RU156924U1

RU156924U1 - DRILLING VAN BIT

Info

Publication number: RU156924U1
Application number: RU2015130645/03U
Authority: RU
Inventors: Гниятулла Гарифуллович Ишбаев; Андрей Григорьевич Балута; Ильдар Рамилевич Ишмуратов; Самат Юнирович Вагапов
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2015-11-20

Abstract

Буровое лопастное долото, включающее корпус с центральным каналом, выходными отверстиями для промывочной жидкости и лопастями, оснащенными режущими элементами, отличающееся тем, что корпус снабжен цилиндром, по оси цилиндра размещен винтовой шпиндель, взаимодействующий с цилиндром посредством шлицевой винтовой пары, в корпусе размещена втулка, взаимодействующая с винтовым шпинделем с возможностью осевого перемещения, причем корпус, цилиндр, винтовой шпиндель и втулка образуют замкнутую камеру, гидравлически связанную с центральным каналом посредством дросселя и содержащую пружины сжатия, а шлицевая винтовая пара выполнена несамотормозящегося типа.Drill blade bit, comprising a housing with a central channel, outlet holes for flushing fluid and blades equipped with cutting elements, characterized in that the housing is equipped with a cylinder, a screw spindle is placed along the axis of the cylinder, interacting with the cylinder by a slotted screw pair, a sleeve is placed in the housing, interacting with a screw spindle with the possibility of axial movement, and the housing, cylinder, screw spindle and sleeve form a closed chamber hydraulically connected to the central by means of a throttle and containing compression springs, and a spline screw pair is made of a non-self-braking type.

Description

Техническое решение относится к нефтегазовой промышленности, а именно к породоразрушающему инструменту режущего типа и может быть использовано для бурения в условиях сильной осевой и крутильной вибрации. Другой областью применения данного технического решения является бурение горизонтальных или близких к горизонтали участков ствола скважины, когда вследствие значительной силы трения между стенкой скважины и колонной бурильных труб процесс передачи осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент затруднен.The technical solution relates to the oil and gas industry, namely to the cutting type rock cutting tool and can be used for drilling under conditions of strong axial and torsional vibration. Another area of application of this technical solution is the drilling of horizontal or horizontal sections of the wellbore, when due to the significant friction between the wall of the well and the drill pipe string, the process of transferring the axial load to the rock cutting tool is difficult.

Широкую известность получили буровые лопастные долота режущего типа различных конструкций (Булатов А.И., Проселков Ю.М., Шаманов С.А «Техника и технология бурения нефтяных и газовых скважин»: Учебник для вузов. - М.: ООО “Недра-Бизнесцентр”, 2003.).The cutting blades of the cutting type of various designs (Bulatov A.I., Proselkov Yu.M., Shamanov S.A. “Technique and technology for drilling oil and gas wells”: Textbook for universities. —M .: Nedra- LLC Business Center ”, 2003.).

Общим их недостатком является недостаточная эффективность работы, обусловленная тем, что при разрушении породы долото испытывает сильные крутильные и осевые ударные нагрузки, что приводит к преждевременному отказу его вооружения.Their common drawback is insufficient work efficiency, due to the fact that when the rock is destroyed, the bit experiences strong torsional and axial shock loads, which leads to a premature failure of its weapons.

Известно техническое решение, которое позволяет организовать обратную связь между величиной осевой нагрузки на долото в зависимости от крутящего момента на нем. Вместе с тем, устройство позволяет осуществить гашение продольных и крутильных колебаний, возникающих в компоновке низа бурильной колонны (КНБК) в процессе бурения скважины (патент РФ №2439282, оп. 10.01.2012 г., евразийский патент №019323).A technical solution is known that allows you to organize feedback between the magnitude of the axial load on the bit, depending on the torque on it. At the same time, the device allows damping of longitudinal and torsional vibrations that occur in the layout of the bottom of the drill string (BHA) during drilling (RF patent No. 2439282, op. 10.01.2012, Eurasian patent No. 019323).

