NL8800897A

NL8800897A - DRILL BIT WITH AS FORGED STABILIZATION BODY.

Info

Publication number: NL8800897A
Application number: NL8800897A
Authority: NL
Original assignee: Smith International
Priority date: 1987-04-10
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1988-11-01
Also published as: DE3811370A1; CA1335988C; GB8808453D0; MX167812B; GB2203470B; FR2613764B3; BE1002144A5; FR2613764A1; GB2203470A

Description

N035093 1 *N035093 1 *

Boorbit met als een geheel gesmeed stabilisatie-orgaan.Drill bit with a fully forged stabilizer.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op boorbits voor het boren door rots en andere harde formaties bij het boren van olieputten en meer in het bijzonder op draaiende bits met afhangende benen met snijorganen draaibaar aangebracht op lagers die zich naar binnen en 5 naar beneden vanaf de binnenzijden van de benen uitstrekken.The present invention relates to drill bits for drilling through rock and other hard formations when drilling oil wells and more particularly to rotary legs with rotating legs with cutters rotatably mounted on bearings extending inwards and downwards from the inner sides of extend the legs.

Boorbits van dit soort worden normaliter opgehangen aan boorpijp, die zich naar beneden vanaf de boortoren aangebracht bij het oppervlak uitstrekt. Normaliter wordt de streng boorpijp gedraaid door de boortoren en deze draaiing wordt bij de bodem van het gat aan de bit 10 overgebracht. In bepaalde gevallen wordt draaiing van de bit verwezenlijkt via het gebruik van een fluidummotor aangebracht bij de bodem van de boorstreng net boven de bit. In elk geval wordt de boorstreng, die een kleinere diameter heeft dan het gat dat geboord wordt, onderworpen aan zijdelingse kantel- of andere beweging, die een zekere 15 omvang van onder een hoek staan aan de streng oplegt, dat in zekere mate aan de bit zelf opgelegd wordt. Dit heeft kantelen van de bit tot gevolg, hetgeen buitensporige druk van de benedenbeendelen van de bit tegen de formatie veroorzaakt wanneer de bit gedraaid wordt. Dit verschijnsel is nog kritischer bij het gericht boren, waarbij de bit met 20 buitensporige hoeken ten opzichte van de verticaal georiënteerd wordt. Vanwege fysische spanningen binnen het boorgat werden bits oorspronkelijk geconstrueerd met verhoudingsgewijze dunne beenconstruc-ties. Als gevolg werkte de draaiende bit met ongepaste zijdelings zwenkende of kantelende beweging, hetgeen de levensduur van de bit aanzien-25 lijk beperkte aangezien het benedendeel van de benen snel wegslijt, hetgeen tot falen van afdichting en/of lagers leidde.Drill bits of this type are normally suspended from drill pipe, which extends downward from the derrick arranged at the surface. Normally, the string of drill pipe is rotated by the derrick and this rotation is transmitted to the bit 10 at the bottom of the hole. In some cases, rotation of the bit is accomplished through the use of a fluid motor mounted at the bottom of the drill string just above the bit. In any case, the drill string, which has a smaller diameter than the hole being drilled, is subjected to lateral tilting or other movement, which imposes a certain amount of angle on the string, which to some extent attaches to the bit self-imposed. This results in tilting of the bit, causing excessive pressure of the lower leg portions of the bit against the formation when the bit is rotated. This phenomenon is even more critical in directional drilling, in which the bit is oriented with excessive angles relative to the vertical. Due to physical stresses within the borehole, bits were originally constructed with relatively thin leg constructions. As a result, the rotating bit operated with improper side-to-side pivoting or tilting motion, which significantly limited the life of the bit as the lower part of the legs wear away quickly, leading to seal and / or bearing failure.

Stabilisatie-organen voor de boorstreng zijn eerder gebruikt maar deze waren boven een boorbit aangebracht op enige afstand daarvan, zodat de boorbit nog steeds een kans had te bewegen of zijdelings te kan-30 telen.Drill string stabilizers have previously been used, but were mounted above a drill bit some distance therefrom, so that the drill bit still had a chance to move or grow sideways.

