RU2598250C1

RU2598250C1 - Drilling roller-cutter bit

Info

Publication number: RU2598250C1
Application number: RU2015150565/03A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Сериков
Original assignee: Дмитрий Юрьевич Сериков
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-09-20

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: invention relates to cone rock bit for drilling wells in soft and medium- hard rocks. Drill cone rock bit comprises hollow case made by lugs with inclined trunnions on which there are installed conical cutter with skewed milled or cast teeth and flushing unit. Drilling bit leg are provided with inclined through slime channels connecting the up-cone rock cavity with casing space, and central part of the bit is equipped with ejection nozzles, outlet ends of which are arranged in the cavity of through sludge channels, and the inlet ends - in the cavity of the bit case. Inclination angle of teeth α relative to generatrix of the roller cutter and angle of inclination of the sludge channel β in relation to the axis of rotation of the bit are connected by a certain ratio, wherein the smaller angle of inclination of sludge channel β corresponds to the large values of inclination angle of teeth α and bit rotational speed.

EFFECT: technical result provides increasing of efficiency of drill bit operation.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам с фрезерованными или литыми зубьями для разбуривания мягких пород и пород средней твердости.The invention relates to a rock cutting tool, and in particular to cone drill bits with milled or cast teeth for drilling soft and medium hard rocks.

Известно буровое шарошечное долото, включающее буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами, установленные на них конические шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и промывочный узел (см. каталог ОАО Волгабурмаш «Буровые долота», 2007 г., стр. 28).A cone drill bit is known, including a cone drill bit, including paws with inclined pins, conical cones mounted on them with milled or cast teeth and a flushing unit (see Volgaburmash Drill Chisels OJSC catalog, 2007, p. 28).

Недостатком этого долота является некачественная очистка забоя от шлама, что ведет к повторному измельчению шлама и повышенному износу вооружения шарошек.The disadvantage of this bit is poor-quality cleaning of the bottom of the sludge, which leads to re-grinding of the sludge and increased wear of weapons cones.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее полый корпус, образованный лапами с наклонными цапфами, на которых установлены конические шарошки с косыми фрезерованными или литыми зубьями, и промывочный узел (см. патент РФ №2520974, кл. Ε21В 10/18, 2014 г.). РФ №2520656, кл. E21B 10/18, 2014 г.).The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a roller cone bit, including a hollow body formed by paws with inclined pins on which conical cones with oblique milled or cast teeth are mounted, and a flushing unit (see RF patent No. 2520974, cl. Ε21В 10/18, 2014). RF №2520656, class E21B 10/18, 2014).

В данном долоте, благодаря выполнению шарошек с наклонными зубьями, обеспечивается более качественная очистка забоя от шлама. Однако это касается только непосредственно призабойной зоны. Что касается дальнейшего отвода шлама в затрубное пространство, этот вопрос в известном долоте не решен. Поэтому к основным недостаткам прототипа следует отнести несовершенство его промывочной системы, что связано в первую очередь с зашламованием полости между обратными конусами шарошек в их верхнем положении и нижними торцами лап, а также в отсутствии организованного отвода шлама выше шарошек в затрубное пространство. Все это ведет к снижению как проходки на долото, так и скорости бурения.In this bit, thanks to the implementation of roller cutters with inclined teeth, a better cleaning of the face from sludge is provided. However, this applies only directly to the bottomhole zone. As for the further discharge of sludge into the annulus, this issue in the known bit has not been resolved. Therefore, the main disadvantages of the prototype should be attributed to the imperfection of its flushing system, which is primarily associated with the contamination of the cavity between the inverse cones of the cones in their upper position and the lower ends of the paws, as well as in the absence of an organized removal of sludge above the cones in the annulus. All this leads to a decrease in both penetration on the bit and the drilling speed.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота за счет улучшения эффективности очистки забоя от шлама и отвода его в затрубное пространство.In connection with the stated technical result of the invention is to increase the efficiency of the bit by improving the efficiency of cleaning the bottom of the sludge and its removal into the annulus.

Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем полый корпус, образованный лапами с наклонными цапфами, на которых установлены конические шарошки с косыми фрезерованными или литыми зубьями, и промывочный узел, согласно изобретению лапы долота выполнены с наклонными сквозными шламовыми каналами, соединяющими надшарошечную полость с затрубным пространством, промывочный узел оснащен эжекционными патрубками, выходные концы которых размещены в полости сквозных шламовых каналов, а входные концы - в полости корпуса, при этом угол наклона зубьев а по отношению к образующей шарошки и угол наклона шламового канала β по отношению к оси вращения долота связаны между собой соотношением α/β=(0,15÷0,85), где меньшее значение угла наклона шламового канала β соответствует большим значениям угла наклона зубьев α и скорости вращения долота.The technical result is achieved by the fact that in the drill cone bit, including a hollow body formed by paws with inclined pins, on which conical cones with oblique milled or cast teeth are mounted, and a flushing unit, according to the invention, the paws of the chisel are made with inclined through slurry channels connecting suprahepatic cavity with an annular space, the washing unit is equipped with ejection nozzles, the output ends of which are placed in the cavity of the through slurry channels, and the input to the ends are in the cavity of the body, while the angle of inclination of the teeth and with respect to the generatrix of the cone and the angle of inclination of the slurry channel β with respect to the axis of rotation of the bit are interconnected by the ratio α / β = (0.15 ÷ 0.85), where the smaller value the angle of inclination of the slurry channel β corresponds to large values of the angle of inclination of the teeth α and the speed of rotation of the bit.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен общий вид долота.The invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of the bit.

