Буровое долото и система для бурения ствола скважины

007764 Настоящее изобретение в основном относится к буровому долоту, предназначенному для бурения ствола скважины, при этом буровое долото имеет корпус, расположенный вдоль центральной продольной оси, и приводится в действие посредством вращения относительно центральной продольной оси. Расширяемое буровое долото известно в технике и описано в опубликованном патенте GB 2365888 А. Известное буровое долото содержит две поворотные лапы, снабженные режущими элементами. В сложенном положении лапы вырезают скважину, в которую проходит корпус долота, а в разложенном положении они расширяют скважину. В разложенном положении направляющая часть вырезает центральную часть ствола скважины, а лапы вырезают скважину заданного диаметра. Цель настоящего изобретения заключается в улучшении бурового долота. В частности, цель изобретения состоит в создании бурового долота, которое бы более надежно переключалось между сложенным и разложенным положениями. Согласно настоящему изобретению, предложено буровое долото, предназначенное для бурения скважины в некотором объекте, которое имеет центральную продольную ось и содержит корпус с центральной стойкой для крепления бурового долота к буровой системе, по меньшей мере одну режущую лапу, каждая из которых снабжена набором режущих элементов для бурения пород и соединена с корпусом с помощью шарнира, который дает возможность режущей лапе поворачиваться от сложенного до разложенного в радиальном направлении положения. Буровое долото снабжено опорным средством,предназначенным для поддерживания режущей лапы в разложенном положении, причем опорное средство передает по меньшей мере часть крутящего момента, возникающего при бурении, от режущей лапы на корпус долота для уменьшения или предотвращения передачи указанного крутящего момента через шарнирный узел. Преимущество наличия опорного средства заключается в том, что шарнирный узел освобождается от восприятия полной нагрузки от крутящего момента. Таким образом, шарнир менее подвержен повреждениям, происходящим из-за передачи высоких нагрузок, при этом не снижается надежность переключения бурового долота из сложенного в разложенное положение и наоборот. Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена гидравлическая система, предназначенная для поворота лапы от сложенного до разложенного в радиальном направлении положения. Гидравлическая система содержит цилиндр и поршень, подвижно установленный в цилиндре с образованием приводной полости с одной стороны поршня и возвратной полости с другой стороны поршня. Поршень занимает переднее и заднее положение в цилиндре, причем поршень переходит в заднее положение тогда, когда сила, действующая на поршень благодаря давлению в приводной полости, превышает по величине возвратную силу, действующую на поршень в возвратной полости. Поршень соединен с поворотной лапой для перевода ее из сложенного в разложенное положение и с задвижкой, выполненной так, что возвратная сила, действующая на поршень благодаря давлению в возвратной полости, превышает силу, действующую на поршень благодаря давлению в приводной полости, когда поршень находится в переднем положении или близко к нему. Противоположным является случай, когда поршень находится в положении, отличном от переднего положения или близкого к нему. Когда лапа находится в сложенном положении, поршень находится в переднем положении или близко к нему, а задвижка переключена так, чтобы поршень стремился занять переднее положение. Когда поршень механически передвигается от переднего положения, задвижка переключается, так как она соединена с поршнем, что приводит к тому, что приводная сила, действующая на поршень благодаря давлению в приводной полости, превышает по величине возвратную силу, действующую на поршень благодаря давлению в возвратной полости. Следовательно, лапа поворачивается в разложенное положение и удерживается в данном положении поршнем. Начальная ситуация, когда поршень стремится принять переднее положение, может быть восстановлена при механическом перемещении поршня в его переднее положение или благодаря дополнительной задвижке для регулирования давлений внутри приводной и возвратной полостей так, чтобы поршень по команде перемещался вперед. Настоящее изобретение далее будет описано более подробно с помощью примера и со ссылками на прилагаемые чертежи. На фиг. 1 схематически изображен продольный вид долота в сложенном положении с частичным разрезом; на фиг. 2 - схематический продольный вид долота в