Результат интеллектуальной деятельности: БУРОВОЕ ДОЛОТО С САМОРЕГУЛИРУЮЩИМИСЯ ПЛОЩАДКАМИ

ПРИТЯЗАНИЕ НА ПРИОРИТЕТ

Настоящая заявка заявляет приоритет в отношении даты подачи заявки на патент США № 14/864436, поданной 24 сентября 2015 г., под названием «DRILL BIT WITH SELF-ADJUSTING PADS», которая является продолжающей заявкой заявки на патент США № 14/516340, поданной 16 октября 2014 г., которая является частично продолжающей заявкой обычной заявки на патент США № 13/864926, поданной 17 апреля 2013 г., каждая из которых включена в настоящий документ в полном объеме посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится в целом к буровым долотам и системам, использующих буровые долота для бурения стволов скважин.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Нефтяные скважины (также называемые «стволами скважин» или «буровыми скважинами») пробуриваются при помощи бурильной колонны, содержащей трубчатый элемент с буровым снарядом (также называемый «компоновкой низа бурильной колонны» или «КНБК»). КНБК обычно содержит устройства и датчики, предоставляющие информацию, имеющую отношение к разнообразным параметрам, касающимся бурения («параметры режима бурения»), поведения КНБК («параметры КНБК»), а также параметрам, касающимся пласта, окружающего ствол скважины («пластовые параметры»). Буровое долото, прикрепленное к нижнему концу КНБК, вращается посредством вращения бурильной колонны и/или бурового двигателя (называемого также «забойным двигателем») в КНБК с целью раздробления скального пласта для бурения ствола скважины. Большое количество буровых скважин пробуривается по контурным траекториям. Например, одна буровая скважина может содержать одну или более вертикальных секций, отклоненных от вертикали секций и горизонтальных секций, проходящих сквозь различные виды пластов горных пород. При переходе от бурения мягкого пласта, такого как песок, к бурению твердого пласта, такого как сланец, или наоборот, механическая скорость проходки (МСП) изменяется и может вызывать (при снижении или повышении) избыточные колебания или вибрацию (латеральную или торсионную) бурового долота. МСП обычно контролируется посредством управления осевой нагрузкой на долото (НБД) и скоростью вращения (в оборотах в минуту или «об./мин») бурового долота для контроля колебаний бурового долота. НБД контролируется посредством управления нагрузкой на крюк на поверхности, а количество оборотов в минуту контролируется посредством управления вращением бурильной колонны на поверхности и/или посредством управления скоростью вращения забойного двигателя в КНБК. Управление колебаниями и количеством оборотов в минуту бурового долота такими способами требует от буровой системы или оператора осуществления определенных действий на поверхности. Влияние таких действий, осуществляемых на поверхности, на колебания бурового долота, не является моментальным. Агрессивность бурового долота повышает вибрацию, биение и прерывистое перемещение при конкретных НБД и скорости вращения бурового долота. «Глубина резания» (ГР) бурового долота, обычно определяемая как «расстояние, на которое буровое долото аксиально заглубляется в пласт за один оборот», является сопутствующим фактором, имеющим отношение к агрессивности бурового долота. Управление ГР может обеспечить более гладкую буровую скважину, способствовать предотвращению преждевременного повреждения резцов и продлевать срок службы бурового долота.

Раскрываемое в настоящем документе изобретение предоставляет буровое долото и использующие его буровые системы, выполненные с возможностью обеспечения управления скоростью изменения моментальной ГР бурового долота во время бурения скважины.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте раскрывается буровое долото, содержащее: корпус долота; площадку, связанную с корпусом долота; устройство управления скоростью, присоединенное к площадке, выдвигающейся с поверхности долота на первой скорости и втягивающейся из выдвинутого положения во втянутое положение на второй скорости в ответ на воздействие на площадку внешней силы, причем устройство управления скоростью содержит: поршень для приложения силы к площадке; смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения силы к поршню для выдвижения площадки на первой скорости; флюидную камеру, связанную с поршнем; и устройство управления давлением для контроля давления флюида внутри флюидной камеры.

В другом аспекте раскрывается способ бурения скважин, включающий: предоставление бурового долота, содержащего корпус долота, площадку, связанную с корпусом долота, и устройства управления скоростью; ввод бурильной колонны в пласт, причем бурильная колонна имеет на своем конце буровое долото; избирательное выдвижение площадки с поверхности долота на первой скорости при помощи устройства управления скоростью; избирательное втягивание из выдвинутого положения во втянутое положение на второй скорости в ответ на внешнюю силу, применяемую к площадке через устройство управления скоростью; устройство управления скоростью, содержащее: поршень для приложения силы к площадке; смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения силы к поршню для выдвижения площадки на первой скорости; флюидную камеру, связанную с поршнем; а также контроль давления флюида внутри флюидной камеры при помощи устройства управления давлением; и бурение скважины с использованием бурильной колонны.

Еще в одном аспекте раскрывается система для бурения скважин, содержащая: буровой снаряд, имеющий буровое долото, которое содержит: корпус долота; площадку, связанную с корпусом долота; устройство управления скоростью, присоединенное к площадке, выдвигающейся с поверхности долота на первой скорости и втягивающейся из выдвинутого положения во втянутое положение на второй скорости в ответ на воздействие на площадку внешней силы, причем устройство управления скоростью содержит: поршень для приложения силы к площадке; смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения силы к поршню для выдвижения площадки на первой скорости; флюидную камеру, связанную с поршнем; и устройство управления давлением для контроля давления флюида внутри флюидной камеры.

