Алмазная буровая коронка

 

Использование: в инструментах для бурения геологоразведочных скважин. Сущность изобретения: алмазная буровая коронка содержит корпус и закрепленную на нем алмазосодержащую матрицу, разделенную на сектора промывочными пазами. Наклонные боковые поверхности пазов в плоскости, перпендикулярной оси коронки, расположены под углом друг к другу. Внутренние части образованы параллельными радиусу коронки, проходящему через середину промывочного паза, боковыми поверхностями, которые пересекаются с наклонными боковыми поверхностями наружных часей промывочного паза. Число зерен на линии резания по внутреннему диаметру коронки соответствует числу зерен на линии резания по ее наружному диаметру. 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к бурению геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые.

Известны конструкции алмазных буровых коронок, содержащие корпус и разделенные промывочными пазами рабочие секторы, армированные алмазами, передняя и задняя грани которых образуют угол (авт.св. СССР N 1135892, кл. E 21 B 10/48).

Недостатком таких коронок является низкая износостойкость, обусловленная ускоренным износом матрицы по высоте на внутреннему диаметре, что объясняется меньшим, по сравнению с наружным диаметром числом алмазных зерен на линии резания.

Наиболее близкой к предлагаемой является алмазная буровая коронка [1] включающая корпус и закрепленную на нем алмазосодержащую матрицу, разделенную на сектора промывочными пазами, боковые поверхности которых параллельны оси коронки, причем боковые поверхности промывочных пазов в плоскости, пеpпендикулярной оси коронки, образуют между собой угол, обеспечивающий постоянство числа алмазных зерен в линии резания.

β= 2arctg (1) где D, d наружный и внутренний диаметры коронок соответственно, мм; L ширина промывочного паза, мм; m число секторов.

Коронка работает следующим образом.

С помощью присоединительной резьбы алмазная буровая коронка привинчивается к колонковому набору, который приводится во вращение от бурового станка за счет передачи крутящего момента через колонку бурильных труб. Кроме того, через бурильную колону передаются осевая нагрузка и промывочная жидкость. При этом алмазосодержащая матрица воздействует на горную породу и разрушает ее. Образующийся буровой шлам изнашивает материал матрицы и обнажает объемные алмазы, располагающиеся в матрице, обеспечивая постоянную механическую скорость бурения при постоянных режимах бурения. Благодаря конструкции промывочных пазов, боковые поверхности которых образуют угол β, обеспечивается при любом значении текущего радиуса длина линии резания, при которой единичные алмазы имеют одинаковую величину углубки по всей ширине алмазоносного слоя сектора и, как следствие, образуют одинаковую по размеру фракцию шлама горной породы. Это уравнивает интенсивность изнашивания матрицы коронки по всей ширине, что позволяет отрабатывать объемный слой матрицы по всей высоте.

Недостатком известной алмазной буровой коронки является узкая номенклатура инструмента, в котором за счет выбора угла наклона боковых стоpон промывочного паза может быть обеспечено равенство числа алмазных зерен в линии резания в пределах площади всего сектора, а значит и достижение положительного эффекта.

Это объясняется тем, что лимитирующим фактором становится ширина промывочного паза в основании сектора, сужение которого приводит к недостаточной циркуляции промывочной жидкости под торцом коронки, а значит, к зашламованию, снижению скорости бурения и т.д.

Цель изобретения расширение числа типоразмеров буровых коронок, содержащих равное число алмазных зерен в линии резания.

Цель достигается тем, что в алмазной буровой коронке, включающей корпус и закрепленную на нем алмазосодержащую матрицу, разделенную на секторы промывочными пазами, боковые поверхности которых в плоскости, перпендикулярной оси коронки, образуют между собой угол β, число алмазов на линии резания по внутреннему диаметру коронки соответствует числу зерен на линии резания по ее наружному диаметру, промывочные пазы выполнены из двух частей наружных и внутренних, при этом последние образованы параллельными радиусу коронки, проходящему через середину промывочного паза, боковыми поверхностями, которые пересекаются с наклонными боковыми поверхностями наружных частей промывочного паза.

