RU212334U1

RU212334U1 - Drill bit cone

Info

Publication number: RU212334U1
Application number: RU2022114890U
Authority: RU
Inventors: Гниятулла Гарифуллович Ишбаев; Карим Рамилевич Валямов; Владимир Владимирович Мыкалкин; Иван Сергеевич Гуряев
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Буринтех"
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2022-07-18

Abstract

Полезная модель относится к области породоразрушающего бурового инструмента, а именно к шарошкам буровых шарошечных долот со стальным вооружением, армированным твердосплавным материалом, для бурения нефтяных и газовых скважин, преимущественно в мягких и мягко-средних горных породах с пропластками твердых и окремнелых горных пород. Шарошка бурового долота содержит зубья с площадкой притупления, выполненные с углом заострения. Зубья выполнены в виде усеченной восьмигранной пирамиды, четыре грани которой являются фрезерованными пазами с наплавкой твердосплавного материала на основе карбида вольфрама. Площадка притупления является усечением ее верхней части, образующей в сечении восьмиугольник, четыре прямые стороны которого равны и параллельны, а другие четыре скругленные стороны являются вершинами фрезерованных пазов, а расстояние между прямыми параллельными сторонами усечения одинаково. Предложенная полезная модель позволяет снизить износ основных венцов вооружения, сохранить высокую скорость проходки на всем интервале бурения и в целом гарантирует повышение надежности и долговечности работы устройства благодаря новой геометрии зубьев шарошки бурового долота. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

The utility model relates to the field of rock-breaking drilling tools, namely to the cone bits with steel cutting structure reinforced with hard-alloy material for drilling oil and gas wells, mainly in soft and soft-medium rocks with interlayers of hard and silicified rocks. The cutter of the drill bit contains teeth with a blunting platform, made with a sharpening angle. The teeth are made in the form of a truncated octahedral pyramid, the four faces of which are milled grooves with surfacing of hard-alloy material based on tungsten carbide. The blunting platform is a truncation of its upper part, forming an octagon in cross section, the four straight sides of which are equal and parallel, and the other four rounded sides are the tops of the milled grooves, and the distance between the straight parallel sides of the truncation is the same. The proposed utility model makes it possible to reduce the wear of the main rims of the cutting structure, maintain a high rate of penetration throughout the entire drilling interval, and generally guarantees an increase in the reliability and durability of the device due to the new geometry of the drill bit cutter teeth. 1 w.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области породоразрушающего бурового инструмента, а именно к шарошкам буровых шарошечных долот со стальным вооружением, армированным твердосплавным материалом, для бурения нефтяных и газовых скважин, преимущественно в мягких и мягко-средних горных породах с пропластками твердых и окремнелых горных пород.The utility model relates to the field of rock-breaking drilling tools, namely to the cone bits with steel cutting structure reinforced with carbide material for drilling oil and gas wells, mainly in soft and soft-medium rocks with interlayers of hard and silicified rocks.

Известно шарошечное долото, отличающееся тем, что вершины венцов породоразрушающих элементов по краям торцов оснащены выступающими контурами в виде замкнутых прямоугольников или окружностей, а дно выполнено вогнутым относительно вершин торцов, в котором имеется сквозное наклонное отверстие с выходом на боковую рабочую поверхность элемента вооружения для выхода через него разрушенного шлама (патент РФ №2726724, E21B 10/16, оп. 15.07.2020).A cone bit is known, characterized in that the tops of the crowns of rock cutting elements along the edges of the ends are equipped with protruding contours in the form of closed rectangles or circles, and the bottom is made concave relative to the tops of the ends, in which there is a through inclined hole with access to the side working surface of the weapon element to exit through of destroyed sludge (RF patent No. 2726724, E21B 10/16, op. 07/15/2020).

Основным недостатком данной конструкции является наличие сквозных отверстий в зубьях шарошек, предназначенных для удаления шлама из зоны контакта. Такое решение приведет к снижению прочности зубьев за счет наличия зон с повышенными напряжениями, что негативно скажется на стойкости вооружения долота к ударным нагрузкам. Также возрастает время на механическую обработку деталей в совокупности со сложностью проведения химико-термической обработки по причине возникновения мостиков сквозной цементации.The main disadvantage of this design is the presence of through holes in the teeth of the cutters designed to remove sludge from the contact zone. Such a decision will lead to a decrease in the strength of the teeth due to the presence of zones with increased stresses, which will adversely affect the resistance of the bit structure to shock loads. Also, the time for machining parts increases in conjunction with the complexity of chemical-thermal treatment due to the appearance of bridges through carburizing.

