RU2112858C1 - Roller reamer - Google Patents

Abstract

FIELD: bore-hole drilling machinery and equipment. SUBSTANCE: this roller-bit reamer is used for reaming bore-holes primarily in middle-hard and soft rock. Reamer has body with longitudinal slots, and seated and secured in these slots by means of axles and shells are roller bits with rims. Lower rock crushing rim is provided with larger number of teeth than adjacent calibrating rim. Plane of symmetry of lower rim coincides with longitudinal axis of roller bit, and adjacent rim has its plane of symmetry of teeth displaced in parallel to roller bit axle. Axle is fastened with roller bit by means of pins and is locked from axial displacement relative to shell by means of nut. Shell is rigidly secured to body through strips and is provided with hard-alloy inserts at side of bore-hole wall. Bottom hole is cleared from sludge with the help of drilling fluid which is delivered through hydraulic pressure units located in pipe unions between roller bits. Reamer can be used individually or together with pilot drill bit. Aforesaid embodiment makes operation of roller reamer more effective. EFFECT: higher efficiency. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к расширителям шарошечного типа. The invention relates to a rock cutting tool, and in particular to cone type expanders.

Известен шарошечный расширитель, включающий полый корпус с резьбовыми концами и продольными пазами, в которых на съемных осях закреплены многовенцовые шарошки (см. авт. св. СССР N 827746, кл. E 21 B 10/28, 1979). Known cone extender, comprising a hollow body with threaded ends and longitudinal grooves in which multi-crown cones are fixed on removable axes (see ed. St. USSR N 827746, class E 21 B 10/28, 1979).

Недостатком данного долота является низкая эффективность, связанная с образованием "рейки" на боковых стенках скважины, что ухудшает ее качество и повышает затраты времени на спуско-подъемные операции. The disadvantage of this bit is the low efficiency associated with the formation of a "rail" on the side walls of the well, which degrades its quality and increases the time required for tripping.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является шарошечный расширитель, содержащий полый корпус с присоединительными резьбами на концах и продольными пазами на наружной поверхности, в которых на съемных осях, закрепленных параллельно продольной оси корпуса, установлены сменные шарошки с породоразрушающими и калибрующими венцами (см. патент США N 2093603, кл. 175-347, опублик. 1937). The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a roller expander containing a hollow body with connecting threads at the ends and longitudinal grooves on the outer surface, in which removable cones with rock-cutting and calibrating crowns are installed on removable axes mounted parallel to the longitudinal axis of the body ( see U.S. Patent No. 2,093,603, CL 175-347, published 1937).

В данном расширителе зубья на венцах расположены под углом к продольной оси шарошки, причем на соседних венцах каждой шарошки наклон зубьев имеет разное направление. Это обеспечивает бурение скважин с получением более гладких стенок, т.е. более эффективное разрушение "рейки". In this expander, the teeth on the crowns are located at an angle to the longitudinal axis of the cone, and on the adjacent crowns of each cone, the inclination of the teeth has a different direction. This ensures the drilling of wells with obtaining smoother walls, i.e. more effective destruction of "reiki".

Однако и данный расширитель имеет ряд недостатков, к которым, в первую очередь, следует отнести невысокие показатели по проходке и механической скорости бурения. Это связано с тем, что примененная схема поражения забоя скважины, калибровки ее стенок и очистки от шлама является неоптимальной. Ее недостатки особо проявляются при разбуривании мягких и средней твердости пород, по которым, в основном, и осуществляется расширение стволов скважин. However, this extender also has a number of drawbacks, which, first of all, include low indicators of penetration and mechanical drilling speed. This is due to the fact that the applied scheme for hitting the bottom of a well, calibrating its walls and cleaning it from sludge is not optimal. Its shortcomings are especially evident when drilling soft and medium hard rocks, which, in essence, is the expansion of wellbores.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы расширителя за счет обеспечения оптимальных условий для разрушения породы и ее удаления на поверхность. The technical result of the invention is to increase the efficiency of the expander by providing optimal conditions for the destruction of the rock and its removal to the surface.

