RU2244797C1

RU2244797C1 - Drill bit

Info

Publication number: RU2244797C1
Application number: RU2003119852/03A
Authority: RU
Inventors: В.С. Новиков (RU); В.С. Новиков
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-20

Abstract

FIELD: rock crushing tools; methods of fitting ejection hydraulic giant tips for erosion breaking of rock by sludge pulp.

SUBSTANCE: proposed drill bit has body with connecting thread, rock rollers mounted on trunnions of lugs at inclination relative to longitudinal axis of drill bit by means of bearings; drill bit is also provided with sintered-carbide ejection type hydraulic giant tips which are brought to face at distance δ equal to three or four calibrated diameter of tip but not below depth of rock roller tooth; they are located in washing passages of drill bit by the following scheme: first - by radius over drill bit periphery at angle of inclination to longitudinal axis of drill bit of 5-7 deg.; second - in center of drill bit radius and third - in center at shift of axis of ejection hydraulic giant tip relative to longitudinal axis of drill bit by magnitude "a" of calibrated diameter of tip.

EFFECT: increased mechanical speed of drilling; enhanced operational efficiency.

5 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к схеме установки эжекционно-гидромониторных насадок, обеспечивающих эрозионное разрушение пород шламовой пульпой.The invention relates to a rock cutting tool, and in particular to a installation scheme for ejection-hydromonitor nozzles providing erosive destruction of rocks by slurry pulp.

Известны буровые долота с различными схемами размещения гидромониторных насадок (Кириллин В.И. Выбор и оптимизация схемы промывочных устройств шарошечных долот. - ВНИИОЭНГ, 1991. - 126 с.; Макаров Н.Г. Анализ совершенствования промывочных систем буровых шарошечных долот / Н.Г.Макаров, В.Я.Ясашин, Д.Ю.Сериков // НТЖ. Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - ВНИИОЭНГ. - 2001. - Вып.12, - С.6-10).Known drill bits with various patterns of placement of hydraulic nozzles (Kirillin V.I. Choice and optimization of flushing devices for roller cone bits. - VNIIOENG, 1991. - 126 p .; Makarov N.G. Analysis of improvement of flushing systems for cone bits / N.G. .Makarov, V.Ya. Yasashin, D.Yu. Serikov // NTZh. Construction of oil and gas wells on land and at sea. - VNIIOENG. - 2001. - Issue 12, - S.6-10).

Известны схемы размещения гидромониторных насадок:Known layout of hydraulic nozzles:

- асимметричной промывки;- asymmetric flushing;

- использование эффекта эжекции;- use of the ejection effect;

- оснащение долот вихревыми камерами;- equipping bits with vortex chambers;

- применение пульсирующей промывки;- the use of pulsating flushing;

- использование насадок уменьшенного диаметра с приближением их к забою.- the use of nozzles of reduced diameter with their approach to the bottom.

Известно долото, в котором используется одна насадка с большим поперечным сечением выходного канала, для размещения которой оси двух цапф смещают к третьей цапфе, а насадку размещают между смещенными цапфами, образующими расширенный проем. В этом случае буровой раствор подводится к забою и движется по нему к проемам, свободным от насадок (А.С. 625015 СССР, МКИ Е 21 В 10/18).A bit is known in which one nozzle with a large cross section of the outlet channel is used, for the placement of which the axes of two trunnions are displaced to the third trunnion, and the nozzle is placed between the offset trunnions forming an expanded opening. In this case, the drilling fluid is brought to the bottom and moves along it to openings free of nozzles (A.S. 625015 USSR, MKI E 21 B 10/18).

Недостатком такой схемы размещения промывочных насадок является одноточечное, только в центре, поражение забоя.The disadvantage of such a layout for flushing nozzles is a single point, only in the center, the defeat of the face.

