Породоразрушающий инструмент, интегрируемый с бурильной колонной

Изобретение описывает породоразрушающий инструмент, интегрированный в бурильную колонну для расширения ствола скважины и, по меньшей мере, содержащий один или несколько боковых резцов (12, 13, 14), расположенных вдоль оси бурильной колонны в кожухе (11) расширителя и выполненных с возможностью вращения относительно кожуха (11) инструмента индивидуальным средством привода. Боковые резцы с автономным приводом вращения могут являться шарошками куполообразной формы, радиально выдвигающимися из кожуха расширителя (11), или шарошками специальной некруглой формы, вращающимися без выдвижения. Тагхипоур Кхадрбейк Мохаммад Али Область техники Изобретение относится к породоразрушающим инструментам, которые могут использоваться в бурении нефтяных, газовых и глубоких водных скважин и операциях горной разработки. В частности, создан породоразрушающий инструмент, интегрированный в бурильную колонну. Предпосылки изобретения Буровые долота, используемые для бурения стволов скважин через пласты, обычно имеют номинальный диаметр, т.е. диаметр, который должен создаваться, когда буровое долото вращается и аксиально вдавливается в породу. Часто необходимо увеличить диаметр ствола скважины за пределы номинального диаметра бурового долота для нескольких целей. Хорошо известно, что в процессе бурения глубоких скважин для добычи нефти и газа требуется расширение ствола скважины ниже башмака обсадной колонны для обработки стенки ствола, скважины для предотвращения уменьшения заданного диаметра ствола скважины и также увеличения диаметра ствола скважины, бурящегося основным долотом, перед бурильной колонной. Предпринимались многочисленные попытки создания надлежащих инструментов для расширения ствола скважины, особенно в нефтяных скважинах. В одном известном решении используют специализированные буровые долота, известные как эксцентричные долота со смещенным центром. Долота со смещенным центром разработаны для создания стволов скважин с пробуренным диаметром больше диаметра отверстия, через которое такие долота должны проходить, когда они не вращаются. Патенты США 6340064, 6394200, 5992548 и 5678644 являются примерами. Вместо использования моноблочной буровой конструкции, такой как эксцентричное долото или долото со смещенным центром для расширения ствола скважины, известно использование расширителей, включающих в себя лопасти расширителя, обычно включаемые в компоновку бурильной колонны аксиально над буровым долотом. Расширители имеют обычно два рабочих положения, закрытое или сложенное положение, которое обеспечивает их проход через самую узкую секцию ствола скважины, и открытое или частично расширенное положение, где один или несколько рычагов с породоразрушающими элементами выдвигаются радиально наружу от оси вращения корпуса инструмента. Когда расширитель вращается, породоразрушающие элементы на выдвинутых рычагах расширяют стволы скважин. Патенты США 4589504, 5368114, 5060738, 4431065 являются примерами расширителей со сплошными выдвигающимися рычагами. Известны конические боковые шарошки, используемые вместо сплошных режущих лопастей для расширения ствола скважины; примеры роликовых боковых шарошек, раскрытых в патентах США 2122763, 2172762, 2189033, 2189037, 2199693, 2260366, 230492, 3306381, 3627068, 3907048, 4182425,4398610, 4036314. Патенты США 6378632 и 3917011 являются особыми вариантами с использованием роторных конических шарошек для увеличения диаметра ствола скважины. Кроме того, из патента США 2004/0134687 известно устройство раздвижного расширителя и способ увеличения диаметра ствола скважины, в которых перемещающаяся вбок лопасть, которую несет трубчатый корпус, может выборочно устанавливаться в отведение внутрь положение и в выдвинутое положение. Перемещающаяся вбок лопасть, удерживаемая отведенными внутрь поворачивающими лопасть элементами, может подаваться в направлении наружу выборочным созданием сообщения текучей средой с буровым раствором с помощью исполнительной муфты, расположенной в трубчатом корпусе. Патент США 6378632 В 1 раскрывает расширитель, который открывает ствол скважины под сужением, который больше самого сужения. Расширитель включает в себя резцы, входящие в контакт с пластом с перемещением в направлении наружу и вверх. Усилие, толкающее резцы в выдвинутое положение, создает поршень, встроенный в каждую опору резца. Давление, действующее на поршень, обеспечивает перепад давления между кольцевым пространством и бурильной колонной во время циркуляции бурового раствора. Патент Великобритании 1208127 относится к