RU2768306C1

RU2768306C1 - Pdc drill bit with dampers for rotary cutters

Info

Publication number: RU2768306C1
Application number: RU2021116863A
Authority: RU
Inventors: Родион Михайлович Богомолов
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-03-23

Abstract

FIELD: drilling of soil or rocks.

SUBSTANCE: invention relates to a tool for drilling deep wells for oil and gas. Drill bit comprises steel body with protruding blades, flushing assemblies located in slots between blades, nipple part with thread for connection to drill string, holes on surfaces of blades with rotary PDC diamond cutters arranged in them. Between the PDC cutter end and the hole bottom there is a flat damper of mechanical type with thickness "a" in the unclamped state, "b" in the maximally compressed state, as well as with amplitude "c" of maximum possible axial displacement of PDC cutter at compression of damper. On the side surface of each hard-alloy substrate of the PDC cutter at distance of 1 from its end there is an annular groove with a semicircular cross section with radius R3 and total depth D2. On the wall of each hole for PDC cutter at distance L1 from its bottom there is an annular groove with width of 11 semi-oval cross section with radius roundings on sides of groove R1 and R2 equal to R3, and total depth D1. Both annular grooves form a joint annular cavity, into which through a round mounting hole outside the blade a floating annular steel stopper of round cross section with a diameter corresponding to the diameter of the mounting hole "d" is inserted with a gap, pointed at one end and flat at the other, limited in length after installation by central angle "e" relative to its axis. Constant moment of rotation of PDC cutters relative to their axes is provided by setting planes of their cutting edges at acute angle "h" relative to plane passing through center of plane of cutting edges of plate and axis of bit, clockwise or counterclockwise.

EFFECT: increased durability and performance of the bit.

1 cl, 6 dwg

Description

В последние годы широкое применение во всем мире получили бесшарошечные долота режущего типа PDC (POLYCRISTALLINE DIAMOND CUTTER), оснащенные пластинами, выращенными из мелкого алмазного порошка при нагреве до 3000 градусов по Фаренгейту и шестиосном давлении прессов усилием порядка 1 млн. фунтов на квадратный дюйм за время около одних суток. Получаемый в итоге единичный кристалл не имеет межкристаллических внутренних границ между отдельными кристаллами алмаза, наличие которых резко снижало прочностные свойства обычных алмазных пластин в резцах алмазных долот.In recent years, coneless bits of the PDC (POLYCRISTALLINE DIAMOND CUTTER) cutting type, equipped with plates grown from fine diamond powder when heated to 3000 degrees Fahrenheit and six-axis pressure of presses with a force of about 1 million pounds per square inch for a time, have been widely used around the world. about one day. The resulting single crystal does not have intercrystalline internal boundaries between individual diamond crystals, the presence of which sharply reduced the strength properties of conventional diamond plates in the cutters of diamond bits.

Оснащенные режущими алмазными пластинами, резцы PDC получили уникальные породоразрушающие свойства, многократно повысившие показатели бурения различных типов долот, применяемых для бурения малоабразивных пород, от самых мягких до твердых. Уникальные по сложности технологические условия получения единичных кристаллов алмаза, значительно ограничивают их геометрические размеры. Применяемые для изготовления буровых долот PDC алмазные режущие пластины ограничены по диаметрам (от 8 до 24 мм) и по толщине (1,5 до 2,5 мм). Такие пластины привариваются или припаиваются на твердосплавные цилиндрические основания - подложки, одинакового диаметра с алмазными пластинами, вместе с которыми готовые резцы PDC закрепляются в отверстиях на теле выступающих лопастей корпуса долота.Equipped with diamond-cutting inserts, PDC cutters have unique rock-breaking properties that greatly increase the drilling performance of various types of bits used for drilling low-abrasive formations, from the softest to the hardest. The technological conditions, unique in complexity, for obtaining single diamond crystals significantly limit their geometric dimensions. The diamond cutting inserts used for the manufacture of PDC drill bits are limited in diameter (from 8 to 24 mm) and in thickness (1.5 to 2.5 mm). Such inserts are welded or soldered onto hard-alloy cylindrical bases - substrates of the same diameter with diamond inserts, together with which the finished PDC cutters are fixed in holes on the body of the protruding blades of the bit body.

Алмазные пластины для резцов PDC, как и твердосплавная подложка, могут выдерживать очень большую сжимающую нагрузку, а также значительный перегрев (порядка 1000 градусов Цельсия) во время бурения. Однако, гораздо хуже они воспринимают непрерывные циклические ударные нагрузки. Поэтому для крепления резцов PDC в отверстиях лопастей не применяют традиционный способ запрессовки твердосплавных зубков с помощью многотонного прессового усилия, а закрепляют их с помощью пайки при щадящей алмазную пластину температуре (не более 650 градусов Цельсия), на припое ПСР на серебряной основе.Diamond inserts for PDC cutters, like carbide substrates, can withstand very high compressive loads, as well as significant overheating (of the order of 1000 degrees Celsius) during drilling. However, they perceive continuous cyclic shock loads much worse. Therefore, to fasten PDC cutters in the holes of the blades, the traditional method of pressing hard-alloy teeth with the help of a multi-ton press force is not used, but they are fixed by soldering at a temperature that is gentle on the diamond plate (no more than 650 degrees Celsius), on PSR solder on a silver basis.

