RU2343268C1

RU2343268C1 - Device for well boring (versions)

Info

Publication number: RU2343268C1
Application number: RU2007124958/03A
Authority: RU
Inventors: Николай Митрофанович Панин (RU); Николай Митрофанович Панин; Геннадий Иванович Сукманов (RU); Геннадий Иванович Сукманов; Борис Николаевич Стадник (RU); Борис Николаевич Стадник; Владимир Исакович Волчков (RU); Владимир Исакович Волчков; Феликс Моисеевич Ройзенман (RU); Феликс Моисеевич Ройзенман
Original assignee: Николай Митрофанович Панин
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-10

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention refers to devices for well boring. Device incorporates roller cutter bit with rest and lock joint, bottom drill collar tube, rest unloading unit in kind of wash over plate with circular flange forming friction pairs with reverse cones of roller-cutters, and a unit of forced circulation running of roller-cutters installed inside the bottom drill collar tube and made in form of an axial turbine. A shaft of the turbine is connected with the wash over plate. Each roller cutter is made in form of at least two independent rotating elements: central and peripheral. The central element of the roller cutter is fixed from the axial travel with a latching unit. The rest of the peripheral element is made as a rolling bearing composed of rolling bodies of various diameters. Part of rolling bodies of smaller diameter is made with rubber coats the exterior diameters of which in initial position correspond to the exterior diameters of rolling bodies of bigger diameters. In the second version the rest of the peripheral element is made of rolling bodies of the same diameter, part of which is made hollow out of tensile material. Hollow rolling bodies have radial channels and are partially filled with lubricating material, for example, with powder graphite.

EFFECT: reduced power consumption at rock destruction and also accelerated driving and mechanical rate of boring.

3 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для бурения скважин с использованием шарошечных долот.The invention relates to a device for drilling wells using roller cone bits.

Известно буровое шарошечное долото, включающее делитель осевой нагрузки, выполненный в виде шпинделя с установленными на нем тарельчатыми пружинами, и узел разгрузки, передающий часть осевой нагрузки на забой через обратные конусы шарошек и выполненный в виде дисковых роликов, установленных на цапфах корпуса разгрузки и контактирующих с обратными конусами шарошек при определенной осевой нагрузке (см. авт.св. СССР №168222, кл. Е21В 10/08, 1965 г.).Known cone drill bit, including an axial load divider, made in the form of a spindle with disk springs installed on it, and an unloading unit, transmitting part of the axial load to the face through the cone cones and made in the form of disk rollers mounted on the pins of the discharge casing and in contact with inverse cones of cones at a certain axial load (see ed. St. USSR No. 168222, class ЕВВ 10/08, 1965).

Недостатком этого долота является сложность конструкции и, как следствие этого, малая надежность в работе и малая эффективность.The disadvantage of this bit is the design complexity and, as a consequence of this, low reliability and low efficiency.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является устройство для бурения скважин, включающее шарошечное долото с опорой и замковым узлом, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой (см. авт.св. №560053, кл. Е21В 10/08, 1977 г.).The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a device for drilling wells, including a cone bit with a support and a locking unit, an over-bit pipe, a support unloading unit in the form of a washing plate with an annular protrusion, forming friction pairs together with the cone cones, and a unit compulsory rotation of the roller cutters installed inside the supra-bit pipe and made in the form of an axial turbine, the shaft of which is connected to the flushing plate (see ed. St. No. 560053, class Е21В 10/08, 1977).

Данное устройство благодаря использованию узла для принудительного вращения шарошек обеспечивает повышение срока службы бурового долота. К недостаткам его следует отнести сравнительно высокую энергоемкость разрушения породы, что связано с неоптимальной схемой разрушения породы. Это особенно сказывается при бурении по твердым и крепким породам, эффективность разрушения которых, особенно в периферийной части забоя, в значительной степени зависит от удельной осевой нагрузки на породоразрушающие элементы.This device through the use of a node for forced rotation of the cone provides an increase in the life of the drill bit. Its disadvantages include a relatively high energy intensity of rock destruction, which is associated with a suboptimal scheme of rock destruction. This is especially true when drilling through hard and hard rocks, the destruction efficiency of which, especially in the peripheral part of the face, largely depends on the specific axial load on the rock-breaking elements.

В связи с изложенным технической задачей изобретения является повышение эффективности работы долота за счет снижения энергоемкости разрушения породы путем оптимизации схемы разрушения породы и увеличения ударных нагрузок на породоразрушающие элементы шарошек.In connection with the stated technical objective of the invention is to increase the efficiency of the bit by reducing the energy intensity of rock destruction by optimizing the scheme of rock destruction and increasing shock loads on rock cutting elements of cones.

