RU2116428C1

RU2116428C1 - Roller-type drilling bit

Info

Publication number: RU2116428C1
Application number: RU96124150A
Authority: RU
Inventors: В.Ю. Близнюков; А.Н. Гноевых; В.П. Браженцев
Original assignee: Рао "Газпром"
Priority date: 1996-12-24
Filing date: 1996-12-24
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: drilling machinery and equipment. SUBSTANCE: this relates to drilling deep bore-holes of large diameter by means of drilling bits with roller-type rock-crushing tools. Roller-type drilling bit has lugs 1 and journals 2. Mounted on journals 2 by means of bearings 3 are rolling cutters 4. Rolling cutters 4 are of spherical-taper shape. Relation of taper part 5 and spherical part 6 of rolling cutter 4 is determined from following expression: R_c/R_d = 0.55-0.75, where R_c - distance from center of bit to point of conjugation of taper part and spherical part of rolling cutter, mm; R_d - radius of drilling bit, mm. Provided on rolling cutter 4 are rock-crushing members in the form of milled teeth or hard-alloy teeth 9. Provided on relieving cone 10 are facing cutters 11. Facing cutters 11 can be arranged in one or several rows. Located between milled teeth are additional hard-alloy teeth. Facing cutters 11 by their working parts protrude beyond surface of rolling cutters 4. In working position, facing cutters 11 can be arranged in circumference of bore-hole which is formed by peripheral teeth or they can slightly protrude beyond aforesaid circumference. Spherical parts 6 of rolling cutters 4 conjugate with relieving surfaces 10. Application of aforesaid roller-type drilling bit allows for obtaining bore-hole with stable smooth walls of cylindrical form. Effective diameter of bore-hole is increased. Service life of roller-type drilling bit is prolonged. EFFECT: higher efficiency. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к бурению глубоких скважин большего диаметра и может быть использовано в компоновке долотных буров с шарошечным породоразрушающим инструментом и в буровых шарошечных долотах. The invention relates to the drilling of deep wells of larger diameter and can be used in the layout of bit drills with cone rock cutting tools and in cone drill bits.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников конические шарошки с вершинными, срединными и периферийными венцами [1]. Known boring cone bit containing paws with trunnions mounted on the trunnions using bearings conic cones with apex, middle and peripheral crowns [1].

Недостатками известного устройства являются шероховатая поверхность стенок скважины, поскольку в калибровке стенок скважины и зачистке ее стенок участвует только один периферийный венец. Кроме того, значительно изнашиваются затылочные поверхности шарошек, так как эти поверхности ничем не защищены. The disadvantages of the known device are the rough surface of the walls of the well, since only one peripheral crown is involved in the calibration of the walls of the well and the cleaning of its walls. In addition, the occipital surfaces of the cones wear out significantly, since these surfaces are not protected by anything.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее цапфы с лапами, установленные на цапфах посредством подшипников сферические шарошки с породоразрушающими зубьями [2]. Known cone drill bit containing trunnions with paws mounted on the trunnions using bearings spherical cones with rock-cutting teeth [2].

Недостатком известного устройства является повышенная энергоемкость разрушения забоя скважины, так как сферические шарошки образуют выпуклую форму забоя. A disadvantage of the known device is the increased energy intensity of the destruction of the bottom of the well, since the spherical cones form a convex shape of the bottom.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников шарошки и расположенные на шарошках породоразрушающие элементы в виде зубьев, одни из которых периферийные [3]. Known cone drill bit containing paws with trunnions mounted on the trunnions through the bearings of the cone and located on the cones rock-cutting elements in the form of teeth, some of which are peripheral [3].

