RU177303U1

RU177303U1 - Diamond drill bit

Info

Publication number: RU177303U1
Application number: RU2017129196U
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Минаков; Александр Леонидович Неверов; Владимир Алексеевич Жигарев; Константин Николаевич Мешков
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2018-02-15

Abstract

Техническое решение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для высокоскоростного геологоразведочного бурения преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником. Технический результат заключается в повышении производительности алмазной буровой коронки за счет снижения гидродинамического давления в стволе и использования более вязких промывочных буровых растворов при повышении устойчивости ствола скважины и увеличении скорости бурения и проходки скважины. Этот результат достигается тем, что промывочные окна алмазосодержащей матрицы буровой коронки выполнены косой с закруглениями и расширяющейся к наружному цилиндрическому каналу формы, при этом внешний диаметр режущей части буровой коронки определяется по приведенному математическому выражению. 1 ил.The technical solution relates to a rock cutting tool designed for high-speed exploration drilling mainly using double core pipes, including with a removable core receiver. The technical result consists in increasing the productivity of a diamond drill bit by reducing the hydrodynamic pressure in the wellbore and using more viscous flushing drilling fluids while increasing the stability of the wellbore and increasing the speed of drilling and penetration of the well. This result is achieved by the fact that the washing windows of the diamond-containing matrix of the drill bit are oblique with rounding and expanding towards the outer cylindrical channel of the mold, while the outer diameter of the cutting part of the drill bit is determined by the mathematical expression. 1 ill.

Description

Техническое решение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для геологоразведочного бурения преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником. Бурение скважин в сложных горно-геологических условиях комплексами технических средств со съемными керноприемниками (ССК), например комплексами КССК-76, невозможно без применения высоковязких структурированных буровых промывочных жидкостей. В таких условиях алмазная буровая коронка должна иметь высокие ресурс и механическую скорость бурения, а также удовлетворять заданным размерам, которые позволят использовать высоковязкие буровые промывочные растворы. Максимальным ресурсом обладают многослойные алмазные или так называемые импрегнированные буровые коронки.The technical solution relates to a rock cutting tool designed for exploration drilling mainly using double core pipes, including with a removable core receiver. Drilling wells in difficult geological conditions with complexes of technical equipment with removable core receivers (SSK), for example, KSSK-76 complexes, is impossible without the use of highly viscous structured drilling drilling fluids. In such conditions, the diamond drill bit must have a high resource and mechanical drilling speed, and also satisfy the specified dimensions, which will allow the use of highly viscous drilling drilling fluids. Multilayer diamond or so-called impregnated drill bits have the maximum resource.

Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на отдельные секторы, армированные алмазами (см. авт. св. СССР №308181, кл. Е21В 10/48, 1970 г.).A well-known diamond drill bit, comprising a housing and a matrix, divided by flushing grooves into separate sectors reinforced with diamonds (see ed. St. USSR No. 308181, class E21B 10/48, 1970).

К недостаткам этой буровой коронки следует отнести малую продолжительность эксплуатации бурильной колонны из-за больших осевых нагрузок на коронку, без которых невозможна ее эффективная работа. Так как алмазная буровая коронка имеет большую площадь алмазосодержащих матриц, то уменьшается механическая скорость бурения.The disadvantages of this drill bit include the short life of the drill string due to the large axial loads on the bit, without which its effective operation is impossible. Since the diamond drill bit has a large area of diamond-containing matrices, the mechanical drilling speed is reduced.