Известно долото с алмазными резцами [1] («Алмазное долото», линия «FD». КАТАЛОГ буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003, С 34 -37), принятое в качестве аналога в нашей заявке. Внедрение долот такого типа в мировую практику бурения обеспечило получение очень большого экономического эффекта.Known bit with diamond cutters [1] ("Diamond bit", line "FD". CATALOG drill bits JSC "Volgaburmash", 2003, C 34 -37), adopted as an analogue in our application. The introduction of bits of this type into the world drilling practice has provided a very large economic effect.

Однако, у этого аналога имеются слабые стороны. Замена трения качения шарошек по забою на трение резания при разрушении породы, потребовало прменения многократно большего крутящего момента для вращения долота, а значит необходимости закупки более мощного бурового оборудования. Зубья шарошек при их перекатывании по забою, успевают между циклами внедрения в породу охладиться и «отдохнуть», а резцы долота PDC работают при непрерывном, постоянном контакте с породой, перегреваясь от абразивного контакта резания.However, this analog has weaknesses. Replacing the rolling friction of cutters along the bottom with cutting friction during the destruction of the rock required the application of a much larger torque to rotate the bit, which means the need to purchase more powerful drilling equipment. The teeth of the cutters, when rolling along the bottom, have time to cool and “rest” between the cycles of penetration into the rock, and the cutters of the PDC bit work in continuous, constant contact with the rock, overheating from the abrasive cutting contact.

Известно другое долото PDC [2] («Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой», патент США №6298930, кл Е21B 10/46, 2001.), принятое за второй аналог нашей заявки.Another PDC bit [2] is known (“Drill bit with controlled depth of cut and load”, US patent No. 6298930, class E21B 10/46, 2001.), taken as the second analogue of our application.

В этом долоте сделана попытка увязать глубину резания за один оборот долота при работе на забое с параметрами бурения - осевой нагрузкой, числом оборотов и контактной поверхностью резцов PDC.In this bit, an attempt was made to link the depth of cut per one revolution of the bit when working at the bottom with drilling parameters - axial load, number of revolutions and the contact surface of the PDC cutters.

Решения, предлагаемые в этом патенте, применимы только для определенных, конкретных по твердости пород и не стали универсальными для большого количества различных по твердости пород, проходимых за один спуск долотами PDC.The solutions proposed in this patent are applicable only to certain hardness-specific formations and have not become universal for a large number of different hardness formations that are passed in one run by PDC bits.

Известно другое долото PDC [3] («Алмазное долото с механическим креплением резцов», патент РФ №2536901 кл. Е21В 10/573, кл. F21С 35/197, 2014), принятое за третий аналог нашей заявки.Another PDC bit is known [3] (“Diamond bit with mechanically fastened cutters”, RF patent No. 2536901 class E21B 10/573, class F21C 35/197, 2014), taken as the third analogue of our application.

В этом аналоге повышение показателей работы долота достигается за счет ремонтопригодности и последующих применений отремонтированных долот после замены положения изношенного или сколовшегося участка режущей кромки резца PDC в условиях непосредственно на буровой, при исключении их сбора и доставки на завод - изготовитель и при исключении дополнительных циклов нагрева при распайке и новой запайке при замене резца. Это позволяет повысить общую стойкость режущей кромки резца PDC и показатели работы долота.In this analogue, the increase in the performance of the bit is achieved due to the maintainability and subsequent applications of the repaired bits after replacing the position of the worn or chipped section of the cutting edge of the PDC cutter in conditions directly at the drilling rig, with the exclusion of their collection and delivery to the manufacturer and with the exclusion of additional heating cycles during desoldering and new sealing when replacing the cutter. This improves the overall edge life of the PDC cutter and improves bit performance.

Однако, во всех трех вышеуказанных аналогах нашей заявки предусмотрены варианты неподвижного закрепления резцов PDC, при которых в контакте с породой забоя непрерывно находится только небольшая часть длины кольцевой режущей кромки (порядка 10-15%), воспринимающая нагрузку в течение всего времени бурения долотом, а остальная часть режущей кромки (порядка 85%) в разрушении породы не участвует, а поэтому не изнашивается.However, in all three of the above analogues of our application, options for fixed fixing of PDC cutters are provided, in which only a small part of the length of the annular cutting edge (about 10-15%) is continuously in contact with the bottomhole rock (about 10-15%), which perceives the load during the entire time of drilling with a bit, and the rest of the cutting edge (about 85%) does not participate in the destruction of the rock, and therefore does not wear out.

