RU2774767C1 - Pdc drill bit with shock absorbers on its diameter - Google Patents
Pdc drill bit with shock absorbers on its diameter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2774767C1 RU2774767C1 RU2021125730A RU2021125730A RU2774767C1 RU 2774767 C1 RU2774767 C1 RU 2774767C1 RU 2021125730 A RU2021125730 A RU 2021125730A RU 2021125730 A RU2021125730 A RU 2021125730A RU 2774767 C1 RU2774767 C1 RU 2774767C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pdc
- calibrating
- diameter
- cutter
- section
- Prior art date
Links
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 24
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims abstract description 22
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000011010 flushing procedure Methods 0.000 claims abstract description 5
- 210000002445 nipple Anatomy 0.000 claims abstract description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000035515 penetration Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 24
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 20
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 20
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 5
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 102220483064 Metabotropic glutamate receptor 8_F21C_mutation Human genes 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 239000013013 elastic material Substances 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 210000004283 incisor Anatomy 0.000 description 1
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N molybdenum disulfide Chemical compound S=[Mo]=S CWQXQMHSOZUFJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052982 molybdenum disulfide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004513 sizing Methods 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 238000005476 soldering Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к инструменту для бурения скважин на нефть и газ.The present invention relates to a tool for drilling wells for oil and gas.
Ударные нагрузки, возникающие при боковых и продольных колебаниях колонны, а также при встречах с более твердыми пропластками пород значительно снижают прочностные свойства алмазных резцов и показатели работы долот PDC. Специфичное влияние на прочность породоразрушающей поверхности и твердосплавной подложки породоразрушающих резцов PDC оказывают непрерывные поперечные ударные колебания, обусловленные наличием зазоров между калибрующей поверхностью долота и стенкой скважины. Чем больше эти зазоры, тем больше амплидуда и боковые поперечные удары. Породоразрушающие резцы PDC прекрасно воспринимают осевые нагрузки, но гораздо хуже воспринимают нагрузку поперечную, боковую. Предлагается новая конструкция долота с демпферами-амортизаторами на диаметре, традиционно защищающими диаметр долота от абразивного износа, а также снижающими величину поперечных ударов при снижении биения долота, а значит и поперечные нагрузки на резцы основных породоразрушающих венцов на выступающих лопастях.Impact loads arising from lateral and longitudinal vibrations of the string, as well as from encounters with harder rock interlayers, significantly reduce the strength properties of diamond cutters and the performance of PDC bits. A specific effect on the strength of the rock-cutting surface and the hard-alloy substrate of rock-breaking PDC cutters is exerted by continuous transverse shock vibrations caused by the presence of gaps between the gauge surface of the bit and the borehole wall. The larger these gaps, the greater the amplitude and lateral transverse impacts. PDC rock cutting cutters perfectly perceive axial loads, but much worse perceive transverse, lateral loads. A new bit design is proposed with dampers-shock absorbers on the diameter, which traditionally protect the bit diameter from abrasive wear, as well as reduce the magnitude of transverse impacts while reducing the runout of the bit, and hence the transverse loads on the cutters of the main rock cutting rims on protruding blades.
В последние годы во всем мире широкое распространение получили бесшарошечные долота режущего типа PDC (P0LYCRISTALLINE DIAMOND CUTTER), оснащенные пластинами, выращенными из мелкого алмазного порошка при нагреве до 3000 градусов по Фаренгейту и 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 (P0LYCRISTALLINE DIAMOND CUTTER) cutting type, equipped with inserts grown from fine diamond powder when heated to 3000 degrees Fahrenheit and press pressure with a force of about 1 million pounds per square inch, have become widespread all over the world in recent years. 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 PDC, применяемых для бурения малоабразивных пород, от самых мягких до твердых. 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 cutting properties that greatly improve the drilling performance of various types of PDC bits used for drilling low abrasive formations, from the softest to the hardest. The diamond cutting inserts used for the manufacture of PDC drill bits are limited in diameter (8 to 24 mm) and thickness (1.5 to 2.5 mm). Such inserts are welded or soldered on hard-alloy cylindrical bases-substrate, of the same diameter with diamond inserts, together with which the finished PDC cutters are fixed in the 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, как уже отмечалось, кратно хуже они воспринимают внезапные или непрерывные циклические ударные боковые нагрузки. Поэтому резцы закрепляют 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 the carbide substrate, can withstand very high compressive loads, as well as significant overheating (of the order of 1000 degrees Celsius) during drilling. However, as already noted, they perceive sudden or continuous cyclic shock lateral loads much worse. Therefore, the cutters are fixed by soldering at a temperature that is gentle on the diamond plate (no more than 650 degrees Celsius), on a silver-based PSR solder.
