RU2134766C1

RU2134766C1 - Tooth of drill bit

Info

Publication number: RU2134766C1
Application number: RU98107307A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Кулябин; А.Г. Кулябин
Original assignee: Тюменский государственный нефтегазовый университет
Priority date: 1998-04-15
Filing date: 1998-04-15
Publication date: 1999-08-20

Abstract

FIELD: bore-hole drilling technology. SUBSTANCE: this invention can be used in designing, manufacture, and operation of drill bits. Rock-crushing tip of drill bit tooth is located in strip over periphery or over entire area of upper part of tooth base. Tip of bit tooth and its working edge are made as figures with enclosed or open contour. Adjacent opposite parts of edge of rock-crushing tip are made at determined distance from each other. Made in center of upper part of tooth base is additional convex rock-crushing tip. Design of aforesaid bit tooth allows for utilization of effect of interdependence of adjacent parts of working edge of tooth tip and tip itself and brings its influence on volume of rock matter being crushed together with increasing mechanical speed of bore-hole drilling and length of bore-hole drilled per bit. EFFECT: higher efficiency. 1 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения скважин и может использоваться при конструировании, изготовлении и эксплуатации буровых долот. The invention relates to the field of well drilling and can be used in the design, manufacture and operation of drill bits.

Известны зубья [1, 2, 3, 4, 5] буровых долот, содержащие основание и породоразрушающую вершину с рабочей кромкой. Большое количество конструкций зубьев в основном связано с формами породоразрушающей вершины и рабочей кромки. При этом вершина выполняется одиночной, выпуклой с различной степенью закругления и приострения и размещается по всей верхней поверхности основания зуба [2]. Такая форма зуба более эффективна для бурения в относительно мягких горных породах, в которых возможна их значительная осевая деформация от вдавливания в породу породоразрушающей вершины с различной формой рабочей кромки, а также в тонкослоистых породах, когда откалываются большие части породы. Known teeth [1, 2, 3, 4, 5] of drill bits containing a base and rock cutting top with a working edge. A large number of tooth designs are mainly associated with the shapes of the rock cutting top and working edge. In this case, the vertex is single, convex with a different degree of rounding and suspension and is placed along the entire upper surface of the tooth base [2]. This tooth shape is more effective for drilling in relatively soft rocks, in which their significant axial deformation is possible from being pressed into the rock-cutting top with different shapes of the working edge, as well as in thin-layered rocks, when large parts of the rock are cracked.

В более твердых изотропных породах глубина вдавливания зуба в породу уменьшается и объем выбуриваемой породы за одно силовое воздействие на нее вооружения долота резко сокращается. Причем при существующих величинах шага зубьев долота в процессе взаимодействия зубьев долота с забоем смежные породоразрушающие вершины не оказывают взаимного влияния на напряженное состояние пород между смежными зубьями. Объем выбуренной породы при этом зависит в основном от эффективности контакта с породой одиночной вершины зуба, причем при любой форме такой вершины зуба величина осевой и сдвиговой деформации породы под зубом весьма ограничена, и часто объемом ядра напряжений в породе, тогда как порода в ядре интенсивно измельчается с затратами достаточно большого количества энергии. Кроме того, при бурении в твердых породах формируется достаточно устойчивая забойная рейка, что дополнительно снижает эффективность работы зуба путем сдвига породы. In harder isotropic rocks, the depth of the tooth indentation in the rock decreases and the volume of rock drilled during one force action of the bit’s armament on it decreases sharply. Moreover, with the existing values of the pitch of the teeth of the bit in the process of interaction of the teeth of the bit with the face adjacent rock-breaking peaks do not have a mutual influence on the stress state of the rocks between adjacent teeth. In this case, the volume of cuttings depends mainly on the effectiveness of contact with the rock of a single tooth tip, and for any shape of such a tooth tip, the axial and shear strain of the rock under the tooth is very limited, and often the volume of the stress core in the rock, while the rock in the core is intensively crushed with the cost of a fairly large amount of energy. In addition, when drilling in solid rocks, a sufficiently stable bottom hole is formed, which further reduces the effectiveness of the tooth by shifting the rock.

