RU2065917C1

RU2065917C1 - Drilling bit

Info

Publication number: RU2065917C1
Authority: RU
Inventors: Александр Павлович Шульгин
Original assignee: Александр Павлович Шульгин
Priority date: 1992-08-10
Filing date: 1992-08-10
Publication date: 1996-08-27

Abstract

FIELD: rock crushing tools for drilling deep and super-deep holes. SUBSTANCE: in drilling bit, butt end cutters of pads 22 are made in the form of cylinders 31. Frontal head is formed as cylinder 18. Pad 22 has recess 29 and through hole in its butt part which communicate with holes in cylinders 31. Rim 4 has protrusion 30 which can be located in recess 29. Cylinder 18 can be installed eccentrically relative to axis of bit rotation. Several passages 19 can be made in butt end part of cylinder 18 which match with passages 20. EFFECT: high efficiency. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение касается породоразуршающего инструмента, а именно, долот для бурения глубоких и сверхглубоких скважин. The invention relates to a rock cutting tool, namely, bits for drilling deep and superdeep wells.

Все известные буровые долота (шарошечного, лопастного, фрезерного и др. типов) оборудованы режущими, скалывающими элементами, имеющими призматическую (прямоугольную) или круглую форму, разделенными по образующей цилиндра каналами для транспортировки выбуренной породы. Недостатками известных долот является небольшая производительность (механическая скорость проходки), обусловленная малой величиной внедрения резцов в породу при нормированной осевой нагрузке на долото и его скорости вращения, несовершенной схемой предварительной обработки породы промывочной жидкостью, ее разрушения, охлаждения резцов и их очистки, а также несвоевременностью эвакуации выбуренной породы. All known drill bits (cone, blade, milling, and other types) are equipped with cutting, shearing elements having a prismatic (rectangular) or round shape, separated by channels forming the cylinder for transporting cuttings. The disadvantages of the known bits is their low productivity (mechanical penetration rate), due to the small penetration rate of the incisors into the rock at normalized axial load on the bit and its rotation speed, an imperfect scheme of pre-treatment of the rock with washing liquid, its destruction, cooling of the incisors and their cleaning, as well as timeliness drill cuttings evacuation.

Цель изобретения увеличение производительности долота путем большей глубины внедрения его резцов в породу при равных нормированных условиях его работы. The purpose of the invention is to increase the performance of the bit by means of a greater depth of introduction of its cutters into the rock under equal normalized conditions of its operation.

