедур начала бурения скважины, изменений в характере пробуриваемой породы и изменений в параметрах бурения скважины. Эти изменения во вращении, а также и другие факторы, например, расположение режущих зубьев на шарошках, могут вызвать трекинг долота. Для ослабления трекинга, необходима система, не ограниченная одним значением соотношения скоростей вращения шарошки и долота в процессе бурения. Заявители создали буровые долота с по меньшей мере двумя шарошками различных диаметров и (или) использующими различный шаг резцов на отдельных или соседних шарошках.

На фиг.1-3 представлен один частный вариант выполнения гибридного долота 11 для бурения подземных пород, в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.1 показан вид снизу частного варианта выполнения гибридного бурового долота, в соответствии с настоящим изобретением. На фиг.2 представлен вид сбоку бурового долота, показанного на фиг.1. На фиг.3 представлен вид сбоку бурового долота, показанного на фиг.2, с поворотом на 90°. На фиг.4 представлен вид сбоку комбинированной огибающей вращения вставок шарошки и фиксированных режущих элементов на гибридном буровом долоте, показанном на фиг.1. Эти чертежи будут рассмотрены в совокупности. Некоторые компоненты бурового долота могут быть аналогичны компонентам, описанным в патентных публикациях US 20080264695, US 20080296068 и 20090126998, каждая из которых включена в настоящее описание посредством специальной ссылки.

Как показано на фиг.1-3, буровое долото 11 включает корпус 13 долота с центральной продольной осью 15, определяющей центральную ось корпуса 13 долота. Гибридное долото 11 включает корпус 13 долота, на верхнем конце 12 которого имеется резьба или иная конструкция для присоединения к бурильной колонне. Буровое долото 11 может иметь один или более несущих лап (кронштейнов) 17, отходящих вдоль оси корпуса 13 долота. Несущие лапы 17 могут быть либо сформированы в виде неотъемлемой части корпуса 13, либо закреплены в гнездах в наружной части корпуса долота (не показаны). Можно считать, что каждая из несущих лап имеет ведущую кромку, заднюю кромку, расположенную между ними наружную поверхность, и нижнюю затылочную часть, проходящую вниз от верхнего конца 12 долота к рабочей торцевой поверхности долота. Корпус 13 долота также может включать одну или более фиксированных лопастей 19, проходящих вдоль оси. Корпус 13 долота может быть выполнен из стали, или твердосплавного матричного материала (например, карбида вольфрама) со стальными вставками. Корпус 13 бурового долота также включает продольный канал внутри долота (не показан), обеспечивающий подачу бурового раствора в промывочные каналы и стандартные форсунки (не показаны) для выпуска или впрыскивания его в ствол скважины и на поверхность забоя сквозь выпускные отверстия 18 вблизи корпуса 13 бурового долота при проведении буровых работ. В одном варианте выполнения настоящего изобретения, центры лап 17 и фиксированные лопасти 19 расположены с интервалом друг относительно друга с чередованием симметрично вокруг оси 15. В другом варианте выполнения, центры лап 17 и фиксированные лопасти 19 расположены с интервалом друг относительно друга с чередованием вокруг оси 15 асимметрично. Например, лапы 17 могут быть ближе к соответствующей ведущей фиксированной лопасти 19, в противоположность соответствующей идущей следом фиксированной лопасти 19, относительно направления вращения долота 11. В альтернативном варианте, лапы 17 могут быть ближе к соответствующей идущей следом фиксирующей лопасти 19, относительно направления вращения 11.

На корпусе 13 бурового долота также имеется паз 14 для инструмента для монтажа долота, сформированный на противоположных боковых сторонах хвостовика долота для создания сопряженных поверхностей для паза для инструмента, используемого в промышленности для соединения/разъединения бурового долота с бурильной колонной.

На соответствующих лапах 17 установлены шарошки 21. Каждая шарошка 21 может быть усечена так, что дистальные концы шарошек 21 радиально отстоят от центральной оси 15 (фиг.1) на минимальное радиальное расстояние 24. На шарошках 21 установлены несколько режущих вставок или элементов 25 шарошек, которые радиально отстоят от центральной оси на минимальное радиальное расстояние 28. Согласно заявке, минимальные радиальные расстояния 24, 28 могут изменяться, и могут меняться от шарошки к шарошке и (или) от режущего элемента к режущему элементу.

Кроме того, на фиксированных лопастях 19, 19' установлено несколько режущих элементов 31. По меньшей мере один из фиксированных режущих элементов 31 может быть расположен на оси 15 корпуса 13 долота и приспособлен для резания породы по центральной оси. Кроме того, на каждой фиксированной лопасти 19, 19', между ведущей и задней ее кромками может быть расположен ряд или любое нужное число рядов дублирующих резцов 33. Дублирующие резцы 33 могут быть расположены на одной линии с основными или первичными режущими элементами 31 на соответствующих фиксированных лопастных резцах 19, 19' с тем, чтобы они прорезали ту же полосу или канавку или паз, что и основные или первичные режущие элементы, расположенные на фиксированном лопастном резце. В альтернативном варианте, они могут быть радиально смещены от основных режущих элементов фиксированных лопастей с тем, чтобы они резали ту же полосу или канавку или паз, либо между теми же полосами или канавками или пазами, сформированными основными или первичными режущими элементами, расположенными на соответствующих фиксированных лопастных резцах. Кроме того, дублирующие резцы 33 обеспечивают дополнительные точки касания или зацепления между долотом 11 и пробуриваемой породой, повышая, благодаря этому, устойчивость гибридного долота 11. Примерами режущих элементов 25, 27 шарошек и фиксированных режущих элементов 31, 33 служат вставки из карбида вольфрама, вставки из сверхтвердых материалов, например, поликристаллического алмаза, и других известных специалистам материалов.

