RU2007537C1

RU2007537C1 - Flushing unit of drill bit

Info

Publication number: RU2007537C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Самсоненко; А.И. Зубарев; И.Е. Котельников; Б.М. Куанышев; О.С. Лукошкин; М.К. Байзаков
Original assignee: Казахский научно-исследовательский геологоразведочный нефтяной институт
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1991-02-07
Publication date: 1994-02-15

Abstract

FIELD: drilling of holes. SUBSTANCE: drilling bit has body 1 with claws 2 and pins, roller bits 3, lengthened branch pipe 5. Drilling bit is provided with ball-and-socket joint in the form of pivot 4 with annular groove in the shape of part of sphere fastened in body for gripping of upper end of branch pipe 5. Annular protrusion is located in upper end of branch pipe 5. Supplementary packing 8 are uniformly attached over outer surface of lower end of branch pipe at acute angle to its axis. EFFECT: improved drilling capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к промывочным устройствам буровых шарошечных долот. The invention relates to well drilling, namely to flushing devices of rolling cone bits.

Известно наддолотное устройство для комбинированной промывки забоя скважины, содержащее корпус с центральным промывочным каналом, седло под шаровой клапан и наружный кожух, связанный с тремя наружными боковыми промывочными каналами, расположенными на корпусе долота, в проемах между лап. Known supra-bit device for combined washing of the bottom of the well, comprising a housing with a central flushing channel, a seat under the ball valve and an outer casing associated with three external side flushing channels located on the body of the bit, in the openings between the legs.

Такой вариант позволяет изменить систему промывки забоя скважины с центрально-боковой на боковую-гидромониторную (после сбрасывания в бурильные трубы шара) и изменять положение боковых каналов, приближая или удаляя их от поверхности забоя, путем перемещения и закрепления наружной обоймы вдоль корпуса устройства перед спуском долота в скважину. This option allows you to change the system for flushing the bottom of the well from the central-lateral to the lateral-hydromonitor (after dropping the ball into the drill pipe) and change the position of the lateral channels, bringing them closer or closer to the surface of the bottom by moving and securing the outer casing along the device body before lowering the bit into the well.

Недостатком такого устройства является сложность и ненадежность конструкции, неэффективность системы очистки забоя скважины. Насадка центрального канала устанавливается на упорный выступ центрального отверстия долота, что увеличивает расстояние выхода струи бурового раствора от забоя и приводит к снижению гидравлической энергии струи. Приближение выхода боковых каналов к забою оказывается не настолько большим из-за стесненности в кольцевом пространстве между корпусом долота и стенкой скважины, практически расстояние до забоя находится в пределах струй обычных гидромониторных долот. Как показывает практика бурения, навесные конструкции на берильный инструмент и тем более на корпус долота, крепящиеся за счет сил трения, очень ненадежны. За счет поперечных, продольных крутильных колебаний бурильного инструмента и динамического взаимодействия самого корпуса и промывочных каналов со стенками скважины происходят перекосы и интенсивные разрушения устройств. Кроме того, при работе центрального и боковых промывочных каналов создаются такие условия, когда восходящий поток (в проемах между лап) бурового раствора, пришедшего через центральный канал, оказывает отрицательное гасящее воздействие на нисходящие потоки из периферийных насадок, снижая их гидравлическую мощность, повышая гидродинамическое давление в призабойной зоне и снижая эффективность очистки забоя скважины от шлама. The disadvantage of this device is the complexity and unreliability of the design, the inefficiency of the system for cleaning the bottom of the well. The nozzle of the Central channel is installed on the persistent protrusion of the Central hole of the bit, which increases the distance of the outlet of the jet of drilling mud from the bottom and reduces the hydraulic energy of the jet. The approach of the exit of the side channels to the bottom is not so large due to the tightness in the annular space between the body of the bit and the wall of the well, almost the distance to the bottom is within the jets of conventional hydraulic monitor bits. As drilling practice shows, the hinged structures on the beryl tool, and even more so on the body of the bit, fastened by friction, are very unreliable. Due to the transverse, longitudinal torsional vibrations of the drilling tool and the dynamic interaction of the body itself and the flushing channels with the walls of the well, distortions and intense destruction of the devices occur. In addition, during the operation of the central and lateral flushing channels, conditions are created when the upward flow (in the openings between the legs) of the drilling fluid coming through the central channel has a negative quenching effect on the downward flows from the peripheral nozzles, reducing their hydraulic power and increasing the hydrodynamic pressure in the bottomhole zone and reducing the efficiency of cleaning the bottom of the well from sludge.