Еще в одном аспекте раскрывается буровое долото, содержащее: корпус долота; площадку, связанную с корпусом долота; устройство управления скоростью, присоединенное к площадке, выдвигающейся с поверхности долота на первой скорости и втягивающейся из выдвинутого положения во втянутое положение на второй скорости в ответ на воздействие внешней силы, причем устройство управления скоростью содержит: поршень для приложения силы к площадке; смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения силы к поршню для раскрытия площадки на первой скорости; и поворотное устройство, выполненное с возможностью приложения силы к поршню для сокрытия площадки на второй скорости.

Примеры некоторых функций устройства и способ, описываемый в настоящем документе, приводятся достаточно широко, чтобы можно было лучше понять их последующее подробное описание. Конечно, имеются дополнительные функции устройства и способа, описываемые далее в настоящем документе, которые будут предметом формулы изобретения, содержащейся в настоящем документе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Раскрываемую в настоящем документе информацию проще всего понять, ссылаясь на сопроводительные графические материалы, на которых одними и теми же номерами обозначены одни и те же элементы, и в рамках которых:

на Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение примера буровой системы, содержащей бурильную колонну, имеющую буровое долото, изготовленное в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения;

на Фиг. 2 проиллюстрирован частичный вид в поперечном разрезе примера бурового долота с площадкой и устройством управления скоростью для контроля скорости выдвижения и втягивания площадки с поверхности бурового долота в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения;

на Фиг. 3 проиллюстрирован альтернативный вариант реализации устройства управления скоростью, определяющего действия площадки через гидравлическую линию;

на Фиг. 4 проиллюстрирован вариант реализации устройства управления скоростью, выполненного с возможностью управления несколькими площадками;

на Фиг. 5 проиллюстрировано размещение устройства управления скоростью по Фиг. 3 в секции коронки бурового долота;

на Фиг. 6 проиллюстрировано размещение устройства управления скоростью в промывочной канавке или на пути потока бурового долота;

на Фиг. 7 проиллюстрировано буровое долото, в котором устройство управления скоростью и площадка размещены на внешней поверхности бурового долота;

на Фиг. 8A проиллюстрирован вариант реализации устройства управления скоростью с многокамерным выходным отверстием;

на Фиг. 8B проиллюстрирован вариант реализации многокамерного выходного отверстия для использования с устройством управления скоростью, проиллюстрированным на Фиг. 8A;

на Фиг. 9 проиллюстрирован вариант реализации устройства управления скоростью с высокоточным зазором;

на Фиг. 10 проиллюстрирован вариант реализации устройства управления скоростью, выполненного с возможностью управления несколькими площадками;

на Фиг. 11 проиллюстрирован вариант реализации устройства управления скоростью, выполненного с возможностью осуществления выдвижения из центра долота;

на Фиг. 12 проиллюстрирован вариант реализации устройства управления скоростью с многостеночной камерой;

на Фиг. 13 проиллюстрирован вариант реализации устройства управления скоростью с компенсационным поршнем;

на Фиг. 14 проиллюстрирован вариант реализации устройства управления скоростью с поворотным устройством; и

на Фиг. 15 проиллюстрирован альтернативный вариант реализации устройства управления скоростью.

ВАРИАНТ(Ы) ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 проиллюстрировано схематическое изображение примера буровой системы 100, в которой могут использоваться буровые долота, изготовленные в соответствии с раскрываемым в настоящем документе изобретением. На Фиг. 1 проиллюстрирован ствол скважины 110, содержащий верхнюю секцию 111 с установленной в ней обсадной трубой 112 и нижнюю секцию 114, которая пробуривается при помощи бурильной колонны 118. Бурильная колонна 118 проиллюстрирована содержащей трубчатый элемент 116 с КНБК 130, присоединенной к его нижнему концу. Трубчатый элемент 116 может быть получен посредством соединения секций бурильной трубы или может быть гибкой насосно-компрессорной трубой. Буровое долото 150 проиллюстрировано прикрепленным к нижнему концу КНБК 130 с для раздробления скального пласта 119 для бурения ствола скважины 110 выбранного диаметра.

Бурильная колонна 118 проиллюстрирована введенной в ствол скважины 110 с буровой установки 180 на поверхности 167. Проиллюстрированный пример буровой установки 180 является наземной буровой установкой для простоты объяснения. Устройство и способы, раскрываемые в настоящем документе, могут быть применены и с морской буровой установкой, используемой для бурения скважин под водой. Роторный стол 169 или верхний привод (не проиллюстрирован), соединенный с бурильной колонной 118, может использоваться для вращения бурильной колонны 118 для вращения КНБК 130 и, таким образом, бурового долота 150 для бурения ствола скважины 110. Буровой двигатель 155 (также называемый забойным двигателем) может быть предусмотрен в КНБК 130 для вращения бурового долота 150. Буровой двигатель 155 может использоваться автономно для вращения бурового долота 150 или для приложения вращения бурового долота бурильной колонной 118. Блок управления (или контроллер) 190, который может представлять собой блок управления на основе компьютера, может располагаться на поверхности 167 для получения и обработки данных, передаваемых датчиками бурового долота 150 и датчиками на КНБК 130, а также для управления избранными действиями различных устройств и датчиков КНБК 130. Расположенный на поверхности контроллер 190 в одном варианте реализации может содержать процессор 192, устройство хранения данных (или носитель, читаемый компьютером) 194 для хранения данных, алгоритмов и компьютерных программ 196. Таким устройством хранения данных 194 может быть любое подходящее устройство, включая постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), флэш-память, магнитную ленту, жесткий диск и оптический диск, но не ограничиваясь ими. Во время бурения флюид 179 из его источника закачивается под давлением в трубчатый элемент 116. Флюид выпускается в нижней части бурового долота 150 и возвращается на поверхность через кольцевое пространство (также называемое «затрубное пространство») между бурильной колонной 118 и внутренней стенкой 142 ствола скважины 110.

