Буровая коронка

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, может быть использовано при бурении геологоразведочных скважин. Обеспечивает возможность снижения энергоемкости процесса предразрушения породы на протяжении всего периода работы инструмента, при этом обеспечивается наиболее эффективный вынос шлама из зоны отработки и, как следствие, обеспечивается повышение разрушающей способности буровой коронки с одновременным повышением механической скорости бурения. В буровой коронке, состоящей из корпуса и закрепленной на нем алмазоносной матрицы, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные износостойкими цилиндрическими вставками из синтетических алмазов, имеющими разный диаметр, вставки размещены в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра. Диаметры вставок уменьшаются в окружном направлении. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, и может быть использовано при бурении геологоразведочных скважин.

Известна алмазная буровая коронка (см. авт. св. СССР №1417526, МПК 4 Е21В 10/48, 1984 г.), содержащая корпус с алмазоносной матрицей в виде кольца, поперечное сечение которого выполнено в виде клина с выпуклыми по дуге окружности боковыми поверхностями, у вершины которого закреплены износостойкие вставки в виде части кольца, ось которого совпадает с осью матрицы, разделенной промывочными пазами на секторы.

Известна также буровая коронка (авт. св. СССР №1458547, МПК 4 Е21В 10/48, опубл. 15.02.89, Бюл. №6), которая содержит корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные вставками с различными прочностью и концентрацией алмазов на вставках из сверхтвердого материала, размещенными на внутренней и наружной поверхности сектора с выходом на рабочий торец коронки.

Известна также наиболее близкая по технической сути к заявляемой буровая коронка (см. патент Украины №4403, МПК 7 Е21В 10/48, опубл. 17.01.05, Бюл. №1), содержащая корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные наклонно установленными к торцу корпуса и выступающими относительно него цилиндрическими резцами из синтетических алмазов, в которой цилиндрические резцы наклонены к торцу матрицы таким образом, что диагональная плоскость, проходящая через диаметрально противоположные точки оснований цилиндра резца и делящая его пополам, совпадает с торцевой плоскостью матрицы, оптимальным при этом будет, если размер алмазов в матрице составляет 0,07...0,14 диаметра резца, а площадь контактной поверхности сектора матрицы в 1,8...2,4 раза больше суммарной площади контактной поверхности резцов в секторе.

Недостатки описанных буровых коронок заключаются в большой энергоемкости процесса предразрушения породы на протяжении всего периода работы инструмента из-за недостаточно продуманной схемы расположения резцов в матрице и неотработанности выбора размеров площадей контактных поверхностей секторов матрицы по отношению к площади контактной поверхности каждого резца в секторе, что приводит к снижению эффективности разрушающей способности буровой коронки и понижению механической скорости бурения.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования буровой коронки, при котором за счет размещения вставок в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра с уменьшением диаметров вставок в окружном направлении с соблюдением предлагаемых параметров обеспечивается возможность снижения энергоемкости процесса предразрушения породы на протяжении всего периода работы инструмента, при этом обеспечивается наиболее эффективный вынос шлама из зоны отработки и, как следствие, обеспечивается повышение разрушающей способности буровой коронки с одновременным повышением механической скорости бурения.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в буровой коронке, состоящей из корпуса и закрепленной на нем алмазоносной матрицы, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные износостойкими цилиндрическими вставками из синтетических алмазов, имеющими разный диаметр, согласно изобретению вставки размещены в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра, а диаметры вставок уменьшаются в окружном направлении, при этом площади оснований вставок большего и меньшего диаметров составляют, соответственно, 1/35-1/130 часть площади поверхности каждого сектора; расстояние набегающей кромки вставки от набегающей кромки сектора определяется по формуле

где l_i - расстояние набегающей кромки вставки от набегающей кромки сектора, мм;

d₁ - диаметр основания первой вставки, мм;

n_i - порядковый номер устанавливаемой вставки, начиная от первой;

величина выступания каждой вставки относительно поверхности сектора матрицы определяется по следующей зависимости:

h_i=0,2·d_i±0,1,

где h_i - величина выступания вставки над поверхностью матрицы, мм;

d_i - радиус устанавливаемой вставки, мм.

Причинно-следственная связь между предлагаемой совокупностью признаков и достигаемыми при ее реализации техническими эффектами состоит в следующем.

