DE3811370A1 - DRILL HEAD WITH ONE-PIECE FORGED STABILIZER - Google Patents
DRILL HEAD WITH ONE-PIECE FORGED STABILIZERInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Bohrköpfe zum Bohren durch Gestein und andere harte Formationen beim Bohren von Ölbohrlöchern, und insbesondere auf Rotationsbohrköpfe mit hängenden Schenkeln, die Schneiden aufweisen, welche an von den Innenseiten der Schenkel nach innen und nach unten verlaufenden Zapfen drehbar befestigt sind.The invention relates to drilling heads for drilling through Rock and other hard formations when drilling Oil wells, and especially on rotary heads hanging legs, which have cutting edges, which on from the inside of the thighs inwards and downwards extending pins are rotatably attached.
Bohrköpfe dieser Art sind herkömmlicherweise an einem Bohrgestänge aufgehängt, welches sich von dem an der Oberfläche befindlichen Bohrturm nach unten erstreckt. Üblicherweise wird der Strang des Bohrgestänges vom Bohrturm gedreht und diese Drehbewegung auf den Bohrkopf am Grund des Loches übertragen. In einigen Fällen wird die Drehung des Bohrkopfes durch die Verwendung eines am unteren Ende des Bohrgestänges gerade über dem Bohrkopf befestigten Fluidmotors erzielt. Im einen wie im anderen Fall ist das Bohrgestänge, da es einen kleineren Durchmesser als das zu bohrende Loch aufweist, anfällig für seitliche Vibrationen oder andere Bewegungen, die eine Schrägstellung des Stranges bestimmter Größe hervorrufen, welche in einem bestimmten Maß auf den Bohrkopf selbst übertragen wird. Dies führt zum Kippen des Bohrkopfes, was übermäßigen Druck der unteren Schenkelabschnitte des Bohrkopfes bei dessen Drehung gegen die Formation hervorruft. Diese Erscheinung ist noch kritischer beim Richtungsbohren, bei welchem der Bohrkopf mit außergewöhnlichen Winkelabweichungen gegenüber der Vertikalen ausgerichtet ist. Ursprünglich wurden Bohrköpfe wegen physischer Beschränkungen innerhalb des Bohrloches mit relativ dünnen Schenkelkonstruktionen ausgebildet. Als Ergebnis arbeitete der sich drehende Bohrkopf mit übermäßigen seitlichen Schaukel- oder Kippbewegungen, welche die Lebensdauer des Bohrkopfes in hohem Maße reduzierten, da der untere Abschnitt der Schenkel sich schnell abnutzte und zu einem Abdichtungs- und/oder Lagerdefekt führte.Drill heads of this type are conventionally on one Drill pipe suspended, which is different from that on the Surface of the derrick extends downwards. Usually the string of the drill string is from Drilling rig rotated and this rotary movement on the drill head transmitted at the bottom of the hole. In some cases, the Rotation of the drill head by using an am lower end of the drill pipe just above the drill head attached fluid motor achieved. In one as in the other Fall is the drill pipe as it is a smaller one Diameter than the hole to be drilled is susceptible for side vibrations or other movements, one Cause inclination of the strand of a certain size, which to a certain extent on the drill head itself is transmitted. This leads to the tip of the drill bit what excessive pressure of the lower leg sections of the Drill head as it rotates against the formation evokes. This phenomenon is even more critical in Directional drilling, in which the drill head with exceptional angular deviations from the Is aligned vertically. Originally, drill heads due to physical limitations within the borehole formed with relatively thin leg structures. As The rotating boring head worked with the result excessive lateral rocking or tilting movements, which greatly affects the life of the drill head reduced because the lower section of the thighs themselves quickly worn out and become a sealing and / or Defective bearing led.
Stabilisatoren für das Bohrgestänge sind bisher verwendet worden, waren aber oberhalb des Bohrkopfes in einiger Entfernung von diesem angeordnet, so daß immer noch die Möglichkeit für seitliches Bewegen oder Kippen des Bohrkopfes bestand.Stabilizers for the drill pipe have been used so far but were in some above the drill head Distance from this arranged so that still the Possibility for moving or tilting the Drill head existed.