Наиболее близкой к заявляемой по техническим параметрам и одной из наиболее долговечных импрегнированных алмазных буровых коронок является алмазная буровая коронка (пат. РФ №2445438, кл. Е21В 10/48, 2012 г.). Алмазная буровая коронка включает корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным трехступенчатым и подрезными слоями, гребнями на торце и промывочными окнами в каждой ступени импрегнированного слоя, сообщающимися с боковыми наружными и внутренними цилиндрическими каналами.Closest to the claimed in technical parameters and one of the most durable impregnated diamond drill bits is a diamond drill bit (US Pat. RF No. 2445438, CL ЕВВ 10/48, 2012). The diamond drill bit includes a housing and a diamond-containing matrix with impregnated three-stage and scoring layers, flanges at the end and flushing windows in each stage of the impregnated layer, communicating with the lateral outer and inner cylindrical channels.

Недостатком известной буровой коронки является ограниченность использования в сложных горно-геологических условиях, так как невозможно реализовать условия высокоскоростного бурения с заданными технологическими параметрами. Использование высоковязких буровых промывочных растворов для повышения устойчивости скважины будет нереализуемо совместно с этой буровой коронкой в силу чрезвычайно больших потерь давления на прокачивание бурового промывочного раствора, что не согласуется с программой бурения.A disadvantage of the known drill bit is the limited use in difficult mining and geological conditions, since it is impossible to realize the conditions of high-speed drilling with specified technological parameters. The use of high-viscosity drilling fluids to increase the stability of the well will not be feasible together with this drill bit due to the extremely large pressure loss on pumping the drilling fluids, which is not consistent with the drilling program.

В основу заявляемого технического решения положена задача повышения производительности алмазной буровой коронки при бурении в сложных горно-геологических условиях за счет снижения потерь давления при прокачивании высоковязких буровых промывочных растворов.The claimed technical solution is based on the task of increasing the productivity of a diamond drill bit when drilling in difficult geological conditions by reducing pressure losses when pumping high-viscosity drilling drilling fluids.

Поставленная задача решается тем, что в алмазной буровой коронке, включающей корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным и подрезным слоями и сообщающимися с наружным и внутренним цилиндрическими каналами промывочными окнами, образующую режущую часть, согласно новому техническому решению промывочные окна выполнены косой с закруглениями и расширяющейся к наружному цилиндрическому каналу формы при условии, чтоThe problem is solved in that in a diamond drill bit, comprising a housing and a diamond-containing matrix with impregnated and scoring layers and flushing windows communicating with the outer and inner cylindrical channels, forming a cutting part, according to a new technical solution, the flushing windows are oblique with rounding and expanding to the outer cylindrical channel shape, provided that

,

где D_k - внешний диаметр режущей части буровой коронки, м;where D _k is the outer diameter of the cutting part of the drill bit, m;

d – внешний диаметр корпуса буровой коронки, м;d is the outer diameter of the drill bit body, m;

λ - коэффициент гидродинамического сопротивления движению бурового раствора;λ is the coefficient of hydrodynamic resistance to the movement of the drilling fluid;

U - скорость подачи бурового раствора, м/с;U is the drilling fluid feed rate, m / s;

L - длина скважины, м;L is the length of the well, m;

P_max - максимальный перепад давления, при котором возможно проводить процедуру бурения без аварийных ситуаций, Па;P _max - the maximum pressure drop at which it is possible to carry out the drilling procedure without emergency situations, Pa;

- плотность бурового раствора кг/м³.

- the density of the drilling fluid kg / m ³ .

На фигуре 1 схематично изображена заявляемая алмазная буровая коронка в разрезе (1а) и вид со стороны режущей части (1б).The figure 1 schematically depicts the inventive diamond drill bit in section (1A) and a view from the side of the cutting part (1b).