КНБК 130 может дополнительно содержать один или более внутрискважинных датчиков (которые все вместе обозначены цифрой 175). Датчики 175 могут содержать любое количество и тип датчиков, включая, среди прочего, датчики, общеизвестные как датчики измерения во время бурения (ИВБ) или каротажа во время бурения (КВБ), и датчики, которые предоставляют информацию, касающуюся режима работы КНБК 130, например, вращения бурового долота (обороты в минуту или «об./мин»), торца долота, давления, вибрации, вихрения, биения и скачкообразного движения. КНБК 130 может дополнительно содержать блок управления (или контроллер) 170, управляющий действиями одного или более устройств и датчиков КНБК 130. Контроллер 170 может содержать, среди прочего, контуры для обработки сигналов от датчика 175, процессор 172 (такой как микропроцессор) для обработки оцифрованных сигналов, устройство хранения данных 174 (такое как твердотельная память) и компьютерную программу 176. Процессор 172 может обрабатывать оцифрованные сигналы и управлять скважинными устройствами и датчиками, а также обмениваться данными с контроллером 190 через телеметрический блок с двусторонней линией передачи данных 188.

Как проиллюстрировано на Фиг. 1, буровое долото 150 содержит переднюю грань (или нижнюю грань) 152. Во время бурения передняя грань 152 или ее часть развернута к пласту, находящемуся перед буровым долотом, или ко дну ствола скважины. Буровое долото 150 в одном аспекте содержит одну или более площадок 160, выполненных с возможностью выдвижения и втягивания с выбранной поверхности бурового долота 150. В настоящем документе площадки 160 также называются «выдвижными площадками», «раздвижными площадками» или «регулируемыми площадками». Для выдвижения и втягивания одной или более площадок с поверхности бурового долота во время бурения ствола скважины 110 может использоваться подходящий исполнительный механизм (или приводной блок) 165 бурового долота 150. В одном аспекте исполнительный механизм 165 может управлять скоростью выдвижения и втягивания площадки 160. Этот исполнительный механизм также называется «устройством управления скоростью» или «регулятором скорости». В другом аспекте исполнительный механизм представляет собой пассивное устройство, выполненное с возможностью автоматической корректировки или самостоятельной корректировки выдвижения и втягивания площадки 160 на основании или в ответ на воздействие на площадку 160 силы или давления во время бурения. В определенных вариантах реализации изобретения исполнительный механизм 165 и площадка 160 приводятся в движение контактом с пластом. Кроме того, при быстром изменении глубины резания бурового долота 150 на площадки 160 действует существенная сила. Соответственно, желательно, чтобы исполнительный механизм 165 выдерживал изменения глубины резания. В определенных вариантах реализации изобретения исполнительный механизм 165 увеличивает нагрузку на долото при определенной глубине резания. В других вариантах реализации изобретения исполнительный механизм 165 уменьшает глубину резания для определенной нагрузки на долото. Скорость выдвижения и втягивания площадки может быть установлена заранее, как более подробно описано со ссылкой на Фиг. 2-4.

На Фиг. 2 проиллюстрирован пример бурового долота 200, изготовленного в соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения. В примере варианта реализации изобретения буровое долото 200 представляет собой поликристаллическое алмазное долото (PDC) с корпусом долота 201, содержащем выточку или секцию горловины 210, шейку 220 и коронку или секцию коронки 230. В других вариантах реализации изобретения буровое долото 200 представляет собой любое подходящее буровое долото или устройство удаления пласта для применения в пласте. В других вариантах реализации изобретения буровое долото 200 представляет собой любой подходящий забойный вращательный инструмент. Горловина 210 имеет скошенный верхний край 212 с резьбой 212a для присоединения бурового долота 200 к замкнутой головке бурового снаряда 130 (Фиг. 1). Шейка 220 имеет нижнюю вертикальную или прямую секцию 222, жестко соединенную с коронкой 230 в месте соединения 224. Коронка 230 содержит переднюю грань или переднюю секцию 232, обращенную к пласту во время бурения. Коронка 230 содержит ряд лопастей, таких как лопасти 234a, 234b и т.д. Типичное долото PDC содержит 3-7 лопастей. Каждая лопасть имеет переднюю грань (также называемую «передней секцией») и боковину (также называемую «боковой секцией»). Например, лезвие 234a имеет переднюю грань 232a и боковину 236a, в то время как лезвие 234b имеет переднюю грань 232b и боковину 236b. Боковины 236a и 236b расположены вдоль продольной или вертикальной оси 202 бурового долота 200. Каждая лопасть дополнительно содержит ряд резцов. В конкретном варианте реализации по Фиг. 2 лопасть 234a проиллюстрирована как содержащая резцы 238a на части боковины 236a и резцы 238b вдоль передней грани 232a, в то время как лезвие 234b показано как содержащее резцы 239a на боковине 239a и резцы 239b на передней грани 232b.