разложенном положении с частичным разрезом; на фиг. 3 - схематический поперечный разрез по 3-3 на фиг. 2. На чертежах одинаковые числа обозначают одинаковые элементы. На фиг. 1-3 изображено буровое долото 1, предназначенное для бурения ствола скважины в земляной породе. Данное буровое долото имеет направляющую часть 1 а, снабженную отверстиями 1b для жидкости и режущую систему 1 с, аналогичную режущей системе обычного бурового долота. Направляющая часть 1 а имеет диаметр D1, значение которого немного меньше, чем диаметр прохода входной части ствола скважины, например, определенной диаметром обсадной трубы (не показано), имеющейся в верхней части ствола скважины. Буровое долото имеет стойку 2, снабженную резьбой 3 для соединения бурового долота с бурильной колонной (не показана). Направляющая часть 1 а неподвижно соединена с-1 007764 трубкой 6, которая по оси вдвигается в стойку 2, причем трубка 6 снабжена поршнем 7. Таким образом,направляющая часть 1 а, трубка 6 и поршень 7 могут сдвигаться в осевом направлении относительно стойки 2. Стойка 2 снабжена двумя расположенными друг напротив друга боковинами 8, каждая боковина 8 имеет плоскую внутреннюю поверхность 8 а (фиг. 3), расположенную с другой стороны от плоской внешней поверхности 8b направляющей части 1 а, когда направляющая часть 1 а находится в самом верхнем положении относительно стойки 2 (фиг. 2). Буровое долото 1 дополнительно снабжено режущими лапами, представляющими собой лапы 9 с уширенной пятой, которые соединены со стойкой 2 с помощью шарнира, представляющего собой стержни 10, поддерживаемые боковинами 8. Каждая лапа 9 с уширенной пятой может поворачиваться относительно соответствующего стержня 10 и переходить из сложенного положения, в котором лапа 9 с уширенной пятой, по существу, не выступает за пределы направляющей части 1 а, до разложенного положения, в котором лапа 9 с уширенной пятой задает больший диаметр устройства по сравнению с диаметром направляющей части 1 а. Стойка 2 в своей нижней части снабжается кольцевидным стопорным замком 12, который в разложенном положении лапы 9 плотно садится в соответствующий кольцевой паз 14,имеющийся в каждой лапе 9. Стопорный замок 12 и паз 14 имеют зубчатый профиль (не показан), что позволяет передавать крутящий момент, возникающий при работе бурового долота 1, от лапы 9 к стойке 2. Вместо зубчатого профиля стопорный замок 12 и паз 14 могут иметь любой другой профиль, подходящий для того, чтобы передавать нагрузки и крутящий момент между лапами 9 и стойкой 2, например,ступенчатый профиль. Поршень 7 образует две кольцевые полости в стойке 2, причем полость 16 под поршнем соединяется с внутренней частью трубки 6 посредством отверстия 18. Отверстие 18 перекрывается стойкой 2 в самом нижнем положении поршня 7. Полость 19 над поршнем 7 соединяется с кольцевым зазором (не показан) между буровым долотом 1 и стволом скважины посредством отверстия 20. Когда буровой раствор циркулирует по долоту 1, перепад давления жидкости в отверстиях 1b порождает направленную вверх силу, воздействующую на трубку 6, так как кольцеобразная площадь поршня больше площади трубки 6. В случае двух симметрично расположенных лап 9 долото 1 имеет режущую систему со сбалансированными силами при любом положении лап 9. Внешняя поверхность боковин 8 стойки 2 может иметь износостойкое покрытие, предназначенное для обеспечения дополнительной боковой стабилизации долота. Процесс бурения в земле скважины, диаметр которой превышает номинальное значение с использованием обсадной колонны, осуществляется следующим образом. Долото 1 проходит через обсадную колонну своей направляющей частью 1 а, которая в осевом направлении выступает за стойку 2 и лапы 9, которые находятся в сложенном положении (как показано на фиг. 1). Направляющая часть 1 а остается в выдвинутом положении благодаря срезному штифту 22,имеющемуся на стойке 2. Данный штифт предотвращает движение вверх трубки 6 в стойке 2. Буровое долото 1 далее движется в открытое отверстие под обсадной трубой для закрепления бурового устройства в нижней части обсадной трубы. Далее обсадная труба вместе с буровым устройством передвигается к нижней части скважины. Во время выполнения данной операции возможна циркуляция бурового раствора без приведения в действие лап 9 с уширенной пятой, так как отверстие 18 в трубке 6 закрыто стойкой 2 при нахождении поршня в самом нижнем положении. Когда направляющая часть достигает низа скважины, трубка 6 перемещается вверх относительно стойки 2, разрушая срезной штифт 22, после чего