Недостатками известного устройства являются нецилиндрическая форма скважины, шероховатая поверхность стенок, повышенная энергоемкость разрушения центральной части забоя, неравномерное распределение напряжение между забоем и стенками скважины, приводящее к уменьшению их устойчивости, пониженная долговечность долота из-за разрушения поверхностей шарошек выступающими частями реечной поверхности забоя. The disadvantages of the known device are the non-cylindrical shape of the well, the rough surface of the walls, the increased energy intensity of the destruction of the central part of the face, the uneven distribution of stress between the face and the walls of the well, leading to a decrease in their stability, reduced durability of the bit due to the destruction of the cone surfaces by the protruding parts of the face of the face.

Целью изобретения является получение скважины с устойчивыми гладкими стенками цилиндрической формы, увеличение ее эффективного диаметра за счет перераспределения энергоемкости разрушения породы с уменьшением ее в центральной части забоя и увеличением на периферии и обеспечения равномерного распределения напряжения между забоем и стенками скважины и повышение долговечности долота за счет защиты поверхностей шарошек от выступающих частей реечной поверхности забоя. The aim of the invention is to obtain a well with stable smooth walls of cylindrical shape, an increase in its effective diameter due to the redistribution of the energy intensity of rock destruction with a decrease in the central part of the face and an increase in the periphery and the uniform distribution of stress between the face and the walls of the well and increase the durability of the bit due to protection surfaces cones from the protruding parts of the rack surface of the face.

В буровом шарошечном долоте, содержащем лапы с цапфами, установленные на цапфах посредством подшипников шарошки, расположенные на шарошках породоразрушающие элементы в виде зубьев, одни из которых периферийные, для достижения цели имеются дополнительные твердосплавные зубки, расположенные между зубьев периферийных породоразрушающих элементов, рабочие поверхности которых установлены заподлицо с поверхностями шарошек, и подрезные резцы в виде твердосплавных зубков, установленные на затылочных поверхностях, рабочие части которых выступают над поверхностями шарошек. Шарошки выполнены сфероконическими, с соотношениями конических и сферических частей, определяемыми из выражения:

где
R_k - расстояние от центра долота до места сопряжения конической и сферической частей шарошек, мм;
R_д - радиус долота, мм,
а сферические поверхности сопряжены с затылочными поверхностями. Породоразрушающие элементы могут быть или фрезерованными или в виде твердосплавных зубков. Подрезные резцы могут быть размещены в один или несколько рядов, а в рабочем положении могут быть расположены на окружности скважины, формируемой периферийными зубьями, или немного выступать за эту окружность.In a cone drill bit containing paws with trunnions mounted on trunnions using cone bearings, rock cutting elements in the form of teeth located on the cones, some of which are peripheral, to achieve the goal there are additional carbide teeth located between the teeth of the peripheral rock cutting elements, the working surfaces of which are installed flush with the surfaces of the cones, and cutting tools in the form of carbide teeth mounted on the occipital surfaces, the working parts of which are high upayut over surfaces cones. The cones are made spherical, with ratios of conical and spherical parts, determined from the expression:

Where
R _k is the distance from the center of the bit to the interface between the conical and spherical parts of the cones, mm;
R _d is the radius of the bit, mm,
and spherical surfaces mate with the occipital surfaces. Rock-breaking elements can be either milled or in the form of carbide teeth. The cutting tools can be placed in one or several rows, and in the working position they can be located on the circumference of the well formed by the peripheral teeth, or slightly protrude beyond this circle.

Техническим результатом изобретения является изменение кинематики движения шарошек в сторону уменьшения числа их оборотов за один оборот долота и увеличение тем самым фрезерующего эффекта подрезных зубков перераспределение энергоемкости разрушения породы с уменьшением ее в центральной части забоя и увеличением на периферии для образования стенок скважины с гладкой поверхностью, обеспечение равномерного распределения напряжений между забоем и стенками скважины, а также защита поверхностей шарошек от выступающих частей реечной поверхности. The technical result of the invention is to change the kinematics of movement of the cutters in the direction of decreasing the number of revolutions per one revolution of the bit and thereby increasing the milling effect of the cutting teeth, redistributing the energy consumption of rock destruction with a decrease in the central part of the face and an increase in the periphery for the formation of a borehole wall with a smooth surface uniform distribution of stress between the bottom and the walls of the well, as well as protection of the surfaces of the cones from the protruding parts of the rack surfaces.

