RU2222683C2

RU2222683C2 - Roller bit

Info

Publication number: RU2222683C2
Application number: RU2002110310/03A
Authority: RU
Inventors: М.В. Гавриленко (RU); М.В. Гавриленко; Р.М. Богомолов (RU); Р.М. Богомолов; Василий Богданович Марик (UA); Василий Богданович Марик; Роман Иосифович Гук (UA); Роман Иосифович Гук; Ярослав Иванович Герула (UA); Ярослав Иванович Герула
Original assignee: Открытое акционерное общество "Волгабурмаш"
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2004-01-27

Abstract

FIELD: rock breaking tools. SUBSTANCE: roller bit includes arms making body of bit, rolling cutters mounted in bearing assemblies and nozzle with cone internal hydraulic conduit located in central hole of body. Six longitudinal slits are made in wall of nozzle. Three equal slits with larger areas of outlet sections which expand along length from center to periphery of roller bit are arranged uniformly and are strictly directed into spaces between rolling cutters and three equal slot-shaped slits with smaller areas of outlet sections have identical width and are directed with inclination to surfaces of rolling cutters and their axes in plan are displaced with reference to axes of rolling cutters in direction of rotation of bit through angle α = 15÷25^°. Summary areas of outlet sections of larger and smaller slits are interrelated by following relationship ΣF_l.a/ΣF_s.a = (2,0÷3,5), where ΣF_l.a and ΣF_s.a are summary areas of outlet sections of correspondingly larger and smaller slits, sq mm. EFFECT: coverage with jet action of entire surface of face, improved cleaning of rolling cutters from driven rock, counteraction to balling at bit, rational distribution of flows of flushing fluid, increased technical and economic indices of drilling and raised operational reliability of roller bit. 2 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам.The invention relates to a rock cutting tool, and in particular to cone drill bits.

Известно буровое долото, система промывки которого включает установленный по оси долота патрубок и расположенную внутри патрубка на его нижнем конце насадку [1].A drill bit is known, the flushing system of which includes a nozzle installed along the axis of the bit and a nozzle located inside the nozzle at its lower end [1].

Недостатком промывочного узла данного долота является локальность действия вытекающей из насадки струи промывочной жидкости, зависимость радиуса и площади ее действия от подачи бурового раствора и частоты вращения долота.The disadvantage of the flushing unit of this bit is the locality of the action of the jet of flushing fluid flowing out of the nozzle, the dependence of the radius and area of its action on the flow of the drilling fluid and the speed of the bit.

Известно также буровое шарошечное долото, промывочная система которого состоит из центрального сопла, установленного в ниппеле, с коническим участком на внутренней поверхности, боковыми, направленными в проемы между шарошками прорезями, число которых соответствует числу шарошек, и радиальными отверстиями, расположенными симметрично между прорезями и направленными в надшарошечное пространство [2].A cone drill bit is also known, the flushing system of which consists of a central nozzle installed in the nipple, with a conical section on the inner surface, lateral, directed into the openings between the cone cuts, the number of which corresponds to the number of cones, and radial holes located symmetrically between the cuts and directed into the suprahepatic space [2].

В процессе работы такого долота выходящие из радиальных отверстий потоки очистного агента не могут принимать реального участия ни в очистке от шлама вооружения шарошек долота, ни плоскости забоя, поскольку направлены перпендикулярно оси долота мимо поверхности шарошек. Кинетическая энергия этих радиальных потоков очистного агента будет использоваться нерационально. Более того эти потоки могут только препятствовать выносу выбуренной породы.During the operation of such a bit, the streams of the cleaning agent exiting from the radial holes cannot take any real part either in the cleaning of the cutter cone of the bit cone and from the bottom plane, since they are directed perpendicular to the axis of the bit past the cone surface. The kinetic energy of these radial streams of the cleaning agent will be used irrationally. Moreover, these flows can only prevent the removal of cuttings.

Известно буровое шарошечное долото, содержащее установленные на опорах шарошки и расположенную в центральном отверстии полота насадку с конусным внутренним гидравлическим каналом, в стенке которой выполнены продольные прорези, число которых равно числу шарошек [3].Known cone drill bit containing mounted on the supports of the cone and located in the Central hole of the cavity nozzle with a conical internal hydraulic channel, in the wall of which there are longitudinal slots, the number of which is equal to the number of cones [3].