За последние годы и за рубежом, и в нашей стране, появились новые конструкции долот PDC, позволяющие обеспечивать дальнейшее повышение показателей их работы в бурении. Такое повышение обеспечивается различными методами и направлениями.In recent years, both abroad and in our country, new designs of PDC bits have appeared, allowing for a further increase in their performance in drilling. Such an increase is provided by various methods and directions.
Известны первые конструкции долот PDC с алмазными резцами [1], («Алмазное долото», «Линия FD». Каталог буровых долот ОАО «Волгабурмаш», 2003, с 34-37.)The first designs of PDC bits with diamond cutters are known [1], (“Diamond bit”, “FD Line”. Catalog of drill bits of JSC Volgaburmash, 2003, pp. 34-37.)
Эта конструкция таких долот принята за первый аналог.This design of such bits is taken as the first analogue.
Однако, у всех этих изначальных конструкций имелись свои слабые стороны. Замена трения качения шарошек по забою и ударно-скалывающего разрушения породы под перекатывающимися зубьями шарошек на безударное непрерывное резание, потребовало для обеспечения интенсивного разрушения породы многократно большего крутящего момента для работы долота, а значит применения более мощных, дорогих и более энергоемких буровых установок, увеличивающих затраты на метр бурения. Кроме того, если зубья шарошек при их перекатывании по забою, успевают между циклами внедрения в породу охладиться и «отдохнуть». Резцы долота PDC работают при непрерывном, постоянном контакте с породой и перегреваются от абразивного резания, что способствует ускорению выхода из строя их режущих кромок.However, all of these initial designs had their weaknesses. The replacement of the rolling friction of cutters along the bottom and the shock-shearing destruction of the rock under the rolling teeth of the cutters for impactless continuous cutting required many times more torque for the operation of the bit to ensure intensive destruction of the rock, which means the use of more powerful, expensive and more energy-intensive drilling rigs, which increase costs per meter of drilling. In addition, if the teeth of the cutters, when rolling over the face, have time to cool and “rest” between the cycles of penetration into the rock. PDC bit cutters operate in continuous, constant contact with the formation and overheat from abrasive cutting, which contributes to the accelerated failure of their cutting edges.
Известно долото PDC [2], («Буровое долото с контролируемыми глубиной резания и нагрузкой». Патент США №6298930. Кл. 35/197. 2014). В этом долоте с целью оптимизации параметров режима бурения сделана попытка увязать глубину резания за один оборот долота при работе на забое с осевой нагрузкой, числом оборотов и контактной поверхностью резцов PDC.Known bit PDC [2], ("Drill bit with controlled depth of cut and load." US Patent No. 6298930. CL. 35/197. 2014). In this bit, in order to optimize the parameters of the drilling mode, an attempt was made to link the depth of cut per one revolution of the bit when working at the bottom with axial load, the number of revolutions and the contact surface of the PDC cutters.
Решения, предлагаемые в этом патенте, применимы только для определенных, конкретных по твердости, пород. Они не стали универсальными для большого количества различных, перемежающихся по твердости пород, проходимых за один спуск долотами PDC. Это долото принято за второй аналог.The solutions proposed in this patent are only applicable to certain hardness-specific rocks. They have not become universal for a large number of different rocks, alternating in hardness, passed in one run by PDC bits. This bit is taken as the second analogue.
Известно также другое долото PDC [3], («Алмазное долото с механическим креплением резцов». Богомолов P.M., Киняев А.В., Крылов С.М. и др. Патент РФ №2536901, кл. Е21В 10/573, F21C 10/197, 2014). Повышение показателей работы вооружения этого долота достигается за счет обеспечения последующих новых применений отремонтированных долот. Предлагаемые в этом долоте решения позволяют после замены положения изношенного или сколовшегося после подъема долота малого участка режущей кромки резца PDC, непосредственно в условиях буровой, при исключении их трудоемкого сбора и доставки для ремонта на завод-изготовитель, избежать дополнительных циклов нагрева при распайке и новой запайке при замене или развороте резца, обеспечив их повторное применение. Это позволяет повысить общую суммарную стойкость режущей кромки резца PDC и показатели работы долота в целом. Такое долото принято за третий аналог.Another PDC bit is also known [3], (“Diamond bit with mechanically fastened cutters”. Bogomolov R.M., Kinyaev A.V., Krylov S.M. et al. Patent RF No. 2536901, class E21B 10/573, F21C 10 /197, 2014). An increase in the performance of the armament of this bit is achieved by providing subsequent new applications of the repaired bits. The solutions offered in this bit make it possible, after replacing the position of a small section of the cutting edge of the PDC cutter, worn or chipped after lifting the bit, directly in the conditions of the drilling rig, with the exclusion of their laborious collection and delivery for repair to the manufacturer, to avoid additional heating cycles during desoldering and new sealing when replacing or reversing the cutter, ensuring their reuse. This improves the overall total tool life of the PDC cutter and the performance of the bit as a whole. Such a bit is taken as the third analogue.