Как проиллюстрировано на Фиг. 2, буровое долото 200 содержит один или более элементов (также называемых в настоящем документе площадками), выполненных с возможностью выдвижения и втягивания с поверхности 252 бурового долота 200. На Фиг. 2 проиллюстрирована площадка 250, размещенная с возможностью передвижения в полости или углублении 254 в секции коронки 230. Включающее устройство 260 может быть соединено с площадкой 250 для выдвижения и втягивания площадки 250 с места на поверхности бурового долота 252. В одном аспекте включающее устройство 260 контролирует скорость выдвижения и втягивания площадки 250. В другом аспекте устройство 260 выдвигает площадку на первой скорости и втягивает площадку на второй скорости. В вариантах реализации изобретения первая скорость и вторая скорость могут быть одинаковыми или разными скоростями. В еще одном аспекте скорость выдвижения площадки 250 может быть больше, чем скорость втягивания. Как отмечалось ранее, устройство 260 в настоящем документе также называется «устройством управления скоростью» или «регулятором скорости». В конкретном варианте реализации устройства 260 площадка 250 напрямую соединена с устройством 260 посредством механического соединения или соединительного элемента 256. В одном аспекте устройство 260 содержит камеру 270, содержащую элемент двойного действия, выполняющий возвратно-поступательные движения, такой как поршень 280, который герметично разделяет камеру 270 на первую камеру 272 и вторую камеру или резервуар 274. Обе камеры 272 и 274 наполнены гидравлической жидкостью 278, подходящей для использования в скважине, такой как нефть. Смещающий элемент, такой как пружина 284, в первой камере 272, выполнен с возможностью приложения подобранной силы к поршню 280 для того, чтобы вызвать его перемещение наружу. Поскольку поршень 280 соединен с площадкой 250, перемещение поршня наружу вызывает выдвижение площадки 250 с поверхности 252 бурового долота 200. В одном аспекте камеры 272 и 274 находятся в гидравлической связи друг с другом посредством первого пути потока флюида или поточной линии 282 и второго пути потока флюида или поточной линии 286. Устройство управления потоком, такое как обратный клапан 285, расположенный на пути потока флюида 282, может использоваться для управления скоростью потока флюида из камеры 274 в камеру 272. Аналогичным образом, еще одно устройство управления потоком, такое как обратный клапан 287, расположенный на пути потока флюида 286, может использоваться для управления скоростью потока флюида 278 из камеры 272 в камеру 274. Устройства управления потоком 285 и 287 могут быть сконфигурированы на поверхности с возможностью установки скоростей потока по поточным линиям 282 и 286, соответственно. В другом аспекте эти скорости могут быть постоянными или могут динамически корректироваться активным устройством, например, посредством управления потоками флюида между камерами при помощи клапанов с активным управлением. В определенных вариантах реализации изобретения осуществляется активное управление потоком флюида посредством корректировки свойств флюида с использованием электро- или магнитореологических жидкостей и контроллеров. В других вариантах реализации изобретения для управления потоками флюида используются пьезоэлектронные устройства. В одном аспекте одно или оба устройства управления потоком 285 и 287 могут содержать устройство смещения с плавным регулированием, такое как пружина, для обеспечения постоянной скорости потока из одной камеры в другую. Обмен потоками флюида с постоянной скоростью между камерами 272 и 274 обеспечивает первую постоянную скорость для выдвижения поршня 280 и вторую постоянную скорость для втягивания поршня 280, и, следовательно, соответствующие постоянные скорости выдвижения и втягивания площадки 250. Размер линий управления потоком 282 и 286 вместе с настройкой их соответствующих устройств смещения 285 и 287 определяют скорости потока по линиям 282 и 286, соответственно, а следовательно и соответствующую скорость выдвижения и втягивания площадки 250. В одном аспекте поточная линия 282 и ее соответствующее устройство управления потоком 285 могут быть настроены таким образом, что когда буровое долото 250 не используется, то есть, на площадку 250 не действует никакая внешняя сила, смещающий элемент 280 будет выдвигать площадку 250 в максимально выдвинутое положение. В одном аспекте линия управления потоком 282 может быть выполнена с возможностью относительно быстрого или резкого выдвижения площадки 250 смещающим элементом 280. Во время эксплуатации бурового долота, например, во время бурения скважины, нагрузка на долото приводит к воздействию внешней силы на площадку 250. Эта внешняя сила приводит к тому, что площадка 250 оказывает воздействие или давление на поршень 280 и, таким образом, на смещающий элемент 284.

В одном аспекте путь потока флюида 286 может быть выполнен с возможностью обеспечения относительного медленной скорости потока флюида из камеры 272 в камеру или резервуар 274, что обуславливает относительно медленное втягивание площадки. В качестве примера, скорость выдвижения площадки 250 может быть установлена таким образом, чтобы площадка 250 выдвигалась из полностью втянутого положения в полностью выдвинутое положение в течение нескольких секунд и втягивалась из полностью выдвинутого положения в полностью втянутое положение в течение одной или нескольких минут или более (например, в течение 2-5 минут). Следует отметить, что может быть установлена любая подходящая скорость выдвижения и втягивания площадки 250. В одном аспекте устройство 260 является пассивным устройством, корректирующим выдвижение и втягивание площадки на основании или в ответ на воздействие силы или давления на площадку 250. В примере варианта реализации изобретения площадки 250 являются износостойкими элементами, такими как резцы, округленные элементы, элементы, входящие в контакт качения или иные элементы, сокращающие трение о горные породы. В определенных вариантах реализации площадки 250 находятся непосредственно на передней части и в той же самой канавках, что и резцы 239a, 238b. В примере варианта реализации устройство 260 сориентировано с наклоном в сторону, противоположную направлению вращения, для минимизации тангенциальной составляющей силы трения, действующей на поршень 280. В определенных вариантах реализации изобретения устройство 260 расположено внутри лопастей 234a, 234b и т.д. и поддерживается корпусом долота 201 с посадкой с натягом возле передней грани 232a долота 200 и резьбовым наконечником или фиксатором, или стопорным кольцом возле верхнего конца боковой части 234a, 234b.