Недостатком данной системы промывки является ограниченность области струйного воздействия, локально направленного на шарошки или на плоскость забоя, и невозможность их одновременной очистки. Очистка периферийной зоны забоя при такой схеме промывки при любой ориентации прорезей будет недостаточной.The disadvantage of this washing system is the limited area of the jet effect locally directed to the cone or to the face plane, and the impossibility of their simultaneous cleaning. Cleaning the peripheral zone of the face with such a washing pattern for any orientation of the slots will be insufficient.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является буровое трехшарошечное долото, промывочная система которого состоит из расположенной в центральном отверстии долота насадки с конусным внутренним гидравлическим каналом, в стенке которой выполнено шесть продольных прорезей одинаковой длины [4].The closest in technical essence and the achieved result is a three-cone drill bit, the flushing system of which consists of a nozzle with a conical internal hydraulic channel located in the central hole of the bit, in the wall of which there are six longitudinal cuts of the same length [4].

В процессе работы долота с такой схемой промывки недостаточно омывается периферийная, наиболее шламозагруженная зона забоя. Струи промывочной жидкости, направленные на поверхность шарошек, вдоль их осей, по причине их фронтального воздействия недостаточно интенсивно смывают шлам с вооружения и не формируют направления восходящих потоков, что в целом снижает эффективность процесса бурения. Эти обстоятельства особенно негативно влияют на работу буровых долот большого диаметра с большими размерами шарошек и высотой зубьев.During operation of the bit with such a flushing scheme, the peripheral, most sludge-loaded face zone is not washed enough. The jets of flushing fluid directed to the surface of the cones along their axes, due to their frontal impact, do not sufficiently wash off the sludge from the armament and do not form the directions of upward flows, which generally reduces the efficiency of the drilling process. These circumstances have a particularly negative effect on the operation of large diameter drill bits with large cone sizes and tooth height.

Цель настоящего изобретения - усиление струйного воздействия на очистку забоя, особенно его периферии, улучшение очистки поверхностей и зубьев шарошек от выбуренной породы, противодействие сальникообразованию на долоте, рациональная организация поперечных и восходящих потоков промывочной жидкости путем выбора оптимальной формы и размещения прорезей насадки, а также оптимизация соотношения площадей их выходных сечений.The purpose of the present invention is to enhance the jet effect on cleaning the face, especially its periphery, to improve the cleaning of surfaces and teeth of cones from cuttings, to prevent gland formation on the bit, the rational organization of transverse and upward flows of washing liquid by choosing the optimal shape and placement of nozzle slots, as well as optimization the ratio of the areas of their output sections.

Поставленная цель достигается тем, что применяется центральная насадка долота с конусным внутренним гидравлическим каналом, в стенке которой выполнено шесть продольных прорезей. Три большие по площади выходных сечений и равные между собой прорези выполнены равномерно расширяющимися по длине от центра к периферии долота и направлены строго в межшарошечные пространства. Три меньшие по плошали выходных сечений прорези щелевидной формы постоянного сечения выполнены одинаковой ширины, а их оси смещены в плане относительно осей шарошек в направлении вращения долота в зависимости от высоты зубьев шарошек на угол α=15÷25° (от 15° для долот типа "Т" до 25° для долот типа "М"). Суммарные площади выходных сечений больших и меньших прорезей в зависимости от предполагаемого объема выноса шлама в единицу времени связаны между собой следующими соотношениями:This goal is achieved by the fact that the central nozzle of the bit is used with a conical internal hydraulic channel, in the wall of which six longitudinal slots are made. Three large exit sections and equal slots are made uniformly expanding in length from the center to the periphery of the bit and directed strictly into the inter-cone spaces. The three smaller sections of the exit sections of the slit-shaped form of constant section are made of the same width, and their axes are shifted in plan relative to the axes of the cones in the direction of rotation of the bit depending on the height of the teeth of the cones by an angle α = 15 ÷ 25 ° (from 15 ° for bits of type " T "up to 25 ° for bits of type" M "). The total area of the outlet cross sections of the larger and smaller slots, depending on the estimated volume of sludge removal per unit time, are interconnected by the following relationships:

ΣF_БП/ΣF_Мп=(2,0÷3,5),ΣF _PSU / ΣF _Mn = (2.0 ÷ 3.5),

где ΣF_БП и ΣF_МП - суммарные площади выходных сечений соответственно больших и меньших прорезей, мм².where ΣF _BP and ΣF _MP - the total area of the output sections, respectively, of larger and smaller slots, mm ² .

В зависимости от типов долот соотношение площадей равно 2,0 для долот типа "Т" и 3,5 для долот типа "М".Depending on the types of bits, the ratio of areas is 2.0 for bits of type "T" and 3.5 for bits of type "M".