Известно еще одно долото PDC [4], («Буровое долото с резцами PDC». Богомолов P.M., патент РФ №2735319. кл. Е21В 10/43.2020). Повышение показателей работы этого долота достигается за счет рационального расположения резцов PDC на лопастях. Резцы чередуются друг за другом на венце. Одна часть резцов, развернута относительно проекции на плоскости забоя линии, связывающей центры и диаметры на плоскостях пластин с осью долота, под острым углом в пределах от 5 до 35 градусов по часовой стрелке, а вторая часть, в тех же пределах, развернута против часовой стрелки. Это позволяет целенаправлено регулировать напряженное состояние, зону и эпюру нагружения под вдавливаемым в породу резцом, создавать и усиливать отсутствующий ранее при бурении боковой сдвиг породы между кольцевыми воротниками на забое.Another PDC bit is known [4], (“Drill bit with PDC cutters”. P.M. Bogomolov, RF patent No. 2735319. class E21B 10/43.2020). An increase in the performance of this bit is achieved due to the rational arrangement of the PDC cutters on the blades. The incisors alternate one after another on the crown. One part of the cutters is turned relative to the projection on the face plane of the line connecting the centers and diameters on the planes of the plates with the axis of the bit, at an acute angle ranging from 5 to 35 degrees clockwise, and the second part, within the same limits, is turned counterclockwise . This allows you to purposefully regulate the stress state, the zone and the loading diagram under the cutter pressed into the rock, create and enhance the lateral shift of the rock between the annular collars at the bottom that was previously absent during drilling.
Во всех четырех вышеупомянутых конструкциях долот предусмотрены варианты неподвижного закрепления резцов PDC, при которых в контакте с породой забоя, при вдавливании за один оборот, непрерывно находится только малая часть длины кольцевой, врезающейся в поверхность забоя режущей кромки (порядка 10-15%), которая воспринимает нагрузку резания в течение всего времени бурения долотом, а остальная часть этой режущей кромки (порядка 85%) в разрушении породы не участвует, а поэтому не изнашивается.In all four above-mentioned bit designs, options for fixed fixation of PDC cutters are provided, in which only a small part of the length of the annular cutting edge that cuts into the surface of the bottomhole (about 10-15%) is continuously in contact with the bottomhole rock, when indented in one revolution, which perceives the cutting load during the entire time of drilling with a bit, and the rest of this 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 назван - «Новая революция в долговечности резцов PDC» («Презентация «Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов» [5]. Эта конструкция долота принята за прототип.In 2013, Smith Beats, part of the Schlumberger Corporation, USA, published an advertising presentation in Russian for Russian drillers. One of its sections is called “A New Revolution in the Durability of PDC Cutters” (“Presentation “Creation and Application of Rotary Cutters in Various Drilling Areas” [5]. This bit design was taken as a prototype.
В указанной 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 отсутствуют конкретные конструктивные признаки, обеспечивающие осуществление такого вращения резца во время бурения, но в ней упомянуто о значительных преимуществах схемы, при которой нагружению подвергается уже не отдельный ограниченный участок длины режущей кромки резца, а вся кромка целиком. В презентации сообщается, что применение долот ONIX - 360, обеспечило резкое повышение средней проходки.In this presentation, it was reported about 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 does not contain specific design features that ensure the implementation of such a rotation of the cutter during drilling, but it mentions the significant advantages of the scheme, in which it is no longer a separate limited section of the length of the cutting edge of the cutter that is subjected to loading, but the entire edge. The presentation says that the use of ONIX - 360 bits provided a sharp increase in average penetration.