Буровое шарошечное долото содержит полый корпус 1, образованный соединенными между собой лапами с наклонными цапфами 2, на которых посредством подшипников установлены конические шарошки 3 с фрезерованными или литыми зубьями 4. Цапфы 2 лап параллельно смещены в плане относительно оси долота. У всех шарошек 3 зубья периферийных венцов 4 выполнены косыми, т.е. с наклоном к ее образующей под углом - α, равным 10°-35° с таким расчетом, чтобы суммарная составляющая их воздействия на гидравлическую среду была направлена от оси вращения долота к стенкам скважины, а шламовые каналы 5 в лапах выполнены под углом β к оси вращения долота, равным 40°-70°. При этом углы α и β связаны между собой следующим соотношением: α/β=(0,15÷0,85), где меньшие значения угла наклона шламового канала β соответствуют большим значениям угла наклона зубьев α и скорости вращения долота. Лапы долота выполнены со сквозными шламовыми каналами 5, выходная часть которых направлена в сторону устья скважины, а входная расположена в полости корпуса 1.The roller cone bit contains a hollow body 1, formed by interconnected paws with inclined pins 2, on which conical cones 3 with milled or cast teeth 4 are mounted by bearings. The pins 2 paws are parallel offset in plan relative to the axis of the bit. In all cones 3, the teeth of the peripheral crowns 4 are oblique, i.e. with an inclination to its generatrix at an angle - α equal to 10 ° -35 ° so that the total component of their impact on the hydraulic medium is directed from the axis of rotation of the bit to the walls of the well, and the slurry channels 5 in the paws are made at an angle β to the axis bit rotation equal to 40 ° -70 °. The angles α and β are interconnected by the following ratio: α / β = (0.15 ÷ 0.85), where smaller values of the inclination angle of the sludge channel β correspond to large values of the angle of inclination of the teeth α and the speed of rotation of the bit. The paws of the bit are made with through slurry channels 5, the outlet of which is directed towards the wellhead, and the inlet is located in the cavity of the body 1.

В процессе бурения основная часть промывочной жидкости, прокачиваемая через боковые гидромониторные узлы 10, расположенные на периферии долота, разрушают породу и разделяясь устремляется как в сторону стенок скважины и далее в межшарошечную полость 7, так и центральную часть долота. Другая часть промывочной жидкости через эжекционные патрубки 6 подается в полость сквозных каналов 5. При этом в существующих долотах часть шлама попадает в полость между обратными конусами 8 шарошек 3 и нижним торцом 9 корпуса 1, образуя шламовую пробку. Это в ряде случаев, особенно при бурении по глинистым породам, может привести к заклиниванию шарошек 3. Для исключения этого явления и более эффективного удаления шлама с забоя скважины в предложенном долоте используются шарошки 3 с определенным наклоном зубьев периферийных венцов 4, боковые грани которых создают усилие воздействия на гидравлическую среду - F, нормальная составляющая которого F_n направлена в сторону стенок скважины, а тангенциальная - F₃ направлена вдоль межзубного пространства в сторону межшарошечной полости 7 и устья скважины. При этом суммарная осевая составляющая усилия одновременного механического воздействия всех косых зубьев 4 периферийных венцов на гидравлическую среду (шлам) забоя для каждой шарошки 3 должна быть направлена в сторону от центра к периферии. С целью увеличения этого эффекта в заявленном долоте используется эжекционный эффект, создаваемый патрубками 6 и стенками сквозных шламовых каналов 5, на выходной части которых создается зона разряжения и происходит отсос шлама из зон между обратными конусами 8 шарошек 3, стенками скважины и надшарошечного пространства.During drilling, the main part of the flushing fluid pumped through the lateral hydromonitor units 10 located on the periphery of the bit destroys the rock and separates, rushes both towards the walls of the well and further into the inter-cone cavity 7, and the central part of the bit. Another part of the washing liquid through the ejection nozzles 6 is fed into the cavity of the through channels 5. At the same time, in the existing bits, a part of the sludge enters the cavity between the return cones 8 of the roller cutters 3 and the lower end 9 of the housing 1, forming a sludge plug. This in some cases, especially when drilling on clay rocks, can lead to jamming of cones 3. To eliminate this phenomenon and more efficiently remove cuttings from the bottom of the well, the proposed bit uses cones 3 with a certain inclination of the teeth of the peripheral crowns 4, the lateral faces of which create a force exposure to hydraulic fluid - F, the normal component F _n which is directed toward the borehole wall, and tangential - F ₃ directed along the interdental space toward mezhsharoshechnoy cavity 7 and the mouth of the borehole zhiny. In this case, the total axial component of the simultaneous mechanical impact of all the oblique teeth of 4 peripheral crowns on the hydraulic medium (sludge) of the face for each cone 3 should be directed away from the center to the periphery. In order to increase this effect, the claimed bit uses the ejection effect created by the nozzles 6 and the walls of the through slurry channels 5, on the output part of which a rarefaction zone is created and the slurry is sucked from the zones between the inverse cones 8 of the cone 3, the walls of the borehole and the above-conical space.

