RU2129646C1

RU2129646C1 - Drilling diamond bit

Info

Publication number: RU2129646C1
Application number: RU96109509/03A
Authority: RU
Inventors: А.М. Гусман; И.Л. Барский; А.Б. Левина; А.Г. Мессер
Original assignee: Государственное предприятие Научно-производственное объединение "Буровая техника"
Priority date: 1996-05-08
Filing date: 1996-05-08
Publication date: 1999-04-27

Abstract

FIELD: drilling machinery and equipment. SUBSTANCE: diamond bit relates to rock-crushing tools and is used for drilling oil and gas wells. Drilling bit has body with washing passages, and working head. Installed in working head are rock-crushing members in the form of diamond-hard-alloy strips with negative angle of installing. Strips are secured in holders. Angle of installing α is varied in modulus at changing of distance from axis of bit to point of cutting strip lying on generant of working head surface so that on periphery, angle of installing is equal to installing angles having actual values depending on hardness of rock being drilled. Angle of installing as it gets closer to drilling bit axis is increasing in modulus in compliance with reduction of radius. Efficiency of drilling bit operation in hard and solid rock is thus enhanced due to taking into consideration in crushing of this rock of dependence between radius of circular motion of rock-crushing member at rotation of bit and angle of its installation. EFFECT: higher efficiency. 11 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, применяемому для бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к буровым алмазным долотам. The invention relates to a rock cutting tool used for drilling oil and gas wells, namely to drill diamond bits.

Известно буровое алмазное долото, содержащее корпус с промывочными каналами, рабочую головку с установленными в ней породоразрушающими элементами типа "Stratapax" для мягких и мягких с пропластками средних пород, в котором угол установки породоразрушающих элементов отрицательный. Рекомендуемое значение этого угла (-10) - (-15)^o (до - 25^o), причем величина угла одинакова на всей поверхности рабочей головки [1]. Однако применение этого долота в твердых и крепких породах неэффективно.A diamond drill bit is known that contains a housing with flushing channels, a working head with rock-breaking elements of the "Stratapax" type installed in it for soft and soft medium-sized interlayers, in which the angle of installation of the rock-cutting elements is negative. The recommended value of this angle is (-10) - (-15) ^o (up to - 25 ^o ), and the angle is the same on the entire surface of the working head [1]. However, the use of this bit in hard and hard rocks is inefficient.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является буровое долото, содержащее корпус с промывочными каналами, рабочую головку и установленные в ней породоразрушающие элементы в виде закрепленных на державках алмазотвердосплавных режущих пластин, установленных с возможностью поворота вокруг продольной оси державки на угол 180^oC и фиксации в конечном положении. Углы установки режущих пластин определяются углами наклона продольных осей державок к плоскостям резания, углами между продольными осями державок и передними гранями режущих пластин и значениями углов установки режущих элементов, принятыми для разбуривания твердых и мягких пород [2].The closest in technical essence and the achieved result is a drill bit containing a housing with flushing channels, a working head and rock-cutting elements installed in it in the form of diamond carbide cutting inserts fixed to the holders, mounted with the possibility of rotation around the longitudinal axis of the holder at an angle of 180 ^o C and fixing in the final position. The insertion angles of the cutting inserts are determined by the angles of inclination of the longitudinal axes of the holders to the cutting planes, the angles between the longitudinal axes of the holders and the front faces of the inserts, and the angles of installation of the cutting elements adopted for drilling hard and soft rocks [2].