Однако, наряду с повышением общих показателей работы этого долота за счет вращающихся резцов, в бурении выявилось новое отрицательное свойство - резко снизилась ударная вязкость алмазных пластин и твердосплавных подложек. Это произошло в связи с тем, что при ранее применявшемся способе неподвижного закрепления резцов PDC зазоры между стенками отверстий под резец и самим резцом полностью отсутствовали. Эти зазоры были заполнены припоем или исключались с помощью пары зажимных втулок, в каждом из четырех приведенных аналогов. Это исключало ударные контакты между стенкой отверстия и резцом. Практика применения в нашей стране долот 0NIX - 360 фирмы «Смит Битс» с вращающимися резцами PDC показала, что при появившихся зазорах, необходимых для вращения резцов, из-за поперечных колебаний колонны и долота, возникают вредные дополнительные боковые срезающие ударные нагрузки, при которых стойкость алмазных резцов значительно снижается. Поэтому гашение указанных непрерывных боковых ударов и вибраций - это один из важных путей повышения стойкости и показателей работы долот PDC с подвижными резцами.However, along with an increase in the overall performance of this bit due to rotating cutters, a new negative property was revealed in drilling - the impact strength of diamond plates and carbide substrates sharply decreased. This happened due to the fact that with the previously used method of fixed fixing of PDC cutters, there were no gaps between the walls of the holes for the cutter and the cutter itself. These gaps were filled with solder or eliminated with a pair of clamping sleeves, in each of the four analogues shown. This excluded impact contacts between the hole wall and the cutter. The practice of using in our country bits 0NIX - 360 of the company "Smith Beats" with rotating PDC cutters showed that with the gaps that appear, which are necessary for the rotation of the cutters, due to the transverse oscillations of the string and the bit, harmful additional lateral shear shock loads occur, under which the resistance diamond cutters is significantly reduced. Therefore, the damping of these continuous lateral shocks and vibrations is one of the important ways to increase the durability and performance of PDC bits with moving cutters.
Целью разработки новой конструкции является создание на калибрующих поверхностях лопастей алмазных долот демпферов-амортизаторов, позволяющих снизить за счет их демпфирования амплитуду поперечных колебаний долота. Демпфирующие калибрующие резцы PDC должны обеспечивать при этом снижение амплидуды вредных боковых сдвигающих ударов на основные резцы PDC лопастей, разрушающих породу на забое.The purpose of developing a new design is to create dampers-shock absorbers on the calibrating surfaces of the blades of diamond bits, which make it possible to reduce the amplitude of the transverse oscillations of the bit due to their damping. Damping calibrating PDC cutters should provide a reduction in the amplitude of harmful lateral shear impacts on the main cutters of the PDC blades that destroy the rock at the bottom.
Эта цель достигается тем, что предлагаемое долото включает стальной корпус с выступающими лопастями, промывочными узлами, расположенными в пазах между лопастями, ниппельной частью с резьбой для присоединения к бурильной колонне, отверстиями на породоразрушающих и калибрующих поверхностях лопастей с размещенными в них резцами PDC, в котором между торцами калибрующих резцов PDC диаметром D и дном отверстий под них, установлены плоские демпферы-амортизаторы механического типа, толщиной «а» в разжатом состоянии, и толщиной «b» в максимально сжатом состоянии, с величиной амплитуды возможного осевого перемещения калибрующего резца PDC при максимальном сжатии демпфера-амортизатора «с». На боковой поверхности каждой твердосплавной подложки калибрующего резца PDC выполнена кольцевая канавка полукруглого поперечного сечения радиусом R1, с плоскостью симметрии на расстоянии L от торца калибрующего резца PDC; на стенке каждого отверстия под калибрующий резец PDC на расстоянии от дна отверстия выполнена кольцевая канавка полуовального поперечного сечения шириной L3=2R1+«с», глубиной и боковыми радиусными скруглениями по обоим краям полуовала, одинаковыми радиусами R1, а ее край со стороны вершины калибрующего резца PDC расположен напротив края канавки полукруглого поперечного сечения. Обе кольцевые канавки образуют совместную кольцевую полость, в которую через круглое монтажное отверстие диаметром d1=2R1 снаружи боковой поверхности лопасти введен, по посадке с зазором, плавающий кольцевой стальной стопор круглого сечения, диаметром d, соответствующим диаметру d1 монтажного отверстия, заостренный с одного конца и плоский с другого.This goal is achieved by the fact that the proposed bit includes 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 rock cutting and calibrating surfaces of the blades with PDC cutters placed in them, in which between the ends of the PDC calibrating cutters with a diameter D and the bottom of the holes under them, flat dampers-shock absorbers of a mechanical type are installed, with a thickness "a" in the expanded state, and a thickness "b" in the maximum compressed state, with the magnitude of the amplitude of the possible axial movement of the PDC calibrating cutter at maximum compression damper-shock absorber "c". On the side surface of each carbide substrate of the PDC calibrating cutter, an annular groove of semicircular cross-section with a radius R1 is made, with a symmetry plane at a distance L from the end of the PDC calibrating cutter; on the wall of each hole for the PDC calibrating cutter, at a distance from the bottom of the hole, an annular groove of a semi-oval cross section is made with a width L3=2R1+"c", a depth and lateral radius fillets along both edges of the semi-oval, with the same radii R1, and its edge is from the side of the top of the PDC calibrating cutter located opposite the edge of the groove of a semicircular cross section. Both annular grooves form a joint annular cavity, into which, through a round mounting hole with a diameter of d1=2R1, on the outside of the side surface of the blade, a floating annular steel stopper of circular cross section, with a diameter d corresponding to the diameter d1 of the mounting hole, is inserted, sharpened at one end and flat on the other.