Поставленная цель достигается тем, что буровое долото, содержащее корпус, закрепленный в нижней части корпуса бандаж с выступами на нижнем торце, расположенные под корпусом крестовину, а под крестовиной передовой наконечник, сообщающийся центральным промывочным отверстием с центральными промывочными отверстиями крестовины и корпуса, размещенный в корпусе подпружиненный поршень, кинематически связанные с корпусом и поршнем лопасти в виде жестко соединенных между собой подпятников и щек, каждая из которых связана эллипсоидальными шарнирами с корпусом и поршнем, а подпятники установлены с возможностью углового поворота относительно забоя скважины, жестко закрепленные на подпятниках твердые периферийные резцы в виде алмазов и мягкие торцевые резцы в виде твердых сплавов с размещенными в наклонных пазах сухарей резцами для их автоматической подачи к стенке скважины по мере истирания торцевых резцов, на передовом наконечнике в виде гидромониторной цилиндрической насадки с узкими продольными каналами по образующим наружной поверхности цилиндра закреплены торцевые резцы, отличающееся тем, что торцевые резцы подпятников и передового наконечника выполнены в виде полых цилиндров, сообщающиеся с затрубным пространством, подпятник выполнен с углублением и со сквозными отверстиями в торцевой части, сообщающиеся с отверстиями полых цилиндров, а бандаж выполнен с выступом с возможностью расположения в углублении подпятника при рабочем положении лопастей; полый цилиндр на передовом наконечнике установлен эксцентрично относительно оси вращения долота; нижняя торцевая часть полого цилиндра выполнена с рядом каналов, совпадающих с продольными каналами на наружной поверхности передового наконечника. This goal is achieved by the fact that the drill bit containing the housing, fixed in the lower part of the body of the bandage with protrusions on the lower end, located under the body of the crosspiece, and under the crosspiece advanced tip, communicating with a Central flushing hole with Central flushing holes of the crosspiece and the housing, located in the housing spring-loaded piston, blades kinematically connected with the body and piston in the form of thrust bearings and cheeks rigidly interconnected, each of which is connected by an ellipsoidal ball irami with a body and a piston, and thrust bearings are installed with the possibility of angular rotation relative to the bottom of the well, hard peripheral cutters in the form of diamonds rigidly fixed on the thrust bearings and soft end cutters in the form of hard alloys with cutters placed in inclined grooves of crackers for their automatic feeding to the borehole wall as abrasion of the end teeth, the end p is fixed on the front end in the form of a hydraulic monitor cylindrical nozzle with narrow longitudinal channels along the generatrix of the outer surface of the cylinder zts, characterized in that the end cutters of the thrust bearings and the forward tip are made in the form of hollow cylinders, communicating with the annulus, the thrust bearing is made with a recess and with through holes in the end part, communicating with the holes of the hollow cylinders, and the bandage is made with a protrusion with the possibility of arrangement in deepening the thrust bearing when the blades are in working position a hollow cylinder at the front end is mounted eccentrically relative to the axis of rotation of the bit; the lower end part of the hollow cylinder is made with a series of channels coinciding with the longitudinal channels on the outer surface of the advanced tip.

Общий вид с продольным разрезом предложенного бурового долота показан на фиг. 1. Долото содержит полый корпус 1, имеющий в нижней части по образующей цилиндра прорези 2 со сквозными отверстиями 3, бандаж 4 с прорезями 5 и пазами 6, крестовик 7 с центральным промывочным отверстием 8, жестко соединенный своими ребрами с корпусом и бандажом штифтами 9, несущий пружинную подвеску 10 и поршень 11, имеющий аналогично корпусу ответные прорези 12 с отверстиями 13, связанных между собой пружинами растяжения 14, навинченных на верхние и нижние зацепы 15, 16, соответственно. В нижней части крестовика смонтирована гидрозапорная насадка 17 с центральным промывочным отверстием, оборудованная в центральной части полым цилиндром 18, выполняющим функцию торцового центрального резца потому, что расположен эксцентрично по отношению оси вращения долота. В торце резца и по образующим цилиндра насадки прорезаны сквозные канавки 19, 20, соответственно. В представленном варианте долото имеет четыре лопасти, кинематически связанные с корпусом и поршнем с возможностью углового поворота по отношению к забою скважины. Одна лопасть собирается из щеки 21 и подпятника 22, жестко соединенных между собой. Щека лопасти своими эллипсоидальными отверстиями 23 и 24 монтируется в прорезях корпуса и поршня при помощи осей 25 и 26. Углубления 27 и 29 в подпятнике и выступы 28 и 30 в крестовике и бандаже формируют замки, не допускающие самопроизвольное раскрытие и сжатие лопастей в транспортном и рабочем положении долота, соответственно. Подпятники вооружены резцами, обеспечивающими полное поражение забоя скважины и калибровку ее стенки. A general longitudinal sectional view of the proposed drill bit is shown in FIG. 1. The bit contains a hollow body 1, having in the lower part along the generatrix of the slot 2 with through holes 3, a band 4 with slots 5 and grooves 6, a cross 7 with a central flushing hole 8, rigidly connected with its ribs to the body and the band with pins 9, bearing a spring suspension 10 and a piston 11, having mating slots 12 with openings 13 connected to each other by tension springs 14 screwed onto the upper and lower hooks 15, 16, respectively, similarly to the housing. A hydraulic locking nozzle 17 with a central flushing hole is mounted in the lower part of the cross, equipped with a hollow cylinder 18 in the central part, which performs the function of a central central cutter because it is eccentric with respect to the axis of rotation of the bit. Through grooves 19 and 20 along the generatrix of the nozzle cylinder are cut through grooves 19, 20, respectively. In the presented embodiment, the bit has four blades kinematically connected with the body and the piston with the possibility of angular rotation with respect to the bottom of the well. One blade is assembled from the cheek 21 and the thrust bearing 22, rigidly connected to each other. The cheek of the blade with its ellipsoidal holes 23 and 24 is mounted in the slots of the housing and the piston using the axes 25 and 26. The recesses 27 and 29 in the thrust bearing and the protrusions 28 and 30 in the cross and the brace form locks that do not allow spontaneous opening and compression of the blades in the transport and working bit position, respectively. The thrust bearings are armed with incisors providing a complete defeat of the bottom of the well and calibration of its wall.