Поставленный технический результат достигается тем, что в шарошечном расширителе, содержащем полый корпус с присоединительными резьбами на концах и продольными пазами на наружной поверхности, в которых на съемных осях, закрепленных параллельно продольной оси корпуса, установлены сменные шарошки с породоразрушающими и калибрующими венцами, согласно изобретению породоразрушающий венец каждой из шарошек выполнен с большим количеством зубьев по сравнению со смежным калибрующим венцом, при этом продольная плоскость симметрии каждого из зубьев калибрующего венца совмещена с осью вращения шарошки, а продольная плоскость симметрии каждого из зубьев породоразрушающего венца смещена относительно оси вращения шарошки в направлении вращения корпуса расширителя. The technical result is achieved by the fact that in the roller expander containing a hollow body with connecting threads at the ends and longitudinal grooves on the outer surface, in which removable cones with rock cutting and calibrating crowns are installed on removable axes mounted parallel to the longitudinal axis of the housing, according to the invention, rock cutting the crown of each of the cones is made with a large number of teeth compared to the adjacent calibrating crown, while the longitudinal plane of symmetry of each of the teeth of the calibrating crown is aligned with the axis of rotation of the cone, and the longitudinal plane of symmetry of each of the teeth of the rock cutting crown is shifted relative to the axis of rotation of the cone in the direction of rotation of the expander body.

Достижению указанного результата способствует также и то, что:
- количество зубьев на породоразрушающем и смежном калибрующем венцах шарошки соотносятся между собой как простые числа;
- расширитель снабжен жестко закрепленными в продольных пазах корпуса вкладышами с отверстиями под оси шарошек, причем поверхности вкладышей, обращенные к стенке скважины, армированы износостойкими вставками;
- корпус расширителя выполнен с наклонными промывочными каналами, направленными между шарошками в сторону разрушаемого при бурении кольцевого уступа скважины и оснащенными сменными гидромониторными узлами.The achievement of this result also contributes to the fact that:
- the number of teeth on the rock cutting and adjacent calibrating crowns of the cone are correlated with each other as prime numbers;
- the expander is equipped with liners rigidly fixed in the longitudinal grooves of the body with openings under the axis of the cones, and the surfaces of the liners facing the well wall are reinforced with wear-resistant inserts;
- the casing of the expander is made with inclined flushing channels directed between the cones in the direction of the annular ledge of the well that is destroyed during drilling and equipped with replaceable hydromonitor units.

На фиг. 1 изображается общий вид расширителя в продольном разрезе; на фиг. 2, 3 и 4 соответственно сечения А-А, Б-Б и В-В на фиг. 1. In FIG. 1 shows a general view of the expander in longitudinal section; in FIG. 2, 3 and 4, respectively, section AA, BB and BB in FIG. one.

Шарошечный расширитель включает корпус 1 шарошки 2 с осями 3 и вкладыши 4. The cone extender includes a cone body 1 with axles 3 and bushings 4.

Корпус 1 выполнен с осевым каналом 5, присоединительными резьбами 6 на верхнем и нижнем концах, продольными пазами 7 на наружной поверхности для размещения шарошек 2 и расположенными между ними наклонными промывочными каналами 8, направленными в сторону образуемого расширителем кольцевого уступа и оснащенными сменными гидромониторными узлами, размещенными в патрубках 9, приваренных к корпусу 1 расширителя. The housing 1 is made with an axial channel 5, connecting threads 6 at the upper and lower ends, longitudinal grooves 7 on the outer surface for accommodating the roller cones 2 and inclined flushing channels 8 located between them, directed towards the ring ledge formed by the expander and equipped with replaceable hydromonitor units located in pipes 9 welded to the casing 1 of the expander.