На Фиг. 3 проиллюстрировано альтернативное устройство управления скоростью 300. Устройство 300 содержит флюидную камеру 370, разделенную поршнем двойного действия 380 на первую камеру 372 и вторую камеру или резервуар 374. Камеры 372 и 374 заполнены гидравлической жидкостью 378. Первая поточная линия 382 и связанное устройство управления потоком 385 позволяют жидкости 378 перетекать из камеры 374 в камеру 372 на первой скорости потока, а поточная линия 386 и связанное устройство управления потоком 387 позволяют жидкости 378 перетекать из камеры 372 в камеру 374 на второй скорости. Поршень 380 соединен с устройством передачи усилия 390, содержащим поршень 392 и камеру 394. Камера 394 содержит гидравлическую жидкость 395, которая находится в жидкостной связи с площадкой 350. В одном аспекте площадка 350 может быть расположена в камере 352, которая находится жидкостной связи с жидкостью 395 в камере 394. Когда смещающее устройство 384 перемещает поршень 380 наружу, оно перемещает поршень 392 наружу и в камеру 394. Поршень 392 вытесняет жидкость 395 из камеры 394 в камеру 352, что приводит к выдвижению площадки 350. При приложении силы к площадке 350, она выталкивает жидкость из камеры 352 в камеру 394, что приводит к приложению силы к поршню 380. Скорость движения поршня 380 контролируется потоком жидкости через потоковую линию 386 и устройство управления потоком 387. В конкретной конфигурации, проиллюстрированной на Фиг. 3, устройство управления скоростью 300 напрямую не связано с площадкой 350, что позволяет изолировать устройство 300 от площадки 350 и расположить его в любом требуемом месте на буровом долоте, как описано в ссылке на Фиг. 5-6. В другом аспекте площадка 350 может быть напрямую соединена с резцом 399, или конец площадки 350 может быть выполнен в форме резца. В такой конфигурации резец 399 действует и как резец, и как площадка с возможностью выдвижения и втягивания.

На Фиг. 4 проиллюстрировано обычное устройство управления скоростью 400, выполненное с возможностью работы с более чем одной площадкой, такой как площадки 350a, 350b ... 350n. Устройство управления скоростью 400 такое же, как проиллюстрировано и описано на Фиг. 2, за исключением того, что оно проиллюстрировано прилагающим силу к площадкам 350a, 350b ... 350n через промежуточное устройство 390, как проиллюстрировано и описано со ссылкой на Фиг. 3. В варианте реализации изобретения по Фиг. 4 каждая из площадок 350a, 350b ... 350n размещена в отдельных камерах 352a, 352b ... 352n, соответственно. Флюид 395 из камеры 394 подается во все камеры, что приводит к автоматическому и одновременному выдвижению и втягиванию каждой из площадок 350a, 350b ... 350n на основании внешних сил, воздействующих на каждую такую площадку во время бурения. В аспектах устройство управления скоростью 400 может содержать подходящий компенсатор давления 499 для использования в скважине. Аналогичным образом, любой из регуляторов скорости, изготовленный в соответствии с любым из вариантов реализации изобретения, может использовать подходящий компенсатор давления.

На Фиг. 5 проиллюстрирована изометрическая проекция бурового долота 500, в котором устройство управления скоростью 560 расположено в секции коронки 530 бурового долота 500. Устройство управления скоростью 560 то же самое, что и на Фиг. 2, но соединено с площадкой 550 посредством гидравлического соединения 540 и гидропроводом 542. Устройство управления скоростью 560 проиллюстрировано расположенным в углублении 580 с возможностью доступа с внешней поверхности 582 секции коронки 530. Площадка 550 проиллюстрирована расположенной в местоположении секции передней грани 552 на передней грани бурового долота 532, в то время как гидравлическое соединение 540 показано расположенным на коронке 530 между площадкой 550 и устройством управления скоростью 560. Следует отметить, что устройство управления скоростью 560 может быть расположено в любом желаемом месте бурового долота, в том числе на шейке 520 и в секции шейки 510, а гидравлическая линия 542 может проходить любым желаемым образом от устройства управления скоростью 560 до площадки 550. Такая конфигурация обеспечивает гибкость в размещении устройства управления скоростью практически в любом месте бурового долота.

На Фиг. 6 проиллюстрирована изометрическая проекция бурового долота 600, в котором устройство управления скоростью 660 размещено в промывочной канавке 625 бурового долота 600. В конкретной конфигурации бурового долота по Фиг. 6 гидравлическое соединение 640 размещено вблизи устройства управления скоростью 660. Гидравлическая линия 670 проходит от гидравлического соединения 640 до площадки 650 через шейку 620 и коронку 630 бурового долота 600. Во время бурения флюид проходит по каналу 625. Для обеспечения возможности свободного прохождения флюида по каналу 625 устройство управления скоростью 660 может быть оснащено сквозным отверстием или каналом 655, а устройство гидравлического соединения 640 может быть оснащено каналом 645.