На фиг.1 представлена схема алмазной буровой коронки; на фиг.2 то же, со стороны рабочего торца алмазосодержащей матрицы.

Алмазная буровая коронка состоит из корпуса 1, алмазосодержащей матрицы 2, присоединительной резьбы 3 и промывочных пазов 4. Промывочные пазы выполнены из двух частей: наружных и внутренних. Наружные части промывочных пазов имеют наклонные боковые поверхности. Внутренние части пазов образованы параллельными радиусу коронки, проходящему через середину промывочного паза, боковыми поверхностями, пересекающимися с боковыми поверхностями наружных частей пазов. При этом наклонные стороны образуют угол β а параллельные расположены на расстоянии l. Вследствие этого сектор буровой коронки оказывается состоящим из двух частей, однако условие равенства числа алмазных зерен в линии резания выполняется в пределах всего сектора. Причем в части сектора 5 это условие удовлетворяется за счет наклона на угол β сторон смежных с сектором промывочных пазов, а в части сектора 6 за счет повышенной концентрации алмазного порошка. Увеличение ширины промывочного паза в основании сектора обеспечивает (по сравнению с прототипом) при тех же конструктивных размерах более интенсивную циркуляцию промывочной жидкости.

Коронка работает следующим образом.

С помощью резьбы 3 алмазная буровая коронка присоединяется к колонковому набору (не показан), который приводится во вращение от бурового станка за счет передачи крутящего момента через колонну бурильных труб. Колонна бурильных труб передает также на инструмент осевую нагрузку и обеспечивает поступление промывочной жидкости на забой скважины. При этом алмазосодержащая матрица 2 воздействует на горную породу и разрушает ее. Образующийся буровой шлам изнашивает материал матрицы и обеспечивает поддержание постоянной механической скорости бурения. Благодаря предложенной конструкции промывочных пазов и алмазосодержащих секторов обеспечивается при любом значении текущего радиуса, так длина линии резания и такое число алмазов в них, при которых единичные алмазы имеют одинаковую величину углубки по всей ширине алмазоносного слоя сектора, и, как следствие, образуют одинаковую по размеру фракцию шлама горной породы.

По этим характеристикам предлагаемая конструкция алмазной буровой коронки не уступает коронке, выбранной за прототип.

Однако увеличенная (по сравнению с прототипом) ширина промывочного канала у основания сектора позволяет обеспечить преимущества, присущие прототипу, для большей номенклатуры коронки, в частности, для буровой коронки наружным диаметром 59 мм, внутренним 42 мм и числом промывочных каналов 16.

Выполненная в соответствии с конструкцией прототипа такая коронка имеет ширину промывочного паза по наружному диаметру 6 мм, а по внутреннему 3 мм, что недостаточно для нормальной циркуляции промывочной жидкости и приводит зашламовыванию рабочего торца, что требует снижения режимов бурения, т.е. не обеспечивает производительности бурения за счет равного числа зерен в линии резания.

Использование предлагаемого изобретения позволяет расширить величину промывочного канала в основании сектора до 4-5 мм. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет расширить номенклатуру буровых алмазных коронок, в которых в пределах всей рабочей площади торца обеспечивается равенство алмазных зерен в линии резания.

П р и м е р. Для сопоставления характеристик буровых коронок были изготовлены две буровыe коронки наружным диаметром 59 мм, внутренним 42 мм и числом промывочных каналов 16. Для оснащения объемного слоя были использованы синтетические алмазы АС80 зернистостью 250/200, для подрезного слоя сверхтвердый материал "твесал". Высота алмазного слоя была выбрана стандартной 4 мм.

При изготовлении буровой коронки, выбранной за прототип, объемный слой был изготовлен с концентрацией алмазов 125% При изготовлении предлагаемой буровой коронки алмазоносную часть матрицы также оснащали алмазами зернистостью 250/200. При этом слой, образованный наклонными сторонами секторов, был выполнен со стандартной концентрацией 125% Концентрацию слоя, примыкающего к внутреннему диаметру, определяли в соответствии со способом (1) для буровой коронки, выполненной по конструкции прототипа, в котором стороны промывочных пазов образовали угол β= 2arctg при D 59 мм, d 42 мм, m 16 и ширине промывочных пазов l 3 мм по внутреннему диаметру и l₁ 6 мм о наружному диаметру.