Известно долото, в котором для лучшего удаления шлама из затрубного пространства лапы долота выполнены с каналами, сообщающими надшарошечную полость с затрубным пространством. Эжектирующий канал соединен с полостью корпуса посредством патрубка или эжекционной насадки, образованной двумя концентрично установленными втулками, закрепленными в лапе долота. Кольцевая полость между втулками образует эжектирующий канал, сообщаемый с полостью долота через отверстие. Буровой раствор, подаваемый к насадке из ниппельной части долота, создает в канале лапы долота эффект эжекции, улучшающий вынос шлама из надшарошечной зоны (А.С. 599031 СССР, МКИ Е 21 В 10/18).A bit is known in which, for better removal of sludge from the annulus, the paws of the bit are made with channels communicating the suprahepatic cavity with the annulus. The ejection channel is connected to the body cavity by means of a nozzle or ejection nozzle formed by two concentrically mounted bushings fixed in the chisel paw. The annular cavity between the bushings forms an ejection channel in communication with the cavity of the bit through the hole. Drilling fluid supplied to the nozzle from the nipple part of the bit creates an ejection effect in the channel of the paw of the bit, which improves the removal of sludge from the suprahear zone (AS 599031 USSR, MKI E 21 B 10/18).

Эффективность удаления шлама у этих долот недостаточна, что обусловлено низким КПД эжекционной насадки несовершенной конструкции. Кроме того, эта насадка удалена от поверхности забоя и направлена вверх по потоку раствора и не может реализовать эрозионный эффект.The efficiency of the removal of sludge from these bits is insufficient, due to the low efficiency of the ejection nozzle of an imperfect design. In addition, this nozzle is removed from the surface of the face and is directed upstream of the solution and cannot realize the erosion effect.

Известны эжекционно-гидромониторные насадки, выполненные в едином корпусе с камерой смешения и диффузно-разгонной трубой, обеспечивающие эрозионное разрушение породы за счет подсасывания шламовой пульпы, разгона ее до скорости истечения струи и создания на забое гидравлических ударов (патент RU 2117746).Known ejection-hydromonitor nozzles made in a single housing with a mixing chamber and a diffusion-accelerating tube, providing erosive destruction of the rock by sucking up slurry pulp, accelerating it to the velocity of the jet and creating hydraulic shock at the bottom (patent RU 2117746).

Размещение эжекционно-гидромониторных насадок на долоте по известным схемам, например, симметричной, с расположением насадок по периферии над зубьями шарошек не обеспечивает эрозионного разрушения породы струей шламовой пульпы по всей поверхности забоя из-за периферийного их расположения, отсутствия проемов между зубьями шарошек, значительного удаления (120-150 мм) торцов насадок от поверхности забоя, в результате чего струя эффективно очищает периферийный ряд зубьев шарошки, но не достигает и не разрушает породы, затрудняя очистку остальных зубьев, выход потока раствора и вынос выбуренной породы из-под долота.The placement of ejection-hydromonitor nozzles on the bit according to well-known schemes, for example, symmetrical, with the nozzles located on the periphery above the cone teeth does not provide erosive destruction of the rock by a stream of sludge pulp over the entire surface of the face due to their peripheral location, the absence of openings between the cone teeth, significant removal (120-150 mm) the ends of the nozzles from the face surface, as a result of which the jet effectively cleans the peripheral row of cone teeth, but does not reach and does not destroy the rock, making cleaning difficult tny teeth, an exit of a stream of solution and removal of the cuttings from under a bit.

Известные технические решения не обеспечивают разрушение породы шламовой пульпой при бурении шарошечными и другими типами долот из-за конструктивных особенностей гидромониторных насадок и схем их размещения в долоте.Known technical solutions do not provide for the destruction of the rock by slurry pulp during drilling with cone and other types of bits due to the design features of hydraulic nozzles and schemes for their placement in the bit.