На Фиг. 7 проиллюстрировано буровое долото 700, в котором интегрированное устройство управления площадкой и скоростью 750 расположено на внешней поверхности бурового долота 700. В одном аспекте устройство 750 содержит устройство управления скоростью 760, соединенное с площадкой 755. В одном аспекте устройство 750 представляет собой герметичный агрегат, который может присоединяться к любой внешней поверхности бурового долота 700. Устройство управления скоростью 760 может быть таким же или отличным от устройств управления скоростью, описанных в настоящем документе со ссылкой на Фиг. 2-6. В конкретном варианте реализации по Фиг. 7 площадка проиллюстрирована присоединенной к боковой части 720a лопасти 720 бурового долота 700. Устройство 750 может быть присоединено или размещено в любом другом подходящем месте бурового долота 700. В качестве альтернативного варианта или в качестве дополнения к этому устройство 750 может быть встроено в лопасть таким образом, что площадка будет выдвигаться в требуемом направлении из бурового долота.

На Фиг. 8A проиллюстрировано интегрированное устройство управления скоростью 800. В примере варианта реализации изобретения устройства управления скоростью 800 являются отдельными автономными картриджами, выполненными с возможностью размещения внутри лопастей долота, таких как долота, описанные ранее. В этом варианте реализации функция управления скоростью выполняется при помощи устройства управления давлением, такого как многокамерное выходное отверстие 899. На Фиг. 8B проиллюстрировано многокамерное выходное отверстие 899 с множеством выходных отверстий 898, обеспечивающих извилистый путь для протекания флюида 878 между верхней камерой 872 и нижней камерой 874. В примере варианта реализации изобретения верхняя камера 872 подвергается более высокому давлению, чем нижняя камера 874. В определенных вариантах реализации изобретения нижняя камера 874 близка к давлению в скважине. Соответственно, в примере варианта реализации многокамерное выходное отверстие 899 управляет движением и давлением внутри устройства управления скоростью 800 совместно со смещающим элементом 884 посредством управления потоком флюида 878 в нем. Соответственно, скорость площадки 850 эффективно контролируется посредством корректировки свойств выходного отверстия 899. В определенных вариантах реализации изобретения нижняя камера 874 выполнена с компенсированным давлением. В примере варианта реализации изобретения нижняя камера 874 выполнена с компенсацией давления давлением в скважине для минимизации перепада давления на уплотнении флюид-нефть 875 на передней грани долота.

На Фиг. 9 проиллюстрировано интегрированное устройство управления скоростью 900. В примере варианта реализации изобретения устройства управления скоростью 900 являются отдельными автономными картриджами, выполненными с возможностью размещения внутри лопастей долота, таких как долота, описанные ранее. В данном варианте реализации функция управления скоростью выполняется при помощи устройства управления давлением, такого как высокоточный зазор 999 между поршнем 980 и цилиндром 994. Высокоточный зазор 999 позволяет перемещать заранее определенное количество флюида 978 между верхней камерой 972 и нижней камерой 974 при определенном перепаде давлений, эффективно контролируя скорость движения поршня 980. В определенных вариантах реализации изобретения высокоточный зазор 999 также играет роль уплотнения высокого давления между двумя камерами 972, 974. В определенных вариантах реализации камеры 972, 974 соответственно содержат флюид под высоким давлением и флюид под низким давлением. В примере варианта реализации изобретения нижняя камера 974 (камера с низким давлением) выполнена с компенсацией давления давлением в скважине для минимизации перепада давления на уплотнении флюид-нефть (не проиллюстрировано) на передней грани долота. В примере варианта реализации изобретения компенсация давления достигается через сильфон, сообщающийся с пластовым давлением в скважине.

На Фиг. 10 проиллюстрировано буровое долото 1000 с регулятором скорости 1090, расположенным на соединителе долота 1091 бурового долота 1000. В примере варианта реализации изобретения устройство управления скоростью 1090 гидравлически соединено с множественными поршнями 1080 через гидравлические каналы 1092, выполненные с возможностью пропускания флюида 1078 через них для действия в качестве передаточного механизма 1056a. Обеспечивается преимущество, состоящее в том, что центральное положение устройства управления скоростью 1090 обеспечивает большее пространство для устройства управления скоростью 1090 и позволяет использовать множественные поршни 1080 и распределять нагрузку во время работы бурового долота. В определенных вариантах реализации изобретения падение давления на долоте 1000 используется для создания силы, направленной вниз. В этих вариантах реализации изобретения камера низкого давления 1074 компенсируется для обеспечения такого же давления, как давление флюида внутри долота, в то время как верхняя штанга или камера 1072 компенсационного поршня 1080 подвергается воздействию давления внутри долота 1000, что создает результирующую силу, направленную вниз. В определенных вариантах реализации изобретения дополнительный передаточный механизм 1056b имеет гидравлическую или механическую связь с площадкой 1050.

На Фиг. 11 проиллюстрировано буровое долото 1100 с регулятором скорости 1190, расположенным по центру бурового долота 1100. В примере варианта реализации изобретения устройство управления скоростью 1190 расположено по центру и имеет механическое или гидравлическое соединение с множественными площадками 1150. Обеспечивается преимущество, состоящее в том, что это позволяет снизить пиковое давление внутри регулятора скорости 1190, а также сократить количество деталей, поскольку площадки 1150 приводятся в действие централизованно, как проиллюстрировано на Фиг. 4.

