RU2520317C2 - Pdc bit for horizontal well drilling - Google Patents
Pdc bit for horizontal well drilling Download PDFInfo
- Publication number
- RU2520317C2 RU2520317C2 RU2012137837/03A RU2012137837A RU2520317C2 RU 2520317 C2 RU2520317 C2 RU 2520317C2 RU 2012137837/03 A RU2012137837/03 A RU 2012137837/03A RU 2012137837 A RU2012137837 A RU 2012137837A RU 2520317 C2 RU2520317 C2 RU 2520317C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bit
- pdc
- drilling
- rock
- blades
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Earth Drilling (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к инструменту для строительства глубоких нефтяных и газовых скважин, преимущественно горизонтальных боковых стволов.The present invention relates to a tool for the construction of deep oil and gas wells, mainly horizontal sidetracks.
Известен конический винтовой бур для бурения горных пород [1]. Этот бур, принятый за аналог, имеет центральный сменный наконечник заостренной формы, играющий роль пилотного направления при начале бурения, а также винтовое лезвие, закрепленное на центральной штанге. Следуя за заостренным наконечником, винтовое лезвие с постоянным шагом имеет коническую форму с углом конуса в пределах от 15° до 20°. При вращении бура заостренный наконечник вдавливается в породу, а коническое винтовое лезвие постепенно расширяет диаметр скважины, врезаясь в ее стенку, одновременно заставляя разрушенную породу смещаться по непрерывному криволинейному винтовому пространству между штангой и винтовой кромкой лезвия в сторону устья скважины.Known conical helical drill for drilling rocks [1]. This drill, adopted as an analogue, has a central interchangeable tip of a pointed shape, which plays the role of a pilot direction at the beginning of drilling, as well as a helical blade mounted on a central rod. Following the pointed tip, the helical blade with a constant pitch has a conical shape with a cone angle ranging from 15 ° to 20 °. When the drill rotates, the pointed tip is pressed into the rock, and the conical helical blade gradually expands the borehole diameter, crashing into its wall, while simultaneously causing the destroyed rock to move along the continuous curved helical space between the rod and the helical edge of the blade towards the wellhead.
Достоинством такого винтового бура является то, что его наружная рабочая поверхность выполнена конической с винтовыми лопастями. Форма этих лопастей позволяет буру подобно "шурупу-саморезу" ввинчиваться в породу. И как "шуруп-саморез" требует значительного осевого усилия только в начале работы до углубления скважины на несколько ниток винтовых лопастей в породу. Затем винтовое лезвие, врезаясь в стенку скважины по винтовой поверхности, позволяет значительно снизить потребную осевую нагрузку за счет разложения прилагаемого усилия от крутящего момента на две составляющие, направленные одна вдоль поверхности врезающегося винтового лезвия, а другая - вдоль оси бура. При этом осевое перемещение - внедрение бура в породу возможно практически без применения осевой нагрузки, лишь только с приложением увеличивающегося крутящего момента от привода бура.The advantage of such a screw drill is that its outer working surface is conical with screw blades. The shape of these blades allows the drill to screw into the rock like a self-tapping screw. And as a “self-tapping screw” it requires significant axial effort only at the beginning of work until the well is deepened by several threads of screw blades into the rock. Then, the screw blade, cutting into the borehole wall along the helical surface, can significantly reduce the required axial load due to the decomposition of the applied force from the torque into two components, one directed along the surface of the cutting screw blade and the other along the drill axis. In this case, axial displacement - the introduction of the drill into the rock is possible practically without the use of axial load, only with the application of increasing torque from the drive of the drill.
Другим достоинством конического бура с винтовым расположением непрерывного лезвия является то, что при осевом внедрении минимальны вибрации и биение о стенку скважины, присущие шарошечным долотам, когда диаметр получаемой при бурении скважины больше диаметра долота. В последнем случае неизбежны поперечное биение и вибрации, преждевременно разрушающие инструмент.Another advantage of a conical drill with a helical arrangement of a continuous blade is that during axial penetration, the vibrations and runout on the wall of the well inherent in roller cone bits are minimal, when the diameter obtained during drilling is larger than the diameter of the bit. In the latter case, transverse beating and vibrations that prematurely destroy the instrument are inevitable.