Недостатком конструкций долот [1,2] является неучет механизма разрушения твердых и крепких пород, а именно, что при разбуривании твердых и крепких пород разрушение носит хрупкий объемный характер, и это создает разные условия для работы породоразрушающих элементов на участках забоя, находящихся на разных расстояниях от оси скважины. По мере приближения к центру забоя угол спирали, по которому происходит реальное углубление резца в породу, неуклонно увеличивается. В результате, реальный угол атаки породы, определяющий ее разрушение, фактически уменьшается от периферии к центру и практически не совпадает с конструктивно заданным одинаковым на всей рабочей поверхности долота углом установки. Следовательно, при углах установки элементов, одинаковых на всей рабочей поверхности алмазного долота, даже выбранных наиболее эффективными для данной породы и условий сохранения прочности режущих пластин, большинство режущих элементов будут разрушать породу неэффективно и прочность их будет снижаться. Все это снижает эффективность работы бурового алмазного долота. The disadvantage of bit designs [1,2] is the neglect of the mechanism of destruction of hard and hard rocks, namely, that when drilling hard and hard rocks, the destruction is brittle in volume, and this creates different conditions for the work of rock-breaking elements in sections of the face located at different distances from the axis of the well. As you approach the bottom center, the angle of the spiral, along which the real deepening of the cutter into the rock occurs, is steadily increasing. As a result, the actual angle of attack of the rock, which determines its destruction, actually decreases from the periphery to the center and practically does not coincide with the design angle, which is identical in design to the whole working surface of the bit. Therefore, when the angles of installation of the elements are the same on the entire working surface of the diamond bit, even selected the most effective for the given breed and the conditions for maintaining the strength of the cutting inserts, most cutting elements will destroy the rock inefficiently and their strength will decrease. All this reduces the efficiency of the diamond drill bit.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы долота в твердых и крепких породах за счет учета влияния на разрушение этих пород зависимости между радиусом кругового движения породоразрушающего элемента при вращении долота и углом его установки. The objective of the invention is to increase the efficiency of the bit in hard and hard rocks by taking into account the influence on the destruction of these rocks, the relationship between the radius of the circular motion of the rock cutting element during rotation of the bit and the angle of its installation.

Поставленная задача достигается тем, что в буровом алмазном долоте, содержащем корпус с промывочными каналами, рабочую головку и установленные в ней породоразрушающие элементы в виде закрепленных на державках алмазотвердосплавных режущих пластин с отрицательным углом установки, углы установки изменяются по модулю при изменении расстояния от оси долота до точки режущей пластины, лежащей на образующей поверхности рабочей головки, так, что на периферии они равны углам установки, принятым для пород разбуриваемой твердости, а по мере приближения к оси долота увеличиваются по модулю соответственно уменьшению радиуса. The problem is achieved in that in a diamond drill bit containing a housing with flushing channels, a working head and rock cutting elements installed in it in the form of diamond carbide cutting inserts fixed to the holders with a negative installation angle, the installation angles change modulo when the distance from the axis of the bit to points of the cutting insert lying on the forming surface of the working head, so that at the periphery they are equal to the installation angles accepted for the rocks of the drilled hardness, and as The pressure to the axis of the bit increases in absolute value according to a decrease in radius.

На фиг.1 изображено долото в разрезе. На фиг. 2 - сечение A-A на фиг. 1, на фиг. 3 - сечение B-B на фиг. 1, на фиг. 4 - сечение C-C на фиг. 1, на фиг. 5 - сечение D-D на фиг. 1, на фиг. 6 - сечение E-E на фиг. 1. На фиг. 7-11 представлены соответствующие разрезы фиг.1 при другом варианте реализации изменения угла установки породоразрушающих элементов. Figure 1 shows a bit in section. In FIG. 2 is a section A-A in FIG. 1, in FIG. 3 is a section B-B in FIG. 1, in FIG. 4 is a section C-C in FIG. 1, in FIG. 5 is a section D-D in FIG. 1, in FIG. 6 is a cross-section E-E in FIG. 1. In FIG. 7-11 presents the corresponding sections of figure 1 with another embodiment of the change in the angle of installation of rock cutting elements.