Выполнение в центральной насадке конусного внутреннего гидравлического канала с шестью вышеуказанными прорезями позволит при работе долота преодолеть объем промывочной жидкости в призабойной зоне и направлять потоки одновременно на очистку шарошек и плоскости забоя компактными удлиненными струями объемом в указанной выше пропорции, а также максимально приблизить выход потоков из насадки к поверхности забоя и шарошек. Выполнение трех больших выходных сечений прорезей равномерно расширяющимися по длине от центра к периферийной части долота позволяет в процессе его работы усилить и сделать более равномерной очистку по всему радиусу забоя, в том числе и в наиболее шламозагруженной периферийной зоне, и целенаправленно направить выбуренную породу в направлении от центра к периферии забоя и дальше в затрубное пространство. При этом выполнение трех меньших прорезей щелевидной формы постоянного сечения и их ориентация со смещением в плане осей на угол 15÷25° по отношению к осям шарошек положительно повлияет на смыв шлама с вооружения шарошек, поскольку струи за счет смешения осей будут направлены ближе к касательной по отношению к зубьям шарошек и очистят их перед моментом нового вхождения в контакт с породой забоя. Такое направление потоков жидкости по отношению к рабочим поверхностям шарошек усилит эффект очистки вооружения, предотвратив полное гашение энергии этих потоков, обеспечит улучшение чистоты вооружения шарошек и очистки забоя. Противодействие образованию сальника на долоте и равномерная очистка забоя будут происходить одновременно.The implementation of a conical internal hydraulic channel in the central nozzle with the six above-mentioned slots allows the bit to overcome the volume of flushing fluid in the bottomhole zone and direct the streams at the same time to clean the cutters and the face plane with compact elongated jets of the volume in the above proportion, as well as maximize the flow exit from the nozzle to the surface of the face and cones. The implementation of three large output cross-sections of slots uniformly expanding along the length from the center to the peripheral part of the bit allows in the process of its operation to strengthen and make more uniform cleaning along the entire radius of the face, including in the most sludge-loaded peripheral zone, and purposefully point the cuttings in the direction from center to the periphery of the face and further into the annulus. In this case, the implementation of three smaller slits of a slit-like shape of constant cross section and their orientation with an offset in the plan of the axes by an angle of 15 ÷ 25 ° with respect to the axes of the cones will positively affect the washing off of the sludge from the cone armament, since the jets will be directed closer to the tangent along the axes relative to the teeth of the cones and clean them before the moment of new coming into contact with the rock face. Such a direction of fluid flows in relation to the working surfaces of the cones will enhance the effect of cleaning weapons, preventing the complete extinction of the energy of these flows, and will improve the cleanliness of the arms of cones and cleaning the face. Counteraction of the gland formation on the bit and uniform cleaning of the face will occur simultaneously.

Длина всех шести прорезей насадки выбирается такой, чтобы охватить струйным воздействием всю постепенно увеличивающуюся от центра поверхность забоя и шарошек, исключив воздействие струй жидкости на стенку скважины. Длина струй жидкости, направленных на шарошки, должна быть приближена к длине образующих шарошек, а длина струй, направленных в межшарошечные пространства, приближена к радиусу забоя.The length of all six slots of the nozzle is chosen so as to cover the entire surface of the face and cones gradually increasing from the center with a jet action, eliminating the effect of liquid jets on the well wall. The length of the jets of fluid directed to the cones should be close to the length of the forming cones, and the length of the jets directed into the inter-cone spaces should be close to the radius of the face.

Буровое шарошечное долото состоит из корпуса, составленного из лап 1 и установленных на опорах 2 шарошек 3. В конце ниппельной части по центру долота установлена насадка 4 с внутренним конусным гидравлическим каналом и шестью прорезями, выполненными на образующей конуса. Из них три большие по площади выходных сечений прорези 5 выполнены равномерно расширяющимися по длине и направлены в межшарошечные пространства 6, а три меньшие по площади прорези 7 щелевидной формы выполнены постоянного сечения со смещением их осей в плане в направлении вращения долота на 15÷25° по отношению к осям шарошек 3.The cone drill bit consists of a body composed of paws 1 and cones 3 mounted on supports 2. At the end of the nipple part, a nozzle 4 is installed in the center of the bit with an internal conical hydraulic channel and six slots made on the generatrix of the cone. Of these, three slots 5, large in area of the output cross sections, are made uniformly expanding in length and directed into the inter-cone spaces 6, and three smaller slit-shaped cuts 7 are made of constant section with a shift of their axes in the plan in the direction of rotation of the bit by 15 ÷ 25 ° relative to the axes of the cones 3.

Центральная насадка устанавливается и фиксируется в долоте таким образом, чтобы большие по площади выходных сечений прорези были сориентированы строго в межшарошечные пространства, а три меньшие - соответственно со смещением на l5÷25° их осей от осей шарошек. При этом с точки зрения гидродинамики рациональным будет максимально возможное приближение центральной насадки к поверхности шарошек и забоя.The central nozzle is installed and fixed in the bit so that the large slots in the output cross-sectional areas are oriented strictly in the inter-cone spaces, and the three smaller ones, respectively, with their axes shifted by l5 ÷ 25 ° from the axes of the cones. Moreover, from the point of view of hydrodynamics, the maximum possible approximation of the central nozzle to the surface of the cone and the bottom will be rational.