Алмазная буровая коронка включает корпус коронки 1 и алмазосодержащую матрицу 2. Алмазосодержащая матрица с импрегнированным и подрезными слоями включает в себя промывочные окна 3, внутренний цилиндрический канал 4 и образует наружный цилиндрический канал 5 между алмазной буровой коронкой и стенкой скважины. Промывочные окна выполнены косой с закруглениями и расширяющейся к наружному цилиндрическому каналу формы. Важной особенностью буровой коронки является соотношение диаметров режущей части и внешнего диаметра корпуса коронки в пределах от 1.09 до 1.14 (оптимально 1.114).The diamond drill bit includes a core body 1 and a diamond-containing matrix 2. The diamond-containing matrix with impregnated and scoring layers includes flushing windows 3, an inner cylindrical channel 4 and forms an outer cylindrical channel 5 between the diamond drill bit and the borehole wall. The washing windows are oblique with rounding and expanding towards the outer cylindrical channel of the form. An important feature of the drill bit is the ratio of the diameters of the cutting part and the outer diameter of the crown body ranging from 1.09 to 1.14 (optimally 1.114).

Заявляемая алмазная буровая коронка работает следующим образом. При бурении скважины возникает осевое и окружное усилия, под действием которых происходит эффективное разрушение горной породы режущей частью алмазной буровой коронки. При этом промывочная жидкость внутри корпуса 1 по внутреннему цилиндрическому каналу 4 проходит через промывочные окна 3, омывая алмазосодержащую матрицу 2, и через наружный цилиндрический канал 5 полностью выносит разрушенные частицы породы из скважины, в том числе и крупные, что исключает возможность вторичного измельчения их. Преимущество косых промывочных окон заключается в уменьшении завихрений в потоке проходящей через них промывочной жидкости, заметно снижается износ в набегающей части алмазоносных секторов матрицы, который происходит при бурении сильно абразивных пород. Используемые косые промывочные окна с закруглением способствуют меньшему гидравлическому сопротивлению по сравнению с прямыми радиальными, как в известной буровой коронке.The inventive diamond drill bit works as follows. When drilling a well, axial and circumferential forces arise, under the influence of which the rock is effectively destroyed by the cutting part of the diamond drill bit. In this case, the flushing fluid inside the housing 1 through the inner cylindrical channel 4 passes through the flushing windows 3, washing the diamond-containing matrix 2, and through the outer cylindrical channel 5 completely removes the destroyed rock particles from the well, including large ones, which eliminates the possibility of their secondary grinding. The advantage of oblique flushing windows is to reduce turbulence in the flow of flushing fluid passing through them, the wear in the incident part of the diamondiferous sectors of the matrix, which occurs when drilling highly abrasive rocks, is significantly reduced. Used oblique flushing windows with rounding contribute to lower hydraulic resistance compared to direct radial ones, as in the well-known drill bit.

Процесс бурения можно описать следующими уравнениями.The drilling process can be described by the following equations.

где

Where

[Ибатулов К.А. Пересчет характеристик центробежных насосов с воды на нефть. Азнефтеиздат, 1952],[Ibatulov K.A. Recalculation of the characteristics of centrifugal pumps from water to oil. Aznefteizdat, 1952],

где Re - число Рейнольдса, характеризующее течение жидкости,where Re is the Reynolds number characterizing the fluid flow,

n и k - реологические показатели бурового раствора, характеризующие его физические свойства.n and k are the rheological parameters of the drilling fluid, characterizing its physical properties.

Для алмазной буровой коронки проведены расчетно-экспериментальные исследования, в результате которых подтверждено влияние реологических показателей бурового раствора и отношения диаметров режущей части и корпуса коронки на значение потерь давления в стволе скважины при прокачивании буровых растворов.For the diamond drill bit, computational and experimental studies have been carried out, as a result of which the influence of the rheological parameters of the drilling fluid and the ratio of the diameters of the cutting part and the crown body on the value of pressure losses in the wellbore during pumping of drilling fluids has been confirmed.