Долото содержит корпус 1 с промывочными каналами 2, рабочую головку 3 с установленными в ней породоразрушающими элементами 4 в виде алмазно-твердосплавных режущих пластин 5, закрепленных в державках 6 (фиг. 1). Режущие поверхности пластин расположены под разными углами установки α(α₁-α₅ на фиг. 2-11) к прямой, перпендикулярной образующей поверхности 7 рабочей головки 3, соответственно разному расстоянию P от оси долота 8 до точки 9 пластины 5, лежащей на образующей поверхности рабочей головки. Угол установки α₅ периферийных элементов равен углу установки α_п, имеющему конкретное значение в зависимости от твердости разбуриваемых пород, а при приближении к оси долота угол установки увеличивается по модулю. На фиг. 2-6 породоразрушающий элемент 4 с режущей пластиной 5, закрепленный в державке 6, установленный под углом α(α₁> α₂> α₃> α₄> α₅= α_п) к прямой, перпендикулярной образующей поверхности 7 рабочей головки 3, движется в направлении 10 по наклонной спиральной поверхности забоя 11, образованной проходом предыдущего элемента. Наклон поверхности забоя 11 к образующей поверхности 7 определяется углом γ, тем большим, чем меньше расстояние p(γ₁> γ₂> γ₃> γ₄> γ₅). В этом варианте реализации изменение угла установки осуществляется за счет изменения наклона оси державки (12) к образующей поверхности 7 рабочей головки. В варианте, представленном на фиг. 7-11, изменение угла установки осуществляется за счет изменения угла наклона режущих пластин 5 к оси державки 12.The bit contains a housing 1 with flushing channels 2, a working head 3 with rock cutting elements 4 installed in it in the form of diamond carbide cutting inserts 5, fixed in holders 6 (Fig. 1). The cutting surfaces of the plates are located at different angles of the installation α (α ₁ -α ₅ in Fig. 2-11) to a straight line perpendicular to the forming surface 7 of the working head 3, respectively, to a different distance P from the axis of the bit 8 to point 9 of the plate 5 lying on the generatrix surface of the working head. The installation angle α _{5 of the} peripheral elements is equal to the installation angle α _p , which has a specific value depending on the hardness of the drilled rocks, and when approaching the axis of the bit, the installation angle increases modulo. In FIG. 2-6 rock cutting element 4 with a cutting insert 5, mounted in the holder 6, mounted at an angle α (α ₁ > α ₂ > α ₃ > α ₄ > α ₅ = α _p ) to a straight line perpendicular to the forming surface 7 of the working head 3, moves in direction 10 along the inclined spiral surface of the face 11, formed by the passage of the previous element. The inclination of the face surface 11 to the forming surface 7 is determined by the angle γ, the greater the smaller the distance p (γ ₁ > γ ₂ > γ ₃ > γ ₄ > γ ₅ ). In this embodiment, the installation angle is changed by changing the inclination of the axis of the holder (12) to the forming surface 7 of the working head. In the embodiment of FIG. 7-11, the installation angle is changed by changing the angle of inclination of the cutting inserts 5 to the axis of the holder 12.

Долото работает следующим образом. The bit works as follows.

В процессе бурения на корпус 1 и рабочую головку 3 долота передается осевая нагрузка и крутящий момент, под действием которых установленные в рабочей головке породоразрушающие элементы 4 посредством закрепленных на державках 6 режущих пластин 5 разрушают породу, которая буровым раствором, подаваемым по промывочным каналам 2, выносится в затрубное пространство. During drilling, axial load and torque are transmitted to the body 1 and the working head 3 of the bit, under the influence of which the rock cutting elements 4 installed in the working head by means of the cutting plates 5 mounted on the holders 6 destroy the rock, which is removed by the drilling fluid supplied through the flushing channels 2 into the annulus.

Под кромкой режущей пластины 5 и впереди нее развивается механизм разрушения, характерный для процесса резания твердых пород. Under the edge of the cutting insert 5 and in front of it, a fracture mechanism develops that is characteristic of the process of cutting hard rocks.

Под контактной площадкой пластины с породой расположено ядро всестороннего сжатия со значительными касательными напряжениями. При увеличении нагрузки часть ядра сжатия превращается в ядро предразрушения со множеством локальных трещин. Объем ядра увеличивается и оно начинает оказывать распирающее действие на целик неразрушенной породы. В результате от границы ядра распространяется в разные стороны множество разрывных трещин. Наличие, кроме нормальной нагрузки на пластину, еще сил резания сдвигает всю картину вперед по ходу движения. В зависимости от угла установки пластины, величин сил и свойств породы та или иная трещина может получить развитие или затормозиться. Наиболее благоприятным для развития процесса резания является случай, когда доминирующая магистральная трещина направлена параллельно поверхности породы, опережая движение режущего элемента. Предлагаемое изобретение направлено на реализацию этого механизма резания. Under the contact area of the plate with the rock is located the core of all-round compression with significant shear stresses. As the load increases, part of the compression core turns into a prefracture core with many local cracks. The volume of the core increases and it begins to exert a bursting effect on the rear of the undamaged rock. As a result, many discontinuous cracks propagate in different directions from the core boundary. The presence, in addition to the normal load on the plate, still cutting forces shifts the whole picture forward in the direction of travel. Depending on the angle of installation of the plate, the magnitude of the forces and properties of the rock, a particular crack can develop or slow down. The most favorable for the development of the cutting process is the case when the dominant main crack is directed parallel to the surface of the rock, ahead of the movement of the cutting element. The present invention is directed to the implementation of this cutting mechanism.