На фиг. 1 показано буровое шарошечное долото; на фиг. 2 - выполнение долота с выступающими за окружность скважины, формируемой периферийными зубьями, подрезными резцами; на фиг. 3 - выполнение долота с фрезерованными породоразрушающими зубьями; на фиг. 4 - выполнение долота с расположенными в несколько рядов подрезными зубьями. In FIG. 1 shows a cone drill bit; in FIG. 2 - the implementation of the bit with protruding beyond the circumference of the well formed by peripheral teeth, cutting tools; in FIG. 3 - the implementation of the bit with milled rock-cutting teeth; in FIG. 4 - execution of the bit with scissors located in several rows.

Буровое шарошечное долото содержит лапы 1 и цапфы 2. На цапфах посредством подшипников 3 установлены шарошки 4. Шарошки 4 имеют сфероконическую форму. Соотношение конических и сферических 6 частей шарошек 4 определяется из выражения

где
R_к - расстояние от центра долота до места сопряжения конической и сферической частей шарошки, мм;
R_д - радиус долота, мм.The roller cone bit contains paws 1 and pins 2. The cones 4 are mounted on the pins by bearings 3. The cones 4 have a spherical shape. The ratio of conical and spherical 6 parts of cones 4 is determined from the expression

Where
R _to - the distance from the center of the bit to the interface between the conical and spherical parts of the cone, mm;
R _d is the radius of the bit, mm

На шарошках 4 имеются породоразрушающие элементы 7 и 8 в виде зубьев. Зубья 8 являются периферийными. Элементы 7 и 8 могут быть в виде фрезерованных зубьев или в виде твердосплавных зубьев. На затылочных поверхностях 10 имеются подрезные резцы 11 в виде твердосплавных зубков. Резцы 11 могут быть расположены в один или несколько рядов. Между зубьями 8 расположены дополнительные твердосплавные зубки 12. Подрезные резцы 11 рабочими частями выступают за поверхность шарошек 4. Резцы 11 в рабочем положении могут быть расположены или на окружности долота Д_п, формируемой резцами 8 или 9, или немного выступать за нее. Сферические 6 части шарошек 4 сопрягаются с затылочными поверхностями 10. Позицией 13 обозначена ось долота.On cones 4 there are rock-cutting elements 7 and 8 in the form of teeth. Teeth 8 are peripheral. Elements 7 and 8 may be in the form of milled teeth or in the form of carbide teeth. On the occipital surfaces 10 there are cutting tools 11 in the form of carbide teeth. Cutters 11 can be arranged in one or more rows. Between the teeth 8 there are additional carbide teeth 12. The cutting tools 11 with their working parts protrude beyond the surface of the cones 4. The tools 11 in the working position can either be located on the circumference of the bit D _p formed by the tools 8 or 9, or protrude slightly. Spherical 6 parts of cones 4 mate with the occipital surfaces 10. Position 13 denotes the axis of the bit.

Работа бурового шарошечного долота. The work of the cone bit.

При вращении долота породоразрушающие элементы 7, расположенные на конических частях 5 шарошек 4, разрушают центральную часть забоя, а породоразрушающие элементы 8 или 9, расположенные на сферических частях 6 шарошек 4, разрушают переходную зону от забоя к стенкам скважины и калибруют стенки скважины. Переходная зона имеет форму сферы. Поскольку центральная часть забоя разрушается коническими частями 5 шарошек 4, то забой получается плоским и здесь затрачивается минимум энергоемкости. Высвободившаяся часть энергоемкости перераспределяется в сторону периферии и используется породоразрушающими элементами 8 или 9 сферических частей 6 шарошек 4 для образования плавного перехода между забоем и стенками скважины и подрезными резцами 11 для калибровки стенок скважины, придания им цилиндрической формы и образования на них гладкой поверхности. When the bit is rotated, the rock cutting elements 7 located on the conical parts 5 of the cone 4 destroy the central part of the bottom, and the rock cutting elements 8 or 9 located on the spherical parts 6 of the cone 4 destroy the transition zone from the bottom to the walls of the well and calibrate the well walls. The transition zone has the shape of a sphere. Since the central part of the face is destroyed by the conical parts 5 of the cones 4, the face is flat and a minimum of energy consumption is expended here. The released part of the energy intensity is redistributed to the periphery and is used by rock-cutting elements 8 or 9 of the spherical parts 6 of the cone 4 to form a smooth transition between the bottom and the walls of the borehole and cutting tools 11 to calibrate the borehole walls, give them a cylindrical shape and form a smooth surface on them.