Во всех случаях при размещении гидромониторных насадок в долоте предусматривается интенсивная очистка забоя и околодолотного пространства от выбуренного шлама, в том числе за счет эжекции потока с помощью эжекционных насадок, направленных вверх от забоя. Эрозионный эффект частично имеет место при установке удлиненных насадок при большой скорости истечения, при этом абразивные свойства выбуренной породы не используются.In all cases, when placing the hydraulic nozzles in the bit, an intensive cleaning of the bottom and near-hammer space from drill cuttings is provided, including through ejection of the stream using ejection nozzles directed upward from the bottom. The erosion effect partially occurs when installing elongated nozzles at a high flow rate, while the abrasive properties of the cuttings are not used.

Наиболее близким к предлагаемому решению является буровое трехшарошечное долото, содержащее цилиндрический корпус с присоединительной резьбой на одном конце и цапфами на другом, наклонно расположенными к продольной оси долота, на которых посредством подшипников установлены шарошки с твердосплавными зубками, оснащенные тремя гидромониторными твердосплавными или минералокерамическими насадками, закрепленными в промывочных каналах корпуса посредством стопорного элемента. Насадки размещены в проемах между шарошками и расположены относительно шарошек симметрично.Closest to the proposed solution is a three-cone drill bit containing a cylindrical body with a connecting thread at one end and pins at the other, obliquely located to the longitudinal axis of the bit, on which are mounted bearings with carbide teeth equipped with three hydromonitor carbide or ceramic-ceramic nozzles fixed in the washing channels of the housing by means of a locking element. Nozzles are placed in the openings between the cones and symmetrically located relative to the cones.

Особенностью долота является установка насадок под острым углом к продольной оси долота в направлении вращения и одновременно по касательной к стенкам скважины и калибрующим твердосплавным зубкам впереди расположенной шарошки. После отражения от стенки скважины скоростной поток промывочной жидкости также по касательной направляется в поперечном направлении по поверхности забоя (Пат. SU 5029656 США, МПК Е 21 В 10/18).A feature of the bit is the installation of nozzles at an acute angle to the longitudinal axis of the bit in the direction of rotation and at the same time tangentially to the walls of the well and calibrating carbide teeth in front of the cone. After reflection from the borehole wall, the flow rate of the flushing fluid is also tangentially directed in the transverse direction along the face surface (US Pat. SU 5029656 USA, IPC E 21 B 10/18).

К недостаткам следует отнести симметричное расположение насадок, струя которых поражает забой только по периферии долота, а угол их наклона обеспечивает только очистку зубцов шарошек и периферийную часть забоя, что не позволяет использовать эрозионно-гидромониторный эффект для разрушения породы на поверхности забоя.The disadvantages include the symmetrical arrangement of nozzles, the jet of which affects the face only along the periphery of the bit, and the angle of their inclination provides only cleaning of the cone teeth and the peripheral part of the face, which does not allow using the erosion-hydromonitor effect to destroy the rock on the face surface.

Техническая задача предлагаемого изобретения состоит в повышении механической скорости бурения и эффективности работы долота за счет эффективного эрозионно-гидромониторного разрушения породы шламовой пульпой, очистки забоя и зубьев шарошки от шламовой пульпы, отраженной от забоя струей жидкости, уменьшении площади контакта долота с породой, устранении угнетающего дифференциального давления, ускорении адсорбционного разупрочнения породы.The technical task of the invention is to increase the mechanical drilling speed and efficiency of the bit due to the effective erosion-hydromonitor rock destruction by slurry pulp, cleaning the bottom and cone teeth from slurry pulp reflected from the bottom by a fluid stream, reducing the contact area between the bit and the rock, eliminating the oppressive differential pressure, acceleration of adsorption softening of the rock.