В 2013 году, фирма «Смит Битс», входящая в состав корпорации «Шлюмберже», США, опубликовала на русском языке рекламную презентацию для российских буровиков. Один из ее разделов - [4] («Новая революция в долговечности резцов PDC». Компания «Смит Битс», США, корпорация «Шлюмберже», 2013 г.)In 2013, Smith Beats, part of the Schlumberger Corporation, USA, published an advertising presentation in Russian for Russian drillers. One of its sections is [4] (“A new revolution in the durability of PDC cutters”. Smith Beats, USA, Schlumberger Corporation, 2013)

В презентации сообщалось о создании вращающегося резца PDC в долотах, представляемых этой фирмой - ONIX 360. Число 360 в обозначении долота соответствует возможности непрерывного поворота режущей кромки резца PDC вокруг своей оси - на все 360 градусов. В презентации практически отсутствуют конкретные конструктивные признаки, обеспечивающие осуществление такого вращения резца во время бурения, но в ней упомянуто о значительных преимуществах схемы, при которой нагружению подвергается не отдельный ограниченный участок длины режущей кромки резца, а вся целиком кромка. В презентации сообщается, что применение долот ONIX - 360, обеспечило значительное повышение средней проходки. Это долото принято в нашей заявке в качестве прототипа.The presentation reported on the creation of a rotating PDC cutter in the bits presented by this company - ONIX 360. The number 360 in the designation of the bit corresponds to the possibility of continuous rotation of the cutting edge of the PDC cutter around its axis - all 360 degrees. The presentation practically lacks specific design features that ensure the implementation of such rotation of the cutter during drilling, but it mentions the significant advantages of the scheme, in which not a separate limited section of the length of the cutting edge of the cutter, but the entire edge is subjected to loading. The presentation reported that the use of ONIX - 360 bits provided a significant increase in average penetration. This bit is accepted in our application as a prototype.

Однако, наряду со значительным повышением общих показателей работы долота с вращающимися резцами, в бурении выявилось новое отрицательное свойство - снизилась ударная вязкость алмазных пластин и твердосплавных подложек. Это явление связано с тем, что при ранее применявшемся способе неподвижного закрепления резцов PDC с помощью пайки, зазоры между стенками отверстий под резец и самим резцом отсутствовали. Зазоры были заполнены припоем. Это исключало ударный контакт между ними.However, along with a significant increase in the overall performance of the bit with rotating cutters, a new negative feature was revealed in drilling - the impact strength of diamond inserts and carbide substrates decreased. This phenomenon is due to the fact that with the previously used method of fixed fixing of PDC cutters by soldering, there were no gaps between the walls of the holes for the cutter and the cutter itself. The gaps were filled with solder. This ruled out shock contact between them.

При креплении вращающегося варианта резца наличие зазоров между стенками и дном отверстий и боковыми поверхностями и торцами резцов PDC неизбежно. Наличие этих зазоров также неизбежно приводит к огромному количеству мгновенных тяжелых ударных контактов при выборке этих зазоров при непрерывных продольных и поперечных колебаниях бурильной колонны, при встречах кромок резцов с крупными выступами забойной рейки, при встрече с более крепкими пропластками пород.When mounting a rotating version of the cutter, the presence of gaps between the walls and bottom of the holes and the side surfaces and ends of the PDC cutters is inevitable. The presence of these gaps also inevitably leads to a huge number of instantaneous heavy impact contacts when sampling these gaps with continuous longitudinal and transverse vibrations of the drill string, when the cutter edges meet with large projections of the bottomhole rail, when they meet with stronger rock interlayers.

Возникшее снижение ударной вязкости резцов значительно сдерживает на практике внедрение в бурение в нашей стране и за рубежом долот PDC с вращающимися резцами.The resulting decrease in the impact strength of cutters significantly hinders the introduction of PDC bits with rotating cutters into drilling in our country and abroad.

Целью настоящего изобретения является повышение стойкости резцов и показателей работы долот PDC с вращающимися резцами.The purpose of the present invention is to improve the durability of cutters and performance of PDC bits with rotating cutters.