При применяемом вооружении долот также затрачивается дополнительная энергия: на разрушение пород кольцевых выработок ("воротников") на забое, на достаточно длительную приработку фрезерованного вооружения к конкретной породе, а также на регулирование динамичности действия долота на разрушаемую породу. With the used weapons of the bits, additional energy is also spent: on the destruction of the rocks of the ring workings ("collars") at the bottom, on a fairly long run-in of the milled weapons to a specific breed, as well as on the regulation of the dynamics of the action of the bit on the rock being destroyed.

Сблизить вершины отдельных зубьев по нескольким причинам не выгодно, например, из-за снижения прочности шарошки долота или его зубьев. It is not profitable to bring the tops of individual teeth closer for several reasons, for example, due to a decrease in the strength of the cutter of the bit or its teeth.

Таким образом с применением зубьев долота с их выпуклой и обычно приостренной одиночной породоразрушающей вершиной с малой длиной рабочей кромки чаще реализуется очень энергоемкий метод разрушения пород - путем трехстороннего сжатия пород с последующим ее измельчением. Thus, using the teeth of the bit with their convex and usually suspended single rock-breaking top with a short working edge length, a very energy-intensive method of rock destruction is often implemented - by trilateral compression of rocks with its subsequent grinding.

Задачей изобретения является создание конструкции зуба бурового долота, позволяющей повысить эффективность разрушения горных пород при бурении скважин и в первую очередь увеличить механическую скорость бурения. The objective of the invention is to create a tooth design of the drill bit, which allows to increase the destruction efficiency of rocks during drilling and primarily to increase the mechanical drilling speed.

Технический результат достигается тем, что породоразрушающая вершина размещена полосой по периферии или по всей площади верхней части основания зуба, при этом породоразрушающая вершина и ее рабочая кромка выполнены в виде фигуры с замкнутым контуром, например, в виде четырехугольника, эллипса или с разомкнутым контуром рабочей кромки вершины, например, в виде части окружности (полукольца), спирали, а смежные противоположные части рабочей кромки вершины выполнены друг от друга на расстоянии, при котором противоположные смежные части вершины в процессе вдавливания ее в породу взаимовлияют на напряженное состояние породы между этими частями вершины. Причем в центре верхнего торца основания зуба может быть выполнена дополнительная выпуклая породоразрушающая вершина. The technical result is achieved by the fact that the rock cutting top is placed by a strip along the periphery or over the entire area of the upper part of the tooth base, while the rock cutting top and its working edge are made in the form of a figure with a closed contour, for example, in the form of a quadrangle, an ellipse or with an open contour of the working edge vertices, for example, in the form of a part of a circle (half ring), a spiral, and adjacent opposite parts of the working edge of the vertex are made from each other at a distance at which the opposite adjacent parts of the vertex ins during its indentation into the rock stress state Vzaimovlijajushchie on rocks between those portions of the top. Moreover, in the center of the upper end of the tooth base, an additional convex rock-cutting top can be made.

Предлагаемая конструкция зуба бурового долота позволяет увеличить зону его действия по разрушению породы на забое скважины путем увеличения площади интенсивного силового контакта вершины зуба с забоем, а также путем достижения предельного состояния полей касательных напряжений в породе на забое скважины одновременно под породоразрушающей вершиной и между ее частями с увеличением сдвиговых деформаций в породе [3]. The proposed design of the tooth of the drill bit allows you to increase the area of its destruction of the rock at the bottom of the well by increasing the area of intensive force contact of the top of the tooth with the bottom, as well as by reaching the ultimate state of the fields of shear stresses in the rock at the bottom of the well simultaneously under the rock cutting top and between its parts with an increase in shear deformations in the rock [3].