Торцевые резцы подпятников 31, имеющие форму полых цилиндров, - "мягкие", например, победитовые, выполняют основную работу по разрушению горной породы забоя скважины и ее своевременную эвакуацию в затрубье через отверстия полых цилиндров. The end teeth of the thrust bearings 31, having the form of hollow cylinders — soft, for example, victorious, perform the main work of destroying the rock bottom of the well and its timely evacuation in the annulus through the holes of the hollow cylinders.

Периферийные "твердые" призматические резцы 22 имеют устройство в виде сухаря 33 с наклонным пазом, вставленным в отверстие 34, обеспечивает автоматическую подачу резца к стенке скважины по мере истирания торцевых резцов. Peripheral "solid" prismatic cutters 22 have a device in the form of a cracker 33 with an inclined groove inserted in the hole 34, which provides automatic feed of the cutter to the wall of the well as the end face abrasion is abrased.

Периферийные "твердые", например, алмазные резцы 35, жестко закрепленные на подпятнике и калибрующие стенку скважины. Peripheral "solid", for example, diamond cutters 35, rigidly fixed to the thrust bearing and calibrating the wall of the well.

Осевая нагрузка передается торцом бандажа долота на плоскости подпятника 36 и 37 при работе долота в транспортном и рабочем положении соответственно, после выборки зазоров по вертикали и горизонтали 25 и 26 в отверстиях 23 и 24, чему способствует цилиндрическая пружина сжатия 38, вставленная в выточки щеки и корпуса. Зазоры нужны также для компенсации углового поворота при переводе лопастей в рабочее положение после отпирания замка и свободной передаче осевой нагрузки на лопасти. The axial load is transmitted by the end of the bandage of the bit on the plane of the thrust bearing 36 and 37 when the bit is operated in the transport and working positions, respectively, after sampling the gaps vertically and horizontally 25 and 26 in the holes 23 and 24, which is facilitated by a cylindrical compression spring 38 inserted into the undercut of the cheek and corps. Clearances are also needed to compensate for angular rotation when moving the blades to the working position after unlocking the lock and freely transferring the axial load on the blades.