На Фиг. 12 проиллюстрировано устройство управления скоростью 1200, использующее цилиндр с тройной стенкой 1298 с кольцевыми зазорами 1299 между стенками 1298a, 1298b, 1298c. В примере варианта реализации изобретения кольцевой зазор 1299 представляет собой устройство управления давлением, такое как высокоточный зазор для ограничения потока флюида 1278 для управления движением поршня 1280. В примере варианта реализации изобретения поток флюида 1278 движется сквозь отверстия 1299a и 1299b для соединения с обеими сторонами поршня 1280. В определенных вариантах реализации изобретения отверстия 1299a и 1299b имеют обратные клапаны для ограничения потока флюида 1278. Во время работы флюид 1278 ограничивается зазором 1299 для управления потоком флюида 1278, что приводит к контролируемому движению поршня 1280. В определенных вариантах реализации изобретения используется компенсатор давления 1297 для компенсации давления в нижней камере 1274 до уровня давления флюида в скважине.

На Фиг. 13 проиллюстрировано устройство управления скоростью 1300 с компенсационным поршнем 1380. В примере варианта реализации изобретения поршень двойного действия 1380 с преимущественно равным размером штанги подвергается воздействию как верхней камеры 1372, так и нижней камеры 1374. В примере варианта реализации изобретения оба конца поршня 1380 подвергаются воздействию давления в забое таким образом, что результирующая сила, действующая на поршень 1380 в результате давления флюида, близка к нулю. В определенных вариантах реализации изобретения гидравлический аккумулятор 1399 может использоваться с компенсационным поршнем 1380 для адаптации к изменениям объема флюида в результате изменения температуры, воздушных включений и утечек. В определенных вариантах реализации изобретения смещающий элемент 1378 используется для обеспечения силы, направленной вниз. Обеспечивается преимущество, состоящее в том, что обе камеры 1372, 1374 компенсируются для минимизации перепада давления между устройством управления скоростью 1300 и стволом скважины.

На Фиг. 14 проиллюстрировано устройство управления скоростью 1400, использующее поворотное уплотнение 1496 соединения флюид-нефть при расположении в рамках бурового долота (схематически проиллюстрировано как 1401). В примере варианта реализации изобретения кулачок 1492 расположен снаружи бурового долота 1401, и вращательное движение передается через вал 1491 на корпус долота через поворотное уплотнение 1496. Вращательное движение преобразуется в поступательное движение внутри корпуса долота при помощи второго кулачка 1493 и толкателя 1494, присоединенного к поршню 1480. В определенных вариантах реализации изобретения, например, когда желательна малая глубина резания, первый кулачок 1492 оставляет открытым присоединенный адаптивный элемент 1450. Так как внешняя нагрузка воздействует на первый кулачок 1492, эта нагрузка вращает первый кулачок 1492, а затем второй кулачок 1493, который, в свою очередь, вызывает втягивающее движение (сокрытие) поршня 1480. Когда внешняя нагрузка снимается, поршень 1480 выдвигается под воздействием силы, создаваемой пружиной 1484, и по очереди поворачивает кулачки 1492, 1493 и оставляет открытыми адаптивные элементы 1450. Таким образом, контактный элемент 1450 выдвигается (открывается) и втягивается (скрывается) на разной скорости, контролируемой профилем кулачков 1492, 1493 и характеристиками смещающего элемента 1484.

На Фиг. 15 проиллюстрировано устройство управления скоростью 1500, использующее фиксированное устройство управления давлением 1599. В примере варианта реализации изобретения устройство управления давлением 1599 является стационарным по отношению к движущемуся поршню 1580. В примере варианта реализации изобретения давление флюида в скважине 1575 воздействует на сепаратор 1597 для компенсации давления резервуара 1574. Флюид 1587 может течь между флюидной камерой 1572 и резервуаром 1574 через устройство управления давлением 1599. В одном аспекте камера 1572 и резервуар 1574 находятся гидравлической связи друг с другом посредством первого пути потока флюида или поточной линии 1582 и второго пути потока флюида или поточной линии 1586. Устройство управления потоком, такое как обратный клапан 1585, размещенный в потоковой линии 1582, может использоваться для контроля скорости потока флюида из резервуара 1574 в камеру 1572. Аналогичным образом, другое устройство управления потоком, такое как обратный клапан 1587, размещенный в потоковой линии 1586, может быть использован для контроля скорости потока флюида 1578 из камеры 1572 в резервуар 1574. Устройства управления потоком 1585 и 1587 могут быть сконфигурированы на поверхности с возможностью установки скоростей потока через потоковые линии 1582 и 1586, соответственно. В определенных вариантах реализации изобретения давление, оказываемое флюидом в скважине 1575, смещает поршень 1580 в направлении вниз.

Таким образом, в одном аспекте раскрывается буровое долото, содержащее: корпус долота; площадку, связанную с корпусом долота; устройство управления скоростью, присоединенное к площадке, выполненной с возможностью выдвижения от поверхности долота на первой скорости и втягивания из выдвинутого положения во втянутое положение на второй скорости в ответ на воздействие на площадку внешней силы, причем устройство управления скоростью содержит: поршень для приложения силы к площадке; смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения силы к поршню для выдвижения площадки на первой скорости; флюидную камеру, связанную с поршнем; и устройство управления давлением для контроля давления флюида внутри флюидной камеры. В определенных вариантах реализации изобретения вторая скорость меньшей первой скорости. В определенных вариантах реализации изобретения флюидная камера разделена поршнем на первую флюидную камеру и вторую флюидную камеру. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления давлением представляет собой многокамерное выходное отверстие. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления давлением представляет собой высокоточный зазор, расположенный между поршнем и флюидной камерой. В определенных вариантах реализации изобретения флюидная камера представляет собой цилиндр с тройной стенкой, имеющий первую стенку, вторую стенку и третью стенку, причем по меньшей мере одна из первой стенки, второй стенки и третьей стенки содержит высокоточный зазор. В определенных вариантах реализации изобретения поршень представляет собой поршень двойного действия, причем флюид, воздействующий на первую сторону поршня, контролирует, по меньшей мере, частично, первую скорость, а флюид, воздействующий на вторую сторону поршня, контролирует, по меньшей мере, частично, вторую скорость, а устройство управления давлением содержит по меньшей мере один стержень с первым концом и вторым концом, и как первый конец, так и второй конец подвергаются воздействию давления в скважине. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления скоростью содержит накопитель, связанный с первой стороной поршня и второй стороной поршня. В определенных вариантах реализации изобретения поршень представляет собой множество гидравлически связанных поршней. В определенных вариантах реализации изобретения площадка представляет собой множество площадок, выполненных с возможностью выдвижения из устройства управления скоростью, причем устройство управления скоростью расположено по центру. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления скоростью расположено под наклоном в сторону, противоположную направлению вращения бурильной колонны. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления скоростью представляет собой автономный картридж. В определенных вариантах реализации изобретения автономный картридж связан с буровым долотом посредством посадки с натягом или фиксатора.