Поставленная техническая задача по первому варианту решается тем, что в устройстве для бурения скважин, включающем шарошечное долото с опорой и замковым узлом, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, согласно изобретению каждая шарошка выполнена, по меньшей мере, в виде двух независимо вращающихся элементов: центрального и периферийного, при этом центральный элемент шарошки зафиксирован от осевого перемещения замковым узлом, а опора периферийного элемента выполнена в виде подшипника качения, составленная из тел качения разного диаметра, при этом часть тел качения меньшего диаметра выполнена с резиновой оболочкой, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения большего диаметра.The technical task of the first embodiment is solved by the fact that in the device for drilling wells, including a roller cone with a support and a locking assembly, an over-bit pipe, a support unloading unit in the form of a washing plate with an annular protrusion, forming friction pairs together with the cone cones, and a assembly compulsory rotation of the cone installed inside the supra-bit pipe and made in the form of an axial turbine, the shaft of which is connected to the washing plate, according to the invention, each cone is made at least in the idea of two independently rotating elements: central and peripheral, while the central roller element is fixed from axial movement by a locking assembly, and the support of the peripheral element is made in the form of a rolling bearing, composed of rolling elements of different diameters, while some of the rolling elements of a smaller diameter are made with a rubber shell , the outer diameter of which corresponds in the initial position to the outer diameter of the rolling elements of larger diameter.

По второму варианту поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для бурения скважин, включающем шарошечное долото с опорой и замковым узлом, наддолотную трубу, узел разгрузки опоры в виде промывочной плиты с кольцевым выступом, образующим совместно с обратными конусами шарошек фрикционные пары, и узел принудительного вращения шарошек, установленный внутри наддолотной трубы и выполненный в виде осевой турбины, вал которой соединен с промывочной плитой, согласно изобретению каждая шарошка выполнена, по меньшей мере, в виде двух независимо вращающихся элементов: центрального и периферийного, при этом центральный элемент шарошки зафиксирован от осевого перемещения замковым узлом, а опора периферийного элемента выполнена в виде подшипника качения, составленная из тел качения одного диаметра, часть которых выполнена полой и изготовлена из пружинного материала.According to the second variant, the stated technical problem is solved in that in a device for drilling wells, including a roller cone with a support and a locking assembly, an over-bit pipe, a support unloading unit in the form of a washing plate with an annular protrusion, forming friction pairs together with the cone cones, and the assembly compulsory rotation of the cone installed inside the supra-bit pipe and made in the form of an axial turbine, the shaft of which is connected to the washing plate, according to the invention, each cone is made at least in ide two independently rotating components: central and peripheral, the central cutter element is secured against axial displacement lock assembly, and the peripheral support element is designed as a rolling bearing, consisting of rolling bodies of the same diameter, part of which is hollow and made of spring material.

Решению поставленной технической задачи способствует также и то, что полые тела качения выполнены с радиальными каналами и частично заполнены смазочным материалом.The solution of the technical problem is also facilitated by the fact that the hollow rolling bodies are made with radial channels and partially filled with lubricant.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид устройства, на фиг.2 и 3 - варианты выполнения опоры шарошечного долота, на фиг.4 и 5 соответственно элементы качения в виде шара и роликов; на фиг.6 - сечение А-А на фиг.3 и на фиг.7 - элемент качения в виде полого ролика.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a General view of the device, in Fig.2 and 3 are embodiments of the support cone bits, in Fig.4 and 5, respectively, the rolling elements in the form of a ball and rollers; Fig.6 is a section aa in Fig.3 and Fig.7 is a rolling element in the form of a hollow roller.

Устройство для бурения скважин включает долото 1 с шарошками 2, которое посредством резьбы соединено с наддолотной трубой 3, приводимой во вращение бурильной колонной или от вала забойного двигателя 4. В полости корпуса долота 1 размещена промывочная плита 5 с кольцевым выступом 6, который совместно с обратными конусами 7 шарошек 2 образует фрикционные пары. Благодаря этому промывочная плита 5 обеспечивает передачу части осевой нагрузки непосредственно на корпуса шарошек 2, минуя опору долота 1 и выполняя роль узла разгрузки опоры. Промывочная плита 5 соединена с валом 8 осевой турбины 9, которая установлена на радиальных опорах 10 внутри наддолотной трубы 3 и служит узлом принудительного вращения шарошек 2 долота 1.A device for drilling wells includes a bit 1 with cones 2, which is threadedly connected to an over-bit pipe 3, driven by a drill string or from a shaft of a downhole motor 4. A flushing plate 5 with an annular protrusion 6 is placed in the cavity of the body of the bit 1, which, together with the reverse cones 7 cone 2 forms a friction pair. Due to this, the flushing plate 5 ensures the transfer of part of the axial load directly to the cones of the roller cutters 2, bypassing the support of the bit 1 and acting as a node for unloading the support. The flushing plate 5 is connected to the shaft 8 of the axial turbine 9, which is mounted on the radial bearings 10 inside the supra-bit pipe 3 and serves as a node for the forced rotation of the cone 2 bits 1.