Das US-Patent Nr. 36 28 616 beseitigte einige dieser Probleme dadurch, daß eine Stabilisierungseinrichtung direkt am Bohrkopf vorgesehen und dadurch die Notwendigkeit zusätzlichen Gewindeschutzes beseitigt sowie die Kippbewegung des Bohrkopfes stark verringert wurde. Diese Stabilisierungseinrichtung bestand aus harten Metalleinlagen, die direkt an den oberen Abschnitt des Bohrkopfkörpers angeschweißt wurden. Diese Einlagen waren von ausreichender Dicke, um die Lebensdauer des Bohrkopfes in hohem Maße zu verlängern und gleichzeitig den Durchmesser des oberen Bohrkopfkörpers innerhalb der durch die von den Rotationsschneiden beschriebene diametrale Schneidbahn oder Bohrung bestimmten Grenzen zu halten.U.S. Patent No. 3,628,616 eliminated some of these Problems due to the fact that a stabilizing device provided directly on the drill head and thereby the Eliminates need for additional thread protection as well the tilting movement of the drill head was greatly reduced. This stabilization device consisted of hard Metal inserts that are directly attached to the upper section of the Drill head body were welded. These deposits were of sufficient thickness to extend the life of the drill head to extend to a great extent and at the same time the Diameter of the upper drill head body within the the diametrical described by the rotary cutting edges To keep cutting path or bore certain limits.
Ferner wies diese Art angeschweißter Einlagen-Konstruktion notwendigerweise scharfe Kanten auf, die zu Spannungsrisern am Schenkel führten. Dies ist selbstverständlich unerwünscht, da dadurch die Ermüdungslebensdauer aufgrund der durch das Schweißen am schwächsten Teil des Schenkels hervorgerufenen mechanischen Kerben stark verkürzt wird. Furthermore, this type pointed welded Inlay construction necessarily has sharp edges that led to tension risers on the thigh. This is of course, undesirable, as this Fatigue life due to welding caused by weakest part of the thigh mechanical notches is greatly shortened.
Überdies wurde festgestellt, daß hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Bohrfluids während des Betriebs die angeschweißte Einlage der "Platten"- Ausführung sofort erodieren kann.Furthermore, it was found that high Flow rates of the drilling fluid during the Operating the welded insert of the "plates" - Execution can erode immediately.
Ein anderer Nachteil, der an der Konstruktion gemäß dem ′616′-Patent festgestellt wurde, bestand darin, daß der untere Abschnitt des Ansatzes mit seiner geraden Oberfläche einen Damm bildete, der die nach oben gerichtete Strömung des Bohrfluids (Spültrübe) durch den Bohrloch-Ringspalt hindurch behinderte. Dies verursachte übermäßige Drücke und verstärkte Erosion an den unteren Schenkelabschnitten des Bohrkopfes.Another disadvantage of the construction according to the '616' patent was found that the lower section of the approach with its straight Surface formed a dam that the up directed flow of the drilling fluid (mud) through the Borehole annulus obstructed. This caused excessive pressures and increased erosion at the bottom Leg sections of the drill head.
Die im US-Patent Nr. 36 28 616 beschriebene Bohrkopf-Ausführung umfaßte auch eine Mehrzahl von Wolframkarbid-Einsätzen, die auf den Verschleiß-Einlagen befestigt waren. Jedoch neigen diese Einsätze während des Betriebs dazu, Risse zu bekommen und übermäßig zu verschleißen.The one described in U.S. Patent No. 3,628,616 Drill head design also included a plurality of Tungsten carbide inserts on the wear inserts were attached. However, these bets tend to be during the Operating to get cracks and excessive wear out.
Die Erfindung beseitigt die vorerwähnten Nachteile durch Schaffung einer einstückig an den Bohrkopf-Körper angeschmiedeten Stabilisierungseinrichtung. Diese Konstruktion wird dadurch verwirklicht, daß die Stabilisierungs-Ansätze an den Schenkel-Schmiedestücken vorgeformt werden. Der untere Abschnitt jedes Stabilisierungs-Ansatzes ist in Richtung zu seinen Außenseiten abgerundet und dient dazu, mit einem unterhalb des Ansatzes angeordneten zurückgesetzten Teil des Bohrkopf-Körpers zusammenzuwirken, um einen von den untersten Enden des Bohrkopf-Körpers wegführenden Strömungskanal zu bilden. The invention overcomes the aforementioned drawbacks Creation of a one-piece to the drill head body forged stabilization device. These Construction is realized in that the Stabilization approaches on the leg forgings be preformed. The bottom section of each Stabilization approach is towards its Rounded outside and serves with one below of the approach arranged recessed part of the To interact with one of the lowermost ends of the drill head body leading away Form flow channel.