Эта цель достигается тем, что предлагаемое долото включает стальной корпус с выступающими лопастями, промывочными узлами, расположенными между лопастями, ниппельной частью с резьбой для присоединения к бурильной колонне, отверстиями на поверхностях лопастей с размещенными в них алмазными резцами PDC диаметром D; между торцом резца PDC и дном отверстия под него установлен плоский демпфер механического типа, толщиной «а» в разжатом состоянии, «в» в максимально сжатом состоянии, и «с» - с максимальной амплитудой возможного осевого перемещения резца при сжатии демпфера; на боковой поверхности каждой твердосплавной подложки резца на расстоянии 1 от его торца выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения радиусом R3 и общей глубиной D2, а на стенке каждого отверстия под резец на расстоянии L1 от дна отверстия, выполнена кольцевая канавка полуовального поперечного сечения глубиной и с радиусными скруглениями R1 и R2 по бокам канавки, равными по величине радиусу R3, шириной канавки 1 1 = 2R1 + «с» и общей глубиной D1; обе кольцевые канавки - и на твердосплавной подложке резца PDC и на стенке отверстия под него, образуют совместную кольцевую полость, в которую через круглое монтажное отверстие диаметром «d» снаружи лопасти введен, по посадке с зазором, плавающий кольцевой стальной стопор круглого поперечного сечения диаметром, соответствующим диаметру монтажного отверстия «d», заостренный с одного конца и плоский с другого, ограниченный по длине после установки центральным углом «е»; постоянный момент вращения резцов PDC относительно их осей обеспечивается установкой плоскости их режущих кромок, касающихся породы на забое, под наклоном относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом «з» по часовой стрелке или против нее; на входе монтажного отверстия для установки стального кольцевого стопора может устанавливаться защитная крышка; границы расположения и габариты демпфера, кольцевых канавок полукруглого и полуовального поперечного сечения, монтажного отверстия, плавающего стального кольцевого стопора, связаны следующими соотношениями: R 1 = R 2 = R3; D1 = D + 2R1; D2 = D - 2R1; L1 = l + a; L2 = 1 + в; 1 1 = 2R1 + с; с = а - в е = 290 - 300 градусов; з = 5 - 15 градусовThis goal is achieved in that the proposed bit includes a steel body with protruding blades, flushing units located between the blades, a nipple part with a thread for attaching to the drill string, holes on the surfaces of the blades with PDC diamond cutters with a diameter D placed in them; between the end face of the PDC cutter and the bottom of the hole under it, a flat damper of a mechanical type is installed, with a thickness "a" in the expanded state, "b" in the maximum compressed state, and "c" - with the maximum amplitude of the possible axial movement of the cutter when the damper is compressed; on the side surface of each carbide substrate of the cutter at a distance of 1 from its end, an annular groove of a semicircular cross section with a radius R3 and a total depth of D2 is made, and on the wall of each hole for the cutter at a distance L1 from the bottom of the hole, an annular groove of a semioval cross section is made with a depth and with radius roundings R1 and R2 on the sides of the groove, equal in size to the radius R3, the width of the groove 1 1 = 2R1 + "c" and the total depth D1; both annular grooves - both on the carbide substrate of the PDC cutter and on the wall of the hole under it, form a joint annular cavity, into which, through a round mounting hole with a diameter "d" from the outside of the blade, a floating annular steel stopper of a round cross section with a diameter corresponding to the diameter of the mounting hole "d", pointed at one end and flat at the other, limited in length after installation by the central angle "e"; a constant moment of rotation of the PDC cutters relative to their axes is ensured by setting the plane of their cutting edges, touching the rock at the bottom, at an inclination relative to the plane passing through the center of the plate and the axis of the bit at an acute angle "z" clockwise or counterclockwise; a protective cover can be installed at the inlet of the mounting hole for installing a steel ring stopper; the boundaries of the location and dimensions of the damper, annular grooves of semicircular and semi-oval cross-section, mounting holes, floating steel annular stopper, are related by the following relationships: R 1 = R 2 = R3; D1 = D + 2R1; D2 = D - 2R1; L1 = l + a; L2 = 1 + in; 1 1 = 2R1 + s; c \u003d a - in e \u003d 290 - 300 degrees; h \u003d 5 - 15 degrees

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙLIST OF DRAWINGS

Изобретение поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает общий вид долота PDC, фиг. 2 - вид долота снизу, фиг. 3 - увеличенный узел с поперечным сечением Б - Б со схемой установки стопорного стержня, фиг. 4 -тот же узел с вариантом установки крышки входного отверстия под плавающий кольцевой стальной стопорный стержень, фиг. 5 - схему положения демпфера и стопорного стержня в разжатом состоянии, фиг. 6 - схему положения демпфера и стопорного стержня в сжатом состоянии.The invention is illustrated by drawings, in which FIG. 1 shows a general view of the PDC bit, FIG. 2 is a bottom view of the bit, FIG. 3 - an enlarged assembly with a cross section B - B with a diagram of the installation of the locking rod, fig. 4 - the same node with the option of installing the inlet cover under the floating annular steel locking rod, fig. 5 is a diagram of the position of the damper and the locking rod in the expanded state, FIG. 6 is a diagram of the position of the damper and the locking rod in a compressed state.

На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - корпус долота, 2 - резцы PDC, 3 -резцы, защищающие долото от потери диаметра, 4 - лопасть корпуса, 5 - полости для обеспечения промывки забоя от шлама, 6 - пазы на корпусе для «свинчивания - развинчивания» долота при его креплении, 7 - коническая резьба для присоединения долота к бурильной колонне.In FIG. 1 positions are marked: 1 - bit body, 2 - PDC cutters, 3 - cutters that protect the bit from loss of diameter, 4 - body blade, 5 - cavities to ensure bottom hole cleaning from cuttings, 6 - grooves on the body for "make-up and break-out" bits during its fastening, 7 - conical thread for connecting the bit to the drill string.