скважинным расширителям и, конкретнее, к скважинным расширителям с одной боковой шарошкой, используемой для увеличения диаметра ствола скважины. Другие примеры расширителей раскрыты в публикации WO 02/064939 А 1, патенте США 6378632 В 1 и публикации патентной заявки США 2009/0294173 А 1. Увеличение диаметра ствола скважины породоразрушающими лопастями или пассивными шарошками связано с увеличенным крутящим моментом бурильной колонны. Кроме того, вследствие эксплуатационных ограничений, таких как вибрационные, увеличение диаметра при использовании пассивных резцов ограничено. Использование активных роторных вращающихся резцов является предпочтительным по крутящему моменту и должно также обеспечивать бурение стволов скважин увеличенного диаметра по сравнению с возможным в настоящее время. Целью настоящего изобретения является создание инструмента, устраняющего недостаток увеличенного крутящего момента бурильной колонны и вибраций известных решений. Раскрытие изобретения Настоящее изобретение предлагает новые расширители со специальными боковыми резцами с возможностью автономного вращения. Использование вращающихся боковых резцов с автономным приводом вместо пассивных лопастных и шарошечных породоразрушающих элементов для расширения ствола скважины является сущностью настоящего изобретения. Использование активных вращающихся резцов является предпочтительным по крутящему моменту и должно также обеспечивать бурение стволов скважин с диаметром больше, чем возможно сегодня. В частности, цель изобретения достигается породоразрушающим инструментом, интегрированным в бурильную колонну и, по меньшей мере, содержащим один или несколько боковых резцов, расположенных вдоль оси бурильной колонны в кожухе расширителя и выполненными с возможностью вращения независимо от кожуха расширителя вокруг оси непараллельной оси вращения бурильной колонны. Согласно одному варианту осуществления изобретения породоразрушающий инструмент отличается тем, что боковые резцы выполнены с возможностью вращения индивидуальным средством привода. Согласно одному варианту осуществления изобретения породоразрушающий инструмент отличается тем, что вращающиеся боковые резцы куполообразной формы с автономным приводом выдвигаются радиально наружу из корпуса расширителя системой приведения в действие. Вращающиеся боковые резцы выдвигаются радиально наружу из корпуса расширителя относительно кожуха инструмента на расстояние больше диаметра ствола скважины и при этом вдавливаются в боковую стенку ствола скважины и удаляют материал в процессе фрезерования. Кожух может включать в себя по меньшей мере один исполнительный механизм для приведения в действие по меньшей мере одного резца с перемещением между выдвинутым рабочим и отведенным положением, в частности для отведения резца или резцов во время спускоподъемных операций с бурильной колонной. Механизм приведения в действие согласно одному аспекту данного варианта осуществления может быть давлением бурового раствора или механическим средством. В другом варианте осуществления породоразрушающий инструмент отличается тем, что вращающиеся боковые резцы куполообразной формы с автономным приводом имеют некруглое сечение. Данные некруглые боковые резцы могут согласно одному аспекту данного варианта осуществления вращаться без выдвижения радиально наружу от кожуха корпуса, где они не выдвинуты из кожуха расширителя в пассивном положении, и в повернутом положении некруглый резец должен медленно перемещаться и выдвигаться из кожуха расширителя с превышением диаметра ствола скважины и при этом вдавливаться в боковую стенку ствола скважины. Вращающаяся боковая шарошка в форме кулисы может иметь любое некруглое сечение с аспектовым отношением больше единицы, где аспектовое отношение определяется как отношение длины к ширине сечения. Так, например, для данного документа круг имеет аспектовое отношение, равное единице, и эллипс имеет аспектовое отношение больше единицы,поскольку его большая ось (длина) больше малой оси (ширина). Согласно данному варианту осуществления инструмент может включать в себя вращающиеся боковые шарошки в форме кулисы с некруглым сечением различных размеров для увеличения ствола скважины ступенчато, при этом самые малые боковые шарошки расположены ближе всего к буровому долоту для выполнения первой стадии расширения. В обоих вариантах осуществления при одновременном вращении кожуха инструмента и боковых резцов ствол скважины может расширяться до диаметра больше начального. Кроме того, оба варианта осуществления настоящего изобретения создают породоразрушающий инструмент, в