Плавный переход между забоем и стенками скважины способствует равномерному распределению напряжений между ними, что в свою очередь повышает устойчивость стенок. Повышает устойчивость стенок и гладкая поверхность их. A smooth transition between the bottom and the walls of the well contributes to an even distribution of stresses between them, which in turn increases the stability of the walls. Increases the stability of the walls and their smooth surface.

Сфероконическая форма шарошек 4 изменяет кинематику движения шарошек 4 в сторону уменьшения числа их оборотов. Поскольку подрезные резцы работают фрезерованием, т. е. без ударов, и плавно входят в зацепление с породой, то это способствует повышению устойчивости стенок скважины. Работа резцов 11 во фрезерующем режиме при уменьшенных оборотах шарошек 4 способствует образованию гладкой поверхности стенок и приданию им цилиндрической формы. В этих условиях работы шарошек 4 практически исключается желобообразование, т.е. продольные канавки в виде винтовых нарезок с удлиненным шагом, которые образуются на стенках скважины от врезания в породу шарошек известных конструкций. Желобы уменьшают эффективный диаметр скважины, в результате чего колонна обсадных труб не может быть опущена в скважину. Сфероконическая форма шарошек 4 исключает этот недостаток шарошек известных конструкций. The spherical conic shape of the cones 4 changes the kinematics of the movement of cones 4 in the direction of decreasing the number of revolutions. Since the cutting tools work by milling, i.e., without impacts, and smoothly engage with the rock, this helps to increase the stability of the borehole walls. The work of the cutters 11 in the milling mode with reduced revolutions of the cones 4 contributes to the formation of a smooth surface of the walls and giving them a cylindrical shape. Under these operating conditions of the cone 4, groove formation is practically excluded, i.e. longitudinal grooves in the form of elongated screw cuts that are formed on the walls of the borehole from penetrating into the rock cones of known designs. Gutters reduce the effective diameter of the well, as a result of which the casing string cannot be lowered into the well. The spherical conic shape of cones 4 eliminates this drawback of cones of known designs.

Соотношение между коническими 5 и сферическими 6 частями шарошек 4 в виде

где
R_к - расстояние от центра долота до места сопряжения конической и сферической частей шарошки, мм;
R_д - радиус долота, мм,
охватывает все типоразмеры шарошечных долот, предназначенных для бурения скважин большого диаметра.The ratio between conical 5 and spherical 6 parts of cones 4 in the form

Where
R _to - the distance from the center of the bit to the interface between the conical and spherical parts of the cone, mm;
R _d is the radius of the bit, mm,
covers all sizes of cone bits designed for drilling large diameter wells.

В зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород могут быть применены шарошки 4, или с фрезерованными зубьями 7 и 8 или с твердосплавными зубьями 9. Зубья 7 и 8 применяются в случае разбуривания мягких и средней твердости пород, зубья 9 применяются в случае разбуривания твердых пород. Depending on the physicomechanical properties of the rocks to be drilled, cones 4 can be used either with milled teeth 7 and 8 or with carbide teeth 9. Teeth 7 and 8 are used in case of soft and medium hard rock drilling, teeth 9 are used in case of hard rock drilling .