Поставленная цель достигается тем, что в буровом долоте, содержащем корпус с присоединительной резьбой, шарошки, установленные на цапфах лап наклонно к продольной оси долота посредством подшипников, твердосплавные гидромониторные насадки выполнены эжекционными и приближены к забою на расстояние δ, равное трем-четырем калиброванным диаметрам насадки, но не ниже высоты рядом расположенного зуба шарошки, и размещены в промывочных каналах долота по схеме: первая - по радиусу на периферии долота с углом наклона 5-7° к продольной оси долота, вторая - на середине радиуса долота, третья - в центре, со смещением оси эжекционной гидромониторной насадки относительно продольной оси долота на величину a калиброванного диаметра насадки.This goal is achieved by the fact that in the drill bit containing the body with connecting thread, cones mounted on the pivot pins obliquely to the longitudinal axis of the bit by bearings, carbide-tipped hydraulic monitor nozzles are made ejection and close to the bottom by a distance δ equal to three or four calibrated nozzle diameters , but not lower than the height of the adjacent tooth cone, and placed in the flushing channels of the bit according to the scheme: the first - along the radius on the periphery of the bit with an angle of 5-7 ° to the longitudinal axis of the bit, W the sharp one is in the middle of the bit radius, the third is in the center, with the axis of the ejection jetting nozzle offset relative to the longitudinal axis of the bit by a value of the calibrated nozzle diameter.

Повышение механической скорости бурения и эффективности работы долота достигается за счет изменения поверхности забоя в результате эрозионного разрушения породы гидромониторной струей жидкости, содержащей шламовую пульпу, и образования кольцевых выемок.An increase in the mechanical drilling speed and the efficiency of the bit is achieved by changing the surface of the face as a result of erosive destruction of the rock by a jet of liquid containing sludge pulp and the formation of annular recesses.

На фиг.1 изображено буровое долото по разрезу А-А, на фиг.2 вид снизу. На фиг.3-4 схема работы гидромониторных насадок в скважине, расположенных по предлагаемой схеме. На фиг.5 выноска из фиг.3.Figure 1 shows the drill bit along section AA, figure 2 is a bottom view. In Fig.3-4, the operation diagram of the hydraulic nozzles in the well, located according to the proposed scheme. 5, the leader of FIG. 3.

Буровое трехшарошечное долото содержит корпус 1, шарошки 2, эжекционно-гидромониторные насадки: 3 - периферийная, 4 - промежуточная, 5 - центральная, которые размещены в промывочных каналах долота по схеме: по радиусу на периферии долота с углом наклона 5-7° к продольной оси долота (3), на середине радиуса долота (4), в центре, со смещением оси эжекционно-гидромониторной насадки относительно оси долота на величину калиброванного диаметра насадки a=d_н (5), так чтобы их торцы отстояли от поверхности забоя (10) (фиг.4) на расстоянии δ, равном трем-четырем калиброванным диаметрам насадки (фиг.1). В процессе промывки при истечении жидкости из калиброванного отверстия насадки возникает вакуумное пространство, в которое через боковые отверстия в корпусе насадки засасывается раствор, насыщенный шламовой пульпой 7. Шламовая пульпа (7) разгоняется до скорости истечения струи, приобретая огромную динамическую силу, до 14 раз превышающую силу без шлама. Микроудары шлама интенсивно разрушают породу, создавая углубления, кольцевую выемку (9) и целики породы (8) при вращении долота (фиг.3).The three-cone drill bit contains a body 1, cones 2, ejection-hydromonitor nozzles: 3 - peripheral, 4 - intermediate, 5 - central, which are placed in the flushing channels of the bit according to the scheme: along the radius on the periphery of the bit with an angle of inclination of 5-7 ° to the longitudinal the axis of the bit (3), in the middle of the radius of the bit (4), in the center, with the axis of the ejection-hydromonitor nozzle offset relative to the axis of the bit by the value of the calibrated nozzle diameter a = d _n (5), so that their ends are separated from the bottom surface (10 ) (Fig. 4) at a distance δ equal to three to four ibrovannym nozzle diameters (Figure 1). During the washing process, when liquid flows out of the calibrated nozzle opening, a vacuum space arises in which a solution saturated with slurry pulp is sucked through the side openings in the nozzle body 7. The slurry pulp (7) accelerates to the velocity of the jet, acquiring a tremendous dynamic force up to 14 times strength without sludge. Microshocks of the sludge intensively destroy the rock, creating recesses, an annular recess (9) and pillars of the rock (8) during the rotation of the bit (figure 3).