Ein Hauptvorteil dieser Konstruktion besteht darin, daß ein metallurgisch fester Bohrkopfkörper geformt ist, der dem Zerbrechen widersteht. Zusätzlich gewinnen die geschmiedeten Ansätze, da sie geschmiedete Teile sind, durch eine Verbesserung der Kornstruktur im Metall eine wesentliche Zunahme der Zähigkeit und der Betriebssicherheit. Bei dieser Konstruktion ist die sehnige Metallstruktur parallel zu den höchsten Spannungen und Stoßbelastungen, die dem Schenkel aufgezwungen werden, ausgerichtet. Durch Ausnutzung des Metallflusses während des Schmiedevorgangs werden höchste mechanische Eigenschaften an den kritisch beanspruchten Abschnitten erzielt.A major advantage of this construction is that a metallurgically solid drill head body is formed, which resists breakage. In addition, they win forged approaches since they are forged parts by improving the grain structure in the metal substantial increase in toughness and Operational safety. In this construction, the sinewy metal structure parallel to the tallest Tensions and shock loads on the thigh be forced to be aligned. By using the Metal flow during the forging process are highest mechanical properties of the critically stressed Sections achieved.
Eine derartige Konstruktion kann ferner optimal angepaßt werden, um gute Stabilisation zu bieten und gleichzeitig die durch die Strömungskanal-Konstruktion erzeugte Fluidströmung und Entfernung des Bohrkleins zu verbessern.Such a construction can also be optimally adapted to provide good stabilization and at the same time that created by the flow channel construction Fluid flow and removal of cuttings too improve.
Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die geschmiedete Konstruktion einen ohne Schwierigkeiten maschinell bearbeitbaren Vorsprung aufweist, der auf jeden Durchmesser abgedreht werden kann und weniger Arbeitsvorgänge als angeschweißte Schenkel erfordert.Another advantage of the invention is that the forged construction without any difficulty machinable projection that fits on everyone Diameter can be turned and less Operations as welded legs required.
Die vorliegende Erfindung verwendet außerdem polykristalline Diamant-Presslinge, die zur Erzielung höchsten Abriebswiderstandes in die Stabilisierungs-Ansätze eingepreßt sind. Die Einsatz-Gestaltung kann entweder flach oder gerundet und bündig mit der Ansatzoberfläche sein oder sich über diese hinaus erstrecken. Der Vorteil der über den Ansatz überstehenden abgerundeten Einsätze besteht in der Vergrößerung des ringförmigen Raums, der für das Vorbeiströmen des Bohrkleins verfügbar ist. Diese Konstruktion bewirkt weiterhin ein Zweitschneiden des Stichmaßes, so daß die Aufrechterhaltung des Bohrlochdurchmessers unterstützt wird. Überdies wird aufgrund der Verringerung der im Kontakt mit der Wandung des Bohrloches befindlichen Fläche ein geringeres Drehmoment erzeugt.The present invention also uses polycrystalline diamond compacts to achieve highest abrasion resistance in the Stabilization approaches are pressed. The Insert framing can be either flat or rounded and be flush with the neck surface or over it extend out. The advantage of the approach protruding rounded inserts consists in the Enlargement of the annular space for the Passing the cuttings is available. These Construction continues to cut the Gauge, so that the maintenance of the Borehole diameter is supported. Moreover, due to the reduction in contact with the wall the area of the borehole is smaller Torque generated.
Nachstehend ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigenThe invention is based on two Exemplary embodiments with reference to the drawing described in more detail. Show it
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Bohrkopfes, Fig. 1 is a perspective view of the drill head according to the invention,
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer der Schenkel des Bohrkopfes entlang den Linien 3 - 3 in Fig. 1, Fig. 2 is an enlarged sectional view of one of the legs of the drill head along the lines 3 -. 3 in Figure 1,
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des zur Bildung des Schenkels verwendeten Schmiedestückes, Fig. 3 of the forging used to form the leg is a sectional view,
Fig. 4 eine vergrößerte Seitenansicht des Schenkels, Fig. 4 is an enlarged side view of the leg,
Fig. 5 eine vergrößerte Teildarstellung des erfindungsgemäßen Stabilisierungs-Ansatzes, und Fig. 5 is an enlarged partial view of the stabilization approach according to the invention, and
Fig. 6 eine vergrößerte Teildarstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles des Stabilisierungs-Ansatzes gemäß der Erfindung. Fig. 6 is an enlarged partial view of a second embodiment of the stabilization approach according to the invention.