Известно буровое шарошечное долото, в центральном отверстии которого установлена насадка с щелевыми прорезями. Known cone drill bit, in the Central hole of which is mounted a nozzle with slotted slots.

В этом долоте промывочная жидкость, проходя через центральное отверстие и продольные прорези, оказывает гидродинамическое воздействие на большей площади забоя (в центральной его части и в проемах между шарошками), в результате чего в призабойной зоне создаются потоки, не ослабевающие от центра к периферии, обеспечивающие улучшенную очистку забоя от шлама и повышение эффективности бурения. In this bit, the flushing fluid, passing through the central hole and longitudinal slots, exerts a hydrodynamic effect on a larger face area (in its central part and in openings between cones), as a result of which flows are created in the bottom-hole zone that do not weaken from the center to the periphery, providing improved cleaning of the bottom of the sludge and increased drilling efficiency.

Недостатком такой системы промывки является невысокая эффективная очистка породоразрушающих элементов буровых шарошечных долот особенно при бурении мягких, пластичных пород. За насадкой (в результате резкого падения скорости потока) образуются застойные зоны, которые со временем заполняются шламом. Шлам постепенно уплотняется, налипает на внутренние элементы долота, плотно заполняет межзубцовое пространство периферийных, а затем и остальных частей шарошек. Контактная поверхность долота увеличивается, глубина внедрения зуба значительно уменьшается, затраты энергии на вращение долота и разрушение породы возрастают, эффективность бурения резко падает. The disadvantage of such a flushing system is the low effective cleaning of rock cutting elements of cone bits especially when drilling soft, ductile rocks. Behind the nozzle (as a result of a sharp drop in the flow rate) stagnant zones are formed, which eventually fill with sludge. The sludge is gradually compacted, sticks to the internal elements of the bit, densely fills the interdental space of the peripheral, and then the remaining parts of the cutters. The contact surface of the bit increases, the depth of tooth penetration decreases significantly, the energy consumption for the rotation of the bit and the destruction of the rock increase, the drilling efficiency drops sharply.

Практически такие явления наблюдаются каждый раз при подъеме долота из скважины, свободно при бурении верхних интервалов. Долото находится в плотном "сальнике", а шарошки выглядят в виде сплошных гладких конусных катков, с большим трудом проворачивающихся на опорах. После механического удаления сальников следов износа вооружения и опор долота, как правило, не наблюдается, хотя долото бывает поднято из-за резкого снижения механической скорости, т. е. в связи с кажущейся причиной износа вооружения. Такие долота (обычно больших диаметров: 490; 395,7) могут использоваться повторно. In practice, such phenomena are observed every time a bit is raised from a well, freely when drilling upper intervals. The chisel is located in a dense "gland", and the cones look like continuous smooth cone rollers, with great difficulty turning on the supports. After mechanical removal of the oil seals, traces of weapon wear and bit support are usually not observed, although the bit is raised due to a sharp decrease in mechanical speed, i.e., due to the apparent cause of weapon wear. Such bits (usually large diameters: 490; 395.7) can be reused.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является долото, имеющее центральный промывочный канал, выполненный в виде удлиненного гибкого эластичного патрубка, нижний конец которого размещается над шарошками долота. The closest in technical essence to the claimed invention is a bit having a central flushing channel, made in the form of an elongated flexible elastic pipe, the lower end of which is placed above the cone bits.