In US-A-3.628.616 worden enkele van deze problemen vermeden door het voorzien in stabiliserende middelen rechtstreeks op de boorbit, waardoor de behoefte aan extra nevendelen uitgesloten wordt en de kan-telbeweging van de bit aanzienlijk beperkt wordt. Dit stabilisatiemid-35 del omvatte hardmetalen blokken rechtstreeks gelast op het bovendeel van het lichaam van de bit. Deze blokken hadden voldoende dikte om de levensduur van de bit aanzienlijk te verlengen, terwijl de diameter van het bovendeel van het bitlichaam binnen de grenzen bleef verwezenlijkt . 880 0 897 ? 2 * door de diametrale snijbaan of boring beschreven door de draaiende snijorganen.In US-A-3,628,616, some of these problems are avoided by providing stabilizers directly on the drill bit, eliminating the need for additional auxiliary parts and significantly limiting the bit's tilting movement. This stabilizer included tungsten carbide blocks welded directly to the top of the bit body. These blocks had sufficient thickness to significantly extend the life of the bit, while maintaining the diameter of the upper part of the bit body within limits. 880 0 897? 2 * through the diametrical cutting path or bore described by the rotating cutting members.

Bovendien had dit soort gelaste blokconstructie noodzakelijkerwijs scherpe hoeken, hetgeen spanningspieken op het been veroorzaakte. Dit 5 is natuurlijk onwenselijk aangezien dit de vermoeifngslevensduur door de mechanische inkerving veroorzaakt door het lassen in het zwakste deel van het been aanzienlijk verkort.In addition, this type of welded block construction necessarily had sharp angles, causing stress peaks on the leg. This is of course undesirable since it significantly shortens the fatigue life due to the mechanical notch caused by welding in the weakest part of the leg.

Bovendien bleek dat aanzienlijke stroomsnelheden boorfluïdum tijdens bedrijf het blok van het opgelaste "plaaf'soort dadelijk weg 10 kunnen eroderen.In addition, it has been found that significant flow rates of drilling fluid can erode the block of the welded-on slab immediately during operation.

Een andere tekortkoming bij de constructie bekend uit US-A-3.628.616 was dat het benedendeel van het oor met het rechte oppervlak daarvan een dam vormde die de opwaartse stroming van het boorfluïdum door de boorgatring belemmerde. Dit gaf op zijn beurt 15 niet passende druk en vergrote erosie bij de benedenbeendelen van de bit.Another shortcoming in the construction known from US-A-3,628,616 was that the lower part of the ear with its straight surface formed a dam which hindered the upward flow of the drilling fluid through the borehole ring. This in turn gave inappropriate pressure and increased erosion at the lower leg portions of the bit.

Het soort bit beschreven in US-A-3.628.616 omvatte eveneens een veelheid van wolfraamcarbide-inbrengdelen aangebracht op het slijtblok. Deze inbrengdelen hebben echter een neiging te barsten en tijdens be-20 drijf onpassend te slijten.The type of bit described in US-A-3,628,616 also included a plurality of tungsten carbide inserts mounted on the wear block. However, these insertion parts tend to crack and wear improperly during operation.

De onderhavige uitvinding vermijdt de bovengenoemde tekortkomingen door het voorzien in stabilisatiemiddelen als een geheel gesmeed op het boorbitlichaam. Deze constructie wordt verwezenlijkt door de stabili-satie-oren voorgevormd op de beensmeeddelen aan te brengen. De beneden-25 sectie van elk stabilisatieblok is afgerond naar de buitenzijden daarvan en dient om samen te werken met een uitgespaard deel van het boorbitl ichaam liggend onder het oor om een stroomkanaal voort te brengen weg van de benedenuiteinden van het bitlichaam.The present invention avoids the above shortcomings by providing stabilizing means forged on the drill bit body as a whole. This construction is realized by applying the stabilizing ears preformed to the leg forging parts. The lower section of each stabilizing block is rounded to the outer sides thereof and serves to interact with a recessed portion of the drill bit body lying under the ear to produce a flow channel away from the lower ends of the bit body.