К недостаткам данного аналога следует отнести то, что как и в любом долоте режущего типа, линейная скорость движения режущих элементов, а значит интенсивность разрушения породы, в значительной мере зависит от расстояния их от вертикальной оси долота. На периферии забоя скорость разрушения максимальна, а непосредственно на оси линейная скорость резцов равна нулю и интенсивность разрушения породы минимальна. Кроме того, по мере затупления центральных резцов требуется все возрастающее осевое усилие для поддавливания их, позволяющее создавать необходимое удельное давление большее, чем предел сопротивления породы разрушению.The disadvantages of this analogue include the fact that, as in any bit of a cutting type, the linear speed of movement of the cutting elements, and therefore the intensity of rock destruction, largely depends on their distance from the vertical axis of the bit. At the bottom periphery, the rate of destruction is maximum, and directly on the axis, the linear speed of the incisors is zero and the rate of rock destruction is minimal. In addition, as the central incisors become blunted, an ever increasing axial force is required to crush them, which makes it possible to create the necessary specific pressure greater than the limit of rock resistance to fracture.
При интенсивном разрушении породы в периферийной зоне долото «зависает» на венцах центральной зоны, где интенсивность разрушения отстает от периферийной зоны.With intensive destruction of the rock in the peripheral zone, the bit “hangs” on the crowns of the central zone, where the intensity of destruction lags behind the peripheral zone.
Известно также алмазное долото [2], также принятое за аналог. В этом долоте предложено в качестве одного из вариантов вооружение, включающее многозаходное винтовое расположение лопастей. Периферийная поверхность лопастей, обращенная к стенке скважины, а также торцевая их поверхность, вооружены закрепленными алмазами.A diamond bit is also known [2], also taken as an analog. In this bit, armament is proposed as one of the options, including a multi-helical arrangement of the blades. The peripheral surface of the blades facing the borehole wall, as well as their end surface, are armed with fixed diamonds.
Достоинством этого аналога является винтовое расположение лопастей, горизонтальная проекция которых благодаря наклону образующих на поверхности корпуса, в совокупности полностью перекрывает всю длину окружности долота по его наибольшему диаметру. Это значительно снижает возможность радиального биения долота и частично способствует эффекту ввинчивания его в породу при вращении.The advantage of this analogue is the screw arrangement of the blades, the horizontal projection of which, due to the inclination of the generators on the surface of the body, in total completely covers the entire length of the circumference of the bit along its largest diameter. This significantly reduces the possibility of radial runout of the bit and partially contributes to the effect of screwing it into the rock during rotation.
Недостатком рассматриваемого аналога, как и предыдущего, является перегруженность вооружением в центральной зоне, способствующая снижению механической скорости и «зависанию» долота на забое скважины.The disadvantage of the analogue under consideration, as well as the previous one, is the overload of weapons in the central zone, which contributes to a decrease in mechanical speed and “freezing” of the bit at the bottom of the well.
Известно также алмазное долото [3], принятое за прототип. Это долото имеет корпус с присоединительной резьбой, породоразрушающие элементы, промывочные каналы, кернолом с отбойными штырями в наклонном промывочном канале. Вооружение долота выполнено в виде режущих рядов последовательно размещенных породоразрушающих зубьев из поликристаллических алмазов, или непрерывных венцов, расположенных на однозаходных, двух- или более заходных конических винтовых лопастях, разделенных коническими винтовыми канавками для выхода с забоя промывочной жидкости и частиц выбуренной породы.It is also known diamond bit [3], adopted as a prototype. This bit has a body with connecting thread, rock cutting elements, flushing channels, a core with breaker pins in an inclined flushing channel. The armament of the bit is made in the form of cutting rows of sequentially placed rock cutting teeth made of polycrystalline diamonds, or continuous crowns located on single-entry, two or more inlet conical helical blades separated by conical helical grooves to exit the bottom of the flushing fluid and particles of cuttings.
Долото снабжено коническими винтовыми лопастями, отверстием под керн. Несколько промывочных каналов с насадками или без них для очистки забоя от выбуренной породы направлены из центрального канала в наружные винтовые канавки. Часть промывочной жидкости направлена в зазор между стенкой отверстия под керн и образующимся столбиком керна. Этот зазор обеспечивают породоразрушающие элементы на торце долота, обуривающие керн.The bit is equipped with conical helical blades, a hole for the core. Several flushing channels with or without nozzles for cleaning the bottom of the cuttings are directed from the central channel to the external helical grooves. Part of the flushing fluid is directed into the gap between the wall of the hole under the core and the resulting core column. This gap is provided by rock-cutting elements at the end of the bit, drilling the core.