С применением предлагаемой конструкции бурового долота увеличивается объем породы, разрушаемой в единицу времени, в меньшей мере разрушаемая порода измельчается до порошкообразного состояния, более рационально используется мощность привода долота, соответственно повышается механическая скорость проходки и проходка на долото. Using the proposed design of the drill bit, the volume of rock being destroyed per unit time is increased, at least the rock being destroyed is crushed to a powder state, the drive power of the bit is used more rationally, and the mechanical speed of penetration and penetration to the bit increase accordingly.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 показано вооружение долота с расположением породоразрушающей вершины по периферии на верхней части основания зуба;
на фиг. 1, 2, 3, 4 показаны зубья с замкнутым контуром, причем: на фиг. 1, 2 - дан вид с вершиной и кромкой в виде окружности с дополнительной вершиной в центре верхней части основания зуба; на фиг. 3, 4 - в форме четырехугольника; на фиг. 5, 6 - в форме части окружности. На фиг. 2 приведен вид по А на фиг. 1, на фиг. 4 - по Б на фиг. 3, а на фиг. 6 - вид по В на фиг. 5.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 shows the armament of the bit with the location of the rock cutting top on the periphery on the upper part of the tooth base;
in FIG. 1, 2, 3, 4 show teeth with a closed contour, moreover: in FIG. 1, 2 - view is given with a vertex and an edge in the form of a circle with an additional vertex in the center of the upper part of the tooth base; in FIG. 3, 4 - in the shape of a quadrangle; in FIG. 5, 6 - in the form of a part of a circle. In FIG. 2 is a view along A in FIG. 1, in FIG. 4 - according to B in FIG. 3, and in FIG. 6 is a view along B in FIG. 5.

На фиг. 7, 8 показан вид твердосплавного зуба сверху с расположением породоразрушающей вершины по всей площади верхней части основания зуба с разомкнутым контуром рабочей кромки вершины в виде спирали с дополнительной породоразрушающей вершиной (фиг. 8). In FIG. 7, 8 shows a top view of a carbide tooth with the location of the rock cutting top over the entire area of the upper part of the tooth base with an open contour of the working edge of the peak in the form of a spiral with an additional rock cutting top (Fig. 8).

Зуб бурового долота содержит основание 1, породоразрушающую вершину 2 с рабочей кромкой 3 (фиг. 1...7). Породоразрушающая вершина 2 выполнена по периферии верхней части основания 1 зуба с замкнутым контуром ее рабочей кромки в виде окружности (фиг. 1, 2), четырехугольника (фиг. 3, 4), а также - с разомкнутым контуром рабочей кромки вершины в виде части окружности (фиг. 5, 6) и спирали - (фиг. 7, 8). The tooth of the drill bit contains a base 1, rock cutting top 2 with a working edge 3 (Fig. 1 ... 7). The rock-breaking vertex 2 is made along the periphery of the upper part of the tooth base 1 with a closed contour of its working edge in the form of a circle (Fig. 1, 2), a quadrangle (Fig. 3, 4), and also with an open contour of the working edge of the vertex in the form of a part of a circle (Fig. 5, 6) and spiral - (Fig. 7, 8).

Смежные противоположные части рабочей кромки породоразрушающей вершины выполнены друг от друга на расстоянии l=2...20 мм (фиг. 1...6). Adjacent opposite parts of the working edge of the rock cutting top are made from each other at a distance l = 2 ... 20 mm (Fig. 1 ... 6).

В центре верхнего торца основания зуба выполнена дополнительная выпуклая породоразрушающая вершина 4 (фиг. 1, 8). На фиг. 3, 4 показано тело шарошки 5 долота. In the center of the upper end of the tooth base there is an additional convex rock-cutting top 4 (Fig. 1, 8). In FIG. 3, 4 shows the body of the cutter 5 bits.