Кроме того, прямыми измерениями однотипных коронок было установлено среднее значение расстояния между алмазными зернами при различной концентрации алмазов.

Результаты измерения приведены в табл.1.

Длина линии резания по наружному диаметру L_р1 коронки, выбранной за прототип L_P1 -l₁ 6=5,584 мм Количество алмазных зерен в линии резания n₁ n₁ L_p1/λ= 5:584/0,781 ≈ 7 шт.

Длина линии резания по внутреннему диаметру L_р2 коронки, выполненной по предлагаемому способу, при условии, что ширина промывочного паза l₂ 4 мм, что способствует значению ширины паза серийно выпускаемых коронок этого типоразмера: L_р2 l₂ 4=4,246 мм Среднее расстояние между зернами λ₁ в линии резания при соблюдении условия постоянства числа зерен в пределах рабочей поверхности коронки
λ₁ L_p2/n₁ 4,246/7 0,607 мм.

По данным табл. 1 определяют, что ближайшей стандартной концентрацией, обеспечивающей среднее расстояние между алмазными зернами 0,607 мм, является концентраций 175% Поэтому для слоя матрицы, примыкающего к внутреннему диаметру предлагаемой коронки, приготавливают состав со 175% концентрацией алмазов.

В качестве материала матрицы для обеих коронок был использован состав ВК6 с последующей пропиткой медью. Буровая коронка, соответствующая прототипу, была изготовлена по стандартной технологии, включающей прессование, нагрев, пропитку медью и т.д.

Для предлагаемой буровой коронки также была использована стандартная технология. Однако при засыпке шихты в пресс-форму между двумя слоями была установлена прослойка из фольги, что предотвратило перемешивание шихты разных составов. Перед прессованием фольга была извлечена.

Сопоставление эксплуатационных характеристик изготовленных коронок осуществлялось путем бурения блока Коростышевского гранита. При этом контролировались осевая нагрузка на коронку и величина потребляемой мощности. Частота вращения была постоянной и равной 475 об/мин.

Анализ результатов экспериментов показал, что эксплуатационные характеристики коронок в диапазоне нагрузок до 1500 дан практически не отличаются. Однако они имеют различные критические режимы бурения величину осевой нагрузки, вызывающей резкое возрастание потребляемой мощности, свидетельствующей о скоплении продуктов бурения под торцом коронки и о начале прижога. Параметры критических режимов приведены в табл.2.

Относительную оценку параметров осуществляли по формуле
Δ 100% где П_п, П_и значение параметра по прототипу и предлагаемому изобретению соответственно.

Анализ табл.2 показывает, что критический режим коронки, соответствующий предлагаемому изобретению, наступает при условиях эксплуатации, на 24-28% превышающих аналогичные условия для коронки, изготовленной в соответствии с прототипом.

Это свидетельствует о том, что предлагаемое изобретение обеспечивает расширение номенклатуры буровых коронок, на которых может быть эффективно использовано условие равенства числа зерен на линии резания, т.е. гарантирует достижение положительного эффекта.

Формула изобретения

АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА, включающая корпус и закрепленную на нем алмазосодержащую матрицу, разделенную на сектора промывочными пазами, наклонные боковые поверхности которых в плоскости, перпендикулярной оси коронки, расположены под углом друг к другу, отличающаяся тем, что промывочные пазы выполнены из двух частей: наружных и внутренних, при этом последние образованы параллельными радиусу коронки, проходящему через середину промывочного паза, боковыми поверхностями, которые пересекаются с наклонными боковыми поверхностями наружных частей промывочного паза, при этом число зерен на линии резания по внутреннему диаметру коронки соответствует числу зерен на линии резания по ее наружному диаметру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4