Een primair voordeel van deze constructie is dat een metallurgisch 30 massief bitlichaam gevormd wordt, dat aan breuk weerstand zal bieden. Bovendien hebben, omdat deze een gesmeed deel zijn, de gesmede oren een aanzienlijk grotere taaiheid en betrouwbaarheid via verbetering van de korrelstructuur in het metaal. Met dit ontwerp ligt de vezelachtige metaalkorrel in lijn evenwijdig aan de meest aanzienlijke spanningen en 35 schokbelastingen die op het been opgelegd zullen worden. Door op van voordeel zijnde wijze gebruik te maken van metaalstroming tijdens het smeedproces worden maximum mechanische eigenschappen verkregen bij de kritisch belaste secties.A primary advantage of this construction is that a metallurgical solid bit body is formed, which will resist breakage. In addition, because they are a forged part, the forged ears have significantly greater toughness and reliability through improvement of the grain structure in the metal. With this design, the fibrous metal grain is aligned parallel to the most significant stresses and shock loads that will be imposed on the leg. Advantageously using metal flow during the forging process, maximum mechanical properties are obtained at the critically loaded sections.

Een dergelijke constructie kan eveneens optimaal gevormd worden om 40 in goede stabilisatie te voorzien bij het bevorderen van de fluïdum- ,8800897 3 stroming en verwijderen van het gesnedene voortgebracht door de stroomkanaal constructie.Such a construction can also be optimally formed to provide good stabilization in promoting fluid flow and removing the cut generated by the flow channel construction.

Het is een ander voordeel van de onderhavige uitvinding dat de gesmede constructie in een gemakkelijk bewerkbare naaf voorziet, die tot 5 elke diameter gedraaid kan worden en minder behandelingen dan lassen aan benen vereist.It is another advantage of the present invention that the forged construction provides an easily workable hub that can be turned up to any diameter and requires fewer treatments than leg welding.

De onderhavige uitvinding maakt eveneens gebruik van polykristal-lijne compacte diamantdelen geperst in de stabilisatie-oren om slijt-weerstand maximaal te maken. De uitvoering van de inbrengdelen kan het-10 zij plat hetzij afgerond zijn en kan gelijkliggend zijn met het oor-oppervlak of zich daar voorbij uitstrekken. Het voordeel van de afgeronde inbrengdelen zich uitstrekkend voorbij het oor is dat de ringvormige ruimte beschikbaar voor gesmede delen om te stromen vergroot wordt. Deze constructie voorziet eveneens in op secundaire maat snijden 15 om de diameter van het boorgat te helpen handhaven. Bovendien wordt minder moment opgewekt door de reduktie van oppervlaktegebied in aanraking met de wand van het gat.The present invention also uses polycrystalline compact diamond parts pressed into the stabilizing ears to maximize wear resistance. The insertion members may be either flat or rounded and may be flush with the ear surface or extend beyond it. The advantage of the rounded insertion parts extending beyond the ear is that the annular space available for forged parts for flow is increased. This construction also provides secondary cutting 15 to help maintain the diameter of the borehole. In addition, less moment is generated by the reduction of surface area in contact with the wall of the hole.

