RU2006566C1

RU2006566C1 - Rotary cutting bit of three-cone drill bit

Info

Publication number: RU2006566C1
Authority: RU
Inventors: Борис Павлович Балабашин; Александр Владимирович Торгашов; Ирек Камилевич Бикбулатов; Эдуард Самуилович Гинзбург; Евгений Федорович Дубровин; Геннадий Васильевич Линдо; Анатолий Андреевич Логинов; Вячеслав Петрович Мокроусов; Борис Николаевич Волков; Борис Васильевич Мельников
Original assignee: Борис Павлович Балабашин; Александр Владимирович Торгашов; Ирек Камилевич Бикбулатов; Эдуард Самуилович Гинзбург; Евгений Федорович Дубровин; Геннадий Васильевич Линдо; Анатолий Андреевич Логинов; Вячеслав Петрович Мокроусов; Борис Николаевич Волков; Борис Васильевич Мельников
Priority date: 1992-07-14
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1994-01-30

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: each concave 5 and convex 6 side face of rotary cutting bit of three-cone drill bit is manufactured in the form of surface of second order. Generating line of curve of second order has shape of curve. Center of rounding of top of cutting edge is displaced from axis of cutting bit towards concave face 5. Rounding radius of cutting edge in central part is made bigger than that at periphery. Concave 5 and convex 6 faces may be formed by spherical surfaces. Radius of spherical surface forming concave face 5 is greater than radius of spherical surface forming convex face 6 by 1.5-1.8 times and is equal to 1.8-2.2 of diameter of shank. EFFECT: improved operational characteristics. 2 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к долотостроению и может найти применение в буровых долотах со штыревым вооружением, предназначенных для бурения преимущественно глубоких нефтяных и газовых скважин. The invention relates to bit construction and can find application in drill bits with pin armament intended for drilling mainly deep oil and gas wells.

Известно буровое долото, шарошки которого снабжены зубьями, передняя грань которых выполнена плоской и параллельной оси вращения шарошки, а задняя - выпуклой цилиндрической формы [1] . A drill bit is known, the cones of which are equipped with teeth, the front face of which is made flat and parallel to the axis of rotation of the cone, and the rear is convex cylindrical in shape [1].

Недостатком известного долота является недостаточное использование его зубьями эффекта "черепка", так как отделяющая частицы породы поверхность зубьев имеет плоскую форму, вследствие чего объем единичной порции отделяемой породы снижается. A disadvantage of the known bit is the insufficient use of the “shard” effect by its teeth, since the tooth surface separating the rock particles has a flat shape, as a result of which the volume of a single portion of the separated rock is reduced.

Известен зубок одношарошечного бурового долота, содержащий цилиндрический хвостовик и клиновидную вершину, образованную двумя гранями, передняя из которых имеет сферическую форму, а задняя - цилиндрическую, причем вершина зубка расположена на ее оси [2] . Known tooth of a single-cone drill bit containing a cylindrical shank and a wedge-shaped top formed by two faces, the front of which has a spherical shape, and the back is cylindrical, with the tip of the clove located on its axis [2].

Однако, если такая форма вершины зубка может явиться оптимальной для одношарошечного долота, где основной принцип работы долота - резание породы, то для трехшарошечных долот, где зубки попеременно внедряются в породу и выходят из нее, отделяя при этом частицы породы, известный зубок напрямую неприменим. Этот зубок имеет низкую прочность из-за малого сечения поражающей поверхности, при этом увеличение сечения головки без изменения геометрии головки или увеличения диаметра зубка невозможно. However, if such a shape of the tooth tip can be optimal for a single-cone bit, where the basic principle of the bit is rock cutting, then for three-cone bits where the teeth alternately penetrate into the rock and leave it, separating the rock particles, the known tooth is not directly applicable. This clove has low strength due to the small cross section of the damaging surface, while an increase in the cross section of the head without changing the geometry of the head or increasing the diameter of the clove is impossible.

Известен зубок шарошки трехшарошечного бурового долота, принятый за прототип и содержащий цилиндрический хвостовик и поражающую часть, выполненную в виде головки, усеченной клиновидной вершиной с двумя боковыми гранями, имеющими выпуклую и вогнутую искривленную форму и образующими скругленную режущую кромку при вершине [3] . Known tooth cone three-cone drill bit, adopted for the prototype and containing a cylindrical shank and a striking part made in the form of a head, a truncated wedge-shaped top with two side faces having a convex and concave curved shape and forming a rounded cutting edge at the apex [3].

В известном зубке боковые грани имеют цилиндрическую форму, т. е. их образующей является прямая линия и таким образом грани имеют одинарную кривизну. In the known tooth, the lateral faces are cylindrical in shape, i.e., their generatrix is a straight line and thus the faces have a single curvature.