Элементы вооружения, расположенные снаружи долота по спиральным винтовым линиям, обеспечивают механическую скорость бурения при минимальном радиальном биении долота. Эффект ввинчивания наружного вооружения в породу при этом обеспечивает снижение потребной для бурения осевой нагрузки от веса колонны бурильных труб.Armament elements located outside the bit along helical helical lines provide mechanical drilling speed with minimal radial runout of the bit. The effect of screwing external weapons into the rock at the same time reduces the axial load required for drilling from the weight of the drill pipe string.
К недостаткам прототипа следует отнести низкую стойкость ряда самых нижних зубьев PDC, обуриваюших основание керна, а также то, что столбик керна в значительной мере препятствует выходу промывочной жидкости, подводимой по центральному каналу к забою.The disadvantages of the prototype include the low resistance of a number of the lowest PDC teeth that drill the core base, as well as the fact that the core column impedes the flow of flushing fluid supplied through the central channel to the bottom.
Еще одним недостатком прототипа является то, что на эффект самозавинчивания влияло слишком большое число витков, одновременно находившихся в контакте с поверхностью забоя.Another disadvantage of the prototype is that the effect of self-tightening was influenced by too many turns that were simultaneously in contact with the surface of the face.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание бурового долота с вооружением, например, из поликристаллических алмазов (PDC), имеющего высокую механическую скорость при глубоком бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, лишенного недостатков аналогов и прототипа с использованием их преимуществ.The technical result of the present invention is the creation of a drill bit with weapons, for example, from polycrystalline diamonds (PDC), having high mechanical speed during deep drilling of directional and horizontal wells, devoid of the disadvantages of analogues and prototype using their advantages.
Технический результат достигается тем, что в долоте PDC для бурения горизонтальных скважин, имеющем корпус с присоединительной резьбой, породоразрушающими элементами PDC любой известной формы, последовательно размещенными на одно- или более заходных конических винтовых лопастях с различной величиной угла их наклона, разделенных коническими винтовыми канавками с отверстиями для насадок и прохода промывочной жидкости, вершина долота выполнена в виде удлиненного выступа с диаметром основания, равным d=(0,6÷0,7)D, и высотой h=(0,4÷0,6)D от наружного диаметра долота D, оснащенного PDC-элементами, расположенными в плоскостях, близких к параллельным оси долота, на двух или более лопастях и промывочными отверстиями с насадками, образующего при бурении предварительную нишу, начиная с которой конические винтовые лопасти разрушают оставшуюся породу на стенке скважины с увеличенным эффектом самозавинчивания.The technical result is achieved in that in a PDC bit for drilling horizontal wells having a body with connecting thread, PDC rock cutting elements of any known shape, sequentially placed on one or more inlet conical helical blades with different angles of inclination, separated by conical helical grooves with holes for nozzles and passage of flushing fluid, the tip of the bit is made in the form of an elongated protrusion with a base diameter equal to d = (0.6 ÷ 0.7) D, and a height h = (0.4 ÷ 0.6) D from the outside the diameter of the bit D, equipped with PDC-elements located in planes close to the parallel axis of the bit, on two or more blades and flushing holes with nozzles, forming a preliminary niche during drilling, from which the conical helical blades destroy the remaining rock on the well wall with an enlarged self-tightening effect.
Перечень и описание фигур чертежей.The list and description of the figures of the drawings.
На фиг.1 показан общий вид бурового долота по настоящему изобретению.Figure 1 shows a General view of the drill bit of the present invention.
На фиг.2 изображен вид снизу (с торца) предлагаемого долота.Figure 2 shows a bottom view (from the end) of the proposed bit.
На фиг.3 показано сечение долота вдоль оси корпуса.Figure 3 shows the cross section of the bit along the axis of the housing.