De uitvinding zal hieronder aan de hand van in de tekening afge-beelde uitvoeringsvoorbeelden nader beschreven worden, waarin: 20 Fig. 1 een perspectivisch aanzicht is van de boorbit in overeen stemming met de onderhavige uitvinding;The invention will be described in more detail below with reference to illustrative embodiments shown in the drawing, in which: 1 is a perspective view of the drill bit in accordance with the present invention;

Fig. 2 een vergroot aanzicht in doorsnede is van een van de benen van de boorbit genomen langs lijnen III-III uit fig. 1;Fig. 2 is an enlarged sectional view of one of the legs of the drill bit taken along lines III-III of FIG. 1;

Fig. 3 een aanzicht in doorsnede is van het smeedstuk gebruikt om 25 het been te vormen;Fig. 3 is a sectional view of the forging used to form the leg;

Fig. 4 een vergroot zijaanzicht van het been is;Fig. 4 is an enlarged side view of the leg;

Fig. 5 een vergroot gedeeltelijk aanzicht is van het stabili-satie-oor in overeenstemming met de onderhavige uitvinding; enFig. 5 is an enlarged partial view of the stabilizing ear in accordance with the present invention; and

Fig. 6 een vergroot gedeeltelijk aanzicht is van een tweede uit-30 voering van het stabilisatie-oor volgens de onderhavige uitvinding.Fig. 6 is an enlarged partial view of a second embodiment of the stabilizing ear of the present invention.

In fig. 1 is een boorbit 10 getoond met een lichaam 12 en een van schroefdraad voorzien pindeel 14, dat geschikt is om door schroeven verbonden te worden met het benedeneinde van een boorstreng. Benen 16 strekken zich naar beneden vanaf het bitlichaam 12 uit. Zoals in fig. 2 35 afgebeeld heeft elk been 16 een naar binnen en naar beneden gericht lager 18, dat geschikt is om draaibaar een snijorgaan te dragen met 20 in fig. 2 met stippellijnen aangegeven. De snijorganen 20 zijn georiënteerd om een cirkel vormige baan te beschrijven, waarvan de uitwendige diameter de nominale diameter van de bit vormt.In Fig. 1, a drill bit 10 is shown having a body 12 and a threaded pin portion 14 suitable for screw connection to the lower end of a drill string. Legs 16 extend downwardly from bit body 12. As shown in FIG. 2, each leg 16 has an inwardly and downwardly directed bearing 18, which is rotatably capable of carrying a cutter with 20 shown in broken lines in FIG. 2. The cutters 20 are oriented to describe a circular path, the external diameter of which forms the nominal diameter of the bit.

40 De basis van het lager 18 wordt begrensd door een omwentelings- .8800897 4 Λ oppervlak 22 liggend in een vlak loodrecht op de langshartlijn van het lager 18. Het omwentelingsoppervlak 22 en het benedeneinde van het been 16 begrenzen een verhoudingsgewijs dun taps toelopend benedenbeendeel algemeen bekend als hemdstaart (shirttail) 24. Het radiale uiteinde van 5 de hemdstaart 24 strekt zich niet buiten de uitwendige diameter van de bit 10 uit maar heeft ruimte ten opzichte van de zijwanden van het boorgat.40 The base of the bearing 18 is bounded by a revolution surface 8800897 liggend surface 22 lying in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the bearing 18. The revolution surface 22 and the lower end of the leg 16 delimit a relatively thin tapering lower leg portion generally known as shirt tail (shirttail) 24. The radial end of the shirt tail 24 does not extend outside the outer diameter of bit 10 but has space relative to the sidewalls of the borehole.

Stabilisatie-oren 30 zijn gevormd in het bovendeel van elk been 16 zich radiaal naar buiten tot in hoofdzaak de nominale diameter van de 10 boor 10 uitstrekkend. Fig. 3 toont een smeedstuk 40 van een van de benen 16. Het smeedstuk 40 omvat een koepel sectie 41, een lagersectie 42, een hemdstaartsectie 43 en een stabilisatiesectie 44.Stabilizing ears 30 are formed in the top portion of each leg 16 extending radially outwardly to substantially the nominal diameter of the drill bit 10. Fig. 3 shows a forging 40 of one of the legs 16. The forging 40 includes a dome section 41, a bearing section 42, a shirt tail section 43 and a stabilizing section 44.

