RU2522608C1 - Rock drill bit - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: drill bit comprises legs with inclined pins shifted in plan and cutters with milled or cast teeth and flushing assemblies. Cutter rims subjected to axial and radial slippage have skewed teeth. Note here that skewed teeth at every rim are inclined to pin axis so that their lateral surfaces are located at 90°±40° to direction of the vector of tooth summed speed of sliding over the face. Rims subjected to axial slippage only can have both straight tooth with working surfaces located at 90°±10° to cutter axis and skewed teeth similar to one of adjacent rims.

EFFECT: higher efficiency, lower power input at drilling, accelerated drilling.

4 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым шарошечным долотам, преимущественно для разбуривания мягких пород и пород средней твердости.The invention relates to a rock cutting tool, namely to cone drill bits, mainly for drilling soft rocks and medium hard rocks.

Известно буровое трехшарошечное долото, включающее корпус, конусные шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и боковые промывочные узлы со сменными насадками (см. Масленников И.К. Буровой инструмент. - М.: Недра, 1989 г., с.141-142, рис.2.1.63).A three-cone drill bit is known, which includes a body, conical cones with milled or cast teeth and side flushing units with interchangeable nozzles (see I. Maslennikov, Drilling tool. - M .: Nedra, 1989, p.141-142, fig. .2.1.63).

Недостатком этого долота является низкая скорость бурения, связанная с нерациональной схемой расположения вооружения шарошек.The disadvantage of this bit is the low drilling speed associated with an irrational arrangement of the cone weapons.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами со смещенными в плане осями, установленные на них шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и размещенные в каналах корпуса промывочные узлы (см. авт.св. СССР №1691499, кл. E21B 10/18, 1991 г.).The closest to the proposed technical essence and the achieved result is a cone drill bit, including paws with inclined trunnions with axially displaced axes, cones mounted on them with milled or cast teeth and flushing units located in the channels of the casing (see aut. St. USSR No. 1691499, CL E21B 10/18, 1991).

К недостаткам данного долота следует отнести сравнительно высокую энергоемкость процесса разрушения породы из-за повторного измельчения разрушенной породы и нерациональной схемы размещения вооружения. Это связано с тем, что при существующей схеме расположения зубьев вдоль образующей конуса шарошки шлам многократно подвергается повторному измельчению вооружением шарошек, что снижает, с одной стороны, скорость бурения, а с другой - увеличивает износ и самих зубьев. В первую очередь, это касается периферийных зубьев, что объясняется как повторным измельчением разрушенного шлама, так и породы, осыпающейся со стенок скважины. При этом вооружение венцов изнашивается не одинаково, а площадь поражения забоя проскальзывающим вооружением минимизирована. В то же время известно, что для достижения равной стойкости вооружения долот необходимо обеспечить одинаковое удельное скольжение для всех венцов шарошек. Еще одним недостатком прототипа является вероятность образования рейки при бурении по породам средней твердости. Все указанные недостатки негативно влияют на эффективность работы долота.The disadvantages of this bit include the relatively high energy intensity of the process of rock destruction due to re-grinding of the destroyed rock and irrational layout of weapons. This is due to the fact that with the existing arrangement of teeth along the generatrix of the cone of the cone, the cuttings are repeatedly subjected to repeated grinding by cone armament, which reduces, on the one hand, the drilling speed and, on the other, increases the wear of the teeth themselves. First of all, this applies to peripheral teeth, which is explained by both re-grinding the destroyed sludge and rock crumbling from the walls of the well. In this case, the armament of the crowns does not wear out the same way, and the area of destruction of the face by slipping arms is minimized. At the same time, it is known that in order to achieve equal resistance to the armament of bits, it is necessary to ensure the same specific glide for all cones of the cones. Another disadvantage of the prototype is the likelihood of the formation of laths when drilling on rocks of medium hardness. All these disadvantages adversely affect the performance of the bit.

В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы долота за счет интенсификации процесса разрушения породы на забое скважины путем оптимизации геометрии вооружения, обеспечение равной его стойкости, снижение энергоемкости процесса бурения и уменьшение вероятности образования забойной рейки.In connection with the stated technical result of the invention is to increase the efficiency of the bit due to the intensification of the process of rock destruction at the bottom of the well by optimizing the geometry of the weapons, ensuring its equal stability, reducing the energy consumption of the drilling process and reducing the likelihood of formation of a bottom hole.