Долото 1 (фиг.1, 2 и 3) имеет корпус с конической присоединительной резьбой 2, шейкой 3, пазами 4 для закрепления и дальнейшего раскрепления на колонне бурильных труб, пояса 5, предназначенного для размещения калибрующих износостойких зубков 6, PDC или твердосплавных. Корпус имеет также наклонные винтовые лопасти 7 для размещения породоразрушающих элементов в виде зубьев из поликристаллических алмазов PDC - 8, наклонные винтовые канавки-пазы 9 для отвода восходящего потока промывочной жидкости с забоя. На удлиненном выступе 10 долота диаметром d расположены две или более лопасти 11 с зубьями 15, расположенными в плоскостях, близких к параллельным оси долота. Зубья PDC 8 на каждой винтовой лопасти 7 расположены друг за другом так, чтобы они, по возможности, полностью перекрывали всю их длину. Углы наклона режущих поверхностей зубьев по отношению к поверхности забоя выбираются экспериментально, в зависимости от твердости предназначаемых для разбуривания пород. Позицией 12 обозначены боковые промывочные отверстия с насадками, буквой h обозначена высота вершины удлиненного выступа 10.The bit 1 (figures 1, 2 and 3) has a body with a conical connecting thread 2, a neck 3, grooves 4 for fastening and further unfastening on the drill pipe string, belt 5, designed to accommodate calibrating wear-
На фиг.3 позицией 13 обозначен внутренний канал для направления к забою промывочной жидкости, позицией 14 обозначены промывочные каналы с насадкой на их выходе в удлиненном выступе 10. Эти насадки также могут иметь любую известную форму и способ крепления. Внутренняя стенка центрального канала и стенки каналов, подводящих промывочную жидкость к насадкам, могут армироваться, например, кластерным алмазосодержащим покрытием. Наружная поверхность долота, включая удлиненный выступ 10, может иметь матричный защитный слой (не показано). Разумеется, что форма размещаемого бокового винтового 8, а также вооружения вершины 15, может быть не только в виде элементов с таблетками из поликристаллических алмазов, но и в другом известном исполнении, например в виде сплошных клиновидных винтовых венцов, армированных износостойким материалом или твердосплавными зубками, установленными на венцах и на торце долота.In figure 3,
Способность самоввинчивания долота в породу зависит от угла α подъема конических винтовых лопастей к оси долота. В зависимости от твердости разбуриваемых пород этот угол подбирается экспериментально; оптимальная величина его может колебаться, как и в прототипе, в пределах α=48°÷75°.The ability to self-screw a bit into the rock depends on the angle α of the rise of the conical helical blades to the axis of the bit. Depending on the hardness of the drilled rocks, this angle is selected experimentally; its optimal value can fluctuate, as in the prototype, within α = 48 ° ÷ 75 °.
Для повышения интенсивности подъема промывочной жидкости и частиц выбуренной породы с забоя боковые промывочные каналы 12, соединяющие внутренний центральный канал 13 с наружными винтовыми пазами-канавками 9, предпочтительно могут быть выполнены под острым углом к их поверхности в сторону направления восходящего потока промывочной жидкости.To increase the lifting intensity of the washing liquid and cuttings from the bottom, the
Долото работает следующим образом. При забуривании и углублении в породу долота центральная часть породы забоя в виде ниши оказывается разбуренной в первую очередь вооружением вершиной удлиненного выступа. При входе в эту нишу зубья PDC на боковых конических винтовых лопастях вступают в работу и разрушают оставшуюся породу на стенке скважины с увеличенным эффектом самозавинчивания.The bit works as follows. When drilling and deepening into the rock of the chisel, the central part of the face rock in the form of a niche turns out to be drilled primarily by weapons with the top of an elongated ledge. Upon entering this niche, the PDC teeth on the side conical helical blades come into operation and destroy the remaining rock on the well wall with an increased self-tightening effect.
Наличие вооружения долота в виде режущих рядов на однозаходных, двух- или более заходных конических винтовых лопастях способствует созданию эффекта самозавинчивания долота в породу и снижению потребной для бурения осевой нагрузки, которую трудно обеспечить при проводке горизонтальных скважин и их вторых стволов.The armament of the bit in the form of cutting rows on single-entry, two- or more inlet conical helical blades contributes to the effect of self-screwing the bit into the rock and to reduce the axial load required for drilling, which is difficult to ensure when drilling horizontal wells and their second shafts.
Наличие эффекта самозавинчивания долота сводит на нет возможность биения долота и стабилизирует работу вооружения. Предложенное расположение промывочных каналов способствует интенсификации очистки забоя от выбуренной породы. При работе в мягких и средних породах, для которых долото, в основном, предназначено, значительно возрастают проходка и механическая скорость бурения, что подтверждается испытанием опытных образцов непосредственно в промысловых условиях.The presence of the self-tightening effect of the bit negates the possibility of beating of the bit and stabilizes the operation of weapons. The proposed location of the washing channels contributes to the intensification of cleaning the bottom of the cuttings. When working in soft and medium-sized rocks, for which the bit is mainly intended, the penetration and mechanical drilling speed increase significantly, which is confirmed by testing the prototypes directly in the field.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №3537537 от 03.11.1970 г., МПК E21C 13/04.1. US patent No. 3537537 from 11/3/1970, IPC E21C 13/04.