Fig. 1 zeigt einen Bohrkopf 10 mit einem Körper 12 und einem mit Gewinde versehenen Schaftabschnitt 14, der ausgebildet ist, mit dem unteren Ende des Bohrgestänges durch Verschrauben verbunden zu werden. Schenkel 16 erstrecken sich vom Bohrkopfkörper 12 nach unten. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist jeder Schenkel 16 einen nach innen und nach unten gerichteten Zapfen 18 auf, der zur drehbaren Aufnahme einer mit 20 in Fig. 2 mit unterbrochenen Linien dargestellten Schneide ausgebildet ist. Die Schneiden 20 sind so ausgerichtet, daß sie eine Kreisbahn beschreiben, deren Außendurchmesser den Stichmaßdurchmesser des Bohrkopfes bildet. Fig. 1 shows a drill head 10 with a body 12 and a threaded shaft portion 14 which is designed to be screwed to the lower end of the drill string. Legs 16 extend from the drill head body 12 downward. As shown in FIG. 2, each leg 16 has an inwardly and downwardly directed pin 18 , which is designed for rotatably receiving a cutting edge shown by 20 in FIG. 2 with broken lines. The cutting edges 20 are aligned so that they describe a circular path, the outer diameter of which forms the pitch diameter of the drill head.
Der untere Teil des Zapfens 18 ist durch eine Rotationsfläche 22 definiert, die in einer Ebene normal zur Längsachse des Zapfens 18 liegt. Die Rotationsfläche 22 und das untere Ende des Schenkels 16 begrenzen einen relativ dünnen, sich verjüngenden unteren Schenkelabschnitt, der allgemein als Hemdschoß (shirttail) bekannt ist. Das radial äußerste Ende des Hemdschoßes 24 erstreckt sich nicht bis zum Außendurchmesser des Bohrkopfes 10, sondern weist einen Abstand zu den Seitenwänden des Bohrloches auf.The lower part of the pin 18 is defined by a surface of revolution 22 which lies in a plane normal to the longitudinal axis of the pin 18 . The surface of rotation 22 and the lower end of the leg 16 define a relatively thin, tapered lower leg portion, commonly known as a shirttail. The radially outermost end of the shirt lap 24 does not extend to the outer diameter of the drill head 10 , but is at a distance from the side walls of the borehole.
Stabilisierungsansätze 30 sind an dem oberen Abschnitt jedes Schenkels 16 ausgebildet und erstrecken sich radial nach außen bis im wesentlichen zum Stichmaßdurchmesser des Bohrkopfes 10. Fig. 3 zeigt ein Schmiedestück 40 eines der Schenkel 16. Das Schmiedestück 40 umfaßt einen Kopfabschnitt 41, einen Zapfenabschnitt 42, einen Hemdschoß-Abschnitt 43 und einen Stabilisierungsabschnitt 44.Stabilizing lugs 30 are formed on the upper section of each leg 16 and extend radially outward to substantially the pitch diameter of the drill head 10 . Fig. 3 shows a forging 40 of the leg 16. The forging 40 includes a head portion 41 , a pin portion 42 , a shirt lap portion 43 and a stabilizing portion 44 .
Der Zapfenabschnitt 42 ist zur Bildung des Zapfens 18 und der Rotationsfläche 22, wie in Fig. 2 gezeigt, maschinell bearbeitet. Der Hemdschoß-Abschnitt 43 ist ebenfalls maschinell bearbeitet, um zur Bildung des Hemdschoßes 24 etwas Grundmetall (in unterbrochenen Linien gezeigt) des Schmiedestückes (40) zu entfernen. Dies ist deutlicher in Fig. 4 dargestellt.The pin portion 42 is machined to form the pin 18 and the rotating surface 22 as shown in FIG. 2. The shirt lap portion 43 is also machined to remove some base metal (shown in broken lines) from the forging ( 40 ) to form the shirt lap 24 . This is shown more clearly in FIG. 4.
Das Schmiedestück 40 ist außerdem angedreht, um einen Teil des Stabilisierungsabschnittes 44, wie in unterbrochenen Linien dargestellt, zwecks Ausbildung des Stabilisierungsansatzes 30 durch maschinelle Bearbeitung zu entfernen. Drei derartige Schenkel-Schmiedestücke sind zur Bildung des Steinbohrers zusammengeschweißt.The forging 40 is also turned to remove a portion of the stabilizing portion 44 , as shown in broken lines, to machine the stabilizing tab 30 . Three such leg forgings are welded together to form the stone drill.