Долото работает следующим образом. После его спуска в скважину по колонне бурильных труб через центральную насадку 4 на забой подается промывочная жидкость. При лом струи жидкости, вытекающие из трех больших по площади прорезей 5, равномерно омывают плоскость забоя, обеспечивая при этом перемещение шлама от центра на периферию забоя и далее через затрубное пространство на дневную поверхность. струи жидкости, истекающие из трех меньших по площади прорезей 7 и направленные наклонно к поверхностям и зубьям шарошек, очищают вооружение шарошек непосредственно перед их контактом с породой забоя, противодействуя при этом сальникообразованию на шарошках и в надшарошечной зоне. Такое распределение призабойных потоков позволяет долоту постоянно работать с чистым вооружением шарошек, минимизировать время нахождения выбуренной породы в области работы долота, рационально направлять поперечные и вертикальные потоки промывочной жидкости. В результате вся кинетическая энергия потока будет расходоваться только на процесс очистки забоя и шарошек, что особенно важно для работы долот с большими по размерам зубьями в породах, склонных к сальникообразованию.The bit works as follows. After it is lowered into the well through the drill pipe string through the central nozzle 4, flushing fluid is supplied to the bottom hole. When scrap streams of fluid flowing from three large-area slots 5, evenly wash the face plane, while ensuring the movement of sludge from the center to the periphery of the face and then through the annulus to the surface. jets of liquid flowing out of three smaller slots 7 and directed obliquely to the surfaces and teeth of the cones, clean the armament of cones immediately before their contact with the rock bottom, counteracting gland formation on cones and in the supra-conic zone. This distribution of bottom-hole flows allows the bit to constantly work with clean weapons of cone, to minimize the time spent by cuttings in the area of the bit, to rationally guide the transverse and vertical flows of flushing fluid. As a result, all kinetic energy of the flow will be spent only on the process of cleaning the face and roller cutters, which is especially important for the operation of bits with large teeth in rocks prone to gland formation.

На фиг.1 показан общий вид долота, на фиг.2 - вид сверху на долото и ориентация прорезей центральной насадки в долоте.Figure 1 shows a General view of the bit, figure 2 is a top view of the bit and the orientation of the slots of the Central nozzle in the bit.

Предложенная гидравлическая схема промывки долота делает реальной возможность осуществления изобретения. Экспериментально в стендовых и промысловых условиях установлено, что приведенное выше соотношение площадей выходных сечений в зависимости от крепости буримых пород и предполагаемого объема выноса шлама в единицу времени является наиболее оптимальным и обеспечивает значительное увеличение механической скорости бурения и проходки на долото.The proposed hydraulic washing circuit of the bit makes it possible to implement the invention. It was established experimentally in bench and field conditions that the above ratio of the areas of the outlet cross sections, depending on the strength of the drill bit and the expected volume of cuttings per unit time, is the most optimal and provides a significant increase in the mechanical speed of drilling and penetration to the bit.

Источники информацииSources of information

1. Авторское свидетельство № 1514900, Е 21 В 10/08, 1989 г., бюл. № 38.1. Copyright certificate No. 1514900, Е 21 В 10/08, 1989, bull. Number 38.

2. Авторское свидетельство № 1046466, Е 21 В 10/18, 1983 г., бюл. № 37.2. Copyright certificate No. 1046466, E 21 B 10/18, 1983, bull. Number 37.

3. Авторское свидетельство № 891883, E 21 В 10/08, 1981 г., бюл. № 47.3. Copyright certificate No. 891883, E 21 B 10/08, 1981, bull. Number 47.

4. Патент Украины № 14853 А, Е 21 В 10/18, 1997 г., бюл. № 3.4. Patent of Ukraine No. 14853 A, E 21 B 10/18, 1997, bull. No. 3.

Claims

Roller cone bit consisting of paws making up the body of the bit, mounted on the supports of the cones and located in the central hole of the nozzle body with a conical internal hydraulic channel, in the wall of which there are six longitudinal slots, characterized in that there are three large output sections and are equal between the slots are made uniformly expanding in length from the center towards the periphery of the bit and directed strictly into the inter-cone spaces, and three smaller in the area of the output sections and also slits of a slit-like shape are made of the same width and are directed obliquely to the surfaces of the cones, and their axes in plan are offset relative to the axes of the cones in the direction of rotation of the bit by an angle α = 15–25 °, while the total areas of the output sections of the larger and smaller cuts are connected between the following relationships:

Σf _bp / ΣF _MP = (2.0 ÷ 3.5),

where Σf _bp and ΣF _MP - the total area of the output sections, respectively, of larger and smaller slots, mm ² .