Используемый здесь термин "узел шарошки" включает шарошки и конусы шарошек в сборе различных типов и форм, установленных на лапе. Термин узел шарошки может использоваться в качестве эквивалента "шарошки" и "конуса шарошки". Узел шарошки может иметь в целом коническую наружную форму, либо может иметь более скругленную форму. Узлы шарошки на шарошечном долоте обычно обращены внутрь друг к другу, или по меньшей мере в направлении центральной оси бурового долота. В некоторых применениях, например, шарошечных буровых долотах, имеющих только один узел шарошки, узел шарошки может иметь в целом шаровую внешнюю форму.

Используемый термин "режущий элемент" включает различные порошковые прессовки, вставки, фрезерованные зубья и сварные прессовки, пригодные для использования в шарошке и гибридных буровых долотах. Термины "режущая структура" и "режущие структуры" могут быть в равной степени использованы в настоящей заявке для обозначения различных комбинаций и конфигураций режущих элементов, сформированных на одном или более узлах шарошки шарошечного бурового долота, или прикрепленных к такому узлу.

Как показано на фиг.4, шарошечные режущие элементы 25, 27 и фиксированные режущие элементы 31, 33 объединяются для образования режущего профиля 41, проходящего от центральной оси 15 к наиболее радиально удаленной от оси внешней границе, или калибрующей секции 43. Однако шарошечные режущие элементы 25 перекрываются с фиксированными режущими элементами 31 на режущем профиле 41, между центральной осью 15 и наиболее радиально удаленной от оси внешней границей 43. Шарошечные режущие элементы 25 расположены так, чтобы резать в носовой части 45 и на перегибе 47 режущего профиля 41, при этом носовая часть 45 является ведущей частью профиля (т.е., расположена между центральной осью 15 и перегибом 47), обращенной в сторону стенки ствола скважины и расположенной рядом с калибрующей частью 43.

Таким образом, шарошечные режущие элементы 25, 27 и фиксированные режущие элементы 31, 33 объединяются для формирования общей режущей торцевой поверхности 51 (фиг.2 и 3) в носовой 45 части и перегибе 47, которые, как известно, являются наименее надежными частями профиля долота с фиксированными резцами. Режущий торец 51 расположен по оси на дистальном конце гибридного бурового долота 11. По меньшей мере один из режущих элементов 25, 27 каждой шарошки, и фиксированных режущих элементов 31, 33 выступают в осевом направлении на режущей торцевой поверхности по существу на одинаковое расстояние и, в одном варианте выполнения, смещены по радиусу один относительно другого, даже если они находятся на одинаковом расстоянии вдоль оси. Однако, выравнивание вдоль оси наиболее удаленных элементов 25, 31 не требуется, чтобы элементы 25, 31 могли быть разнесены вдоль оси на значительное расстояние, находясь в наиболее удаленном дистальном положении. Например, корпус долота имеет развилину 53 (фиг.3), образованную по меньшей мере отчасти по центральной оси между лапами 17 и фиксированными лопастями 19, 19'.

В одном варианте выполнения, необходимо, чтобы фиксированные режущие элементы 31, 33 были сдвинуты вдоль оси и удалены (т.е., находились ниже) по отношению к развилке 53. В другом варианте выполнения, шарошки 21, 23 и шарошечные режущие элементы 25, 27 могут выступать за пределы (например, примерно на 0,060 дюйма) наиболее удаленных вдоль оси частей фиксированных лопастей 19, 19' и фиксированных режущих элементов 31, 33, для компенсации различия в износе между этими компонентами. Когда профиль 41 переходит от перегиба 47 к внешней границе, или калибрующей части гибридного долота 11, шарошечные вставки 25 больше не входят в зацепление с породой (см фиг.4), и несколько рядов расставленных по вертикали (т.е., вдоль оси) в шахматном порядке фиксированных режущих элементов 31 разбуривают гладкую стенку ствола скважины. Шарошечные режущие элементы 25 имеют сильно сниженную эффективность разбуривания и создавали бы нежелательные повреждения стенки ствола скважины.

Когда шарошки 21, 23 дробят или каким-либо иным способом проходят сквозь пробуриваемую породу, ряды шарошечных режущих элементов 25, 27 образуют канавки или борозды. Эти канавки имеют в основном круговую форму, поскольку долото 11 вращается в процессе бурения. Канавки также расположены с промежутками от центральной оси пробуриваемой скважины, также как и ряды шарошечных режущих элементов 25, 27 разнесены с промежутками от центральной оси 15 долота 11. В частности, каждый из резцов 25, 27 обычно формирует одну или более лунку разрушения вдоль канавки, создаваемой рядами резцов, к которым принадлежит резец 25, 27.

На фиг.5 в целом представлен частный вариант долота 111 шарошечного типа, в соответствии с особенностями настоящего изобретения, при этом долото 111 имеет корпус 113 долота с одной или более лапами 127, отходящими от корпуса долота. На верхнем конце корпуса 113 долота имеется резьба 115 для присоединения долота к бурильной колонне (не показана). Как в целом показано на чертеже, лапа долота может иметь проходящую в основном по кругу наружную поверхность, ведущую сторону и заднюю сторону. Корпус 1