В процессе углубления скважины долоту с определенной частотой передается вращающий момент и осевое усилие, которым нагружаются шарошки долота и его зубья. Далее осевое усилие через породоразрушающие вершины зубьев передается горной породе на забое скважин. При интенсивном силовом воздействии на породу применяемой одиночной выпуклой, закругленной, приостренной вершины зуба происходит разрушение породы в объеме, ограниченном зоной ядра напряжений в породе, с затратой достаточно большой энергии на измельчение породы в ядре, и с меньшими затратами энергии на скол и отрыв частиц породы от забоя. При этом много энергии тратится и на ее рассеивание в массиве породы, тогда как чаще скалывание частиц породы (шлама) происходит при повторных ударах зуба долота на ограниченный по площади участок забоя скважины. В процессе реализации энергии на разрушение породы через такие зубья часто не удается рационально использовать энергию низкооборотных забойных двигателей (винтовых забойных двигателей, редукторных турбобуров и др.). In the process of deepening the well, the bit is transmitted with a certain frequency to the torque and axial force by which the bit cutters and its teeth are loaded. Further, the axial force through the rock-cutting tops of the teeth is transmitted to the rock at the bottom of the wells. With an intense force acting on the rock of a single, convex, rounded, pinned tooth tip, the rock is destroyed in a volume limited by the zone of the stress core in the rock, with a sufficiently large amount of energy used to grind the rock in the core, and with less energy spent on chipping and separation of rock particles from the bottom. At the same time, a lot of energy is spent on its dissipation in the rock mass, while more often spalling of rock particles (sludge) occurs with repeated blows of the tooth of the bit to a limited area of the bottom hole. In the process of implementing energy for rock destruction through such teeth, it is often not possible to rationally use the energy of low-speed downhole motors (screw downhole motors, gear turbodrills, etc.).

Предлагаемая конструкция зуба долота позволяет более рационально использовать энергию привода долота. В процессе интенсивного силового воздействия зуба долота на породу волны критических напряжений в разрушаемой породе возникают не только под породоразрушающей вершиной зуба долота, но и между смежными противоположными участками вершины зуба. Волны напряжений в породе под вершиной и между вышеуказанными участками вершин накладываются друг на друга, что приводит к увеличению объема разрушаемой породы [3]. Как показали исследования, такое увеличение может составлять порядка 100%. The proposed design of the tooth of the bit allows a more rational use of the drive energy of the bit. In the process of intensive force impact of the tooth of the bit on the rock, waves of critical stresses in the rock being destroyed arise not only under the rock-cutting top of the tooth bit, but also between adjacent opposite sections of the tooth top. Stress waves in the rock under the apex and between the above sections of the peaks are superimposed on each other, which leads to an increase in the volume of destructible rock [3]. Studies have shown that such an increase can be about 100%.

Более полно эффект взаимовлияния противоположно расположенных смежных частей породоразрушающих вершин на напряженное состояние пород под вершиной проявляется при расстояниях между рабочими кромками указанных участков вершин, равных 2. . .20 мм, в зависимости от конструкции зуба, его размеров и свойств пород, а выполнение дополнительной вершины в центральной части верхнего торца основания расширяет возможности изменения этого расстояния в пределах одной вершины зуба. The effect of the mutual influence of oppositely located adjacent parts of the rock-crushing peaks on the stress state of the rocks under the peak is more fully manifested when the distances between the working edges of the indicated sections of the peaks are 2.. .20 mm, depending on the design of the tooth, its size and rock properties, and the implementation of an additional vertex in the Central part of the upper end face of the base expands the possibility of changing this distance within one vertex of the tooth.

При предлагаемой конструкции зуба можно увеличить площадь контакта вооружения долота с забоем и осевую нагрузку на долото при одинаковых размерах зубьев предлагаемой конструкции и применяемых в настоящее время зубьев долота. With the proposed tooth design, it is possible to increase the contact area of the armament of the bit with the face and the axial load on the bit with the same size of the teeth of the proposed design and the currently used teeth of the bit.

Увеличению объема выбуренной породы за одно взаимодействие зуба долота с породой будет способствовать и рациональное использование энергии низкооборотных забойных двигателей, при которых расширяются возможности реализации второго скачка разрушения породы, что, как известно [3], снижает энергоемкость разрушения пород в забойных условиях бурящейся скважины. Кроме того, предлагаемая конструкция зуба расширяет возможности варьирования расположением зубьев долота на венцах его шарошки. The rational use of the energy of low-speed downhole motors will increase the volume of drilled rock during one interaction between the bit tooth and the rock, which will expand the possibilities of realizing the second jump in rock destruction, which, as is known [3], reduces the energy consumption of rock destruction in the bottomhole conditions of a drilled well. In addition, the proposed tooth design expands the possibilities of varying the location of the teeth of the bit on the crowns of its cone.