В результате площадь контакта долота с поверхностью забоя (10) (фиг.4) уменьшается на 30-40%, а на боковой поверхности целика (8) забойное давление Р_з переориентируется из вертикального угнетающего в горизонтальное по напластованию пород в плоскости действия пластового давления Р_пл.As a result, the area of contact of the bit with the surface of the face (10) (Fig. 4) decreases by 30-40%, and on the lateral surface of the pillar (8), the bottomhole pressure P 3 _is reoriented from the vertical depressant to the horizontal bedding rocks in the plane of formation pressure P _pl .

Так как Р_з больше Р_пл, то под разницей ΔР=Р_з-Р_пл давление в целике (8) будет выравниваться до Р_з. Таким образом, угнетающее давление ΔР будет нейтрализовано. Под перепадом давления ΔР фильтрат раствора будет быстрее проникать в целик (8) по напластованию пород, расклинивая слои (11) и создавая благоприятные условия для абсорбционного разупрочнения (фиг.3).Since P _{s is} greater than P _pl , then under the difference ΔP = P _s -P _{pl the} pressure in the whole (8) will equalize to P _s . Thus, the inhibitory pressure ΔP will be neutralized. Under the pressure drop ΔР, the solution filtrate will penetrate faster into the pillar (8) by bedding, wedging the layers (11) and creating favorable conditions for absorption softening (Fig. 3).

Зубья шарошек очищаются в трех точках по радиусу на периферии (3), в середине (4) и в вершине шарошек (5) струей раствора, отраженной от забоя под углом 120° (фиг.3). При этом часть потока раствора и шламовая пульпа (7) выносится из-под долота, направляясь, в свободные от насадок проемы между шарошками (2), а другая вместе со шламовой пульпой (7) эжектируется в насадки (3, 4, 5) и с большой скоростью струей направляется на поверхность забоя (10).The cone teeth are cleaned at three points along the radius on the periphery (3), in the middle (4) and at the top of the cones (5) with a solution jet reflected from the bottom at an angle of 120 ° (Fig. 3). At the same time, part of the solution flow and slurry pulp (7) are removed from under the bit, heading into openings between cones (2) free from nozzles, and the other, together with slurry pulp (7), is ejected into nozzles (3, 4, 5) and with high speed, the jet is directed to the surface of the face (10).

В совокупности это создает условия для интенсивного разрушения породы по всему забою и росту в 2-3 раза механической скорости бурения.In aggregate, this creates the conditions for intensive destruction of the rock throughout the face and growth of 2-3 times the mechanical drilling speed.

Claims

Буровое долото, содержащее корпус с присоединительной резьбой, шарошки, установленные на цапфах лап наклонно к продольной оси долота посредством подшипников, твердосплавные гидромониторные насадки, отличающееся тем, что гидромониторные насадки выполнены эжекционными и приближены к забою на расстояние δ, равное трем-четырем калиброванным диаметрам насадки, но не ниже высоты рядом расположенного зуба шарошки, и размещены в промывочных каналах долота по схеме: первая - по радиусу на периферии долота с углом наклона 5-7° к продольной оси долота, вторая - на середине радиуса долота, третья - в центре, со смещением оси эжекционной гидромониторной насадки относительно продольной оси долота на величину α калиброванного диаметра насадки.A drill bit containing a body with a connecting thread, cones mounted on the pivot pins obliquely to the longitudinal axis of the bit by means of bearings, hard-alloy hydraulic nozzles, characterized in that the hydraulic nozzles are ejected and close to the bottom by a distance δ equal to three or four calibrated nozzle diameters , but not lower than the height of the adjacent tooth cone, and placed in the flushing channels of the bit according to the scheme: the first - along the radius on the periphery of the bit with an angle of inclination of 5-7 ° to the longitudinal axis of the bit from, the second - in the middle of the bit radius, the third - in the center, with the axis of the ejector jet nozzle offset relative to the longitudinal axis of the bit by the value α of the calibrated nozzle diameter.