Долото работает так. В транспортном положении (фиг.) лопасти сдвинуты к центру долота под воздействием пружин растяжения, при этом, задние поверхности торцевых резцов 39 имеют тупой угол по отношению к поверхности забоя скважины, а передние поверхности 40 этих резцов перпендикулярны (I) задним, замок закрыт, периферийные резцы 32 и 35 не выступают за диаметр корпуса долота. При достижении долотом забоя скважины бурильная колонна приводится во вращение с постепенным увеличением осевой нагрузки до номинальной. Затем буровыми насосами обеспечивают циркуляцию промывочной жидкости. Начинается процесс бурения скважины долотом, находящегося в первой позиции, т. е. в транспортном положении. После отработки долота в этой позиции, т. е. при уменьшении механической скорости проходки, вследствие частичного истирания резцов, приводящее к увеличению площади контакта между их задними поверхностями и породой, долото переводят для работы во вторую (рабочую) позицию, для чего долото приподнимают, при этом, буровая жидкость, пройдя через зазоры верхней части крестовика, подвески и корпуса к поршню, передвигает его вниз. Связанные с ним через оси и щеки лопасти выходят из замкового зацепления и переходят в крайнее положение. После нагружения долота осевой силой, процесс бурения продолжается. Первой в породу внедряется гидрозапорная насадка, названная так потому, что буровая жидкость спокойно проходит ее центральное отверстие. А вот, попадая в щель, образованной наружной поверхностью насадки и стенкой цилиндрической выточки породы, формирует большие значения скоростного напора жидкости, намного превосходящие те, которые формирует известный гидромониторный эффект, получаемый при помощи цилиндрической насадки типа "сопло". Кроме того формируется более эффективная схема подготовки породы к разрушению за счет условий, способствующих образованию микротрещин в породе, проникновению жидкости в поры и трещины, приводящее к размягчению породы вплоть до ее гидроразрыва, прежде чем ее коснутся резцы подпятника. Торцевые и радиальные канавки 19 и 20 выполняют функцию регуляторов, т. к. обеспечивают разгрузку буровых насосов и дополнительный гидромониторный эффект при повышении давления в насадке (происходит нечто микроразрыва). Вследствие того, что в канавках скорость жидкости больше, чем в любой точке насадки, их размеры сохраняются в течение всего времени бурения. Скоростной поток буровой жидкости, направленный снизу вверх на подпятники, проходит сквозь отверстия торцевых полых цилиндров, охлаждает их и обеспечивает полную очистку долота от выбуренной породы, предупреждая, тем самым, повторное ее перемалывание. The chisel works like that. In the transport position (Fig.), The blades are shifted to the center of the bit under the influence of tensile springs, while the rear surfaces of the end cutters 39 have an obtuse angle to the bottom surface of the well, and the front surfaces 40 of these cutters are perpendicular (I) to the rear, the lock is closed, peripheral cutters 32 and 35 do not protrude beyond the diameter of the bit body. When the chisel reaches the bottom of the well, the drill string is rotated with a gradual increase in axial load to nominal. Then, mud pumps circulate the flushing fluid. The process of drilling a well begins with a bit located in the first position, i.e., in the transport position. After working out the bit in this position, i.e., with a decrease in the mechanical speed of penetration, due to partial abrasion of the cutters, leading to an increase in the contact area between their rear surfaces and the rock, the bit is moved to the second (working) position for work, for which the bit is raised, at the same time, the drilling fluid, passing through the gaps of the upper part of the cross, the suspension and the body to the piston, moves it down. The blades connected with it through the axes and cheeks come out of the lock engagement and go to the extreme position. After loading the bit with axial force, the drilling process continues. The first water-tight nozzle is introduced into the rock, so named because the drilling fluid quietly passes through its central hole. But, getting into the gap formed by the outer surface of the nozzle and the wall of the cylindrical undercut of the rock, it forms large values of the velocity head of the fluid, much superior to those that form the well-known hydromonitor effect obtained with the help of a cylindrical nozzle of the nozzle type. In addition, a more effective scheme is being prepared for preparing the rock for destruction due to conditions conducive to the formation of microcracks in the rock, the penetration of liquid into the pores and cracks, leading to softening of the rock up to its hydraulic fracturing before it touches the thrust bearing. End and radial grooves 19 and 20 act as regulators, because they provide unloading of mud pumps and an additional hydromonitor effect with increasing pressure in the nozzle (something micro-fracturing occurs). Due to the fact that in the grooves the fluid velocity is greater than at any point of the nozzle, their dimensions are maintained throughout the entire drilling time. The high-speed flow of drilling fluid, directed from bottom to top on the thrust bearings, passes through the holes of the end hollow cylinders, cools them and provides complete cleaning of the bit from the cuttings, thereby preventing its repeated grinding.