Wie in Fig. 1 gezeigt, bildet der untere Abschnitt jedes Stabilisierungsansatzes 30 einen abgerundeten Teil 51, der bogenförmig nach oben verläuft, um sich mit den Seiten 53 des Ansatzes 30 zu vereinigen. Dieser abgerundete Teil 51 wirkt mit einem am Schenkel 16 ausgebildeten zurückgesetzen Teil 55 zur Bildung eines Strömungskanals zusammen, um die Strömung der Spültrübe um den Hemdschoß 24 herum nach oben um den Stabilisierungsansatz 30 herum zu verbessern.As shown in FIG. 1, the lower portion of each stabilizing tab 30 forms a rounded portion 51 that is curved upward to unite with the sides 53 of the tab 30 . This rounded part 51 interacts with a recessed part 55 formed on the leg 16 to form a flow channel in order to improve the flow of the flushing sludge around the shirt lap 24 upwards around the stabilization attachment 30 .
Die Spültrübe (nicht dargestellt) strömt über eine Mehrzahl von durch den Bohrkopf-Körper 12 verlaufenden Öffnungen 60 in das Bohrloch ein.The mud slurry (not shown) flows into the borehole through a plurality of openings 60 running through the drill head body 12 .
Die Fig. 1 und 2 zeigen außerdem ein Schmierungssystem mit einem Reservoir 61, in dem eine Druckausgleichseinrichtung 62 angeordnet ist. Die eine Seite der Ausgleichseinrichtung steht mit der Außenseite des Bohrkopfes durch Kanäle 63 in Verbindung, die in einem Verschluß 65 ausgebildet sind. Die andere Seite der Ausgleichseinrichtung 62 ist über Gänge 66 und 67 mit dem Inneren des Lagerhohlraumes verbunden. Schmiermittel (nicht dargestellt) füllt das Reservoir 61, die Gänge 66 und 67 sowie den Lagerhohlraum vollständig aus. Figs. 1 and 2 also show a lubrication system with a reservoir 61, is arranged in which a pressure compensating means 62. One side of the compensation device is connected to the outside of the drill head through channels 63 , which are formed in a closure 65 . The other side of the compensation device 62 is connected to the interior of the bearing cavity via passages 66 and 67 . Lubricant (not shown) completely fills the reservoir 61 , the passages 66 and 67 and the bearing cavity.
Fig. 4 zeigt deutlicher eine Mehrzahl von Bohrungen 45 zur Aufnahme einer Mehrzahl von Einsätzen 46. Jeder Einsatz 46 ist vorzugsweise aus polykristallinem Diamant hergestellt und seine Außenfläche kann im wesentlichen eben ausgebildet sein, um bündig mit der Außenfläche des Stabilisierungsansatzes abzuschließen (siehe Fig. 5). Fig. 4 shows more clearly a plurality of bores 45 for receiving a plurality of trays 46. Each insert 46 is preferably made of polycrystalline diamond and its outer surface may be substantially planar to be flush with the outer surface of the stabilizing extension (see FIG. 5).
Alternativ kann jeder Einsatz 46 auch abgerundete äußere Vorsprünge 48 aufweisen, die über die Außenfläche des Stabilisierungsansatzes 30 hinausragen (siehe Fig. 6).Alternatively, each insert 46 can also have rounded outer projections 48 which protrude beyond the outer surface of the stabilization projection 30 (see FIG. 6).
Zusätzlich kann jeder Einsatz 46 vollständig aus polykristallinem Diamant bestehen oder andernfalls aus einem Plättchen bestehen, daß an einem aus Wolframkarbid bestehendem Basisteil durch Hartlötung befestigt ist.In addition, each insert 46 may be made entirely of polycrystalline diamond, or otherwise may be a plate that is brazed to a base part made of tungsten carbide.
Im Betrieb wurde festgestellt, daß einstückig geformte Stabilisierungsansätze 30 viele der an den vorbekannten Konstruktionen festgestellten Nachteile überwunden haben. Außerdem haben die Diamanteinsätze 46 den Verschleiß am Stabilisierungsansatz in hohem Maße reduziert und dadurch die Lebensdauer des Bohrkopfes erheblich verlängert.In operation, it has been found that integral stabilization tabs 30 have overcome many of the drawbacks found in the prior art designs. In addition, the diamond inserts 46 have reduced the wear on the stabilization attachment to a great extent, thereby considerably extending the service life of the drill head.
Es dürfte sich von selbst verstehen, daß Änderungen in der genauen Form, in Einzelheiten und Proportionen der Konstruktion ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken durchgeführt werden können.It goes without saying that changes in the exact form, in details and proportions of the Construction without deviation from the inventive concept can be carried out.
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