Принцип работы бурового долота заключается в следующем. При вращении долота шарошки 3 перекатываются с одновременным проскальзыванием по поверхности забоя и разрушают породу под воздействием осевой нагрузки и крутящего момента. Выполнение долота с косыми зубьями 4 и снабжение его эжекционными приспособлениями для каждой лапы с шарошкой 3 способствует повышению эффективности разрушения горных пород с одной стороны за счет проскальзывания зубьев 4 относительно забоя, а с другой стороны - за счет организованного отвода шлама в затрубное пространство. Особенно это касается пластичных пород. Разрушенная порода, благодаря выполнению периферийных венцов шарошек 3 с зубьями 4, имеющими наклон относительно образующей шарошки 3 при выходе зубьев 4 из контакта с поверхностью забоя направляется в сторону периферии (направление движения потока показано на чертеже стрелками). Там она подхватывается промывочной жидкостью и наклонными зубьями 4, которые, выполняя функцию шнековых лопастей, подают обогащенную шламом промывочную жидкость через межшарошечную полость 7 в затрубное пространство и далее на поверхность. Этому способствует также создаваемый патрубками 6 эжекционный эффект. При этом, благодаря выполнению шарошек 3 с одинаковым наклоном основных рабочих поверхностей зубьев 4 для выноса шлама, исключается создание на забое турбулентных потоков, что в свою очередь гарантирует равномерное удаление шлама с забоя скважины и исключает образование шламовых пробок как во внутренней надшарошечной зоне долота, так и в зоне встречных потоков, образованных нисходящими струями гидромониторных насадок и основным восходящим потоком. Это позволяет существенно интенсифицировать процесс удаление разрушенной породы из зоны работы вооружения долота и избежать повторного измельчения шлама, тем самым уменьшить износ вооружения, а следовательно увеличить проходку на долото и повысить механическую скорость бурения.The principle of operation of the drill bit is as follows. When the bit is rotated, the cone 3 rolls with simultaneous slipping over the face surface and destroys the rock under the influence of axial load and torque. Performing a bit with oblique teeth 4 and supplying it with ejection devices for each paw with cone 3 helps to increase the efficiency of rock destruction on the one hand due to the sliding of teeth 4 relative to the face, and on the other hand due to the organized removal of sludge into the annulus. This is especially true of ductile rocks. The destroyed rock, due to the implementation of the peripheral crowns 3 cones with teeth 4, having an inclination relative to the generatrix cone 3 when the teeth 4 come out of contact with the surface of the face is directed towards the periphery (the direction of flow is shown in the drawing by arrows). There, it is picked up by the flushing fluid and the inclined teeth 4, which, acting as auger blades, feed the flushing fluid enriched with sludge through the inter-cone cavity 7 into the annulus and then to the surface. This is also facilitated by the ejection effect created by the nozzles 6. Moreover, due to the implementation of the cone 3 with the same inclination of the main working surfaces of the teeth 4 for the removal of sludge, the formation of turbulent flows on the bottom is eliminated, which in turn guarantees uniform removal of sludge from the bottom of the well and eliminates the formation of sludge plugs in the inner supra-cone zone of the bit, and in the zone of oncoming flows formed by the descending jets of the hydraulic nozzles and the main upward flow. This allows you to significantly intensify the process of removing the destroyed rock from the zone of operation of the armament of the bit and to avoid re-grinding the sludge, thereby reducing wear on the weapons, and therefore increase the penetration of the bit and increase the mechanical drilling speed.

Таким образом, предложенное долото благодаря более качественной очистке забоя от шлама позволяет повысить эффективность работы долота, а именно увеличить проходку на долото и механическую скорость бурения.Thus, the proposed bit due to better cleaning of the bottom of the sludge can improve the efficiency of the bit, namely to increase the penetration of the bit and the mechanical drilling speed.

Claims

A cone drill bit including a hollow body formed by paws with inclined pins, on which conical cones with oblique milled or cast teeth are installed, and a flushing unit, characterized in that the paws of the chisel are made with inclined through slurry channels connecting the suprahepatic cavity with the annulus, and the central part of the bit is equipped with ejection nozzles, the output ends of which are placed in the cavity of the through slurry channels, and the input ends are in the cavity of the bit body, while the angle of the tooth bore α with respect to the cone forming element and the angle of inclination of the slurry channel β with respect to the axis of rotation of the bit are interconnected by the ratio α / β = (0.15 ÷ 0.85), where a smaller value of the angle of inclination of the slurry channel β corresponds to large values of the angle tooth tilt α and bit rotation speed.