котором средство привода может являться одним из следующего: забойным двигателем, гидравлическим двигателем или электродвигателем. Дополнительно система зубчатой трансмиссии может быть использована для передачи вращения от средства привода на боковые шарошки. Индивидуальное средство привода может быть одним из следующего: гидравлическим двигателем или электродвигателем с прямым приводом на боковые шарошки. Изобретение сфокусировано на использовании активных вращательных боковых резцов с автономным приводом для расширения ствола скважины, тогда как в известных расширителях используют пассивные лопасти/породоразрушающие элементы/шарошки. Другие признаки и преимущества согласно настоящему изобретению должны стать ясны из зависимых пунктов формулы изобретения. Краткое описание чертежей Для лучшего понимания изобретение описано ниже со ссылкой на чертежи, на которых изображено следующее. На фиг. 1 схематично показан расширитель с тремя активными вращающимися боковыми резцами,размещенными в одном направлении. На фиг. 2 показаны направления и оси вращения в расширителе с вращающимися боковыми шарошками. На фиг. 3 схематично показана боковая шарошка с некруглым сечением, покрытая режущими элементами. На фиг. 4 схематично показана боковая шарошка при вращении (слева) и в неактивированном положении (справа). На фиг. 5 показана зона породоразрушения расширителя с тремя активными вращающимися боковыми резцами. На фиг. 6 схематично показана одна система привода согласно одному аспекту изобретения с использованием гидравлического забойного двигателя и конических шестерен. На фиг. 7 показано сечение индивидуальных систем привода для каждых трех шарошек. На фиг. 8 схематично показана роторная боковая шарошка, остановленная в нейтральном положении. На фиг. 9 схематично показан кожух расширителя с роторным выдвигающимся боковым резцом (в середине) в неактивном положении (слева) и радиально выдвинутом положении (справа). Подробное описание изобретения Изобретение описано ниже и показано на чертежах, на которых идентичными позициями ссылки указаны аналогичные элементы. Чертежи включены иллюстративно, для понятного объяснения принципа изобретения, и специалисту в данной области техники должны быть ясны другие варианты осуществления, отличающиеся от показанных на чертежах. Для описания приведенного ниже применяются следующие определения: резцы следует понимать как любые резцы, расположенные по длине бурильной колонны/расширителя над буровым долотом для бурения стенок ствола скважины. Также термины "боковые резцы" и "шарошки" используются взаимозаменяемо и должны быть включены в определение резцов. Основной задачей изобретения является создание расширителей, которые включают в себя один или несколько резцов, расположенных позади бурового долота, при этом по меньшей мере один из резцов вращается средством, отличным от бурового долота. Вначале описывается общий вариант осуществления, использующий резцы с автономным приводом; после этого раскрываются примеры вариантов осуществления изобретения. Новый расширитель ствола скважины согласно настоящему изобретению имеет цилиндрический кожух, установленный как часть бурильной колонны. Расширитель состоит из по меньшей мере одной вращающейся шарошки на боковой стороне бурильной колонны, почти вертикальной к оси ствола скважины. Боковые шарошки могут вращаться с использованием системы гидравлического забойного двигателя, установленной внутри основного кожуха. Вместе с тем многие другие средства приводных систем могут использоваться; в данном контексте важно индивидуальное приведение в действие шарошек/породоразрушающих элементов. Внутренняя система гидравлического привода может быть установлена по оси боковых шарошек или по оси бурильной колонны и для вращения боковых шарошек с использованием системы зубчатой передачи/трансмиссии или прямого привода. Также средство привода может являться электродвигателем с приводом через зубчатую трансмиссию или прямым приводом. Согласно настоящему изобретению созданы два альтернативных конструктивных исполнения вращающихся боковых резцов. В первом конструктивном исполнении вращающиеся боковые шарошки должны выдвигаться радиально наружу относительно кожуха инструмента с превышением диаметра ствола скважины. Радиальное выдвижение боковых шарошек может создаваться давлением бурового раствора или с использованием других механических систем, включающих в себя системы с электроприводом. Во второй альтернативе боковые шарошки имеют специальное эксцентричное конструктивное исполнение. Шарошки с некруглым сечением должны вращаться без выдвижения