Указанное приводит к следующим основным недостаткам:
- вогнутая (передняя) грань вследствие того, что имеет одну степень кривизны при работе не полностью использует эффект "черпака";
- вследствие того, что радиус скругления режущей кромки вершины находится на оси зубка, что изменяет угол взаимодействия его вершины с породой, а также то, что грани имеют только одинарную кривизну из условий геометрии построения профиля зубка, сечение вершины имеет недостаточную величину, а следовательно, и малую прочность.The above leads to the following main disadvantages:
- concave (front) face due to the fact that it has one degree of curvature during operation does not fully use the "scoop"effect;
- due to the fact that the rounding radius of the cutting edge of the vertex is on the axis of the tooth, which changes the angle of interaction of its vertex with the rock, and also because the faces have only single curvature from the conditions of the geometry of the construction of the tooth profile, the cross section of the vertex is insufficient, and therefore and low strength.

Целью изобретения является повышение эффективности отделения шлама от породы забоя путем более полного обеспечения эффекта "черепка", а также увеличение прочности зубка путем оптимизации угла взаимодействия его вершины с породой. The aim of the invention is to increase the efficiency of separation of sludge from the bottom rock by more fully ensuring the effect of "shard", as well as increasing the strength of the clove by optimizing the angle of interaction of its top with the rock.

Решение поставленной задачи осуществляется за счет того, что в зубке шарошки трехшарошечного бурового долота, содержащего цилиндрический хвостовик и поражающую часть, выполненную в виде головки, усеченной клиновидной вершиной с двумя боковыми гранями, имеющими выпуклую и вогнутую искривленную форму и образующими скругленную режущую кромку при вершине, вогнутая и выпуклая боковые грани имеют дополнительную кривизну, образующая которой перпендикулярна образующей основной кривизны, центр скругления вершины режущей кромки зуба смещен от оси в сторону вогнутой грани, а радиус скругления режущей кромки в ее центральной части выполнен большим радиуса скругления у периферии. The solution of this problem is carried out due to the fact that in the tooth cone of a three-cone drill bit containing a cylindrical shank and a striking part made in the form of a head, a truncated wedge-shaped vertex with two side faces having a convex and concave curved shape and forming a rounded cutting edge at the apex, concave and convex lateral faces have additional curvature, the generatrix of which is perpendicular to the generatrix of the main curvature, the center of rounding of the tip of the tooth cutting edge is shifted m-axis toward the concave face, and a radius of curvature of the cutting edge in its central portion is made large fillet radius at the periphery.

Кроме того, вогнутая и выпуклая грани образованы двумя сферическими поверхностями, причем радиус сферической поверхности, образующей вогнутую грань, выполнен большим радиуса сферической поверхности, образующей выпуклую грань, в 1,5-1,8 раза и принимается равным 1,8-2,2 диаметра основания хвостовика. In addition, the concave and convex faces are formed by two spherical surfaces, and the radius of the spherical surface forming the concave face is 1.5-1.8 times larger than the radius of the spherical surface forming the convex face and is assumed to be 1.8-2.2 Shank base diameter.

На фиг. 1 изображен зубок, профильная проекция; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 4 - вид В на фиг. 1; на фиг. 5 и 6 - сечения соответственно Г-Г и Д-Д на фиг. 2; на фиг. 7 - вариант - профиль зубка с конической поражающей частью; на фиг. 8 - вид Е на фиг. 7; на фиг. 9 - вид Ж на фиг. 7. In FIG. 1 shows a tooth, profile projection; in FIG. 2 is a view A in FIG. 1; in FIG. 3 is a view B in FIG. 1; in FIG. 4 is a view B in FIG. 1; in FIG. 5 and 6 are cross-sections respectively G-D and D-D in FIG. 2; in FIG. 7 - option - the profile of the clove with a conical striking part; in FIG. 8 is a view E of FIG. 7; in FIG. 9 is a view G in FIG. 7.

Зубок, содержащий цилиндрический хвостовик 1 и поражающую часть 2, выполненную в виде головки 3, усеченной клиновидной вершиной 4 с двумя боковыми гранями 5 и 6, имеющими соответственно вогнутую и выпуклую искривленную форму и образующими скругленную режущую кромку 7 при вершине 8. A tooth containing a cylindrical shank 1 and a striking part 2, made in the form of a head 3, a truncated wedge-shaped vertex 4 with two side faces 5 and 6, having respectively a concave and convex curved shape and forming a rounded cutting edge 7 at apex 8.