открывается отверстие 18. Перепад давления в отверстиях для жидкости долота будет стремиться закрыть долото. При закрытии долота лапы 9 будут передвигаться наружу, в результате чего они окажутся в разложенном положении, как схематически изображено на фиг. 2. Как изображено на фиг. 2, когда лапы 9 находятся в полностью разложенном положении, боковины 8 стойки 2 фиксируются относительно плоских внешних поверхностей 8b направляющей части 1 а. В тоже время стопорный замок 12 на нижней части стойки 2 фиксируется в пазах 14 лап 9. Взаимодействие стопорного замка 12 и пазов 14 лап 9 предотвращает поворот лап 9 относительно стойки 2 в направлении вращения долота. Так как направляющее долото находится в своем самом верхнем положении, то лапы 9 принимают максимально разложенное положение, а буровой крутящий момент направляющего долота передается через боковины 8 стойке 2 и последовательно к буровому устройству через резьбовое соединение 3. Вес направляющей части 1 а передается через лапы 9 и стопорный замок 12 на стойку 2 и последовательно через резьбовое соединение 3 на буровое устройство. Вес лап 9 передается через стопорный замок 12 на стойку 2, и крутящий момент от лап 9 передается через секции с зубьями стопорного замка 12 на стойку. Таким образом, когда лапы 9 находятся в разложенном положении, механизм расширения не подвергается нагрузкам, возникающим при бурении, что обеспечивает высокую прочность данному долоту. Для объекта бурения разложенное долото представляет собой единое непрерывное долото. Направляющее долото также может использоваться для разбуривания предыдущего башмака обсадной колонны, снабженного расширением или для разбуривания предыдущего башмака обсадной колонны, как части обычных буровых работ с обсадной колонной. В данном случае процедура будет следующей. После того как буровое устройство закрепили в об-2 007764 садной колонне, обсадная колонна двигается в обсаженный ствол скважины до тех пор, пока не будет достигнута верхняя часть цемента. Далее отверстие 18 открывается благодаря движению направляющей части 1 а вверх относительно стойки 2. При циркуляции бурового раствора, например, глинистого раствора, возникает осевая сила сжатия, и долото стремится закрыться и толкает наружу лапы 9. Во время вращения долота лапы 9 расширяют буровую скважину до тех пор, пока режущие элементы на лапах 9 не войдут в контакт со сталью предыдущей уже установленной обсадной колонны. Данные режущие элементы должны изготавливаться так, чтобы они не резали сталь. Этого можно достичь, например, используя режущие элементы с большими отрицательными углами резания, аналогичными тем, которые используются в буровых долотах со смещенным центром. При разбуривании цемента из башмака обсадной колонны лапы 9 отскабливают цемент с внутренней стенки установленной обсадной колонны или расширенной области установленной обсадной колонны. Когда лапы 9 выступают в открытую буровую скважину ниже предыдущей обсадной колонны, режущая система дает возможность дополнительно расширить буровую скважину для того, чтобы лапы 9 могли достичь полностью разложенного положения, как показано на фиг. 2 и 3. Конструктивная особенность, необходимая для разбуривания башмака обсадной колонны, состоит в том, что направляющая часть 1 а фиксируется относительно стойки 2 долота в направлении вращения долота при любом положении поршня 7. Этого можно достичь, удлиняя боковины 8 и увеличивая размер плоских поверхностей 8b по диаметру направляющей части 1 а так, чтобы они постоянно зацеплялись друг за друга. Альтернативно, верхняя часть трубки 6 может быть снабжена рейками, которые задвигаются в верхнюю часть стойки 2 с целью предотвращения вращения направляющей части 1 а относительно стойки 2. При разбуривании башмака обсадной колонны буровой крутящий момент от лап 9 передается на стойку 2 через стержни 10. Альтернативно, сопряжение между лапами и направляющей частью может иметь радиальные пазы, которые передают вращательный момент от лап к стойке. В общем, в настоящем изобретении предложено расширяемое долото, которое способно производить бурение в нескольких положениях. В разложенном положении лапы фиксируются с помощью гидравлического давления. Когда лапы зафиксированы, силы, возникающие при бурении, включая крутящий момент на долоте и/или вес долота, передаются непосредственно от режущих элементов на стойку долота, разгружая тем самым стержни лап. С этой точки зрения данное долото воздействует на породы как обычное долото, причем потенциальная производительность при