из корпуса расширителя механическими, гидравлическими и даже электрическими механизмами (см. фиг. 2, 4 и 5). В обеих альтернативах режущие элементы, установленные на боковых шарошках, должны вращаться вокруг оси шарошки, а ось шарошек сама должна вращаться с вращением бурильной колонны. Использование данного варианта обеспечивает создание новой траектории резания режущих элементов,при этом должен уменьшаться крутящий момент на бурильной колонне. Кроме того, использование данного варианта должно обеспечивать использование гидравлической энергии циркуляции бурового раствора в процессе расширения ствола скважины для повышения производительности бурения. При использовании нескольких боковых шарошек разного размера в одном инструменте возможно создание ствола скважины большего диаметра с более существенным расширением в сравнении с известными расширителями. На фиг. 1 схематично показана компоновка расширителя 11 согласно одному варианту осуществления изобретения. Расширитель 11 имеет три боковые шарошки/резца 12, 13, 14, установленных на боковой стороне кожуха 11 расширителя. Шарошки/резцы 12, 13, 14 показаны в проемах кожуха 11 расширителя, при этом буровое долото 15, которое находится на торце бурильной колонны, должно вращаться с основным кожухом расширителя. Боковые шарошки/резцы 12, 13, 14 могут вращаться вокруг своих осей,вертикальных к оси бурильной колонны. Для лучшего понимания инструмента боковые резцы показаны с одной стороны корпуса 11 расширителя, но могут устанавливаться повернутыми под углом друг к другу; при расположении боковых шарошек/резцов 12, 13, 14 следует учитывать вибрацию. В данном примере, где используются три шарошки, их можно расположить с трех сторон корпуса инструмента с разносом 120. Как указано, инструмент может также иметь конструктивное исполнение с различным числом вращающихся боковых резцов в зависимости от конкретных вариантов применения. На фиг. 2 показана схема направлений и осей вращения, причем плоскость окружности 22, перпендикулярная к плоскости окружности 21 бурильной колонны, показывает траекторию резания элемента при вращении вокруг оси боковой шарошки. Вращение кожуха расширителя показано окружностью 21,и стрелка указывает ось ствола скважины. Схема типичной эксцентричной боковой шарошки 32 показана на фиг. 3. Боковая шарошка 32 согласно данному альтернативному конструктивному исполнению имеет эксцентричную форму с режущими элементами 36 на поверхности. На фиг. 4 слева показана эксцентричная шарошка 42, когда она начинает вращение, режущие элементы в эксцентричной части шарошки должны покрывать диаметр больше, чем у кожуха 41 расширителя. Кожух 41 расширителя должен являться частью роторной бурильной колонны и поэтому должен вращаться вокруг оси ствола скважины. В условиях работы боковые шарошки должны вращаться, при этом кожух 41 расширителя также вращается, и поэтому боковые шарошки должны перекрывать площадь больше кожуха расширителя и расширять ствол скважины. Справа на фиг. 4 показана шарошка в пассивном положении, при этом шарошка 42 не проходит за периметр самого расширителя 41 в данном положении. На фиг. 5 показаны примеры зон резания трех активных шарошек расширителя согласно изобретению. Шарошки 52, 53, 54 установлены с разных сторон кожуха (разнос 120), и самая малая шарошка 54 установлена вблизи бурового долота 55. Траектория резания шарошек показана соответствующими окружностями. Последовательно ствол скважины должен расширяться в три этапа, при этом проходка основного ствола скважины выполняется буровым долотом 55. Вместе с тем должно быть ясно, что в принципе любое число резцов может размещаться в кожухе расширителя, и самый малый резец должен быть самым близким к буровому долоту 55, а самый большой резец должен быть самым удаленным от бурового долота 55. Боковые шарошки могут вращаться внутренними забойными двигателями, при этом используется гидравлическая энергия циркуляции бурового раствора. Вместе с тем механическую энергию бурильной колонны или электродвигатели можно также использовать для привода боковых шарошек. На фиг. 6 и 7 показаны примеры использования внутреннего забойного двигателя (двигателей), включающего в себя надлежащую систему 67, 77 зубчатой трансмиссии для привода боковых шарошек 62, 72, 73, 74. Можно использовать любой подходящий зубчатый механизм. Различные типы зубчатых механизмов, таких как червячные или с коническими шестернями, можно использовать в зависимости от конструктивного исполнения инструмента. Кроме того, гидравлические двигатели с высоким крутящим моментом можно также использовать без систем