Вогнутая и выпуклая боковые грани 5 и 6 имеют дополнительную кривизну, образующая 9 которой перпендикулярна образующей 10 основной кривизны, центр 11 скругления (4) режущей кромки 7 смещен от оси 12 зубка в сторону вогнутой грани 5 на величину δ = 0,1-0,15 диаметра основания конуса, а радиус скругления режущей кромки 7 в ее центральной части 13 (R_центр у оси зубка, сечение D-D) выполнен большим радиуса скругления (R_периф) у периферии 14 (сечение Г-Г).The concave and convex side faces 5 and 6 have an additional curvature, the generatrix 9 of which is perpendicular to the generatrix 10 of the main curvature, the center 11 of the rounding (4) of the cutting edge 7 is offset from the axis 12 of the tooth in the direction of the concave face 5 by δ = 0.1-0, 15 of the diameter of the base of the cone, and the radius of the rounding of the cutting edge 7 in its central part 13 (R _center at the tooth axis, section DD) is made larger than the radius of rounding (R _perip ) at the periphery 14 (section G-D).

Вогнутая и выпуклая боковые грани 5 и 6 могут быть образованы двумя сферическими поверхностями 15 и 16, причем радиус сферической поверхности 15 R_{сф.вогн}, образующей вогнутую грань 5, выполнен большим радиуса сферической поверхности 16 R_{сф.выпукл}, образующей выпуклую грань 6 в 1,5-1,8 раза, и принимается равным 1,8-2,2 диаметра хвостовика 1 или основания 17 конуса поражающей части 2, примыкающей к хвостовику 1 (при конической поражающей части).The concave and convex side faces 5 and 6 can be formed by two spherical surfaces 15 and 16, and the radius of the spherical surface 15 R _sp.vogon forming a concave face 5 is made large of the radius of the spherical surface 16 R _spherical convex forming a convex face 6 in 1 , 5-1.8 times, and is taken equal to 1.8-2.2 of the diameter of the shank 1 or base 17 of the cone of the striking part 2 adjacent to the shank 1 (with a conical striking part).

При таком геометрическом построении линия, на которой находятся центры радиуса скругления режущей кромки 7, изогнута и ее радиус (R_{центров} _{скругления)} равен R_{сф.вогн}-R_{сф.выпукл}. В этом случае достигается условие, при котором зубок в его центральной (осевой) части имеет максимальную прочность.With this geometric construction, the line on which the centers of the radius of rounding of the cutting edge 7 are bent and its radius (R _{centers of} _rounding) is equal to R _sp.vogon -R _sp.convex . In this case, a condition is achieved under which the tooth in its central (axial) part has maximum strength.

В общем случае центры радиусов обеих сфер и продольная ось зубка лежит в одной плоскости, однако в некоторых случаях (например, при проектировании долот малого диаметра с большим смещением оси цапфы относительно оси долота) центр сферы, образующей вогнутую грань, может быть смещен от плоскости в сторону центра шарошки. При таком построении наиболее удаленный от вершины шарошки участок режущей кромки, а следовательно, и самый нагруженный, имеет наибольшее сечение и наибольшую прочность. In the general case, the centers of the radii of both spheres and the longitudinal axis of the tooth lie in the same plane, however, in some cases (for example, when designing bits of small diameter with a large offset of the axis of the pin relative to the axis of the bit), the center of the sphere forming a concave face may be offset from the plane by side of the center of the cone. With this construction, the section of the cutting edge that is farthest from the top of the cone, and therefore the most loaded, has the largest cross section and greatest strength.

Работает зубок шарошки трехшарошечного долота следующим образом. The tooth of the cone of the three-cone bit works as follows.

При перекатывании шарошки по забою, как известно, зубья каждого венца работают по разным траекториям и вершины зубьев каждого из венцов внедряются в породу под разными углами и отделяют от массива частицы породы. When rolling the cone along the face, as you know, the teeth of each crown work on different paths and the tops of the teeth of each of the crowns penetrate the rock at different angles and separate the rock particles from the array.

Например, зубья вершинных венцов чаще всего совершают петлеобразное движение и зубья следует располагать таким образом, чтобы касательная к линии симметрии вершины зубка при контакте с породой была бы направлена перпендикулярно к поверхности породы забоя. При выходе зубка из лунки ее вогнутая боковая грань 5 за счет эффекта "черпака" отделяет от породы частицы шлама наибольшей величины. За счет того, что вогнутая грань имеет двойную кривизну, объем частицы шлама значительно увеличивается. For example, the teeth of the vertex crowns most often make a loop-like movement and the teeth should be positioned so that the tangent to the line of symmetry of the tooth tip when in contact with the rock is directed perpendicular to the surface of the face rock. When the tooth comes out of the hole, its concave lateral face 5, due to the “scoop” effect, separates the largest amount of sludge particles from the rock. Due to the fact that the concave face has a double curvature, the volume of the sludge particle increases significantly.