Известна конструкция бурового шарошечного долота с Т-образными и призматическими зубьями с режущими гранями притупления, направленными вдоль осей образующих конусов шарошек. Долото содержит на периферийных венцах шарошек чередующиеся Т-образные и призматические зубья с режущими гранями притупления, направленными вдоль образующих конусов шарошек. Призматические периферийные зубья усилены со стороны обратных конусов шарошек упрочняющими ребрами жесткости, расположенными ниже уровня породоразрушающей вершинной грани притупления зуба (патент РФ №2685014, E21B 10/16, оп. 16.04.2019).A well-known design of a drilling cone bit with T-shaped and prismatic teeth with cutting edges of bluntness directed along the axes of the forming cones of the cones. The bit contains alternating T-shaped and prismatic teeth on the peripheral rims of the cutters with blunting cutting edges directed along the generatrices of the cones of the cutters. The prismatic peripheral teeth are reinforced on the side of the reverse cones of the cutters with reinforcing ribs located below the level of the rock-cutting top face of the tooth blunting (RF patent No. 2685014, E21B 10/16, op. 04/16/2019).

Недостатками данного технического решения для бурения перемежающихся горных пород является то, что учитывается увеличенный износ только периферийных венцов. Однако, при работе породоразрушающего инструмента в перемежающихся горных породах основной износ приходится на основные венцы вооружения в момент перехода из мягких пород в более твердые, которые находятся в контакте с горной породой за счет роста ударных нагрузок на зубья. Чередование зубьев с различными геометрическими параметрами приведет к неравномерному износу данных зубьев при одинаковой продолжительности эксплуатации шарошечного долота на забое. Преждевременный износ части зубьев со стандартной геометрией приведет к увеличению работы, совершаемой усиленными зубьями, что приведет к их последующему более быстрому износу.The disadvantages of this technical solution for drilling intermittent rocks is that it takes into account the increased wear of only the peripheral rims. However, during the operation of a rock cutting tool in intermittent rocks, the main wear falls on the main tool rims at the moment of transition from soft rocks to harder ones, which are in contact with the rock due to an increase in shock loads on the teeth. The alternation of teeth with different geometric parameters will lead to uneven wear of these teeth with the same duration of operation of the cone bit at the bottom. Premature wear of a portion of the teeth with standard geometry will increase the work done by the reinforced teeth, leading to their subsequent faster wear.

Известен ряд технических решений, описанный в патентах РФ (МПК Е21В 10/16: №2598250; №2579087; №2543823; №2543824; №2543828), в которых реализуется увеличение эффективности применения шарошечных долот со стальным вооружением в мягких и мягко-средних горных породах за счет расположения косозубого вооружения на основных и периферийных венцах, внесения дополнительных промывочных каналов в теле лапы, оптимизация геометрии вооружения для разрушения и выноса шлама из лунки, образованной зубьями долота. Вышеуказанные технические решения относятся к методам увеличения эффективности применения шарошечных долот, в том числе за счет совершенствования характеристик вооружения для бурения мягких и мягко-средних горных пород.A number of technical solutions are known, described in the patents of the Russian Federation (MPK E21V 10/16: No. 2598250; No. 2579087; No. 2543823; No. 2543824; No. 2543828), in which the increase in the efficiency of the use of cone bits with steel cutting tools in soft and soft-medium mining rocks due to the location of helical tools on the main and peripheral crowns, the introduction of additional flushing channels in the body of the paw, the optimization of the tool geometry for destruction and removal of cuttings from the hole formed by the bit teeth. The above technical solutions relate to methods for increasing the efficiency of the use of cone bits, including by improving the characteristics of cutting tools for drilling soft and soft-medium rocks.