Однако данное устройство устанавливается над всей КНБК, включающую забойный двигатель. Вместе с тем известно, что для эффективного гашения крутильных и продольных колебаний, подрессоренная масса должна быть минимальной, т.е. устройство должно располагаться как можно ближе к источнику осевых и крутильных колебаний (к вооружению долота).However, this device is installed over the entire BHA including the downhole motor. At the same time, it is known that for effective damping of torsional and longitudinal vibrations, the sprung mass should be minimal, i.e. the device should be located as close as possible to the source of axial and torsional vibrations (to the armament of the bit).

Известно буровое лопастное долото, включающее корпус с ниппелем, центральным каналом и выходными отверстиями для промывочной жидкости и лопастями, оснащенными режущими элементами. Причем дизайн самого долота, расположения его режущих элементов обеспечивает более равномерное вращение долота в процессе разрушения горной породы, что позволяет смягчить последствия данного явления (заявка США №20130081880, «Drill bit for mitigation of stick slip», 04.04.2013 г.).Known drill blade bit, comprising a housing with a nipple, a Central channel and the outlet for flushing fluid and blades equipped with cutting elements. Moreover, the design of the bit itself, the location of its cutting elements provides a more uniform rotation of the bit during the destruction of the rock, which can mitigate the consequences of this phenomenon (US application No. 201330081880, "Drill bit for mitigation of stick slip, 04/04/2013).

Данное техническое решение обладает следующими недостатками. Известно, что сам принцип разрушения породы долотом режущего типа предполагает зачастую его крайне неравномерное вращение, вызванное рядом причин, основные из которых - неравенство коэффициентов трения покоя и движения, изменение свойств бурящейся породы, неравномерное приложение осевой нагрузки, обусловленной трудностями ее передачи при бурении горизонтальных и близких к горизонтали участков ствола скважины. В зарубежной практике данное явление получило название «stick-slip phenomenon». В результате вращение долота осуществляется неравномерно, рывками, причем в периоды замирания или паузы происходит накопление упругой энергии в рабочей колонне труб, что вызывает дальнейший срыв долота с реализацией упругой энергии в виде удара, что крайне неблагоприятно влияет на долговечность вооружения долота. Недостаточная эффективность бурения, обусловленная тем, что несмотря на более равномерное вращение долота, значительное количество подводимой к долоту энергии расходуется в виде осевой и крутильной вибрации, приводящей к преждевременному износу его вооружения. Вместе с тем, высокая виброактивность долота как источника осевой и крутильной вибрации, приводит к преждевременным отказам других элементов компоновки низа бурильной колонны (КНБК), расположенных выше долота, например, дорогостоящей электроники телесистем и роторно-управляемых систем или опорных узлов шпинделя забойного двигателя. Ограниченные функциональные возможности обусловлены тем, что долото не позволяет гасить крутильные и осевые колебания, возникающие в процессе работы долота, что позволило бы снизить динамические нагрузки, действующие на вооружение долота, и обеспечить высокую эффективность разрушения породы в процессе бурения. Вместе с тем, долото не позволяет организовать обратную связь между величиной осевой нагрузки на долото и крутящим моментом, что позволило бы значительно уменьшить интенсивность осевых и крутильных колебаний, возникающих на долоте.This technical solution has the following disadvantages. It is known that the very principle of rock destruction by a cutting type bit often involves its extremely uneven rotation, caused by a number of reasons, the main of which are the inequality of the friction coefficients of rest and movement, the change in the properties of the drilled rock, the uneven application of axial load due to the difficulties of its transmission when drilling horizontal and horizontal sections of the wellbore. In foreign practice, this phenomenon is called the "stick-slip phenomenon". As a result, the rotation of the bit is uneven, jerky, and during periods of fading or pause, an accumulation of elastic energy occurs in the working string of pipes, which causes further disruption of the bit with the realization of elastic energy in the form of an impact, which adversely affects the durability of the armament of the bit. Insufficient drilling efficiency, due to the fact that despite a more uniform rotation of the bit, a significant amount of energy supplied to the bit is consumed in the form of axial and torsional vibration, leading to premature wear of its weapons. At the same time, the high vibration activity of the bit as a source of axial and torsional vibration leads to premature failure of other elements of the bottom of the drill string assembly (BHA) located above the bit, for example, expensive electronics of telesystems and rotor-controlled systems or supporting nodes of the downhole motor spindle. Limited functionality is due to the fact that the bit does not allow damping the torsional and axial vibrations that occur during the operation of the bit, which would reduce the dynamic loads acting on the armament of the bit and ensure high efficiency of rock destruction during drilling. At the same time, the bit does not allow for the organization of feedback between the value of the axial load on the bit and the torque, which would significantly reduce the intensity of axial and torsional vibrations that occur on the bit.