De lagersectie 42 wordt bewerkt voor het vormen van het lager 18 en het omwentelingslichaam 22 zoals in fig. 2 afgebeeld. De hemdstaart-15 sectie 43 wordt eveneens bewerkt om wat moedermetaal te verwijderen afgebeeld met stippellijnen, van het smeedstuk 40 om de hemdstaart 24 te vormen. Dit is duidelijker in fig. 4 afgebeeld.The bearing section 42 is processed to form the bearing 18 and the revolution body 22 as shown in Fig. 2. The shirt tail 15 section 43 is also machined to remove some of the master metal shown in dotted lines from the forging 40 to form the shirt tail 24. This is more clearly depicted in Fig. 4.

Het smeedstuk 40 wordt bijgevolg gedraaid om een deel van de stabil isatiesectie 44 met stippellijnen aangegeven, door bewerken weg te 20 nemen om stabilisatieblok 30 te vormen. Drie van dergelijke beensmeed-stukken worden aan elkaar gelast om de rotsbit te vormen.The forging 40 is thus rotated about a portion of the stabilization section 44 indicated by dotted lines, by machining to form stabilization block 30. Three such leg forgings are welded together to form the rock bit.

Zoals in fig. 1 afgebeeld vormt het benedendeel van elk stabili-satieblok 30 een afgerond deel 51, dat naar boven gekromd is om samen te gaan met de zijden van het oor 30. Dit afgeronde deel 51 werkt samen 25 met een uitgespaard deel 55 gevormd op het been 16 om een stroomkanaal te vormen om de stroming van boorflufdum van om de hemdstaart 24 naar boven om het stabilisatie-oor 30 te bevorderen.As shown in Figure 1, the bottom portion of each stabilizing block 30 forms a rounded portion 51 which is curved upwardly to merge with the sides of the ear 30. This rounded portion 51 cooperates with a recessed portion 55 formed on the leg 16 to form a flow channel for the flow of drilling fluid from around the shirt tail 24 upward to promote the stabilizing ear 30.

Boorfluidum (niet afgebeeld) treedt het boorgat via een veelheid van mondstukken 60 binnen, zich uitstrekkend door het bitlichaam 12.Drilling fluid (not shown) enters the borehole through a plurality of nozzles 60 extending through the bit body 12.

30 Uit fig. 1 en 2 blijkt dat eveneens een smeerstelsel afgebeeld is met een houder 61 met een inrichting 62 voor het gelijkmaken van druk daarin aangebracht. De ene zijde van de inrichting voor het gelijkmaken staat in verbinding met de buitenzijde van de bit via openingen 63 gevormd in een dop 65. De andere zijde van de inrichting 62 voor het ge-35 lijkmaken staat in verbinding met het inwendige van de lagerkamer via doorgangen 66 en 67. Smeermiddel (niet afgebeeld) vult de houder 61, doorgangen 66 en 67 en de lagerholte volledig.It can be seen from Figs. 1 and 2 that a lubrication system is also shown with a holder 61 with a pressure equalizing device 62 fitted therein. One side of the equalizing device communicates with the outside of the bit through openings 63 formed in a cap 65. The other side of the equalizing device 62 communicates with the interior of the bearing chamber via passages 66 and 67. Lubricant (not shown) completely fills container 61, passages 66 and 67 and the bearing cavity.

Fig. 4 toont duidelijker een veelheid van boringen 45 voor het ontvangen van een veelheid van inbrengdelen 46. Elk inbrengdeel 46 is 40 bij voorkeur vervaardigd uit polykristal lijn diamant en het uitwendige , 8 8 0 Ü 8 Ss / é 5 oppervlak 47 daarvan kan In hoofdzaak vlak zijn teneinde gelijk te liggen met het uitwendige oppervlak van het stabilisatie-oor 30. (Zie fig. 5).Fig. 4 more clearly shows a plurality of bores 45 for receiving a plurality of insert members 46. Each insert member 46 is preferably made of polycrystalline diamond and its exterior surface 47 may be substantially planar to be flush with the outer surface of the stabilizing ear 30. (See Fig. 5).