Шарошки 2 крепятся на осях 3 посредством пальцев 10, устанавливаемых в радиальных каналах 11 шарошек и совмещенных с ними кольцевых проточках 12 осей 3. Шарошки 2 совместно с осями 3 разъемно соединены с вкладышами 4 посредством гаек 13 с контрящими шайбами 14, а сами вкладыши 4 соединены с корпусом 1 жестко. Это позволяет осуществлять передачу осевой нагрузки от шарошек непосредственно на корпус 1 расширителя. The cones 2 are mounted on the axles 3 by means of the fingers 10 installed in the radial channels 11 of the cones and the annular grooves 12 of the axles 3 combined with them. The cones 2 together with the axles 3 are detachably connected to the inserts 4 by means of the nuts 13 with lock washers 14, and the inserts 4 themselves are connected with case 1 is tough. This allows the axial load to be transmitted from the cones directly to the casing 1 of the expander.

Каждая шарошка 2 на своей боковой цилиндрической поверхности имеет один породоразрушающий венец 15, расположенный со стороны забоя и осуществляющий непосредственно разрушение кольцевого уступа, т.е. расширение скважины, а также по крайней мере один калибрующий венец 16, участвующий только в калибровке стенок скважины. Породоразрушающий венец 15 шарошки 2 выполнен с большим количеством зубьев, чем венец 16, причем количество зубьев на венцах 15 и 16 соотносится между собой как простые числа. Так, например, при количестве зубьев на венце 16, равном 13, на венце 15 должно быть 17 или 19 зубьев. Это обеспечивает эффективное разрушение венцом 16 "рейки", которая формируется породоразрушающими венцами 15, имеющими на всех шарошках одинаковое количество зубьев. Причем с целью повышения эффективности разрушения породы, продольная плоскость симметрии 17 зубьев породоразрушающего венца 15 расположена с параллельным смещением относительно продольной оси 18 шарошки в сторону вращения корпуса 1, а у калибрующего венца 16 продольная плоскость 19 симметрии зубьев совмещена с продольной осью шарошки. Такое выполнение венцов 15 и 16, с одной стороны, позволяет снизить энергоемкость процесса разрушения породы, а с другой стороны, упростить по сравнению с прототипом конструкцию и технологию изготовления шарошек, а следовательно, и всего расширителя. Each cone 2 on its lateral cylindrical surface has one rock-cutting crown 15 located on the bottom side and directly destroying the annular ledge, i.e. the expansion of the well, as well as at least one calibrating crown 16, involved only in the calibration of the walls of the well. The rock cutting crown 15 of the cone 2 is made with more teeth than the crown 16, and the number of teeth on the crowns 15 and 16 is related to each other as prime numbers. So, for example, with the number of teeth on the crown 16 equal to 13, on the crown 15 there should be 17 or 19 teeth. This ensures the effective destruction of the crown 16 "slats", which is formed by rock-cutting crowns 15, having on all cones the same number of teeth. Moreover, in order to increase the efficiency of rock destruction, the longitudinal plane of symmetry 17 of the teeth of the rock cutting crown 15 is located with a parallel offset relative to the longitudinal axis 18 of the cone towards the rotation of the housing 1, and for the calibrating crown 16 the longitudinal plane of symmetry 19 of the teeth is aligned with the longitudinal axis of the cone. This embodiment of the crowns 15 and 16, on the one hand, allows to reduce the energy consumption of the process of rock destruction, and on the other hand, to simplify the design and manufacturing technology of cones, and therefore the entire expander, in comparison with the prototype.

Вкладыш 4 выполнен с двумя жестко соединенными с ним боковыми пластинами 20, посредством которых он крепится в пазах 7 корпуса 1, например, сваркой. Сам вкладыш 4 со стороны стенок скважины армирован износостойкими вставками 21, обеспечивающими дополнительную калибровку стенок скважины. The liner 4 is made with two side plates 20 rigidly connected to it, by means of which it is mounted in the grooves 7 of the housing 1, for example, by welding. The insert 4 itself from the side of the well walls is reinforced with wear-resistant inserts 21, which provide additional calibration of the well walls.

Ось 3 шарошки 2 в средней части выполнена с буртом 22, а в верхней части - с резьбой под гайку 13. Бурт 22 служит для восприятия нагрузки, передаваемой от шарошки 2, и защиты ее опоры от шлама, а гайка 13 с контрящей шайбой 14 - для фиксации оси 3 относительно корпуса 1. The axis 3 of the cone 2 in the middle part is made with a collar 22, and in the upper part with a thread for nut 13. Burt 22 serves to absorb the load transmitted from the cone 2 and protect its support from sludge, and the nut 13 with a lock washer 14 - for fixing the axis 3 relative to the housing 1.