Основными недостатками предложенных решений являются высокие напряжения, которые возникают при внедрении косозубого вооружения в массив горной породы, что при наличии перемежающихся по твердости горных пород, особенно при вхождении на форсированном режиме бурения в пропласток твердых или окременелых горных пород, может приводить к ударному воздействию и усталостному разрушению зубьев. Это приведет к слому зубьев на основных венцах шарошек, и как следствие - снижение перекрытия забоя и снижению эффективности разрушения забоя с потерей скорости проходки. Также данные решения рассматриваются в совокупности с увеличением промывочных каналов и прочих усложнений конструкции, которые приводят к увеличению трудоемкости и снижению технологичности изготовления.The main disadvantages of the proposed solutions are high stresses that arise when helical cutting tools are introduced into a rock mass, which, in the presence of rocks alternating in hardness, especially when entering a layer of hard or silicified rocks in forced drilling mode, can lead to impact and fatigue. tooth destruction. This will lead to the breakage of the teeth on the main cutter rims, and as a result, a decrease in the overlap of the bottomhole and a decrease in the efficiency of the destruction of the bottomhole with a loss in penetration rate. Also, these solutions are considered in conjunction with an increase in flushing channels and other design complications, which lead to an increase in labor intensity and a decrease in manufacturability.

Известна шарошка бурового долота с фрезерованным вооружением, включающим вооружение в виде продольных призматических зубцов с поперечными перемычками, плавно примыкающими к боковой поверхности зубцов и ко дну межвенцовых канавок (патент РФ №2321720, E21B 10/16, оп. 10.04.2008).Known cone drill bit with milled weapons, including weapons in the form of longitudinal prismatic teeth with transverse bridges, smoothly adjacent to the side surface of the teeth and the bottom of the mezhventsovye grooves (RF patent No. 2321720, E21B 10/16, op. 10.04.2008).

Недостатком предложенного решения является увеличение контактной площади вооружения шарошки с забоем, что приводит к снижению удельной нагрузки на забой, создаваемой вооружением шарошки. Также наличие перемычек приводит к снижению эффективности выноса шлама из межвенцового пространства за счет образования застойных зон, что может приводить к сальникообразованию на элементах вооружения шарошечного долота с последующим снижением механической скорости. Данная технология изготовления шарошек с фрезерованным вооружением ведет к увеличению времени на механическую обработку зубьев, что увеличивает стоимость изготовления шарошек долота.The disadvantage of the proposed solution is the increase in the contact area of the cone armament with the bottom, which leads to a decrease in the specific load on the bottom created by the cutter arm. Also, the presence of jumpers leads to a decrease in the efficiency of cuttings removal from the interventional space due to the formation of stagnant zones, which can lead to the formation of stuffing boxes on the cutting structure elements of the cone bit, followed by a decrease in mechanical speed. This technology of manufacturing cutters with milled teeth leads to an increase in the time for machining the teeth, which increases the cost of manufacturing bit cutters.

Наиболее близкой к патентуемой полезной модели является конструкция шарошки бурового долота с клиновидными зубьями с площадкой притупления в пределах 2,5-3,0 мм и углами заострения от 30 до 40 градусов (патент SU №362126A1, E21B 10/08, оп. 13.12.1972) и выбранная в качестве прототипа.The closest to the patentable utility model is the design of the drill bit cone with wedge-shaped teeth with a blunting platform in the range of 2.5-3.0 mm and sharpening angles from 30 to 40 degrees (SU patent No. 362126A1, E21B 10/08, op. 13.12. 1972) and chosen as a prototype.

Недостатком предложенного решения является наличие клиновидных зубьев, которые имеют низкую стойкость к циклическим ударным нагрузкам при внедрении зубьев, что приводит к разрушению зубьев при бурении в перемежающихся горных породах, осложненных окремнелыми включениями. Также в предложенном решении отсутствуют фрезерованные пазы для усиления зубьев твердосплавным покрытием, что снижает общую толщину наплавленного слоя и приводит к ускоренному износу и разрушению зуба.The disadvantage of the proposed solution is the presence of wedge-shaped teeth, which have low resistance to cyclic shock loads during the introduction of the teeth, which leads to the destruction of the teeth when drilling in intermittent rocks complicated by silicified inclusions. Also, in the proposed solution, there are no milled grooves to reinforce the teeth with a hard-alloy coating, which reduces the overall thickness of the deposited layer and leads to accelerated wear and destruction of the tooth.