В другом аспекте раскрывается способ бурения скважин, включающий: предоставление бурового долота, содержащего корпус долота, площадку, связанную с корпусом долота, и устройство управления скорости; ввод бурильной колонны в пласт, причем бурильная колонна имеет на своем конце буровое долото; избирательное выдвижение площадки с поверхности долота на первой скорости при помощи устройства управления скоростью; избирательное втягивание из выдвинутого положения во втянутое положение на второй скорости в ответ на внешнюю силу, прилагаемую к площадке через устройство управления скоростью; устройство управления скоростью, содержащее: поршень для приложения силы к площадке; смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения силы к поршню для выдвижения площадки на первой скорости; жидкостную камеру, связанную с поршнем; а также контроль давления флюида в флюидной камере при помощи устройства управления давлением; и бурение скважины с использованием бурильной колонны. В определенных вариантах реализации изобретения вторая скорость меньшей первой скорости. В определенных вариантах реализации изобретения флюидная камера разделена поршнем на первую флюидную камеру и вторую флюидную камеру. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления давлением представляет собой многокамерное выходное отверстие. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления давлением представляет собой высокоточный зазор, расположенный между поршнем и флюидной камерой. В определенных вариантах реализации изобретения флюидная камера представляет собой цилиндр с тройной стенкой, имеющий первую стенку, вторую стенку и третью стенку, причем по меньшей мере одна из первой стенки, второй стенки и третьей стенки содержит высокоточный зазор. В определенных вариантах реализации изобретения поршень представляет собой поршень двойного действия, причем флюид, воздействующий на первую сторону поршня, контролирует, по меньшей мере, частично, первую скорость, а флюид, воздействующий на вторую сторону поршня, контролирует, по меньшей мере, частично, вторую скорость, а устройство управления давлением содержит по меньшей мере один стержень с первым концом и вторым концом, и как первый конец, так и второй конец подвергаются воздействию давления в скважине. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления скоростью дополнительно содержит накопитель, связанный с первой стороной поршня и второй стороной поршня. В определенных вариантах реализации изобретения поршень представляет собой множество гидравлически связанных поршней. В определенных вариантах реализации изобретения площадка представляет собой множество площадок, выполненных с возможностью выдвижения из устройства управления скоростью, причем устройство управления скоростью расположено по центру.

Еще в одном аспекте раскрывается система для бурения скважин, содержащая: буровой снаряд, имеющий буровое долото, которое содержит: корпус долота; площадку, связанную с корпусом долота; устройство управления скоростью, присоединенное к площадке, выполненной с возможностью выдвижения от поверхности долота на первой скорости и втягивания из выдвинутого положения во втянутое положение на второй скорости в ответ на воздействие на площадку внешней силы, причем устройство управления скоростью содержит: поршень для приложения силы к площадке; смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения силы к поршню для выдвижения площадки на первой скорости; флюидную камеру, связанную с поршнем; и устройство управления давлением для контроля давления флюида внутри флюидной камеры. В определенных вариантах реализации изобретения вторая скорость меньшей первой скорости. В определенных вариантах реализации изобретения флюидная камера разделена поршнем на первую флюидную камеру и вторую флюидную камеру. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления давлением представляет собой многокамерное выходное отверстие. В определенных вариантах реализации изобретения устройство управления давлением представляет собой высокоточный зазор, расположенный между поршнем и флюидной камерой.

Еще в одном аспекте раскрывается буровое долото, содержащее: корпус долота; площадку, связанную с корпусом долота; устройство управления скоростью, присоединенное к площадке, выполненной с возможностью выдвижения с поверхности долота на первой скорости и втягивания из выдвинутого положения во втянутое положение на второй скорости в ответ на воздействие внешней силы, причем устройство управления скоростью содержит: поршень для приложения силы к площадке; смещающий элемент, выполненный с возможностью приложения силы к поршню для раскрытия площадки на первой скорости; и поворотное устройство, выполненное с возможностью приложения силы к поршню для сокрытия площадки на второй скорости. В определенных вариантах реализации изобретения вторая скорость меньшей первой скорости.

Вышеизложенное изобретение направлено на определенные конкретные варианты реализации для простоты объяснения. Однако специалистам в данной области техники будут очевидны различные изменения и модификации таких вариантов реализации изобретения. Предусматривается, что такие изменения и модификации в рамках объема и смысла прилагаемых пунктов формулы изобретения охватываются информацией, раскрытой в настоящем документе.