Управляющим фактором для достижения эффективного резания является выбор оптимального для данного типа породы угла наклона передней грани режущей пластины к разрушаемой поверхности. Этот угол определяется углом установки пластины и траекторией внедрения в породу породоразрушающего элемента при его круговом движении по поверхности забоя. Установлено, что траектория состоит из трех участков: она начинается участком врезания и завершается участком стабилизации с постоянной глубиной резания. Эти два участка соединяются достаточно длинным и во многих случаях прямолинейным участком углубления. Породоразрушающий элемент, следующий за этим, уже идет по наклонной поверхности и также образует борозду для прохода последующего элемента. Экспериментально установлено, что при движении режущих элементов, следующих друг за другом на одном расстоянии от оси долота, устанавливается спиральная траектория с постоянной толщиной снимаемого слоя породы, но различными углами, зависящими от p:tgγ = δ/p, где δ интенсивность углубления породоразрушающего элемента. Величина γ наибольшая вблизи центра забоя и наименьшая на периферии (см. таблицу 1). При этом реальный угол наклона передней грани режущей пластины к разрушаемой спиральной поверхности по модулю меньше угла установки приблизительно на величину γ.
Учет этого фактора и составляет сущность данного изобретения. Для того, чтобы достичь наиболее эффективного резания, величины углов установки увеличиваются по модулю от периферии к центру так, чтобы реальный угол между передней режущей алмазной гранью элемента и спиральной разрушаемой поверхностью породы был оптимальным для данного типа породы.The governing factor to achieve effective cutting is the selection of the optimal angle of inclination of the front edge of the cutting insert to the destructible surface for a given type of rock. This angle is determined by the insertion angle of the plate and the path of introduction of the rock-cutting element into the rock during its circular movement along the face. It is established that the trajectory consists of three sections: it begins with a cutting section and ends with a stabilization section with a constant cutting depth. These two sections are connected by a rather long and in many cases a straight-line section of the recess. The rock-breaking element following this already goes along the inclined surface and also forms a groove for the passage of the subsequent element. It was experimentally established that during the movement of cutting elements following each other at the same distance from the axis of the bit, a spiral path is established with a constant thickness of the removed rock layer, but with different angles depending on p: tgγ = δ / p, where δ is the intensity of the recess of the rock cutting element . The value of γ is greatest near the center of the face and the smallest at the periphery (see table 1). In this case, the real angle of inclination of the front face of the cutting insert to the destructible spiral surface is modulo smaller than the installation angle by approximately γ.
Taking this factor into account is the essence of this invention. In order to achieve the most effective cutting, the angles of the installation increase in absolute value from the periphery to the center so that the real angle between the front cutting diamond face of the element and the spiral destructible surface of the rock is optimal for this type of rock.

Применение этого долота позволит повысить эффективность разрушения твердых и крепких пород алмазными буровыми долотами, что приведет к значительному увеличению скорости бурения (см. таблицу). The use of this bit will increase the efficiency of the destruction of hard and strong rocks by diamond drill bits, which will lead to a significant increase in the drilling speed (see table).

Источники информации:
1. Boutet J.P., Dumay P., Jacobs A., Leveque O. Outils Stratapax. - Forages, 1982, N 94, pp. 107 - 141 (аналог).Sources of information:
1. Boutet JP, Dumay P., Jacobs A., Leveque O. Outils Stratapax. - Forages, 1982, N 94, pp. 107 - 141 (analog).

2. Авторское свидетельство СССР N 1366628 A1, кл. E 21 B 10/46, 1984 (прототип). 2. Copyright certificate of the USSR N 1366628 A1, cl. E 21 B 10/46, 1984 (prototype).

Claims

Diamond drill bit containing a housing with flushing channels, a working head and rock cutting elements installed in it in the form of diamond-carbide cutting inserts fixed to the holders with a negative installation angle, characterized in that the installation angles change modulo when the distance from the axis of the bit to the point of the cutting insert changes lying on the forming surface of the working head, so that on the periphery they are equal to the installation angles having specific values depending on the hardness of the drilled rocks, and p approaching the bit axis are increased respectively modulo reduction radius.