Зубья же периферийных венцов, несмотря на то, что их принцип работы совершенно иной, чем вершинных, могут иметь совершенно идентичную конструкцию, однако ориентация вогнутой и выпуклой граней должна быть противоположно направленной (зубья вершинных венцов, т. е. венцов, расположенных от точки пересечения мгновенной оси вращения с образующей конусов шарошек ближе к вершине, должны быть ориентированы в сторону вращения шарошки, зубья периферийных венцов - в противоположную). The teeth of the peripheral crowns, despite the fact that their principle of operation is completely different than the vertex ones, can have a completely identical design, but the orientation of the concave and convex faces should be oppositely directed (the teeth of the vertex crowns, i.e., crowns located from the intersection point the instantaneous axis of rotation with the generatrix of the cones of the cones closer to the top, should be oriented in the direction of rotation of the cones, the teeth of the peripheral crowns - in the opposite).

Пример построения профиля зубка может быть следующим. An example of constructing a clove profile can be as follows.

Из конструктивных соображений выбирается величина хвостовика и поражающей части зубка, при этом глубина запрессовки (длина хвостовика) зависит от многих конструктивных и технологических факторов и в объеме притязаний по заявке не регламентируется. Величина (высота) поражающей части зубка определяется путем обычного геометрического построения из условий полного перекрытия забоя. Таким образом определяется профиль зуба (вид Б). Этот профиль может быть либо с конической поражающей частью (как на фиг. 7, 8, 9), либо с цилиндрической (фиг. 1-4), при этом последний более предпочтителен при использовании их в долотах, предназначенных для разбуривания мягких пород (вследствие того, что лопасть черпакообразного зуба имеет в этом случае большую ширину, количество шлама за единичный контакт зуба с породой увеличивается). From design considerations, the size of the shank and the damaging part of the tooth is selected, while the depth of the press-in (the length of the shank) depends on many design and technological factors and is not regulated in the scope of the claims. The magnitude (height) of the damaging part of the tooth is determined by the usual geometric construction from the conditions of complete overlap of the face. Thus, the tooth profile is determined (type B). This profile can be either with a conical striking part (as in Figs. 7, 8, 9) or with a cylindrical one (Figs. 1-4), the latter being more preferable when using them in bits intended for drilling soft rocks (due to the fact that the blade of the scooped tooth has a large width in this case, the amount of sludge per unit contact of the tooth with the breed increases).

Следующим этапом проектирования является геометрическое построение поражающей части зуба с учетом параметров, указанных выше: радиусы сфер вогнутой и выпуклой граней, радиусы скругления кромок и т. д. Зубки с коническим участком на поражающей поверхности и цилиндрические зубки имеют одинаковый принцип построения. The next design stage is the geometric construction of the damaging part of the tooth, taking into account the parameters indicated above: the radii of the spheres of the concave and convex faces, the radii of rounding of the edges, etc. Teeth with a conical section on the affected surface and cylindrical teeth have the same construction principle.

Как показали предварительно проведенные испытания, долота, оснащенные зубками, выполненными согласно материалам заявки, имеют повышенные показатели работы по проходке и механической скорости на 20-30% . (56) 1. Патент США N 3743038, кл. 175-341, 1973. As shown by preliminary tests, bits equipped with teeth made according to the application materials have increased performance in penetration and mechanical speed by 20-30%. (56) 1. U.S. Patent No. 3,743,038, cl. 175-341, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР N 1470926, кл. Е 21 В 10/16, 1972. 2. Copyright certificate of the USSR N 1470926, cl. E 21 B 10/16, 1972.

3. Патент США N 4108260, кл. 175-374, 1978. 3. US patent N 4108260, CL. 175-374, 1978.

Claims

1. The tooth cone of a three-cone drill bit containing a cylindrical shank and a head with a truncated wedge-shaped top, two lateral faces having a concave and convex shape and a rounded cutting edge at the apex, characterized in that, in order to increase the efficiency of the process of separating sludge from the bottom face by to make fuller use of the “scoop” effect, as well as to increase the strength of the tooth, each concave and convex side face is made in the form of a second-order surface, the generatrix of which has the form of a curve ii, the center vertex rounding of the cutting edge is offset from the axis of the pick to the side of the concave edge, and a radius of curvature of the cutting edge in its central portion is made large fillet radius at the periphery.

2. The tooth according to claim 1, characterized in that the concave and convex faces are formed by spherical surfaces, and the radius of the spherical surface forming a concave face is made 1.5 to 1.8 times larger than the radius of the spherical surface forming a convex face and is adopted equal to 1.8 - 2.2 shank diameters.