Задачей полезной модели является повышение эффективности и расширение функциональных возможностей долота.The objective of the utility model is to increase efficiency and expand the functionality of the bit.

Поставленная задача решается тем, что в буровом лопастном долоте, включающем корпус с ниппелем, центральным каналом, выходными отверстиями для промывочной жидкости и лопастями, оснащенными режущими элементами, согласно полезной модели, корпус снабжен цилиндром, по оси цилиндра размещен винтовой шпиндель, взаимодействующий с цилиндром посредством шлицевой винтовой пары, в корпусе размещена втулка, взаимодействующая с винтовым шпинделем с возможностью осевого перемещения, причем корпус, цилиндр, винтовой шпиндель и втулка образуют замкнутую камеру, гидравлически связанную с центральным каналом посредством дросселя и содержащую пружины сжатия, а шлицевая винтовая пара выполнена несамотормозящегося типа.The problem is solved in that in the drill blade, including a housing with a nipple, a central channel, outlet openings for flushing fluid and blades equipped with cutting elements, according to a utility model, the housing is equipped with a cylinder, a screw spindle is arranged along the axis of the cylinder, interacting with the cylinder by a spline screw pair, a sleeve is placed in the housing, interacting with a screw spindle with the possibility of axial movement, the housing, cylinder, screw spindle and sleeve forming a lock an inner chamber hydraulically connected to the central channel by means of a throttle and containing compression springs, and a spline screw pair is made of a non-self-braking type.

Размещение в корпусе долота цилиндра и винтового шпинделя, взаимодействующих между собой посредством несамотормозящейся шлицевой винтовой пары, позволяет организовать обратную связь между осевой нагрузкой и крутящим моментом на режущие элементы лопастей долота в непосредственной близости от источника вибрации - режущих элементов, и, следовательно, повысить эффективность работы долота и уменьшить пиковые значения крутящего момента, действующего на его режущие элементы. Выполнение замкнутой камеры с дросселем, включающей в себя пружины сжатия, позволит поглощать и рассеивать крутильную и осевую вибрацию, действующую на долото при его работе.Placing a cylinder and a screw spindle in the body of the bit, interacting with each other by means of a non-self-braking slotted screw pair, allows you to organize a feedback between the axial load and the torque on the cutting elements of the bit blades in the immediate vicinity of the vibration source - the cutting elements, and, therefore, increase work efficiency bits and reduce peak values of the torque acting on its cutting elements. The implementation of a closed chamber with a throttle, which includes compression springs, will absorb and disperse torsional and axial vibration acting on the bit during its operation.

Таким образом, существенные признаки, приведенные в независимом пункте формулы полезной модели, позволяют получить новые свойства долота, повышающие его эффективность и расширяющие его функциональные возможности. Следовательно, заявленное техническое средство соответствует критерию «новизна».Thus, the essential features presented in the independent claim of the utility model formula allow obtaining new properties of the bit, increasing its efficiency and expanding its functionality. Therefore, the claimed technical means meets the criterion of "novelty."