Поставленный технический результат достигается тем, что в буровом шарошечном долоте, включающем лапы с наклонными цапфами со смещенными в плане осями, установленные на них шарошки с фрезерованными или литыми зубьями и промывочные узлы, согласно изобретению венцы шарошек, подверженные осевому и радиальному проскальзыванию, выполнены с косыми зубьями, причем косые зубья на каждом венце наклонены к оси цапфы таким образом, чтобы их боковые поверхности располагались под углом 90°±40° к направлению вектора суммарной скорости скольжения зуба по забою, а венцы, подверженные только осевому проскальзыванию, могут иметь как прямозубое вооружение, рабочие поверхности которых расположены под углом 90°±10° к оси шарошки, так и косозубое вооружение, аналогичное одному из соседних венцов.The technical result is achieved by the fact that in the drill cone bit, which includes paws with inclined pins with axially displaced axes, cones mounted on them with milled or cast teeth and flushing units, according to the invention, cones of axles subject to axial and radial slippage are made with oblique teeth, and the oblique teeth on each crown are inclined to the axis of the journal so that their side surfaces are at an angle of 90 ° ± 40 ° to the direction of the vector of the total tooth sliding speed on the face, and crowns, subject only to axial slippage, can have both spur arms, the working surfaces of which are located at an angle of 90 ° ± 10 ° to the axis of the cone, and helical gears similar to one of the neighboring crowns.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен общий вид долота, на фиг.2 - схема движения гладкой многоконусной шарошки со смещенной в плане осью, на фиг.3 - схема поражения забоя зубчатыми элементами прямозубого и косозубого вооружения шарошек со смещенными в плане осями; на фиг.4 - схема поражения забоя единичным элементом прямозубого и косозубого вооружения шарошки в увеличенном масштабе.The invention is illustrated by the drawing, in which Fig. 1 is a general view of the bit, in Fig. 2 is a diagram of the movement of a smooth multi-cone roller cone with an axis displaced in plan, Fig. 3 is a diagram of a face defeat by gear elements of a spur and helical cone with axially displaced axes ; figure 4 is a diagram of the defeat of the face by a single element of spur and helical cone armament on an enlarged scale.

Буровое шарошечное долото содержит лапы 1 с наклонными в вертикальной плоскости и параллельно смещенными в плане цапфами 2, на которых посредством подшипников 3, один из которых замковый, установлены конические шарошки 4 с фрезерованными или литыми зубьями 5, и промывочные узлы 6, размещенные, как правило, между шарошками 4 в каналах корпуса, образованного сваренными между собой лапами 1. Шарошки 4 долота со смещенными в плане осями в процессе работы подвергаются как осевому, так и радиальному проскальзыванию, которые определяют величину скольжения зубьев каждого из венцов шарошки, а следовательно и величину износа зубьев 5. Причем часть венцов подвергается только осевому проскальзыванию. Это ведет к тому, что вооружение венцов изнашивается не одинаково, а для достижения равной стойкости вооружения таких долот необходимо обеспечить, чтобы все венцы шарошек имели одинаковое удельное скольжение. Для достижения этого в предложенном долоте венцы шарошек, подверженные осевому и радиальному проскальзыванию, выполнены с косыми зубьями, причем косые зубья на каждом венце наклонены к оси цапфы таким образом, чтобы их боковые поверхности располагались под углом 90°±40° к направлению вектора суммарной скорости скольжения зуба по забою. Оптимальное значение этого угла равняется 90°. При этом венцы, подверженные только осевому проскальзыванию, могут иметь как прямозубое вооружение, рабочие поверхности которых расположены под углом 90°±10° к оси шарошки 4, так и косозубое вооружение, аналогичное одному из соседних венцов.The cone drill bit contains paws 1 with axially inclined axles 2 parallel to the planar axis offset in parallel 2, on which conical cones 4 with milled or cast teeth 5 and flushing units 6, usually located between the cones 4 in the channels of the body formed by the legs welded together 1. The cones 4 bits with axes displaced in the plan during operation are subjected to both axial and radial slippage, which determine the value of cleavage zheniya teeth of each roller cutter rims and hence the magnitude of the teeth wear part 5. Moreover rims subjected only to axial slippage. This leads to the fact that the armament of the crowns does not wear out the same way, and in order to achieve equal stability of the armament of such bits, it is necessary to ensure that all the cone crowns have the same specific slip. To achieve this, in the proposed bit, the cones of axles subject to axial and radial slippage are made with oblique teeth, and the oblique teeth on each rim are inclined to the axis of the journal so that their side surfaces are at an angle of 90 ° ± 40 ° to the direction of the total velocity vector tooth slip on the face. The optimal value of this angle is 90 °. At the same time, crowns that are subject only to axial slippage can have both spur arms, the working surfaces of which are located at an angle of 90 ° ± 10 ° to the axis of the cone 4, and helical gears similar to one of the neighboring crowns.