Сменный гидромониторный узел включает насадку 23, уплотнительное кольцо 24 и стопор 25 для фиксации насадки 23. Выходная часть промывочного узла располагается выше нижнего торца шарошек 2. При этом каналы 8 выполнены под углом, обеспечивающим направление промывочной жидкости в сторону периферийной части забоя на кольцевой уступ, образованный стенкой скважины и поверхностью забоя. The replaceable hydraulic monitor assembly includes a nozzle 23, an o-ring 24 and a stopper 25 for fixing the nozzle 23. The outlet of the washing unit is located above the lower end of the cones 2. In this case, the channels 8 are made at an angle ensuring the direction of the washing liquid towards the peripheral part of the face to the annular ledge, formed by the wall of the well and the bottom surface.

Данный расширитель может быть использован как совместно с пилот-долотом 26, так и самостоятельно непосредственно для расширения уже пробуренной скважины. В последнем случае к нижнему концу расширителя присоединяется пилотный направляющий наконечник (не показан). Монтаж расширителя осуществляется в следующей последовательности. Вначале отдельно на осях 3 устанавливаются шарошки 2 посредством пальцев 10. После этого оси 3 с шарошками 2 с помощью гаек 13 фиксируются во вкладышах 4. После сборки гидромониторных узлов в патрубке 9 и присоединения к корпусу 1 пилотного наконечника или долота 26 расширитель готов к работе. This reamer can be used both in conjunction with the pilot bit 26, and independently directly to expand an already drilled well. In the latter case, a pilot guide tip (not shown) is attached to the lower end of the expander. Installation of the expander is carried out in the following sequence. First, the cones 2 are installed separately on the axles 3 by means of the fingers 10. After that, the axles 3 with the cones 2 are fixed with the help of the nuts 13 in the inserts 4. After assembling the hydraulic monitor assemblies in the pipe 9 and attaching the pilot tip or bit 26 to the housing 1, the expander is ready for operation.

Принцип работы расширителя заключается в следующем. При вращении бурильной колонны, на которой спускается в скважину расширитель, шарошки 2 под действием осевой нагрузки и крутящего момента производят расширение скважины. При этом нижняя часть "рейки", образуемая породоразрушающими венцами 15, обеспечивает заданную кинематику вращения шарошек, а верхняя часть "рейки" ликвидируется калибрующими венцами шарошек и твердосплавным вооружением вкладышей 4, обеспечивая тем самым качественный ствол скважины. Породоразрушающий венец 15 каждой шарошки 2 благодаря выполнению его зубьев с плоскостями симметрии 17, расположенными с параллельным смещением относительно продольной оси 18 шарошки 2, осуществляет эффективное разрушение кольцевого уступа с обеспечением складывающего воздействия на породу вследствие их проскальзывания по обрабатываемой поверхности. Одновременно с этим калибрующий венец 16 входит в контакт со стенкой расширенной части ствола скважины и калибрует ее, разрушая "рейку", которая образуется на стенке скважины вследствие одинакового количества зубьев на всех породоразрушающих венцах 16. Эффективность разрушения "рейки" достигается также благодаря разному количеству зубьев на венцах 15 и 16 и выбору соотношения между ними как между простыми числами. Окончательную калибровку стенок скважины осуществляют износостойкие элементы 21 вкладышей 4, разрушающие породу фрезерованием. Разрушенная порода выносится на поверхность промывочной жидкостью, подаваемой через промывочные каналы 8 и одновременно служащей для охлаждения зубьев шарошек 2. The principle of operation of the expander is as follows. When the drill string is rotated, on which the reamer descends into the well, cones 2 under the influence of axial load and torque produce the expansion of the well. At the same time, the lower part of the “rod” formed by rock-cutting crowns 15 provides the specified kinematics of rotation of the cones, and the upper part of the “rail” is eliminated by calibrating cones of the cones and carbide armament of the liners 4, thereby ensuring a high-quality wellbore. The rock-damaging crown 15 of each cone 2 due to the implementation of its teeth with planes of symmetry 17 located with a parallel offset relative to the longitudinal axis 18 of the cone 2, effectively destroys the annular ledge with a folding effect on the rock due to their slipping on the treated surface. At the same time, the calibrating crown 16 comes into contact with the wall of the expanded part of the borehole and calibrates it, destroying the “rod”, which is formed on the wall of the well due to the same number of teeth on all rock-cutting crowns 16. The destruction efficiency of the “rod” is also achieved due to the different number of teeth on the crowns 15 and 16 and the choice of the relationship between them as between prime numbers. The final calibration of the walls of the well is carried out by wear-resistant elements 21 of the liners 4, destroying the rock by milling. The destroyed rock is carried to the surface by the washing liquid supplied through the washing channels 8 and at the same time serving to cool the cone teeth 2.