Поскольку периферийные зубья 8 или 9 выполняют больший объем работ по сравнению с другими породоразрушающими зубьями, то они подвергаются и большему износу. Быстрее изнашиваются промежутки между зубьями 8 от выступающих частей реечной поверхности забоя, которую образуют эти зубья 8 при воздействии на породу. Поэтому в промежутках установлены дополнительные твердосплавные зубки 12. Since the peripheral teeth 8 or 9 perform a larger amount of work compared to other rock-cutting teeth, they also undergo more wear. The gaps between the teeth 8 from the protruding parts of the rack surface of the face, which these teeth 8 form when exposed to the rock, wear out faster. Therefore, in the intervals installed additional carbide teeth 12.

В зависимости от физико-механических свойств породы на затылочных поверхностях шарошек 4 могут быть расположены подрезные резцы 11 в один ряд или несколько рядов. Чем больше твердость породы, тем больше рядов резцов 11 должно быть на поверхности 10. Depending on the physicomechanical properties of the rock, cutting incisors 11 in one row or several rows may be located on the occipital surfaces of the cones 4. The greater the hardness of the rock, the more rows of cutters 11 should be on the surface 10.

В зависимости от физико-механических свойств пород устанавливается определенный вылет рабочих частей резцов 11 над поверхностями шарошек 4. В случае разбуривания мягких и средней твердости пород рабочие части резцов 11 должны немного выступать за окружность скважины Д_п, формируемой периферийными зубьями 8 или 9. В случае разбуривания твердых пород рабочие части резцов 11 должны быть расположены на этой окружности. Полученная таким образом гладкая поверхность стенок скважины повышает их устойчивость. Сопряжение сферической части 6 с затылочной поверхностью 10 шарошки 4 уменьшает концентрацию напряжений в переходной зоне, что также способствует повышению устойчивости стенок скважины.Depending on the physicomechanical properties of the rocks, a certain overhang of the working parts of the cutters 11 above the surfaces of the cones 4 is established. In the case of drilling soft and medium hardness of the rocks, the working parts of the cutters 11 should slightly protrude beyond the circumference of the borehole D _p formed by peripheral teeth 8 or 9. In the case of drilling hard rock working parts of the cutters 11 should be located on this circle. The smooth surface of the borehole walls thus obtained increases their stability. The conjugation of the spherical part 6 with the occipital surface 10 of the cone 4 reduces the stress concentration in the transition zone, which also helps to increase the stability of the borehole walls.

Источники информации:
1. SU, N 70269, кл. E 21 B 10/22, опубл.1947 г.Sources of information:
1. SU, N 70269, cl. E 21 B 10/22, publ. 1947

2. SU, N 3363706, кл. 175-340, опубл.1968 г. 2. SU, N 3363706, cl. 175-340, publ. 1968

3. SU, N 150270, кл. E 21 B 10/16, опубл.1989 г. 3. SU, N 150270, cl. E 21 B 10/16, publ. 1989

Claims

1. A cone drill bit containing paws with trunnions mounted on trunnions by means of roller cone bearings and rock-cutting elements in the form of teeth located on the cones, one of which is peripheral, characterized in that it is provided with cutting tools in the form of carbide teeth mounted on the occipital surfaces , the working parts of which protrude above the surfaces of cones made spherical to the ratio of conical and spherical parts, determined from the expression
R _to / R _d = 0.55 - 0.75,
where R _to - the distance from the center of the bit to the interface between the conical and spherical parts of the cone, mm;
R _d is the radius of the bit, mm,
moreover, the spherical surfaces are associated with the occipital surfaces of the cones.

2. The bit according to claim 1, characterized in that it is equipped with additional rock cutting elements located between the main rock cutting elements made milled.

3. The bit according to claim 1, characterized in that the rock cutting elements are made in the form of carbide teeth.

4. The bit according to claims 1 to 3, characterized in that the cutting tools are located in one or more rows.

5. The bit according to claims 1 to 4, characterized in that the cutting tools in the working position slightly protrude beyond the diameter of the circumference of the well formed by the peripheral cutting tools.