После отработки долота во второй позиции (т. е. при чрезмерном затуплении резцов) его переводят на работу в первой позиции. Для чего: приподнимают и промывают долото, останавливают насосы или переключают их выкиды на приемные емкости, что ведет к снятию давления жидкости над поршнем долота. При этом под воздействием пружин растяжения лопасти переходят в транспортное положение. Процесс перестановки лопастей и, следовательно, принудительно заточки торцевых резцов о забой скважины, повторяют многократно до их полного истирания. After working out the bit in the second position (i.e., with excessive blunting of the incisors), it is transferred to work in the first position. For what: they raise and wash the bit, stop the pumps or switch their discharges to the receiving tanks, which leads to relieving the pressure of the liquid above the piston of the bit. In this case, under the influence of tension springs, the blades move into the transport position. The process of rearranging the blades and, therefore, forcibly sharpening the end-face cutters about the bottom of the well, is repeated many times until they are completely abraded.

Рассмотрим конкретный пример применения резцов в форме полого цилиндра. Покажем, что применение таких резцов в буровом инструменте даст значительный экономический эффект. Рассчитаем значения моментов сопротивления для резца прямоугольного (сл. 1), форме полого цилиндра (сл. 2) и круглой формы (сл. 3), равных по площади в сечении. Consider a specific example of the use of hollow cylinder cutters. We show that the use of such incisors in a drilling tool will give a significant economic effect. We calculate the values of the moments of resistance for a rectangular cutter (Sl. 1), the shape of a hollow cylinder (Sl. 2) and a round shape (Sl. 3), equal in area to the section.

Момент сопротивления сечения, как физическая величина, характеризует его способность оказывать сопротивление приложенной к нему силе. Приведенные расчеты показали, что наибольшей способностью сопротивлению внешней силе обладает сечение полого цилиндра на 63% и 60% по отношению к сл. 1 и сл. 3. соответственно. The moment of resistance of the cross section, as a physical quantity, characterizes its ability to resist the force applied to it. The above calculations showed that the cross section of a hollow cylinder by 63% and 60% with respect to sl. 1 and words 3. respectively.

В аналогичной пропорции находятся такие параметры, как углубление резца в породу за один оборот, необходимая осевая нагрузка, степень поражения забоя скважины одним резцом и, наконец, производительность бурения. In a similar proportion are parameters such as the recess of the cutter in the rock in one revolution, the necessary axial load, the degree of damage to the bottom of the well with one cutter, and, finally, the productivity of drilling.

Claims

1. A drill bit containing a housing fixed in the lower part of the body of the bandage with protrusions at the lower end located under the body of the crosspiece, and under the crosspiece an advanced tip communicating with a central flushing hole with a central flushing hole of the crosspiece and the housing, a spring-loaded piston placed in the housing is kinematically blades connected to the body and piston in the form of thrust bearings and cheeks rigidly interconnected, each of which is connected with the body and piston by ellipsoidal hinges, and thrust bearings mounted with the possibility of angular rotation relative to the bottom of the well, hard peripheral cutters in the form of diamonds rigidly fixed on the thrust bearings and soft end cutters in the form of hard alloys with crackers placed in inclined grooves for automatically feeding them to the borehole wall as the end cutters abrade, on the forward tip in in the form of a cylindrical hydraulic nozzle with narrow longitudinal channels along the forming the outer surface of the cylinder end mills fixed, characterized in that the end mills nicks and best of the tip are formed as hollow cylinders communicating with the annular space, a heel is formed with a recess and with through holes at the end portion communicating with the openings of the hollow cylinders, a bandage made with the projection to be positioned in a recess at the operative position of thrust blades.

2. The bit according to claim 1, characterized in that the hollow cylinder on the advanced tip is mounted eccentrically relative to the axis of rotation of the bit.

3. The bit according to claim 2, characterized in that the lower end part of the hollow cylinder is made with a number of channels matching the longitudinal channels on the outer surface of the advanced tip.