На фиг. 1 изображено буровое лопастное долото, продольный разрез, расположение элементов соответствует установившемуся режиму бурения; на фиг. 2 - узел дросселя в масштабе 4:1 фиг. 1.In FIG. 1 shows a drill blade, a longitudinal section, the location of the elements corresponds to the steady state drilling; in FIG. 2 - throttle assembly on a 4: 1 scale of FIG. one.

Буровое лопастное долото содержит корпус 1 с центральным каналом 2, выходными отверстиями 3 для промывочной жидкости и лопастями 4 с режущими элементами. Корпус 1 жестко связан с цилиндром 5, внутри которого расположен с возможностью осевого перемещения винтовой шпиндель 6, взаимодействующий с цилиндром 5 посредством шлицевой винтовой пары 7. Угол подъема винта выполнен таким, чтобы обеспечить несамотормозящую подвижность, т.е. реверсивность, в результате чего винтовой шпиндель 6 имеет возможность перемещаться относительно цилиндра 5 под действием как крутящего момента, так и осевой силы. По оси корпуса 1 размещена втулка 8, выполненная с возможностью осевого перемещения относительно винтового шпинделя 6. В верхней части винтового шпинделя 6 крепится переводник 9, верхняя часть цилиндра 5 включает уплотнительное кольцо 10. Винтовой шпиндель 6, корпус 1, цилиндр 5 и втулка 8 образуют замкнутую камеру 11, гидравлически связанную с центральным каналом 2 посредством дросселя 12. В замкнутой камере размещены пружины сжатия 13.The drill blade contains a housing 1 with a Central channel 2, the outlet 3 for flushing fluid and the blades 4 with cutting elements. The housing 1 is rigidly connected to the cylinder 5, inside of which is located the axial movement of the screw spindle 6, interacting with the cylinder 5 by means of a slotted screw pair 7. The angle of elevation of the screw is made so as to provide non-self-braking mobility, i.e. reversibility, as a result of which the screw spindle 6 is able to move relative to the cylinder 5 under the action of both torque and axial force. A sleeve 8 is placed along the axis of the housing 1, which is axially movable relative to the screw spindle 6. An adapter 9 is mounted in the upper part of the screw spindle 6, the upper part of the cylinder 5 includes an o-ring 10. The screw spindle 6, housing 1, cylinder 5 and the sleeve 8 form a closed chamber 11, hydraulically connected to the Central channel 2 by means of a throttle 12. In a closed chamber placed compression springs 13.

Буровое лопастное долото работает следующим образом.Drill blade bit works as follows.

В процессе разрушения породы крутящий момент передается посредством переводника 9, винтового шпинделя 6, цилиндра 5 и шлицевой винтовой пары 7 к режущим элементам лопастей 4, при этом пружины 13 сжимаются и передают осевую нагрузку к режущим элементам корпуса 1. В случае, когда в процессе бурения происходит резкое, скачкообразное изменение момента, действующего на режущие элементы лопастей 4, под действием данного ударного момента корпус 1 резко перемещается по винтовым поверхностям винтовой шлицевой пары 7 вверх, увеличивая степень сжатия пружин 13. При этом происходит резкое скачкообразное изменение объема замкнутой камеры 11, что вызывает переток рабочей демпфирующей жидкости (буровой раствор) по концентрическому каналу между втулкой 8 и винтовым шпинделем 6 через дроссель 12 в центральный канал 2 долота. Вследствие трения жидкости в дросселе 12 происходит поглощение и рассеивание энергии крутильного удара. Таким образом, при резком увеличении крутящего момента, действующего на режущие элементы долота, происходит автоматическое уменьшение осевой сжимающей нагрузки, приложенной к режущим элементам, что приводит к прерыванию процесса дальнейшего роста момента. Подобная обратная связь между нагрузкой на режущие элементы и крутящим моментом позволяет организовать автоматическое регулирование осевой нагрузки на долото в зависимости от крутящего момента в процессе разрушения горной породы. Это позволяет снизить динамические нагрузки, действующие на режущие элементы долота, и обеспечить высокую эффективность разрушения породы в процессе бурения.In the process of rock destruction, the torque is transmitted by means of an adapter 9, a screw spindle 6, a cylinder 5 and a slotted screw pair 7 to the cutting elements of the blades 4, while the springs 13 are compressed and transmit the axial load to the cutting elements of the housing 1. In the case when during drilling there is a sharp, spasmodic change in the moment acting on the cutting elements of the blades 4, under the action of this shock moment, the housing 1 moves sharply along the screw surfaces of the screw spline pair 7 up, increasing the compression ratio dinner 13. In this case, a sharp abrupt change in the volume of the closed chamber 11 occurs, which causes the overflow of the working damping fluid (drilling fluid) along the concentric channel between the sleeve 8 and the screw spindle 6 through the throttle 12 into the central channel 2 of the bit. Due to friction of the liquid in the throttle 12, absorption and dissipation of torsional shock energy occurs. Thus, with a sharp increase in the torque acting on the cutting elements of the bit, there is an automatic decrease in the axial compressive load applied to the cutting elements, which leads to interruption of the process of further increase in torque. This feedback between the load on the cutting elements and the torque allows you to organize automatic control of the axial load on the bit depending on the torque in the process of destruction of the rock. This allows you to reduce the dynamic loads acting on the cutting elements of the bit, and to ensure high efficiency of rock destruction during drilling.