Принцип работы долота заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие элементы шарошек 4 осуществляют разрушение забоя и калибровку стенок скважины. Благодаря выполнению венцов шарошек 4, испытывающих осевое и радиальное проскальзывание, с косыми зубьями и расположению их боковых поверхностей, преимущественно, перпендикулярно к направлению вектора суммарной скорости скольжения зуба по забою, обеспечивается разрушение породы резанием, являющимся наиболее эффективным для разрушения мягких пород и пород средней твердости. Повышению эффективности разрушения породы способствует также и то, что венцы, испытывающие только осевое проскальзывание, изготавливаются с прямозубым вооружением, рабочие поверхности которых расположены под углом 90°±10° к оси шарошки 4, или же с косозубым вооружением, конструкция которого аналогична конструкции одного из соседних венцов. Как следует из фиг.2, точки Е, М, N, Н образующей шарошки, контактирующие с забоем, совершают при относительном и переносном вращении сложное движение, вращаясь вокруг оси долота и шарошки, при этом суммарную скорость скольжения по забою для каждой из точек Е, М, N, Н определяют по формуле: $$V_{CK}=\sqrt{}{\left(V_{CK}^{\text{'}}\right)}^2+{\left(V_{CK}^{\text{'}\text{'}}\right)}^2$$

, где $$V_{CK}^{\text{'}}$$

и $$V_{CK}^{\text{'}\text{'}}$$

- поперечная и продольная составляющая скорости скольжения в каждой из этих точек, a Ψ - угол между вектором суммарной скорости скольжения и образующей шарошки определяют по формуле: $$\Psi =arctg\left(V_{CK}^{\text{'}}/V_{CK}^{\text{'}\text{'}}\right)=\left(R-ir\right)/e$$

,The principle of operation of the bit is as follows. Under the action of axial load and torque, the rock-cutting elements of the cone 4 carry out the destruction of the bottom and calibration of the walls of the well. Due to the implementation of the crowns 4, experiencing axial and radial slippage, with oblique teeth and the location of their lateral surfaces, mainly perpendicular to the direction of the vector of the total sliding speed of the tooth along the face, the destruction of the rock is provided, which is most effective for the destruction of soft rocks and rocks of medium hardness . The efficiency of rock destruction is also facilitated by the fact that rims experiencing only axial slippage are made with spur arms, the working surfaces of which are located at an angle of 90 ° ± 10 ° to the axis of the cone 4, or with helical gears, the design of which is similar to the design of one of neighboring crowns. As follows from figure 2, the points E, M, N, H forming cones in contact with the face, with relative and figurative rotation, make a complex movement, rotating around the axis of the bit and cone, with the total sliding speed along the face for each of the points E , M, N, N is determined by the formula: $$V_{CK}=\sqrt{}{\left(V_{CK}^{\text{'}\text{'}}\right)}^2+{\left(V_{CK}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}\right)}^2$$

where $$V_{CK}^{\text{'}\text{'}}$$

and $$V_{CK}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}$$

- the transverse and longitudinal components of the sliding velocity at each of these points, a Ψ - the angle between the vector of the total sliding velocity and the generatrix cone is determined by the formula: $$\Psi =arctg\left(V_{CK}^{\text{'}\text{'}}/V_{CK}^{\text{'}\text{'}\text{'}\text{'}}\right)=\left(R-ir\right)/e$$

,

где r и R - соответственно радиусы относительного и переносного движения точек, контактирующих с забоем скважины,where r and R are respectively the radii of the relative and figurative motion of the points in contact with the bottom of the well,

е - величина смещения осей шарошки относительно оси вращения долота;e - the displacement of the axes of the cone relative to the axis of rotation of the bit;

i - передаточное отношение скоростей вращения шарошки и долота (см. фиг.2).i is the gear ratio of the speed of rotation of the cutter and the bit (see figure 2).

Определив величины и направления проскальзывания зубьев по забою, можно геометрически определить площадь поражения забоя зубчатыми элементами вооружения в момент их соприкосновения с породой. На фиг.3 показана схема одномоментного проскальзывания режущих элементов шарошки с прямозубым (стандартным) вооружением. В точках Е, М и Н следы зубьев представляют собой ромбические поверхности, а в точке N - прямоугольную. Чтобы увеличить площадь поражения забоя резанием, не меняя при этом ширину и количество венцов, необходимо развернуть зубья таким образом, чтобы их основные грани были перпендикулярны направлению проскальзывания (фиг.3). Чтобы оценить прирост площади поражения косозубого вооружения по отношению к прямозубому достаточно определить разницу площадей ромба и прямоугольника (фиг.2). Исходя из чертежа (см. фиг.2 и 3) можно определить, что:Having determined the magnitude and direction of the teeth slipping along the face, it is possible to geometrically determine the area of impact of the face by the gear elements of the weapon at the moment of their contact with the rock. Figure 3 shows a diagram of the instantaneous slippage of the cutting elements of the cone with spur (standard) weapons. At points E, M and H, the tooth marks are rhombic surfaces, and at point N they are rectangular. To increase the area of damage to the face by cutting, without changing the width and number of crowns, it is necessary to deploy the teeth so that their main faces are perpendicular to the direction of slipping (figure 3). To assess the increase in the area of defeat of the helical gear in relation to the spur, it is enough to determine the difference in the area of the rhombus and the rectangle (figure 2). Based on the drawing (see figure 2 and 3), you can determine that:

$$S_{П}=lh=1\Delta \sin \Psi$$

; $$S_P=lh=\mathrm{one}\Delta \sin \Psi$$

;

$$S_{К}=L\Delta =1\Delta \sin \Psi$$

, $$S_{\mathrm{TO}}=L\Delta =\mathrm{one}\Delta \sin \Psi$$

,

где S_П - площадь поражения забоя прямозубым вооружением;where S _P - the area of destruction of the face with spur arms;

S_К - площадь поражения забоя косозубым вооружением;S _K - the area of defeat of the face by helical arms;

Ψ - угол между вектором суммарной скорости скольжения и образующей шарошки;Ψ is the angle between the vector of the total sliding velocity and the forming cone;

L - длина площадки притупления косозубого вооружения;L is the length of the blunting platform helical arms;

l - длина площадки притупления прямозубого вооруженияl is the length of the site of blunting of spur arms

Δ - величина проскальзывания;Δ is the amount of slippage;

h - высота ромба площади поражения забоя прямозубого вооружения.h is the height of the rhombus of the area of destruction of the face of the spur armament.

Тогда их соотношение будет выглядеть следующим образом:Then their ratio will look like this:

$$S_{К}=S_{П}/{\sin }^2\Psi$$

. $$S_{\mathrm{TO}}=S_P/{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="sin"\; filenames="00000008.png"\; state="\{\{state\}\}">sin</figure-callout>}}^2\Psi$$

.

Таким образом, чем меньше угол наклона вектора результирующей скорости скольжения к оси вращения шарошки, тем больше увеличение площади поражения забоя косозубым вооружением по отношению к прямозубому.Thus, the smaller the angle of inclination of the vector of the resulting sliding velocity to the axis of rotation of the cone, the greater the increase in the area of destruction of the face by helical arms relative to the spur.

В точке N, где скорость проскальзывания направлена к центру вдоль оси шарошки, преимущество косозубого вооружения становится наиболее очевидным, так как поражение забоя прямозубым вооружением осуществляется не одной из основных граней, а только узкой торцевой поверхностью зуба. Наибольшее увеличение площади поражения забоя косозубым вооружением по отношению к прямозубому в этой точке будет достигаться при перпендикулярном расположении зуба к оси вращения шарошки.At point N, where the slippage speed is directed toward the center along the axis of the cone, the advantage of helical arms becomes most obvious, since the defeat of the face by spur arms is carried out not by one of the main faces, but only by the narrow end surface of the tooth. The greatest increase in the area of destruction of the face by helical arms relative to the spur at this point will be achieved with a perpendicular arrangement of the tooth to the axis of rotation of the cone.

Таким образом, применение предложенного долота благодаря оптимальной схеме вооружения шарошек позволит повысить проходку и скорость бурения и тем самым снизить себестоимость буровых работ.Thus, the use of the proposed bit due to the optimal scheme of weapons cone will increase the penetration and drilling speed and thereby reduce the cost of drilling.

Claims (1)

Буровое шарошечное долото, включающее лапы с наклонными цапфами со смещенными в плане осями, установленные на них шарошки с фрезерованными или с литыми зубьями, и промывочные узлы, отличающееся тем, что венцы шарошек, подверженные осевому и радиальному проскальзыванию, выполнены с косыми зубьями, причем косые зубья на каждом венце наклонены к оси цапфы таким образом, чтобы их боковые поверхности располагались под углом 90°±40° к направлению вектора суммарной скорости скольжения зуба по забою, а венцы, подверженные только осевому проскальзыванию, могут иметь как прямозубое вооружение, рабочие поверхности которых расположены под углом 90°±10° к оси шарошки, так и косозубое вооружение, аналогичное одному из соседних венцов. A cone drill bit, including paws with inclined trunnions with axially displaced axes, mounted cones with milled or cast teeth, and flushing units, characterized in that the cones, subject to axial and radial slippage, are made with oblique teeth, with oblique teeth the teeth on each crown are inclined to the axis of the pin so that their side surfaces are at an angle of 90 ° ± 40 ° to the direction of the vector of the total speed of the tooth sliding along the face, and the crowns, subject only to axial slippage vaniyu may be adopted as the spur, which running surfaces are arranged at an angle of 90 ° ± 10 ° to the cone axis and helical arms, similar to one of the adjacent rims.

Images