В совокупности, приведенные выше недостатки, значительным образом снижают ресурс элементов вооружения шарошечного долота. Это приводит к снижению эффективности эксплуатации шарошечных, особенно при работе в мягких и мягко-средних горных породах с пропластками твердых и окременелых горных пород.Taken together, the above shortcomings significantly reduce the resource of the cone bit tools. This leads to a decrease in the efficiency of roller cone operation, especially when working in soft and soft-medium rocks with interlayers of hard and silicified rocks.

Целью полезной модели является повышение надежности и долговечности работы устройства, что достигается совершенствованием геометрии стальных зубьев шарошек, выполненных методом фрезерования цельнометаллической заготовки (т.н. фрезерованных зубьев) шарошечного долота, которая обеспечит надежную работу шарошечного долота в перемежающихся горных породах, высокую продолжительность работы, эффективное разрушение забоя и сохранение высокой скорости проходки.The purpose of the utility model is to increase the reliability and durability of the device, which is achieved by improving the geometry of steel cutter teeth, made by milling an all-metal workpiece (so-called milled teeth) of the cutter bit, which will ensure reliable operation of the cutter bit in intermittent rocks, high operating time, effective destruction of the face and maintaining a high rate of penetration.

Указанная цель достигается тем, что шарошка бурового долота содержит зубья с площадкой притупления, выполненные с углом заострения, согласно полезной модели, зубья выполнены в виде усеченной восьмигранной пирамиды, четыре грани которой являются фрезерованными пазами с наплавкой твердосплавного материала на основе карбида вольфрама, площадка притупления является усечением ее верхней части, образующей в сечении восьмиугольник, четыре прямые стороны которого равны и параллельны, а другие четыре скругленные стороны являются вершинами фрезерованных пазов, а расстояние между прямыми параллельными сторонами усечения одинаково и может принимать значение от 3 до 14 мм. При этом угол заострения зубьев может быть равен от 40° до 52°.This goal is achieved by the fact that the cone of the drill bit contains teeth with a blunting platform, made with a sharpening angle, according to the utility model, the teeth are made in the form of a truncated octagonal pyramid, the four faces of which are milled grooves with surfacing of hard-alloy material based on tungsten carbide, the blunting platform is truncation of its upper part, forming an octagon in cross section, four straight sides of which are equal and parallel, and the other four rounded sides are the tops of milled grooves, and the distance between the straight parallel sides of the truncation is the same and can take a value from 3 to 14 mm. In this case, the angle of sharpening of the teeth can be equal to from 40° to 52°.

Сущность технического решения поясняется чертежами:The essence of the technical solution is illustrated by drawings:

На фиг. 1 показан общий вид шарошки бурового долота, на фиг. 2 а, б, в - изображены вид спереди, сбоку, сверху зуба соответственно, 2 г - аксонометрическая проекция зуба (без нанесенного армирующего материала). In FIG. 1 shows a general view of the cone of the drill bit, Fig. 2 a, b, c - shows the front, side, top view of the tooth, respectively, 2 d - axonometric projection of the tooth (without applied reinforcing material).