Такой вариант позволяет осуществлять последовательно-ориентировочное воздействие струи бурового раствора на забой скважины, шарошки долота, улучшая очистку забоя, породоразрушающих элементов шарошек, улучшая условия отвода тепла. This option allows you to carry out a sequentially-oriented impact of the mud stream on the bottom of the well, bit cone, improving the cleaning of the bottom, rock cutting elements of the cone, improving the conditions of heat dissipation.

Недостатком такого варианта является набольшая зона действия струи, истекающей из насадки, не обеспечивающая промывку породоразрушающих элементов надшарошечной области и забоя скважины. К недостаткам относится и сложность конструкции: необходимость координального изменения внутреннего промывочного канала долота с целью размещения патрубка и создания необходимого пространства для обеспечения диапазона отклонения патрубка в пределах его рабочего хода, сложность крепления верхнего конца патрубка в ниппеле долота и ненадежность конструкции. Кроме того, определенная жесткость короткого резинового патрубка не обеспечивает достаточного отклонения, обеспечивающего эффективную промывку периферийных концов зубцов шарошечных долот. The disadvantage of this option is the large area of action of the jet flowing out of the nozzle, which does not provide washing of rock-cutting elements of the suprahepatic region and the bottom of the well. The design complexity is also a drawback: the need to coordinate changes in the internal flushing channel of the bit in order to place the nozzle and create the necessary space to ensure the range of deviation of the nozzle within its working stroke, the difficulty of attaching the upper end of the nozzle in the bit nipple and the unreliability of the structure. In addition, the certain stiffness of the short rubber pipe does not provide sufficient deviation, which ensures effective washing of the peripheral ends of the teeth of the cone bits.

Результаты промысловых испытаний показывают, что зачастую происходит вырыв патрубка в месте его крепления к долоту и разрушения резинового элемента от знакопеременных изгибающих и растягивающих напряжений. The results of field tests show that the pipe often breaks out at the place of its attachment to the bit and the destruction of the rubber element from alternating bending and tensile stresses.

Существенными признаками заявляемого технического решения, позволяющими отличить данный объект от другого, являются опорное кольцо с кольцевой проточкой в виде части сферы, кольцевой выступ в виде части сферы на верхнем конце патрубка, дополнительные насадки меньшего диаметра, установленные по окружности на наружной поверхности нижнего конца патрубка, расположенные под острым углом к его оси. The essential features of the proposed technical solution, allowing to distinguish this object from another, are a support ring with an annular groove in the form of a part of a sphere, an annular protrusion in the form of a part of a sphere at the upper end of the nozzle, additional nozzles of a smaller diameter installed around the circumference on the outer surface of the lower end of the nozzle, located at an acute angle to its axis.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемое техническое решение совпадает с прототипом по следующим существенным признакам: удлиненный патрубок, расположенный по оси долота, нижний конец которого размещается над шарошками, центральное промывочное отверстие, которым оканчивается нижний конец патрубка и возможность перемещения нижнего конца патрубка во внутренней надшарошечной области долота. Comparative analysis shows that the claimed technical solution coincides with the prototype according to the following essential features: an elongated nozzle located along the axis of the bit, the lower end of which is placed above the cones, a central flushing hole that ends with the lower end of the nozzle and the possibility of moving the lower end of the nozzle in the inner supra chisels.

Отмеченные признаки заявляемого технического решения позволяют сделать вывод о соответствии технического решения критерию "новизна". При сравнении заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями не обнаружены решения, обладающие сходными признаками. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия". The marked features of the claimed technical solution allow us to conclude that the technical solution meets the criterion of "novelty." When comparing the claimed technical solution not only with the prototype, but also with other well-known technical solutions, solutions with similar characteristics were not found. This allows us to conclude that the technical solution meets the criterion of "significant differences".