бурении аналогична производительности обычного долота. Данное свойство вместе с соответствующей режущей системой на лапах 9 обеспечивает возможность использования данного бурового долота для бурения широкого спектра горных пород, включая твердый грунт. Среди других свойств, которыми обладает настоящее буровое долото, можно указать следующие: наличие зажимного приспособления для фиксирования трубки при достижении лапами полностью разложенного положения посредством гидравлического воздействия через поршень и трубку. Таким образом, долото фиксируется в разложенном положении. В конце процесса работы долото может снова сложиться посредством вытягивания бурового устройства в обсадную колонну. Данная вытягивающая сила разрушает срезаемые штифты, удерживающие зажимное приспособление для освобождения трубки,позволяя лапам принять сложенное положение,расположение выпускных отверстий в направляющей части долота таким образом, чтобы струи из данных отверстий были направлены к лапам, что позволяет обеспечить эффективное очищение и охлаждение,возможность использования расширяемого долота для обычного бурения скважин, диаметр которых больше номинального, с бурильной трубой, а не с обсадной колонной. В данном случае стойка долота предпочтительно снабжается водоводами, предназначенными для обеспечения циркуляции бурового раствора в сложенном положении лап,возможность добавления нескольких наборов лап в описанный выше гидравлический механизм фиксации. Гидравлический механизм фиксации, описанный выше, может применяться в более широком смысле, а также для достижения специфических целей для других расширяемых элементов для буровой скважины, таких как расширяемые стабилизаторы, применяемые при бурении скважин, диаметр которых больше номинального. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Буровое долото для бурения ствола скважины в некотором объекте с центральной продольной осью, характеризующееся тем, что оно содержит корпус с центральной стойкой для крепления бурового долота к буровой системе, по меньшей мере одну режущую лапу, каждая из которых снабжена набором режущих элементов для бурения упомянутого объекта и соединена с корпусом посредством шарнира,обеспечивающего возможность поворота режущей лапе от сложенного до разложенного в радиальном-3 007764 направлении положения, при этом буровое долото снабжено опорным средством для поддержания режущей лапы в разложенном положении, причем опорное средство выполнено с возможностью передачи по меньшей мере части крутящего момента, возникающего при бурении, от режущей лапы на корпус долота для уменьшения или исключения передачи указанного крутящего момента через шарнир и с возможностью передачи осевых нагрузок от режущей лапы на корпус долота в разложенном положении лапы посредством торцевой поверхности корпуса. 2. Буровое долото по п.1, характеризующееся тем, что опорное средство выполнено с возможностью передачи осевой сжимающей нагрузки от режущей лапы на корпус долота. 3. Буровое долото по любому из пп.1 и 2, характеризующееся тем, что опорное средство выполнено с возможностью опоры поддерживать осевую сжимающую нагрузку от режущей лапы на корпус долота. 4. Буровое долото по любому из пп.1-3, характеризующееся тем, что опорное средство выполнено с возможностью передачи большей части крутящего момента, предпочтительно всего крутящего момента от режущей лапы на корпус долота. 5. Буровое долото по любому из пп.1-4, характеризующееся тем, что режущая лапа дополнительно имеет возможность поворота в промежуточное положение, в котором имеется второй набор режущих элементов для образования второго режущего положения относительно объекта бурения для бурения скважины, диаметр которой меньше, чем при разложенном положении лап. 6. Буровое долото по любому из пп.1-5, характеризующееся тем, что оно дополнительно снабжено направляющей частью с направляющими режущими элементами, предназначенными для предварительного бурения направляющего ствола скважины до бурения режущей лапой. 7. Буровое долото по п.6, характеризующееся тем, что направляющая часть выполнена с возможностью осевого перемещения относительно стойки, причем режущая лапа соединена с направляющей частью для управления поворотом режущей лапы. 8. Буровое долото по п.7, характеризующееся тем, что направляющая часть соединена с гидравлической системой для управления указанным осевым перемещением. 9. Буровое долото по любому из пп.1-8, характеризующееся тем, что буровое долото является буровым долотом, предназначенным для бурения в горных породах.