На фиг. 2 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1, а также новыми позициями обозначены: 8 - промывочные узлы, 9 - крышки монтажных отверстий для установки стопорных устройств для резцов PDC, а также направление сечения А - А, проходящего через плоскость симметрии одного из резцов PDCIn FIG. 2 the elements shown in FIG. 1, as well as new positions are indicated: 8 - flushing units, 9 - covers of mounting holes for installing locking devices for PDC cutters, as well as the direction of the section A - A passing through the symmetry plane of one of the PDC cutters

На фиг. 3 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1 и 2, а также новыми позициями обозначены: 10 - плавающий кольцевой стальной стопорный стержень, 11 - радиальная кольцевая канавка полуовального поперечного сечения на стенке отверстия под установку резца PDC, 12 - радиальная кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения на твердосплавной подложке резца 2., 13 - оправка для монтажа плавающего кольцевого стального стопорного стержня 10, 14 - заостренный заходной конец стержня 10, а 15 - плоский торец этого стопорного стерня, D 1 - наружный диаметр кольцевой канавки полуовального поперечного сечения на стенке отверстия в лопасти 4 под резец PDC, D2 - внутренний диаметр кольцевой канавки полукруглого поперечного сечения на стенке твердосплавной подложки.In FIG. 3 the elements shown in FIG. 1 and 2, as well as new positions: 10 - floating annular steel locking rod, 11 - radial annular groove of semi-oval cross section on the wall of the hole for installing the PDC cutter, 12 - radial annular groove of semicircular cross section on the carbide substrate of the cutter 2., 13 - a mandrel for mounting a floating annular steel locking rod 10, 14 - a pointed lead-in end of the rod 10, and 15 - a flat end of this locking rod, D 1 - the outer diameter of the annular groove of a semi-oval cross-section on the wall of the hole in the blade 4 for the PDC cutter, D2 - inner diameter of an annular groove with a semicircular cross-section on the wall of a carbide substrate.

На фиг. 4 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1, 2, 3, а также позициями обозначены: 16 - отверстия для установки стопорного стержня 10, 17 - зазор между цилиндрическими поверхностями резца PDC и стенкой отверстия под него, 18 - упорная ступенька на крышке 9, угол «е», ограничивающий длину дуги, созданной установленным плавающим кольцевым стальным стопорным стержнем 10.In FIG. 4, the same positions indicate the elements shown in the previous figures 1, 2, 3, and also the positions indicate: 16 - holes for installing the locking rod 10, 17 - the gap between the cylindrical surfaces of the PDC cutter and the wall of the hole for it, 18 - the thrust step on cover 9, angle "e", limiting the length of the arc created by the installed floating annular steel locking rod 10.

На фиг. 5 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1, 2, 3, 4, а также позициями обозначены: 19 - полуовальное поперечное сечение радиальной канавки 11, 20 - дно отверстия под резец 2, 21 - торец резца 2, 22 - наружная поверхность твердосплавной подложки, 23 - боковая поверхность отверстия под резец, 24 - демпфер в ненагруженном состоянии, буквой 1 обозначено расстояние от плоскости симметрии по сечению Б - Б радиальной кольцевой канавки 12 радиусом R3 полукруглого поперечного сечения до торца 21 резца 2, буквой L 1 обозначено расстояние от плоскости симметрии по сечению Б - Б радиальной кольцевой канавки полукруглого поперечного сечения 12 до дна отверстия 20 под резец 2, буквой «а» обозначена толщина демпфера в ненагруженном состоянии, буквой «с» обозначена величина возможного осевого перемещения резца 2 при максимально сжатом состоянии демпфера, буквой D обозначен диаметр резца 2 PDC, буквой D 1 обозначен внутренний диаметр по глубине кольцевой канавки полуовального поперечного сечения, буквами R1 и R2 обозначены боковые радиусы скругления полуовального поперечного сечения 19, а буквой «d» обозначен диаметр плавающего кольцевого стального стопорного стержня 10.In FIG. 5, the same positions indicate the elements shown in the previous figures 1, 2, 3, 4, and also the positions indicate: 19 - semi-oval cross-section of the radial groove 11, 20 - bottom of the hole for the cutter 2, 21 - end face of the cutter 2, 22 - outer surface of the carbide substrate, 23 - side surface of the hole for the cutter, 24 - damper in an unloaded state, the letter 1 indicates the distance from the plane of symmetry along the section B - B of the radial annular groove 12 with a radius R3 of a semicircular cross section to the end face 21 of the cutter 2, the letter L 1 is indicated distance from the plane of symmetry along the section B - B of the radial annular groove of a semicircular cross-section 12 to the bottom of the hole 20 for the cutter 2, the letter "a" indicates the thickness of the damper in the unloaded state, the letter "c" indicates the value of the possible axial movement of the cutter 2 at the maximum compressed state damper, the letter D indicates the diameter of the cutter 2 PDC, the letter D 1 indicates the inner diameter along the depth of the annular groove of the half shaped cross-section, the letters R1 and R2 denote the lateral radii of the semi-oval cross-section 19, and the letter "d" denotes the diameter of the floating annular steel locking rod 10.