2. Патент США №5004057 от 23.04.1987 г., МПК E21C 10/46.2. US patent No. 5004057 from 04/23/1987, IPC
3. Патент РФ №2360096 от 27.06.2009 г., МПК E21B 10/00.3. RF patent No. 2360096 dated 06/27/2009,
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012137837/03A RU2520317C2 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Pdc bit for horizontal well drilling |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012137837/03A RU2520317C2 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Pdc bit for horizontal well drilling |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012137837A RU2012137837A (en) | 2014-03-10 |
RU2520317C2 true RU2520317C2 (en) | 2014-06-20 |
Family
ID=50191563
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012137837/03A RU2520317C2 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Pdc bit for horizontal well drilling |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2520317C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2694872C1 (en) * | 2018-07-10 | 2019-07-17 | Китайский геологический университет (Ухань) | Drilling bit |
RU2774767C1 (en) * | 2021-08-31 | 2022-06-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Pdc drill bit with shock absorbers on its diameter |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3537537A (en) * | 1967-07-18 | 1970-11-03 | Watson Mfg Co | Boulder dislodging tool |
US5004057A (en) * | 1988-01-20 | 1991-04-02 | Eastman Christensen Company | Drill bit with improved steerability |
RU2080446C1 (en) * | 1990-07-10 | 1997-05-27 | Амоко Корпорейшн | Drill bit for drilling mother rock |
RU2236546C1 (en) * | 2003-04-29 | 2004-09-20 | Орловский государственный технический университет | Domestic auger drill |
RU2360096C1 (en) * | 2007-10-03 | 2009-06-27 | Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") | Cone bit for boring horizontal boreholes |
-
2012
- 2012-09-04 RU RU2012137837/03A patent/RU2520317C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3537537A (en) * | 1967-07-18 | 1970-11-03 | Watson Mfg Co | Boulder dislodging tool |
US5004057A (en) * | 1988-01-20 | 1991-04-02 | Eastman Christensen Company | Drill bit with improved steerability |
RU2080446C1 (en) * | 1990-07-10 | 1997-05-27 | Амоко Корпорейшн | Drill bit for drilling mother rock |
RU2236546C1 (en) * | 2003-04-29 | 2004-09-20 | Орловский государственный технический университет | Domestic auger drill |
RU2360096C1 (en) * | 2007-10-03 | 2009-06-27 | Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") | Cone bit for boring horizontal boreholes |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2694872C1 (en) * | 2018-07-10 | 2019-07-17 | Китайский геологический университет (Ухань) | Drilling bit |
RU2774767C1 (en) * | 2021-08-31 | 2022-06-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" | Pdc drill bit with shock absorbers on its diameter |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012137837A (en) | 2014-03-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2360096C1 (en) | Cone bit for boring horizontal boreholes | |
US5016718A (en) | Combination drill bit | |
US20100147594A1 (en) | Reverse nozzle drill bit | |
US20130186693A1 (en) | Hybrid drill bit | |
RU2332554C2 (en) | Drill bit, system and method of well-boring in subsurface bed | |
AU2011224885B2 (en) | A rock drill bit, a drilling assembly and a method for percussive rock drilling | |
AU2008207696B2 (en) | Mining claw bit | |
US10907417B2 (en) | Polycrystalline diamond chisel type insert for use in percussion drill bits even for use in large hole percussion drilling of oil wells | |
WO2013136113A1 (en) | Hybrid drill bit | |
RU2520317C2 (en) | Pdc bit for horizontal well drilling | |
US8387725B2 (en) | Percussion drilling assembly and hammer bit with gage and outer row reinforcement | |
AU2015233739C1 (en) | Percussive drill bit with multiple sets of front cutting inserts | |
RU2298636C1 (en) | Drill head for short hole drilling in frozen ground | |
RU2353748C1 (en) | Bore bit | |
RU2473773C1 (en) | Diamond crown bit | |
RU2693082C1 (en) | Rock cutting tool | |
RU2390617C1 (en) | Drilling triple cone rock bit | |
RU170442U1 (en) | Drill head for horizontal directional drilling | |
RU125617U1 (en) | WELL CALIBRATOR | |
RU120134U1 (en) | MILLER FOR CUTTING A SIDE WINDOW IN A CASING | |
RU2410521C1 (en) | Rock destruction tool | |
RU2338865C2 (en) | Bore bit | |
RU2215114C1 (en) | Washing unit of drilling bit | |
RU2492308C1 (en) | Drill bit (versions) | |
RU163879U1 (en) | DRILLING HEAD |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160930 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190905 |