Предполагаемая экономическая эффективность. Estimated cost-effectiveness.

Максимальный прирост механической скорости проходки до 100% возможен при полном использовании эффекта взаимовлияния близко расположенных вершин зубьев на напряженное состояние породы в зоне их контакта, а также от применения зубьев с формой рабочей поверхности зуба, "подготовленной" к конкретным условиям разрушения породы еще при конструировании вооружения долота, например от сокращения времени "притирки" долота. The maximum increase in the mechanical penetration rate of up to 100% is possible with the full use of the effect of the mutual influence of closely spaced tooth vertices on the stress state of the rock in the zone of their contact, as well as the use of teeth with the shape of the working surface of the tooth, "prepared" for specific conditions of rock destruction even when designing weapons bits, for example from reducing the time of "grinding" the bit.

Однако идеально подготовить форму зубьев к специфичным и постоянно меняющимся условиям работы долота на забое скважины пока невозможно, тем более что плоскость забоя ровной не бывает. В скважине имеется еще ряд факторов, препятствующих механическому разрушению пород при различном вооружении долот. В связи со сказанным подсчитанный возможный прирост механической скорости проходки составит порядка 25%, что может привести к повышению и проходки на долото в этих же пределах. However, it is not yet possible to ideally prepare the shape of the teeth for specific and constantly changing working conditions of the bit at the bottom of the well, especially since the face plane is not even. In the well, there are a number of factors that impede the mechanical destruction of rocks during various armament of bits. In connection with the foregoing, the calculated possible increase in the mechanical speed of penetration will be about 25%, which can lead to an increase in penetration to the bit within the same range.

Источники информации, принятые во внимание:
1. Мавлютов М. Р., Алексеев Л.А., Вдовин К.Н. и др. Технология бурения глубоких скважин. Учебн. пособие для вузов. М.: Недра, 1982, с. 61...65.Sources of information taken into account:
1. Mavlyutov M.R., Alekseev L.A., Vdovin K.N. et al. Deep hole drilling technology. Training manual for universities. M .: Nedra, 1982, p. 61 ... 65.

2. Масленников И.К. Буровой инструмент. Справочник. М.: Недра, 1989, с. 23...30. 2. Maslennikov I.K. Drilling tool. Directory. M .: Nedra, 1989, p. 23 ... 30.

3. Мавлютов М.Р. Разрушение горных пород при бурении скважин. М.: Недра, 1978, с. 64...74, 98...105. 3. Mavlyutov M.R. Rock destruction during well drilling. M .: Nedra, 1978, p. 64 ... 74, 98 ... 105.

4. Авторское свидетельство СССР N 1298331, МКИ⁶ E 21 B 10/16, 28.06.85, 23.03.87. Бюл. N 11.4. Copyright certificate of the USSR N 1298331, MKI ⁶ E 21 B 10/16, 06/28/85, 03/23/87. Bull. N 11.

5. Авторское свидетельство СССР N 1303693, МКИ⁶ E 21 B 10/16, 30.11.84, 15.04.87. Бюл. N 14.5. Copyright certificate of the USSR N 1303693, MKI ⁶ E 21 B 10/16, 11/30/84, 04/15/87. Bull. N 14.

Claims

1. A tooth of a drill bit containing a base and a rock cutting top with a working edge, characterized in that the rock cutting top is placed with a strip along the periphery or over the entire area of the upper part of the tooth base, while the rock cutting top and its working edge are made in the form of a closed-loop figure, for example in the form of a quadrangle, ellipse, or with an open contour of the working edge of the vertex, for example, in the form of a part of a circle, a spiral, and adjacent opposite parts of the working edge of the vertex are made from each other at a state in which opposite adjacent parts of the peak during the process of pressing it into the rock influence the stress state of the rock between these parts of the peak.

2. The tooth of the bit according to claim 1, characterized in that in the center of the upper part of the base of the tooth an additional convex rock-cutting top is made.