На фиг. 6 теми же позициями обозначены элементы, показанные на предыдущих фигурах 1, 2, 3, 4, 5, а также позициями обозначены: 25 - демпфер в максимально сжатом состоянии, буквой D2 обозначен внутренний диаметр по глубине кольцевой канавки полукруглого поперечного сечения на твердосплавной подложке резца 2 PDC, буквой «в» обозначена толщина демпфера в максимально сжатом состоянии, l 1 - ширина кольцевой канавки 11 полуовального поперечного сечения.In FIG. 6, the same positions indicate the elements shown in the previous figures 1, 2, 3, 4, 5, and also the positions are indicated: 25 - damper in the most compressed state, the letter D2 indicates the inner diameter along the depth of the annular groove of a semicircular cross-section on the carbide substrate of the cutter 2 PDC, the letter "c" denotes the thickness of the damper in the most compressed state, l 1 - the width of the annular groove 11 of a semi-oval cross section.

Для исключения препятствий постоянному вращению плавающего резца PDC во время бурения и уменьшения трения при контакте элементов узла друг с другом, необходимо выполнить следующие условия. В качестве материала для изготовления плавающего кольцевого стального стопорного стержня необходимо применять пластичную сталь с минимальным содержанием углерода, например ст. 10. Такой пластичный материал облегчает вхождение стержня в торовидное кольцевое пространство, образованное обеими кольцевыми канавками 11 и 12, а также обеспечивает постоянство сохранения его в виде изогнутой части кольца в течение всего времени бурения. Чтобы исключить возможность контакта плавающего кольцевого стального стопорного стержня с монтажной оправкой, его длина не должна превышать длину, ограниченную центральным углом в пределах е = 290 - 300 градусов. Для беспрепятственного вхождения в монтажное отверстие со стороны поверхности лопасти, плавающий кольцевой стальной стопорный стержень должен быть с одной стороны заостренным, а с другой плоским, удобным для упора в него монтажной оправки. Его размер по диаметру должен обеспечивать необходимый зазор для посадки движения при монтаже и при расположении внутри кольцевого пространства во время вращения резца PDC. Плоскости режущих кромок алмазных пластин резцов PDC, касающиеся забоя, должны быть наклонены относительно плоскости, проходящей через центр пластины и ось долота под острым углом «з», в рекомендуемых пределах, например от 5 до 15 градусов по часовой стрелке или против нее. Силы трения, возникающие при проскальзывании наклоненных кромок резцов по забою, обеспечивают необходимый принудительный момент для вращения резцов относительно их осей, а значит и резание породы на забое всей длиной режущей кромки алмазной пластины. Для защиты полости плавающего кольцевого стального стопорного замкового устройства от попадания шлама, может использоваться любой известный вариант выполнения защитной крышки для входного отверстия и ее крепления, например со ступенчатым козырьком с применением сварки, как показано на фиг. 4.To eliminate obstacles to the constant rotation of the PDC floating cutter during drilling and reduce friction when the elements of the node come into contact with each other, the following conditions must be met. As a material for the manufacture of a floating annular steel locking rod, it is necessary to use ductile steel with a minimum carbon content, for example, Art. 10. Such a plastic material facilitates the entry of the rod into the toroidal annular space formed by both annular grooves 11 and 12, and also ensures that it remains in the form of a bent part of the ring during the entire drilling time. To exclude the possibility of contact of the floating annular steel stop rod with the mounting mandrel, its length should not exceed the length limited by the central angle in the range e = 290 - 300 degrees. For unobstructed entry into the mounting hole from the side of the blade surface, the floating annular steel locking rod must be pointed on one side, and flat on the other, convenient for mounting mandrel to rest in it. Its diameter size should provide the necessary clearance to fit movement during installation and when located inside the annular space during rotation of the PDC cutter. The planes of the cutting edges of the diamond inserts of PDC cutters that touch the bottom should be inclined relative to the plane passing through the center of the insert and the axis of the bit at an acute angle "z", within the recommended limits, for example, from 5 to 15 degrees clockwise or counterclockwise. The friction forces arising from the slipping of the inclined edges of the cutters along the bottom provide the necessary forced moment for the rotation of the cutters relative to their axes, and hence the cutting of the rock at the bottom of the entire length of the cutting edge of the diamond plate. To protect the cavity of the floating annular steel locking device from the ingress of sludge, any known embodiment of the protective cover for the inlet and its fastening, for example with a stepped canopy using welding, can be used, as shown in Fig. 4.

Наличие совместного кольцевого пространства, образованного кольцевыми канавками полуовального и полукруглого поперечного сечения при установленном кольцевом стальном стопорном замковом стержне позволяет резцу PDC свободно вращаться вокруг своей оси, а при возникновении внезапной ударной нагрузки на него во время бурения дополнительно переместиться вдоль этой оси и сжать механический демпфер, снижающий мгновенные ударные и вибрационные нагрузки.The presence of a joint annular space formed by annular grooves of semi-oval and semi-circular cross-section with an annular steel locking locking rod installed allows the PDC cutter to freely rotate around its axis, and in the event of a sudden shock load on it during drilling, it will additionally move along this axis and compress the mechanical damper, reducing instantaneous shock and vibration loads.