На входе монтажного отверстия, после установки стального кольцевого стопора, может устанавливаться защитная крышка.At the inlet of the mounting hole, after installing the steel ring stopper, a protective cover can be installed.
Границы расположения и габариты демпфера-амортизатора, кольцевых канавок полукруглого и полуовального поперечного сечения, диаметры d и d1, диаметр калибрующего резца PDC D, связаны следующими соотношениями: наибольший диаметр канавки с полуовальным поперечным сечением на стенке отверстия под резец D1=D+2R1; наименьший диаметр полукруглой канавки D2=D- -2R1; расстояние L от торца резца до плоскости симметрии канавки с полкруглым поперечным сечением; расстояние от дна отверстия до плоскости симметрии полукруглой канавки при разжатом состоянии демпфера-амортизатора L1=L+а; расстояние от дна отверстия до плоскости симметрии канавки с полукруглым поперечным сечением при сжатом состоянии демпфера-амортизатора L2=L+b; ширина полуовальной канавки L3=2R1+с; величина максимальной амплитуды сжатия демпфера-амортизатора с=а-b.The boundaries of the location and dimensions of the damper-shock absorber, annular grooves of semicircular and semi-oval cross-section, diameters d and d1, the diameter of the calibrating cutter PDC D, are related by the following relationships: the largest diameter of the groove with a semi-oval cross section on the wall of the hole for the cutter D1=D+2R1; the smallest diameter of the semicircular groove D2=D- -2R1; distance L from the end of the cutter to the plane of symmetry of the groove with a semicircular cross section; the distance from the bottom of the hole to the plane of symmetry of the semicircular groove in the expanded state of the damper-shock absorber L1=L+а; the distance from the bottom of the hole to the plane of symmetry of the groove with a semicircular cross section in the compressed state of the damper-shock absorber L2=L+b; semi-oval groove width L3=2R1+с; the value of the maximum compression amplitude of the damper-shock absorber c=a-b.
Предлагаемая конструкция долота поясняется чертежами, на которых фиг. 1 изображает вид сбоку предлагаемого долота PDC, фиг. 2 - часть увеличенного поперечного сечения долота А - А по оси симметрии одного из периферийных демпферов-амортизаторов, калибрующих резцов PDC, с положением калибрующего резца PDC и демпфера-амортизатора в разжатом состоянии, фиг. 3 - то же поперечное сечение А - А с полжением калибрующего резца PDC и демпфера-амортизатора в максимально сжатом состоянии, фиг. 4 - схема монтажа плавающего кольцевого стального стопора, фиг. 5 - вариант установки защитной крышки.The proposed design of the bit is illustrated by drawings, in which Fig. 1 is a side view of the proposed PDC bit, FIG. 2 - part of the enlarged cross-section of the bit A - A along the axis of symmetry of one of the peripheral dampers-shock absorbers, calibrating cutters PDC, with the position of the calibrating cutter PDC and damper-shock absorber in the expanded state, Fig. 3 - the same cross section A - A with the position of the PDC calibrating cutter and the damper-shock absorber in the most compressed state, fig. 4 is a diagram of the installation of a floating annular steel stopper, FIG. 5 - option for installing a protective cover.