На чертеже изображено предлагаемое устройство. The drawing shows the proposed device.

Долото состоит из корпуса 1 с лапами 2 на которых установлены шарошки 3, с упорной пятой 4 и кольцевой проточкой в виде части сферы, закрепляемой в корпусе 1 по оси долота, и удлиненного патрубка 5. Верхний конец патрубка 5 представляет собой кольцевой выступ 6 в виде части сферы. Нижний конец патрубка 5 расположен над шарошками 3 внутри его устанавливается центральная абразивно-стойкая насадка 7 диаметром d₁, а с наружной стороны - дополнительные боковые насадки 8 меньшего диаметра d₂ (d₁ > d₂), расположенные под острым углом к центральной оси патрубка, гидравлически связанные с центральным каналом.The bit consists of a housing 1 with paws 2 on which cones 3 are mounted, with a persistent fifth 4 and an annular groove in the form of a part of a sphere fixed in the housing 1 along the axis of the bit, and an elongated nozzle 5. The upper end of the nozzle 5 is an annular protrusion 6 in the form parts of the sphere. The lower end of the nozzle 5 is located above the cutters 3 inside it is installed a central abrasion-resistant nozzle 7 with a diameter of d ₁ , and from the outside - additional side nozzles 8 of a smaller diameter d ₂ (d ₁ > d ₂ ) located at an acute angle to the central axis of the nozzle hydraulically connected to the central channel.

Долото работает следующим образом. The bit works as follows.

В процессе бурения долото вращается, поток промывочной жидкости проходит через патрубок 5 и у нижнего конца разделяется на два потока, одна часть потока направляется по центральному каналу патрубка 5 через насадку 7 и попадает на забой скважины. Другая часть потока поступает через боковые каналы нижнего конца патрубка 5 и насадки 8, омывает вооружение шарошек 3 долота и попадает в проемы между шарошками 3. Угол наклона боковых насадок 8 выбирается в зависимости от конструктивных размеров долота с учетом того, что в условиях статического состояния, когда ось патрубка 5 совпадает и находится на продолжении оси долота, поток бурового раствора направлен в область периферийных венцов шарошек 3. При работе долота бурового раствора с большой скоростью (порядка 40-100 м/с) и под большим давлением (перепад давления может быть в пределах 25-80 кгс/см²) истекает из насадок долота.During drilling, the bit rotates, the flow of flushing fluid passes through the nozzle 5 and is divided into two streams at the lower end, one part of the flow is directed along the central channel of the nozzle 5 through the nozzle 7 and enters the bottom hole. Another part of the flow enters through the lateral channels of the lower end of the nozzle 5 and nozzle 8, washes the arms of the cone 3 bits and enters the openings between the cones 3. The angle of inclination of the side nozzles 8 is selected depending on the design dimensions of the bit, taking into account the fact that under static conditions, when the axis of the nozzle 5 coincides and is located on the continuation of the axis of the bit, the mud flow is directed to the region of the peripheral crowns 3. When the drill bit is operating at high speed (about 40-100 m / s) and under high pressure m (pressure drop can be in the range 25-80 kgf / cm ²⁾ flows from the bit nozzles.