В качестве такого механического демпфера, предлагается использовать, например, плоскую форму в виде «таблетки», умещающейся в пространстве между торцом 21 резца 2 и дном 20 отверстия под резец, выполненной из любого эластичного материала, (например резины), способного воспринимать и демпфировать ударную нагрузку.As such a mechanical damper, it is proposed to use, for example, a flat shape in the form of a “tablet” that fits in the space between the end face 21 of the cutter 2 and the bottom 20 of the cutter hole, made of any elastic material (for example, rubber) that can perceive and dampen shock load.

В отечественной и зарубежной практике бурения освоены и успешно используются наддолотные амортизаторы (забойные демпферы), устанавливаемые в составе бурильной колонны между долотом и УБТ для гашения продольных и поперечных колебаний, возникающих при работе долота на забое скважины [5] (А.Г.Калинин, «Бурение нефтяных и газовых скважин», учебник для Высшей школы, ЦентрЛитНефтеГаз. М., 2008, с. 116, 266-267.In domestic and foreign drilling practice, near-bit shock absorbers (bottomhole dampers) have been mastered and successfully used, which are installed as part of the drill string between the bit and drill collar to dampen longitudinal and transverse vibrations that occur when the bit is operating at the bottom of the well [5] (A.G. Kalinin, "Drilling oil and gas wells", textbook for the Higher School, TsentrLitNefteGaz, Moscow, 2008, pp. 116, 266-267.

Энергоемкость демпфирующего устройства определяется наибольшим количеством потенциальной энергии, которую может аккумулировать упругий элемент демпфера, Под демпфирующей способностью понимается доля необратимо поглощенной энергии. Некоторые сорта технической резины за цикл могут поглощать 40 - 70 процентов энергии. Материал, толщина и диаметральные размеры рекомендуемых плоских демпферов для различных по диаметру резцов долот PDC для бурения различных по твердости пород, должны подбираться индивидуально.The energy intensity of the damping device is determined by the largest amount of potential energy that can be accumulated by the elastic element of the damper. The damping capacity is understood as the proportion of irreversibly absorbed energy. Some grades of technical rubber can absorb 40 to 70 percent of energy per cycle. The material, thickness and diametrical dimensions of the recommended flat dampers for PDC bits of various diameters for drilling rocks of various hardness should be selected individually.

Установка плавающего кольцевого стального стопорного стержня 10 в кольцевой торовидный канал, образованный обеими кольцевыми канавками 11 и 12, осуществляется следующим образом. Как уже упоминалось выше, для изготовления стержня 10 выбирается малоуглеродистая сталь. В зависимости от габаритов резца PDC, для которого изготавливается стопорный стержень, назначаются его размеры, а также необходимые размеры для выполнения обоих кольцевых канавок 11, 12 и входного отверстия для монтажа стопорного стержня 10. Для удобства монтажа стержня 10, его заходный конец должен иметь плавную антизадирную форму, а противоположный конец - плоскую форму, обеспечивающую максимальный упор торцу монтажной оправки 13, при ударах по которой происходит процесс изгиба стержня 10. При этом свойства выбранного материала обеспечивают постоянство сохранения полученной изогнутой круглой формы в течение всего времени работы резца.Installation of the floating annular steel locking rod 10 in the annular toroidal channel formed by both annular grooves 11 and 12 is carried out as follows. As mentioned above, mild steel is selected for the manufacture of the rod 10. Depending on the dimensions of the PDC cutter for which the locking rod is made, its dimensions are assigned, as well as the necessary dimensions for making both annular grooves 11, 12 and the inlet for mounting the locking rod 10. For ease of mounting the rod 10, its lead end must have a smooth anti-seize shape, and the opposite end - a flat shape, providing maximum support to the end face of the mounting mandrel 13, upon impact on which the process of bending the rod 10 occurs. At the same time, the properties of the selected material ensure the constancy of maintaining the resulting curved round shape during the entire time of operation of the cutter.