На фиг. 1 позициями обозначены: 1 - корпус долота, 2 - породоразрушающие резцы PDC на выступающих лопастях, 3 - калибрующие резцы PDC, 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 rock-cutting cutters on protruding blades, 3 - PDC calibrating cutters, 4 - body blade, 5 - cavities for flushing the bottom hole from cuttings, 6 - grooves on the body for "make-up-breakout" 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 - диаметральная поверхность лопасти долота, 9 - стенка промывочной полости 5, направление плоскости сечения Б - Б, проходящего через плоскость симметрии одного из калибрующих резцов PDC в положении максимально разжатого демпфера-амортизатора, 10 - плавающий кольцевой стальной стопор, 11 - стенка отверстия под калибрующий резец PDC, 12 - торец калибрующего резца PDC, 13 - торец отверстия под калибрующий резец PDC, 14 - демпфер-амортизатор в разжатом состоянии, 15 - полукруглая радиальная канавка, 16 - полуовальная кольцевая канавка, 17 - боковая поверхность калибрующего резца PDC, 18 - отверстие для установки плавающего кольцевого стального стопора 10, буквами обозначены: R1 - оба боковых радиусных скругления в поперечном сечении полуовальной канавки 16; D - диаметр калибрующего резца PDC, D1 - максимальный диаметр полуовальной кольцевой канавки на стенке отверстия под калибрующий резец PDC, d - диаметр плавающего кольцевого стопора, буквам Б - Б обозначено продольное сечение по плоскости симметрии радиальной полукруглой канавки 15 с радиусом R1.In FIG. 2 the elements shown in FIG. 1, as well as new positions are marked: 8 - the diametrical surface of the bit blade, 9 - the wall of the
На фиг. 3 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1 и 2, а также новыми позициями обозначены: 19 - демпфер-амортизатор в максимально сжатом состоянии, буквой L3 обозначена ширина полуовальной кольцевой канавки на стенке отверстия под калибрующий резец PDC; D2 - внутренний диаметр полукруглой канавки на твердосплавной подложке.In FIG. 3 the elements shown in FIG. 1 and 2, as well as new positions are indicated: 19 - damper-shock absorber in the most compressed state, the letter L3 indicates the width of the semi-oval annular groove on the wall of the hole for the PDC calibrating cutter; D2 is the inner diameter of a semicircular groove on a carbide substrate.
На фиг. 4. теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1, 2, 3, а также новыми позициями обозначены: 20 - заостренный заходной конец стержня 10, 21 - плоский торец плавающего стопорного стержня 10, 22 - оправка для установки плавающего стального стопорного стержня; буквой обозначен d1 - диаметр оправки 22.In FIG. 4. The same numerals designate the elements shown in FIG. 1, 2, 3, as well as new positions are marked: 20 - pointed lead-in end of the
На фиг. 5 теми же позициями обозначены элементы, показанные на фиг. 1, 2, 3, 4, а также новыми обозначены: 23 - защитная крышка отверстия, предохраняющая от возможности попадания шлама в зону трения стопорного узла, 24 - упорная ступенька на защитной крышке, 25 - зазор между цилиндрической поверхностью калибрующего резца PDC и стенкой отверстия под него, буквами обозначены; d2 - диаметр защитной крышки 23, буквой «е» - обозначен центральный угол между концами плавающкго кольцевого стального стопорного стержня 10 после установки его в положение, препятствующее возможности контакта со стержнем 10 или с защитной крышкой 22.In FIG. 5 the elements shown in FIG. 1, 2, 3, 4, and also marked with new ones: 23 - protective cover of the hole, which prevents the possibility of cuttings getting into the friction zone of the locking unit, 24 - stop step on the protective cover, 25 - gap between the cylindrical surface of the PDC calibrating cutter and the wall of the hole under it, are marked with letters; d2 is the diameter of the
Для исключения препятствия постоянному вращению плавающего калибрующего 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 отечественную ст. 10. Такой достаточно пластичный материал облегчает вхождение прямолинейного стержня в кольцевое пространство, образованное обеими кольцевыми канавкаии 15 и 16, а также обеспечивает постоянство сохранения его в виде изогнутой части плавающего кольца в течение всего времени бурения. Чтобы исключить возможность контакта плавающего кольцевого стального стопорного стержня с монтажной оправкой или защитной крышкой отверстия, его длина ограничивается центральным углом, например, в пределах е=280-300 градусов. Диаметр стержня должен выбираться с учетом зазора по выбранной посадке, необходимого при монтаже и для работы внутри стопорного узла во время бурения. Торцевая рабочая поверхность контакта калибрующего резца PDC, калибрующая стенку скважины, может иметь любую форму, от плоской до криволинейной. 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 с упорным уступом и с применением сварки, как показано на фиг. 5.To eliminate the obstacle to the constant rotation of the PDC floating calibrating cutter during drilling and reduce friction when the assembly elements 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, domestic st. 10. Such a sufficiently plastic material facilitates the entry of a straight rod into the annular space formed by both