По первому варианту каждая шарошка 2 (см. фиг.2) выполнена, по меньшей мере, в виде двух независимо вращающихся элементов: центрального 11 и периферийного 12. При этом центральный элемент 11 шарошки 2 зафиксирован от осевого перемещения замковым узлом, выполненным, например, в виде шарикового подшипника 13 или штифтового соединения (не показан), а опора периферийного элемента 12 выполнена в виде подшипника качения, составленного из тел качения разного диаметра в виде шаров или роликов. При этом часть тел качения меньшего диаметра - шары 14 и ролики 15 выполнены с резиновой оболочкой 16, наружный диаметр которой соответствует в исходном положении наружному диаметру тел качения большего диаметра: шаров 17 и роликов 18. Тела качения меньшего 14, 15 и большего 17 и 18 диаметров в опоре периферийного элемента 12 могут устанавливаться по разной схеме. Предпочтительным является их установка с чередованием тел качения меньшего и большего диаметров через одно. Однако возможна установка тел качения малого диаметра через два тела качения большего диаметра. Схема установки выбирается в зависимости от типа долота, т.е. в первую очередь от физико-механических свойств разбуриваемых пород.In the first embodiment, each cone 2 (see figure 2) is made of at least two independently rotating elements: central 11 and peripheral 12. Moreover, the central element 11 of cone 2 is fixed from axial movement by a locking assembly made, for example, in the form of a ball bearing 13 or a pin connection (not shown), and the support of the peripheral element 12 is made in the form of a rolling bearing composed of rolling elements of different diameters in the form of balls or rollers. Moreover, part of the rolling elements of smaller diameter — balls 14 and rollers 15 — are made with a rubber shell 16, the outer diameter of which corresponds to the outer diameter of the rolling elements of larger diameter in the initial position: balls 17 and rollers 18. Rolling bodies smaller than 14, 15 and larger 17 and 18 diameters in the support of the peripheral element 12 can be installed in different ways. It is preferable to install them with alternating rolling elements of smaller and larger diameters through one. However, it is possible to install rolling elements of small diameter through two rolling elements of larger diameter. The installation scheme is selected depending on the type of bit, i.e. primarily on the physicomechanical properties of the drilled rocks.

По другому варианту (см. фиг.3) опора шарошечного долота 1 выполнена в виде подшипника качения, составленная из цельных шаров 19 или роликов 20 и полых шаров 21 или полых роликов 22, изготовленных из пружинного материала. Стенки полых шаров 21 выполнены с радиальными каналами 23, а стенки полых роликов 22 - с радиальными пазами 24. Полость шаров 21 частично может быть использована для размещения смазочного материала, например, порошкового графита.In another embodiment (see FIG. 3), the support of the cone bit 1 is made in the form of a rolling bearing, composed of solid balls 19 or rollers 20 and hollow balls 21 or hollow rollers 22 made of spring material. The walls of the hollow balls 21 are made with radial channels 23, and the walls of the hollow rollers 22 are made with radial grooves 24. The cavity of the balls 21 can partially be used to place lubricant, for example, powder graphite.

Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы шарошек 2 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. Разрушенная порода выносится промывочной жидкостью, прокачиваемой через бурильную колонну 4 и промывочную плиту 5. При этом благодаря использованию специальной опоры с учетом передачи осевой нагрузки непосредственно через корпус шарошки 2 обеспечивается эффективное разрушение породы за счет создания ударных нагрузок при деформации полых тел качения 21 и 22, выполненных из пружинного материала, или обрезиненных тел качения 14 и 15. При контакте корпуса шарошки 2 с обрезиненными 14, 15 или полыми 21 и 22 телами качения величина силы реакции с их стороны по сравнению со сплошными телами качения 17 и 18 во много раз меньше и именно поэтому происходит удар породоразрушающих элементов шарошки 2 по забою, обеспечивая ударно-импульсное воздействие на породу рабочих элементов шарошки 2. Сила удара регулируется разностью диаметров тел качения 14-17 и 15-18 в первом варианте и величиной упругой деформации полых тел качения 21 и 22 по другому варианту. Кроме того, величину силы удара можно регулировать и схемой установки тел качения разного диаметра, например, путем установки одного обрезиненного тела качения через два сплошных цельных тела качения. Аналогично можно регулировать и силу удара во втором варианте. При этом одновременно с изменением силы удара регулируется и частота удара. Использование полых тел качения с радиальными каналами 23 и пазами 24 позволяет регулировать степень упругой деформации тел качения 21 и 22 в более широких пределах. Кроме того, выполнение тел качения полыми позволяет использовать их полости как резервуары для смазочного материала. При этом благодаря выполнению полых тел качения с радиальными каналами или пазами смазочный материал небольшими дозами подается в опору долота. Неполное заполнение полости тел качения смазочным материалом не препятствует деформации полых тел качения при нанесении по ним удара со стороны корпуса шарошки 2, а следовательно, и не уменьшает силу удара.The principle of operation of the bit is as follows. Under the action of axial load and torque, rock cutting elements of cones 2 carry out the destruction of the bottom and calibration of the walls of the well. The destroyed rock is carried out by the flushing fluid pumped through the drill string 4 and flushing plate 5. Moreover, due to the use of a special support, taking into account the transfer of axial load directly through the roller cone body 2, effective rock destruction is ensured by creating shock loads during deformation of the hollow rolling elements 21 and 22, made of spring material, or rubberized rolling elements 14 and 15. Upon contact of the roller cone body 2 with rubberized 14, 15 or hollow 21 and 22 rolling elements, the magnitude of the reaction force with their st Compared to the solid rolling elements 17 and 18, the number of cores is many times smaller and that is why the rock-cutting elements of the cone 2 are hit in the face, providing a shock-pulse effect on the rock of the working elements of the cone 2. The impact force is regulated by the difference in the diameters of the rolling elements 14-17 and 15 -18 in the first embodiment and the amount of elastic deformation of the hollow rolling elements 21 and 22 in another embodiment. In addition, the magnitude of the impact force can also be adjusted by the installation scheme of rolling elements of different diameters, for example, by installing one rubberized rolling element through two continuous solid rolling elements. Similarly, you can adjust the impact force in the second embodiment. In this case, simultaneously with the change in the impact force, the impact frequency is also regulated. The use of hollow rolling elements with radial channels 23 and grooves 24 allows you to adjust the degree of elastic deformation of the rolling elements 21 and 22 in a wider range. In addition, the implementation of the rolling bodies hollow allows you to use their cavity as reservoirs for lubricant. In this case, due to the implementation of hollow rolling elements with radial channels or grooves, small doses of lubricant are supplied to the bit support. Incomplete filling of the cavity of the rolling elements with lubricant does not prevent the deformation of the hollow rolling elements when striking them from the side of the cone 2, and therefore does not reduce the force of the impact.

Снижению энергоемкости разрушения породы способствует также и выполнение шарошек 2 составными. Благодаря этому ударная нагрузка, передаваемая через корпус шарошек 2, распределяется на меньшую контактную поверхность, что значительно увеличивает удельную нагрузку на породоразрушающие элементы шарошек и тем самым повышает эффективность разрушения породы.The reduction of energy intensity of rock destruction is also facilitated by the implementation of cone 2 components. Due to this, the shock load transmitted through the cone of the cone 2, is distributed on a smaller contact surface, which significantly increases the specific load on the rock cutting elements of cones and thereby increases the efficiency of rock destruction.

Таким образом, применение предложенного устройства, благодаря более эффективной схеме разрушения породы, позволяет повысить проходку и скорость бурения и тем самым снизить себестоимость буровых работ.Thus, the use of the proposed device, due to a more efficient scheme of rock destruction, allows to increase penetration and drilling speed and thereby reduce the cost of drilling.

Claims

1. A device for drilling wells, including a cone bit with a support and a locking unit, a supra-bit pipe, a support unloading unit in the form of a washing plate with an annular protrusion, forming friction pairs together with cone cones, and a cone forced rotation unit installed inside the over-bit pipe and made in the form of an axial turbine, the shaft of which is connected to the washing plate, characterized in that each cone is made of at least two independently rotating elements: central and peripheral first, while the central element of the cone is fixed from axial movement by the locking assembly, and the support of the peripheral element is made in the form of a rolling bearing, made up of rolling elements of different diameters, while some of the rolling elements of smaller diameter are made with a rubber shell, the outer diameter of which corresponds to the initial position outer diameter of rolling elements of larger diameter.

2. A device for drilling wells, including a cone bit with a support and a locking element, an over-bit pipe, a support unloading unit in the form of a washing plate with an annular protrusion, forming friction pairs together with cone cones, and a cone forced rotation unit installed inside the over-bit pipe and made in the form of an axial turbine, the shaft of which is connected to the washing plate, characterized in that each cone is made of at least two independently rotating elements: a central and a periphery iynogo, wherein the central cutter element is secured against axial displacement lock assembly, and the peripheral support element is designed as a rolling bearing, consisting of rolling bodies of the same diameter, part of which is hollow and made of spring material.

3. The device for drilling wells according to claim 2, characterized in that the hollow rolling elements are made with radial channels and partially filled with lubricant.