Для снижения тормозного эффекта трения, мешающего вращению и осевому перемещению резца PDC во время бурения, наружные контактные поверхности твердосплавной подложки резца 2 и стопорного стержня 10 могут покрываться любыми известными антифрикционными покрытиями, или смазками. Обработанный перед монтажом прямолинейный стопорный стержень 10, вставляется в отверстие 16 и с помощью оправки 13, тарированной по длине, ударами досылается до положения, показанного на фиг. 3, при котором весь объем стержня 10 полностью устанавливается внутри кольцевого совместного торовидного пространства и становится стопором, ограничивающим осевое перемещение резца PDC в сторону выхода из отверстия под резец. При этом стопор 10 не препятствует его вращению вокруг своей оси, даже при относительно небольшом моменте вращения, создаваемом вышеупомянутым проскальзыванием кромок резцов по поверхности забоя, а также не препятствует осевому перемещению резца при внезапном сжатии демпфера, частично поглощающего энергию ударов, воспринимаемых резцами во время бурения.To reduce the braking effect of friction that interferes with the rotation and axial movement of the PDC cutter during drilling, the outer contact surfaces of the carbide substrate of the cutter 2 and locking rod 10 can be coated with any known anti-friction coatings or lubricants. The rectilinear locking rod 10, machined before installation, is inserted into the hole 16 and, using a mandrel 13, calibrated along the length, is delivered by blows to the position shown in Fig. 3, in which the entire volume of the rod 10 is completely installed inside the annular joint toroidal space and becomes a stopper that limits the axial movement of the PDC cutter towards the exit from the cutter hole. At the same time, the stopper 10 does not prevent its rotation around its axis, even with a relatively small moment of rotation created by the above-mentioned slipping of the cutter edges along the face surface, and also does not prevent the axial movement of the cutter during sudden compression of the damper, which partially absorbs the energy of impacts perceived by the cutters during drilling .

В качестве смазки может использоваться и промывочная жидкость. При необходимости, вход в монтажное отверстие 16, как уже отмечалось выше, может закрываться любым известным способом, например с помощью крышки 9 и местной сварки 18.Washing liquid can also be used as a lubricant. If necessary, the entrance to the mounting hole 16, as noted above, can be closed by any known method, for example, using a cover 9 and local welding 18.

Предлагаемое изобретение позволяет решить поставленную задачу и значительно повысить показатели работы алмазных долот с вращающимися резцами PDC.The present invention allows to solve the problem and significantly improve the performance of diamond bits with rotating PDC cutters.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. «Алмазное долото», «Линия FD». Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003. С. 34 - 37.1. "Diamond bit", "Line FD". Catalog of drill bits of JSC "Volgaburmash", 2003. P. 34 - 37.

2. «Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой». Патент США №6298930, кл. Е21В 10/46. 2001.2. "Drill bit with controlled depth of cut and load." US patent No. 6298930, class. E21B 10/46. 2001.

3. «Алмазное долото с механическим креплением резцов», Патент РФ №2536901, кл. Е21В 10/573, кл. F21С 35/197. 2014.3. "Diamond bit with mechanical fastening of cutters", RF Patent No. 2536901, class. E21B 10/573, cl. F21С 35/197. 2014.

4. Презентация «Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов». «Новая революция в долговечности резцов PDC». Компания «Смит Битс» (США), корпорация «Шлюмберже ». 2013.4. Presentation "Creation and application of rotating cutters in various areas of drilling." "A new revolution in PDC cutter durability". Smith Beats Company (USA), Schlumberger Corporation. 2013.

5. А.Г. Калинин. «Бурение нефтяных и газовых скважин». Учебник Высшей школы. ЦентрЛитНефтеГаз, М. 2008. С 116, 266 - 267.5. A.G. Kalinin. "Drilling of oil and gas wells". Textbook of the Higher School. TsentrLitNefteGas, M. 2008. P 116, 266 - 267.

Claims

1. PDC drill bit with dampers for rotating cutters, including a steel body with protruding blades, flushing units located in the grooves between the blades, a nipple part with a thread for attaching to the drill string, holes on the surfaces of the blades with PDC rotating diamond cutters placed in them, characterized in that between the end face of the PDC cutter and the bottom of the hole under it there is a flat damper of a mechanical type, with a thickness "a" in the expanded state, "b" in the maximum compressed state and "c" - with the amplitude of the maximum possible axial movement of the PDC cutter when the damper is compressed ; on the side surface of each carbide substrate of the PDC cutter, at a distance of 1 from its end, an annular groove of a semicircular cross section with a radius R3 and a total depth of D2 is made, and on the wall of each hole for a PDC cutter, at a distance L1 from its bottom, an annular groove is made with a width of 11 of a semi-oval cross section with radius roundings on the sides of the groove R1 and R2, equal to R3, and the total depth D1; both annular grooves form a joint annular cavity, into which, through a round mounting hole on the outside of the blade, a floating annular steel stopper of round cross-section with a diameter corresponding to the diameter of the mounting hole "d", pointed at one end and flat at the other, limited in length, is inserted with a clearance fit after setting the central angle "e" relative to its axis; a constant moment of rotation of the PDC cutters relative to their axes is ensured by setting the planes of their cutting edges at an acute angle "z" relative to the plane passing through the center of the plane of the cutting edges of the plate and the axis of the bit, clockwise or counterclockwise; if necessary, a fixed, sludge-proof cover can be installed at the inlet of the mounting hole for the installation of a steel ring stopper.

2. A drill bit with dampers for rotating cutters according to claim 1, characterized in that the boundaries of the relative position and dimensions of the damper, annular grooves of semicircular and semi-oval cross-section, mounting holes for installing a floating annular steel stopper are related by the ratios: R1=R2=R3; D1=D+2R1; D2=D-2R1; L1=1+a; L2=1+in; 11=2R1+s; c=a-c; e=290-300°; h=5-15°.