Наличие ответного совместного кольцевого пространства, образованного кольцевыми соседними канавками полуовального 16 и полукруглого 15 поперечного сечения, при установленном кольцевом стальном стопорном замковом стержне позволяет калибрующему резцу PDC вращаться вокруг своей оси, а при возникновении внезапной ударной нагрузки на него во время бурения дополнительно переместиться вдоль этой оси от одного крайнего положения до другого, сжимая, а зтем позволяя до конца разжиматься механическому демпферу-амортизатору. При этом значительно снижается мгновенная ударная и вибрационная нагрузки, а значит снижается амплитуда разрушающих поперечных колебаний колонны и долота.The presence of a reciprocal joint annular space formed by annular adjacent grooves of
В качестве такого механического демпфера-амортизатора, предлагается использовать, например, плоскую форму в виде «таблетки», умещающейся в пространстве между торцом 12 калибрующего резца резца PDC и дном 13 отверстия под калибрующий резец PDC, выполненной из любого эластичного материала, (например, резины), способного воспринимать и постоянно демпфировать ударную нагрузку.As such a mechanical damper-shock absorber, it is proposed to use, for example, a flat shape in the form of a “tablet” that fits in the space between the
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 [6] (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 [6] (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, мгновенно воздействующей на демпфер. 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 per cycle can absorb 40-70 percent of the energy instantly acting on the damper. 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 совместный кольцевой канал, образованный обеими кольцевыми канавками 15 и 16, осуществляется следующим образом. В зависимости от габаритов калибрующего резца PDC, для которого изготавливается прямолинейный стопорный стержень, назначаются его размеры, а также необходимые размеры для выполнения обоих кольцевых канавок 15, 16 и входного отверстия d1 для монтажа стопорного стержня 10. Для удобства монтажа, как было упомянуто выше, его заходный конец должен иметь плавную антизадирную форму, а противоположный конец - плоскую форму, обеспечивающую максимальный упор торцу забиваемой монтажной оправки 22, при ударах по которой происходит процесс углубления и изгиба при установления стержня 10. Свойства выбранного для него материала обеспечивают постоянство сохранения полученной при монтаже изогнутой круглой формы в течение всего времени работы калибрующего резца PDC.Installation of the floating annular
Для снижения тормозного эффекта трения, препятствующего вращению и осевому перемещению калибрующего резца PDC во время бурения, наружные контактные поверхности твердосплавной подложки калибрующего резца PDC 2 и стопорного стержня 10 могут покрываться любыми известными антифрикционными покрытиями, или смазками, например дисульфидмолибденом. Перед монтажом прямолинейный стопорный стержень 10, с необходимым усилием забивается в отверстие 17, а затем с помощью оправки, тарированной по длине, досылается до положения, показанного на фиг. 4. Весь объем стержня полностью (до упора оправки), устанавливается внутри совместного кольцевого пространства и становится стопором, ограничивающим осевое перемещение калибрующего резца PDC в обе стороны. При этом стопор не может препятствовать его вращению вокруг своей оси, даже при относительно небольшом моменте вращения, создаваемом проскальзыванием кромок калибрующих резцов PDC по поверхности стенки скважины, а также не препятствует осевому перемещению калибрующего резца PDC при внезапном сжатии демпфера, частично поглощающего энергию ударов, воспринимаемых резцом во время бурения [6].To reduce the braking effect of friction that prevents rotation and axial movement of the PDC gauge cutter during drilling, the outer contact surfaces of the carbide substrate of the
Предлагаемое изобретение позволяет решить поставленную задачу и значительно повысить показатели работы алмазных долот PDC с демпферами-амортизаторами.The present invention allows to solve the problem and significantly improve the performance of PDC diamond bits with shock absorbers.
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 OAO Volgaburmash, 2003, pp. 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.
3. «Алмазное долото с механическим креплением резцов», Богомолов P.M., Киняев А.В., Крылов С.М. и др. Патент РФ №2536901, кл. Е21В 10/573, кл. F21C 35/197. 2014.3. "Diamond bit with mechanically fastened cutters", Bogomolov R.M., Kinyaev A.V., Krylov S.M. and others. Patent of the Russian Federation No. 2536901, class.
4. «Буровое долото с резцами PDC» Богомолов P.M. Патент Р.Ф. №2735319 кл. Е21В 10/43.2014. "Drill bit with PDC cutters" Bogomolov R.M. Patent R.F. No. 2735319 class.
5. Презентация «Создание и применение в различных районах бурения вращающихся резцов». «Новая революция в долговечности резцов PDC». Компания «Смит Битс» (США), корпорация «Шлюмберже». 2013.5. Presentation "Creation and application of rotating cutters in various areas of drilling." "A new revolution in PDC cutter durability". Smith Beats (USA), Schlumberger Corporation. 2013.