Для проведения исследований использовали высоковязкие буровые растворы, расход жидкости 30 л/мин, частота вращения бурильной колонны 500 об/мин, плотность растворов 1.0 - 1.1 г/см3. Реологические показатели буровых растворов и результаты исследований представлены в таблице,

For research, highly viscous drilling fluids, a fluid flow rate of 30 l / min, a drill string rotation frequency of 500 rpm, and a mud density of 1.0 - 1.1 g / cm3 were used. Rheological parameters of drilling fluids and research results are presented in the table,

Результаты исследований показали, что увеличение внешнего диаметра режущей части буровой коронки на 2 мм приводит к снижению гидравлических потерь давления при прокачивании буровых промывочных растворов (n=0.36-0.41, k=0.94-1.52 МПа⋅сⁿ) с расходом 30 л/мин и частоте вращения бурильной колонны 500 об/мин на 76.5-80.0%. При увеличении внешнего диаметра режущей части алмазной буровой коронки на 4 мм гидравлические потери давления снижаются в 2.8 - 2.9 раза по отношению к гидравлическим потерям давления при стандартном внешнем диаметре режущей части коронки в 76 мм, но происходит увеличение нагрузки на бурильную колонну.The research results showed that an increase in the outer diameter of the cutting part of the drill bit by 2 mm leads to a decrease in hydraulic pressure losses when pumping drilling drilling fluids (n = 0.36-0.41, k = 0.94-1.52 MPa s ⁿ ) with a flow rate of 30 l / min and the rotational speed of the drill string 500 rpm at 76.5-80.0%. With an increase in the outer diameter of the cutting part of the diamond drill bit by 4 mm, the hydraulic pressure loss decreases by 2.8 - 2.9 times with respect to the hydraulic pressure loss with the standard external diameter of the cutting part of the crown in 76 mm, but the load on the drill string increases.

Благодаря такому выполнению алмазной буровой коронки осевые и окружные усилия, передаваемые на нее, обеспечивают эффективное разрушение горной породы и удаление ее частиц при наименьшем износе рабочей части буровой коронки.Due to this embodiment of the diamond drill bit, the axial and circumferential forces transferred to it ensure effective destruction of the rock and the removal of its particles with the least wear on the working part of the drill bit.

Кроме того, важной особенностью данной буровой коронки является возможность применять специальные растворы промывочных буровых жидкостей, использование которых невозможно при работе с существующими аналогами. Заявляемая алмазная буровая коронка в комплексе с этими растворами повышает эффективность бурения глубоких геологоразведочных скважин комплексами КССК за счет повышения устойчивости ствола скважины и увеличения скорости бурения.In addition, an important feature of this drill bit is the ability to use special solutions of drilling drilling fluids, the use of which is impossible when working with existing analogues. The inventive diamond drill bit in combination with these solutions increases the efficiency of drilling deep exploration wells with KSSK complexes by increasing the stability of the wellbore and increasing the drilling speed.

Таким образом, технический результат предлагаемого технического решения, заключающийся в повышении производительности алмазной буровой коронки, достигается путем снижения гидродинамического давления в стволе и использования более вязких промывочных буровых растворов, а также в повышении устойчивости ствола скважины и увеличении скорости бурения и проходки скважины.Thus, the technical result of the proposed technical solution, which consists in increasing the productivity of the diamond drill bit, is achieved by reducing the hydrodynamic pressure in the barrel and using more viscous flushing drilling fluids, as well as increasing the stability of the wellbore and increasing the speed of drilling and penetration of the well.

Claims

Diamond drill bit, comprising a housing and a diamond-containing matrix with impregnated and scoring layers, ridges at the end and flushing windows communicating with the outer and inner cylindrical channels, forming a cutting part, characterized in that the flush windows are oblique with rounding and expanding to the outer cylindrical channel of the form provided that

,

where D _k is the outer diameter of the cutting part of the drill bit, m;

d is the outer diameter of the drill bit body, m;

λ is the coefficient of hydrodynamic resistance to the movement of the drilling fluid;

U is the drilling fluid feed rate, m / s;

L is the length of the well, m;

P _max - the maximum pressure drop at which it is possible to carry out the drilling procedure without emergency situations, Pa;

ρ is the density of the drilling fluid, kg / m ³ .