Alternatief kan elk inbrengdeel 46 eveneens afgeronde uitwendige 5 uitsteeksels 48 hebben, zich uitstrekkend voorbij het uitwendige oppervlak van het stabilisatie-oor 30. (Zie fig. 6).Alternatively, each insertion member 46 may also have rounded exterior protrusions 48 extending beyond the exterior surface of the stabilizing ear 30. (See Fig. 6).

Bovendien kan elk inbrengdeel 46 volledig uit polykristallijn diamant bestaan, of kan anders een plak gesoldeerd op een basisdeel vervaardigd van wolfraamcarbide, omvatten.In addition, each insert 46 may consist entirely of polycrystalline diamond, or else may comprise a wafer brazed on a base member made of tungsten carbide.

10 Tijdens gebruik is gebleken dat als een geheel gevormde stabili-satie-oren 30 veel van de tekortkomingen gevonden bij constructies volgens de stand der techniek niet hebben. Bovendien vertonen de diamant-inbrengdelen 46 aanzienlijk beperkte slijtage bij het stabilisatie-oor, waardoor de nuttige levensduur van de boorbit aanzienlijk vergroot 15 wordt.In use, it has been found that integrally formed stabilizing ears 30 do not have many of the shortcomings found in prior art structures. In addition, the diamond inserts 46 exhibit considerably limited wear at the stabilizing ear, which greatly increases the useful life of the drill bit.

Begrepen moet worden dat veranderingen aangebracht kunnen worden in de exacte vorm, details en afmetingen van de constructie zonder buiten de gedachte van de uitvinding te geraken.It is to be understood that changes can be made in the exact shape, details and dimensions of the structure without departing from the scope of the invention.

. 8 8 0 0 8 £ 7. 8 8 0 0 8 £ 7

Claims

9

1. Drill bit comprising a drill bit body having a main body portion and a plurality of legs extending downwardly thereof, the lower end of each leg having a relatively thin tapered end, commonly known as a shirt-tail portion, a cutting member rotatably mounted on each leg, wherein when the bit body rotates, the cutting members define a circular cutting path, the outside diameter of the cutting members forming the outside diameter of the drill bit; characterized in that the main body part comprises a stabilizing ear as a whole forged thereon directly above each leg, each ear extending radially outward from the main body part to substantially the same diameter as the circular cutting path; and that flow channel is centered and recessed along the bottom and side edges of each ear to promote fluid flow from about each shirt tail portion up through each stabilizing ear.

Drilling bit according to claim 1, characterized in that said flow channel has a curved surface at the lower part of each stabilizing ear.

Drilling bit according to any one of the preceding claims, characterized in that the flow channel comprises a radially recessed portion formed on the main body, each directly under stabilizing ear.

Drill bit according to any one of the preceding claims, characterized in that a plurality of polycrystalline diamond insertion parts is arranged in the surface of each stabilizing leg.

Drill bit according to claim 4, characterized in that each polycrystalline diamond insert comprises a flat bearing surface which substantially coincides with the plane of the stabilizing leg.

Drilling bit according to claim 4, characterized in that each polycrystalline diamond insert has a rounded drying surface extending beyond the surface of the stabilizing leg.

A method of manufacturing a rotary drill bit according to any of the preceding claims, characterized by the steps of: forging a plurality of elements with upper body parts and lower leg parts; machining each element to form a shirt tail portion lying at the lower leg portion; machining each element to form bearings; providing a cutter to be rotatably mounted 40 on each bearing; . 6 6 CCC i 7 orienting and securing the elements in a unitary construction so that the cutting members have an external extension defining the external diameter of the tool and the stabilizing ears radially outward to substantially the same diameter if the cutting extensions extend.

A method of manufacturing a drill bit according to claim 7, characterized by the steps of: drilling a plurality of holes in the surface of each stabilizing ear; and providing a polycrystalline diamond insert in each bore. .88008b /