6. А.Г. Калинин. «Бурение нефтяных и газовых скважин». Учебник Высшей школы. ЦентрЛитНефтеГаз, М. 2008, стр. 115.6. A.G. Kalinin. "Drilling of oil and gas wells". Textbook of the Higher School. CenterLitNefteGas, M. 2008, p. 115.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2774767C1 true RU2774767C1 (en) | 2022-06-22 |
Family
ID=
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5906245A (en) * | 1995-11-13 | 1999-05-25 | Baker Hughes Incorporated | Mechanically locked drill bit components |
UA102378C2 (en) * | 2010-03-10 | 2013-07-10 | Юрій Петрович Ліненко-Мельніков | Drill crown with rotary cutters |
RU2520317C2 (en) * | 2012-09-04 | 2014-06-20 | Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") | Pdc bit for horizontal well drilling |
US20180258708A1 (en) * | 2012-08-21 | 2018-09-13 | Smith International, Inc. | Drill bit rolling element with retaining ring |
US20190032413A1 (en) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Rotatable cutting elements including rolling-element bearings and related earth-boring tools and methods |
US20190032408A1 (en) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Moveable cutters and devices including one or more seals for use on earth-boring tools in subterranean boreholes and related methods |
US20200181986A1 (en) * | 2017-07-28 | 2020-06-11 | Baker Hughes Oilfield Operations Llc | Rotatable cutters and elements for use on earth-boring tools in subterranean boreholes, earth-boring tools including same, and related methods |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5906245A (en) * | 1995-11-13 | 1999-05-25 | Baker Hughes Incorporated | Mechanically locked drill bit components |
UA102378C2 (en) * | 2010-03-10 | 2013-07-10 | Юрій Петрович Ліненко-Мельніков | Drill crown with rotary cutters |
US20180258708A1 (en) * | 2012-08-21 | 2018-09-13 | Smith International, Inc. | Drill bit rolling element with retaining ring |
RU2520317C2 (en) * | 2012-09-04 | 2014-06-20 | Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш") | Pdc bit for horizontal well drilling |
US20190032413A1 (en) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Rotatable cutting elements including rolling-element bearings and related earth-boring tools and methods |
US20190032408A1 (en) * | 2017-07-28 | 2019-01-31 | Baker Hughes, A Ge Company, Llc | Moveable cutters and devices including one or more seals for use on earth-boring tools in subterranean boreholes and related methods |
US20200181986A1 (en) * | 2017-07-28 | 2020-06-11 | Baker Hughes Oilfield Operations Llc | Rotatable cutters and elements for use on earth-boring tools in subterranean boreholes, earth-boring tools including same, and related methods |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2541414C2 (en) | Hybrid drill bit with high ratio between diameters of guide stud and journal | |
US8074747B2 (en) | Stabilizer assemblies with bearing pad locking structures and tools incorporating same | |
RU2769361C2 (en) | Cutting tool with pre-formed segments with hard-facing | |
US2999541A (en) | Milling tool | |
CN201034015Y (en) | Rock reamer with helical centralizer | |
CN104662252A (en) | Rolling cutter with close loop retaining ring | |
US4600062A (en) | Shock absorbing drilling tool | |
CN208137865U (en) | Cutting tooth with vibration-damping function and the diamond bit using the cutting tooth | |
US7025155B1 (en) | Rock bit with channel structure for retaining cutter segments | |
EP2398995A2 (en) | Stabilizer assemblies with bearing pad locking structures and tools incorporating same | |
RU2774767C1 (en) | Pdc drill bit with shock absorbers on its diameter | |
RU2768306C1 (en) | Pdc drill bit with dampers for rotary cutters | |
CN210289637U (en) | High anticollision PDC drill bit | |
CN205823175U (en) | PDC drill bit with torsion impact resistance | |
CN110359856A (en) | Combined type diamond bit with slew buffer structure | |
US10718165B2 (en) | Roller reamer integral pressure relief assembly | |
RU2766858C1 (en) | Pdc drill bit with rotating cutters | |
RU2787667C1 (en) | Pdc drill bit with damper and expandable spring stopper for rotating cutters | |
US12031410B2 (en) | Well drilling tool and method for determining parameter thereof | |
CN205577847U (en) | Hob head dowel combination location structure for raise boring machine | |
RU185989U1 (en) | Vibration damper-centralizer to reduce lateral and torsional vibration of the bottom of the drill string | |
AU2013354372A1 (en) | Rock bit tip and rock bit | |
CA1127027A (en) | Sealing of telescopically related elements | |
US20070137895A1 (en) | Percussion drill bit with V-shaped splines | |
RU2773749C1 (en) | Pdc drill bit with rotating cutters |