Предлагаемая шарошка бурового долота состоит из основных венцов 1 (количество основных венцов может варьироваться от одного до трех, на рисунке показан вариант с одним основным венцом) и периферийного венца 2, на которых расположены зубья 3, а также кернообразующего венца 4. Зубья, при этом, выполняют методом фрезерования для придания требуемых геометрических параметров, которые определяют по общеизвестным расчетам, проводимым при проектировании бурового шарошечного долота и схемы поражения забоя. Зубья 3 выполнены в форме восьмигранной пирамиды 5 с усечением верхней части 6, образующей в сечении восьмиугольник, четыре прямые стороны которого равны и параллельны, а другие четыре скругленные стороны являются вершинами фрезерованных пазов 7, выполненных для усиления зуба с наплавкой твердосплавного материала на основе карбида вольфрама (на рисунке не показаны), которое придает дополнительную прочность при ударных и изгибающих нагрузках на зубья 3. Расстояние Е между прямыми параллельными сторонами усечения 6 одинаково, зависит от диаметра всего долота и может принимать значение от 3 до 14 мм. Угол заострения зуба α° может соответствовать значениям от 40° до 52°. Данное вооружение зуба наиболее эффективно работает в мягких и мягко-средних горных породах с пропластками твердых и окременелых горных пород.The proposed cone of the drill bit consists of main crowns 1 (the number of main crowns can vary from one to three, the figure shows a variant with one main crown) and a peripheral crown 2, on which teeth 3 are located, as well as a core-forming crown 4. Teeth, while , are performed by milling to give the required geometric parameters, which are determined by well-known calculations carried out in the design of a drilling cone bit and a bottomhole destruction scheme. The teeth 3 are made in the form of an octahedral pyramid 5 with a truncation of the upper part 6, forming an octagon in cross section, the four straight sides of which are equal and parallel, and the other four rounded sides are the tops of the milled grooves 7, made to reinforce the tooth with surfacing of hard-alloy material based on tungsten carbide (not shown in the figure), which gives additional strength under impact and bending loads on the teeth 3. The distance E between the straight parallel sides of the truncation 6 is the same, depends on the diameter of the entire bit and can take a value from 3 to 14 mm. The tooth angle α° can correspond to values from 40° to 52°. This tooth armament works most effectively in soft and soft-medium rocks with interlayers of hard and silicified rocks.

Работа устройства заключается в следующем.The operation of the device is as follows.

Под действием осевой нагрузки и крутящего момента зубья 3 шарошки бурового долота внедряются в горную породу для ее разрушения. В мягких породах преобладает скалывающий эффект разрушения горной породы и, соответственно, происходит скалывание горной породы внедренным зубом 3. При вхождении в твердые или окремнелые породы уменьшается глубина внедрения зубьев 3 в горную породу и при скалывании горной породы при провороте шарошки бурового долота увеличиваются напряжения в зубьях 3 за счет возросшей прочности горных пород. Зубья 3, выполненные в форме восьмигранной пирамиды 5 с усечением верхней части 6, образующей в сечении восьмиугольник, четыре прямые стороны которого равны и параллельны, а другие четыре скругленные стороны являются вершинами фрезерованных пазов 7, позволяют равномерно распределить возникающие напряжения и снизить усталостный износ при работе в переслаивающихся по твердости горных породах в течение продолжительного временного интервала.Under the action of axial load and torque, the teeth 3 of the drill bit cutter penetrate into the rock to destroy it. In soft rocks, the shearing effect of the destruction of the rock prevails and, accordingly, the rock is chipped by the embedded tooth 3. When entering hard or silicified rocks, the depth of penetration of the teeth 3 into the rock decreases and when the rock is sheared, when the drill bit cone is turned, the stresses in the teeth increase 3 due to the increased strength of rocks. Teeth 3, made in the form of an octagonal pyramid 5 with a truncation of the upper part 6, forming an octagon in cross section, the four straight sides of which are equal and parallel, and the other four rounded sides are the tops of the milled grooves 7, make it possible to evenly distribute the resulting stresses and reduce fatigue wear during operation in rocks interbedded in hardness over a long time interval.

Конструктивные особенности предложенной полезной модели позволяют снизить износ основных венцов вооружения, сохранить высокую скорость проходки на всем интервале бурения и в целом гарантируют новый технический результат - повышение надежности и долговечности работы устройства благодаря новой геометрии зубьев шарошки бурового долота.The design features of the proposed utility model make it possible to reduce the wear of the main tool rims, maintain a high rate of penetration throughout the entire drilling interval and, in general, guarantee a new technical result - an increase in the reliability and durability of the device due to the new geometry of the drill bit cutter teeth.

Claims

1. The cutter of a drill bit containing teeth with a blunting platform made with a sharpening angle, characterized in that the teeth are made in the form of a truncated octagonal pyramid, the four faces of which are milled grooves with surfacing of hard-alloy material based on tungsten carbide, the blunting platform is a truncation of its upper part forming an octagon in cross section, four straight sides of which are equal and parallel, and the other four rounded sides are the tops of the milled grooves, and the distance between the straight parallel sides of the truncation is the same and can take a value from 3 to 14 mm.

2. The cone of the drill bit according to claim 1, characterized in that the angle of sharpening of the teeth can be equal to from 40 to 52°.