Такое выполнение расширителя позволяет увеличить эффективность его работы, а именно проходку и механическую скорость, благодаря снижению энергоемкости процесса разрушения породы. This embodiment of the expander allows you to increase the efficiency of its work, namely, sinking and mechanical speed, due to a decrease in the energy intensity of the process of rock destruction.

В случае необходимости шарошки расширителя и промывочные узлы могут быть заменены непосредственно на буровой, что также позволяет повысить эффективность их использования и снизить стоимость буровых работ. If necessary, the cones of the expander and flushing units can be replaced directly with the drill, which also allows to increase the efficiency of their use and reduce the cost of drilling operations.

Claims (4)

1. Шарошечный расширитель, содержащий полый корпус с присоединительными резьбами на концах и продольными пазами на наружной поверхности, в которых на съемных осях, закрепленных параллельно продольной оси корпуса, установлены сменные шарошки с породоразрушающими и калибрующими венцами зубьев, отличающийся тем, что породоразрушающий венец каждой из шарошек выполнен с большим количеством зубьев по сравнению со смежным калибрующим венцом, при этом продольная плоскость симметрии каждого из зубьев калибрующего венца совмещена с осью вращения шарошки, а продольная плоскость симметрии каждого из зубьев породоразрушающего венца смещена относительно оси вращения шарошки в направлении вращения корпуса расширителя. 1. Roller cone extender containing a hollow body with connecting threads at the ends and longitudinal grooves on the outer surface, in which removable cones with rock cutting and calibrating tooth crowns are installed on removable axes mounted parallel to the longitudinal axis of the housing, characterized in that the rock cutting crown of each the roller cutter is made with a large number of teeth compared to the adjacent calibrating rim, while the longitudinal plane of symmetry of each of the teeth of the calibrating rim is aligned with the axis of the rotation Ia cutter, and the longitudinal plane of symmetry of each of the teeth of the crown cutter is offset relative to the rotational axis of cutter in a direction of rotation of the expander housing. 2. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что количество зубьев на породоразрушающем и смежном калибрующем венцах шарошки соотносятся между собой как простые числа. 2. The extender according to claim 1, characterized in that the number of teeth on the rock cutting and adjacent calibrating crowns of the cone are related to each other as prime numbers. 3. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен жестко закрепленными в продольных пазах корпуса вкладышами с отверстиями под оси шарошек, причем поверхности вкладышей, обращенные к стенке скважины, армированы износостойкими вставками. 3. The expander according to claim 1, characterized in that it is provided with liners rigidly fixed in the longitudinal grooves of the housing with openings under the axis of the cones, and the surfaces of the liners facing the well wall are reinforced with wear-resistant inserts. 4. Расширитель по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен с наклонными промывочными каналами, направленными между шарошками в сторону разрушаемого при бурении кольцевого уступа скважины и оснащенными сменными гидромониторными узлами. 4. The extender according to claim 1, characterized in that the casing is made with inclined flushing channels directed between the cones in the direction of the annular ledge of the well that is destroyed during drilling and equipped with replaceable hydromonitor units.

Images