За счет действия реактивного момента сил истекающих из насадок струй бурового раствора, действия центробежных сил на нижний конец патрубка 5, вызванных вращением инструмента (частота вращения 60-120 об/мин), и различных колебаний, обусловленных работой долота, промывочный узел начинает проворачиваться в упорной пяте 4. Линейный контакт кольцевой проточки упорной пяты 4 со сферической поверхностью 6 верхнего конца патрубка 5 обеспечивает необходимую свободу относительного перемещения и необходимую герметизацию шарнирного соединения. Герметизация и плотное прижатие сферической поверхности 6 к кольцевой проточке упорной пяты 4 осуществляется за счет действия гидродинамического давления на Миделевое сечение верхнего конца 6 патрубка 5. Due to the action of the reactive moment of the forces of the mud flowing from the nozzles, the action of centrifugal forces on the lower end of the nozzle 5 caused by the rotation of the tool (rotation frequency 60-120 rpm), and various vibrations caused by the operation of the bit, the flushing unit begins to turn in a persistent heel 4. The linear contact of the annular grooves of the persistent heel 4 with the spherical surface 6 of the upper end of the pipe 5 provides the necessary freedom of relative movement and the necessary sealing of the hinge joint. Sealing and tightly pressing the spherical surface 6 to the annular groove of the thrust heel 4 is carried out due to the action of hydrodynamic pressure on the Midel section of the upper end 6 of the pipe 5.

За счет хаотичности действия всех сил нижний конец патрубка 5 совершает непрерывное и хаотическое движение в надшарошечной зоне, в результате чего потоки бурового раствора интенсивно промывают забой, надшарошечную область и элементы вооружения долота. Последнее особенно важно при бурении мягких, пластичных пород в верхних интервалах, которые обладают повышенными адгезионными свойствами, налипают на вооружение шарошек, постепенно уплотняются, заполняют межзубцовое пространство, уменьшают глубину внедрения зубьев в породу, резко снижают разрушающую способность буровых долот, приводят к необходимости подъема инструмента, удаления сальника или в большинстве случаев к смене практически неизношенных долот. Due to the randomness of the action of all forces, the lower end of the nozzle 5 performs continuous and chaotic movement in the supraherosal zone, as a result of which the mud flows intensively wash the face, supraherosal region and bit armament elements. The latter is especially important when drilling soft, ductile rocks in the upper intervals, which have improved adhesive properties, stick to the roller cone armament, gradually condense, fill the interdental space, reduce the depth of tooth penetration into the rock, sharply reduce the destructive ability of drill bits, lead to the need to lift the tool , removal of an epiploon or in most cases to change of practically worn out bits.

Преимущество заявляемого технического решения в сравнении с прототипом заключается в расширении зоны промывки путем установки дополнительных боковых насадок, ориентированных на очистку элементов вооружения и большого угла отклонения промывочного узла за счет его шарнирного соединения. The advantage of the proposed technical solution in comparison with the prototype is to expand the flushing zone by installing additional side nozzles oriented to cleaning weapons and a large deflection angle of the flushing unit due to its articulation.

Преимущества выражаются также в простоте конструкции (две детали вместо шести у прототипа), в отсутствии необходимости изменения внутреннего промывочного канала буровых долот и надежности конструкции (рабочие элементы не работают на растяжение и изгиб). (56) Авторское свидетельство СССР N 891883, кл. E 21 B 10/18, 1981. Advantages are also expressed in the simplicity of the design (two parts instead of six for the prototype), in the absence of the need to change the internal flushing channel of the drill bits and the reliability of the structure (working elements do not work in tension and bending). (56) Copyright certificate of the USSR N 891883, cl. E 21 B 10/18, 1981.

Авторское свидетельство СССР N 1514900, кл. E 21 B 10/08, 1989. USSR author's certificate N 1514900, cl. E 21 B 10/08, 1989.

Claims

DRILLING CHISEL WASHING UNIT, comprising a body with paws and trunnions mounted on the cones and an elongated nozzle installed by the upper end in the body along the axis of the bit with the possibility of rotational circular motion with the lower end located between the cones, characterized in that, in order to increase the performance of the bit by expanding the cone washing zone, it is equipped with a ball joint in the form of a fixed in the body with the ability to cover the upper end of the heel pipe with an annular groove in the form of a sphere laid on the upper end of the pipe of the annular protrusion in the form of a part of a sphere and downward directed additional nozzles uniformly fixed around the circumference on the outer surface of the lower end of the pipe at an acute angle to its axis.