зубчатой передачи; то же применимо для электродвигателей. Каждая боковая шарошка имеет индивидуальную систему привода и может вращаться независимо от другой боковой шарошки. На фиг. 7 схематично показано сечение 71 расширителя с индивидуальной системой 78 привода. В конкретном инструменте самый малый боковой резец должен отклоняться первым для расширения ствола скважины, необходимого для начала вращения среднего режущего элемента. Последовательно самый большой боковой резец должен вращаться на конечной стадии, где ствол скважины уже расширен средним резцом. Когда три боковые шарошки, согласно данному примеру варианта осуществления, вращаются при вращении бурильной колонны, ствол скважины должен полностью расширяться. Надлежащий механизм центратора можно использовать на всем корпусе расширителя для центрирования инструмента в стволе скважины. При спускоподъемных операциях с инструментом в стволе скважины, в особенности в секции обсадной колонны или там, где расширение ствола скважины не требуется, вращение боковых резцов должно останавливаться, и шарошки должны устанавливаться в начальные нейтральные положения, показанные на фиг. 8, при этом боковые резцы 82 должны быть скрыты корпусом оси расширителя 81. На фиг. 9 схематично показан расширитель согласно другому варианту осуществления изобретения. Расширитель 91 имеет по меньшей мере одну боковую шарошку 92 с куполообразной сферической формой, выполненную с возможностью вращения и выдвижения радиально наружу относительно кожуха 91 инструмента на расстояние больше диаметра ствола скважины показанного слева. Радиальное выдвижение боковых шарошек может обеспечиваться давлением бурового раствора или с использованием других механических систем, включающих в себя системы с электроприводом. Должно быть ясно, что любая комбинация вращающихся боковых шарошек с некруглым и/или круглым сечением, которые выдвигаются радиально наружу из корпуса расширителя исполнительным механизмом, может использоваться согласно настоящему изобретению. Также конструктивные исполнения шарошек с некруглым сечением, показанные на фиг. 3, 4 и 8, являются только примерами некруглых форм, и другие конструктивные исполнения некруглых форм очевидны для специалиста в данной области техники. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Режущий инструмент, интегрируемый с бурильной колонной и, по меньшей мере, содержащий один или несколько боковых резцов (12, 13, 14, 42, 62, 72, 73, 74, 82, 92), расположенных вдоль продольной оси бурильной колонны в корпусе (11, 41, 71, 81, 91) расширителя и выполненных с возможностью вращения независимо от корпуса (11, 41) расширителя вокруг оси, непараллельной оси вращения бурильной колонны. 2. Режущий инструмент по п.1, в котором боковые резцы (12, 13, 14, 42, 62, 72, 73, 74, 82, 92) выполнены с возможностью вращения индивидуальным средством (67, 77, 87) привода. 3. Режущий инструмент по п.1, в котором вращающиеся боковые резцы (92) способны выдвигаться радиально наружу из корпуса (91) расширителя посредством системы приведения в действие. 4. Режущий инструмент по п.3, в котором механизм приведения в действие обеспечен давлением бурового раствора или механическим средством. 5. Режущий инструмент по п.1, в котором боковые резцы имеют некруглое сечение (32). 6. Режущий инструмент по п.5, в котором боковые резцы расположены в проемах корпуса (41) расширителя и имеют такую форму, что в пассивном положении не выступают за диаметр, образованный корпусом (41) расширителя, и при вращении крайние концы резцов образуют диаметр, выходящий за пределы диаметра, образованного вращающимся корпусом (41) расширителя. 7. Режущий инструмент по п.5 или 6, в котором боковые резцы представляют собой некруглые вращающиеся боковые шарошки разных размеров для ступенчатого расширения ствола скважины, при этом самый маленький боковой резец является ближайшим к буровому долоту (15, 55). 8. Режущий инструмент по любому из пп.1-7, в котором средство привода является любым из забойного двигателя, гидравлического двигателя или электродвигателя. 9. Режущий инструмент по п.8, содержащий систему (67) зубчатой трансмиссии для передачи вращения от средства привода на боковые резцы. 10. Режущий инструмент по пп.1, 8 или 9, в котором индивидуальное средство привода является одним из следующего: гидравлическим двигателем, электродвигателем или механической системой с прямым приводом боковых резцов. 11. Режущий инструмент по пп.1, 9 или 10, в котором ствол скважин расширяется ступенчато с использованием активных вращающихся боковых шарошек некруглого сечения разного размера.