Совершенно аналогичная картина будет наблюдаться и при воздействии на режущие элементы долота чисто осевых ударов, т.к. выполнение шлицевой винтовой пары 7 несамотормозящегося типа допускает перемещение корпуса 1 долота по его оси и под действием лишь только осевой силы.A completely similar picture will be observed when exposed to purely axial impacts on the cutting elements of the bit, as the execution of a slotted screw pair 7 of a non-self-braking type allows movement of the body 1 of the bit along its axis and under the action of only axial force.

Таким образом, для конкретных скважинных условий становится возможным обеспечить гашение продольных и крутильных колебаний, возникающих на режущих элементах лопастей долота в процессе разрушения горной породы. Соответственно, снижение пиковых значений моментов и осевых ударов, действующих на долото и его режущие элементы, позволит предотвратить преждевременный износ вооружения долота, а значит, повысить эффективность его работы. Вышеуказанные конструктивные особенности также позволяют снизить виброактивность долота как источника осевой и крутильной вибрации и, тем самым, избежать преждевременные отказы других элементов компоновки низа бурильной колонны (КНБК), расположенных выше долота, например, опорных узлов шпинделя забойного двигателя или дорогостоящей электроники телесистем и роторно-управляемых систем.Thus, for specific downhole conditions, it becomes possible to suppress the longitudinal and torsional vibrations that occur on the cutting elements of the bit blades in the process of rock destruction. Accordingly, reducing the peak values of moments and axial impacts acting on the bit and its cutting elements will prevent premature wear of the bit’s armament, and thus increase its efficiency. The aforementioned design features also make it possible to reduce the vibration activity of the bit as a source of axial and torsional vibration and, thereby, to avoid premature failures of other elements of the bottom of the drill string assembly (BHA) located above the bit, for example, support nodes of the spindle of a downhole motor or expensive electronics of tele-systems and rotary managed systems.

Возможно применение долота и при проведении фрезерных работ, отличающихся большими скачками момента.It is possible to use a bit when carrying out milling operations, which differ in large jumps in torque.

Claims

Drill blade bit, comprising a housing with a central channel, outlet holes for flushing fluid and blades equipped with cutting elements, characterized in that the housing is equipped with a cylinder, a screw spindle is placed along the axis of the cylinder, interacting with the cylinder by a slotted screw pair, a sleeve is placed in the housing, interacting with a screw spindle with the possibility of axial movement, and the housing, cylinder, screw spindle and sleeve form a closed chamber hydraulically connected to the central by means of a throttle and containing compression springs, and a spline screw pair is made of a non-self-braking type.