В процессе бурения вставки, выступающие над поверхностью секторов алмазоносной матрицы, под действием осевой нагрузки создают в разбуриваемом массиве породы зону предразрушения, а алмазы, находящиеся на поверхности матрицы, уже в несколько облегченных условиях работают по предразрушенной породе и завершают процесс разрушения. Частицы разрушенной породы затем с помощью промывочной жидкости выносятся на поверхность скважины. Предразрушение породы должно сопровождать процесс бурения на протяжении всего периода работы инструмента. Это возможно в полной мере тогда, когда вставки увеличивающегося диаметра в направлении вращения буровой коронки размещены в центральной части каждого сектора на одной окружности. При работе предлагаемой буровой коронки образуется ступенчатая форма зоны предразрушения породы. Так, вставка большего диаметра создает зону предразрушения в породе вглубь и в ширину, а следующие за ней вставки меньших диаметров увеличивают зону предразрушения поступательно вглубь массива породы. Накладывание таких процессов предразрушения друг на друга позволяет снизить энергоемкость процесса предразрушения породы. Кроме того, при работе предлагаемой буровой коронки из-за убывания размера вставок образуется каплевидная форма потока промывочной жидкости под торцем матрицы, вследствие чего снижается коэффициент трения частиц шлама при контакте со вставками. Таким образом, обеспечивая создание ступенчатой зоны предразрушения за счет предлагаемого выбора диаметра вставок с одновременным более эффективным охлаждением, алмазам, закрепленным на поверхности секторов матриц, остается только завершить разрушение ослабленной от воздействия вставок породы. Максимальная разрушающая способность буровой коронки при минимальных энергетических затратах будет обеспечена при соблюдении дополнительных условий в соответствии с п.п.2-4 формулы, поскольку они направлены на оптимальный выбор соотношения размеров зоны предразрушения и зоны контакта алмазоносной матрицы с породой. При этом шлам под торцом матрицы будет небольших размеров и в незначительном количестве, что облегчает работу алмазам матрицы. Они окончательно разрушают предразрушенную породу без дополнительных на это усилий и увеличения мощности.

На чертежах проиллюстрирована предлагаемая буровая коронка: на фиг.1 представлен вид со стороны рабочего торца, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 (повернуто) в увеличенном масштабе.

Буровая коронка содержит корпус 1 с алмазоносной матрицей 2, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные цилиндрическими вставками 3, имеющими разный диаметр, при этом вставки 3 размещены в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра, а диаметры d₁ вставок 3 уменьшаются в окружном направлении от набегающей части сектора, площади оснований вставок 3 большего и меньшего диаметров составляют, соответственно 1/35-1/130 часть площади поверхности каждого сектора; расстояние набегающей кромки вставки 3 от набегающей кромки сектора определяется по формуле

где l_i - расстояние набегающей кромки вставки 3 от набегающей кромки сектора, мм;

d₁ - диаметр основания первой вставки 3, мм;

n_i - порядковый номер устанавливаемой вставки 3, начиная от первой; величина выступания каждой вставки 3 относительно поверхности сектора матрицы 2 определяется по следующей зависимости:

h_i=0,2·d_i±0,1,

где: h_i - величина выступания вставки 3 над поверхностью матрицы 2, мм;

d_i - радиус устанавливаемой вставки 3, мм.

Предлагаемая буровая коронка работает следующим образом.

При бурении осевая нагрузка и крутящий момент передаются на секторы алмазоносной матрицы 2 коронки и через нее на вставки 3. Износостойкие цилиндрические вставки 3, выступающие над алмазоносной матрицей 2, участвуют в предразрушении породы, создавая сеть макро- и микротрещин, а алмазы 4 матрицы 2 непосредственно завершают процесс разрушения породы. Предразрушение породы сопровождается малыми затратами мощности за счет образования ступенчатой формы зоны предразрушения на протяжении всего периода работы инструмента. Благодаря оптимальному выбору упомянутых параметров частицы разрушенной породы с помощью промывочной жидкости выносятся на поверхность скважины, поэтому исключается появление дополнительного шлама, который может скапливаться в зазоре между алмазами и матрицей 2, а значит, и возможность прижогов коронки.

При выборе соотношения площадей оснований вставок 3 большего и меньшего диаметров более 1/35 ширина зоны предразрушения породы под коронкой будет превышать ширину зоны контакта матрицы 2 с породой, т.е. энергия, идущая на разрушение породы, будет затрачиваться на ненужное предразрушение стенок скважины и керна. При выходе за пределы упомянутого соотношения 1/130 зона предразрушения породы не будет увеличиваться вширь, а будет локализоваться непосредственно под торцом матрицы 2 коронки, увеличивая ее только вглубь, т.к. потребуются дополнительные затраты мощности на разрушение породы по ширине забоя скважины. Выбор расстояния набегающей кромки вставки 3 от набегающей кромки сектора, определяемого по предлагаемой формуле, продиктован выбором, каждого последующего расстояния между вставками 3 большим, чем предыдущее в направлении вращения коронки, что обусловлено стабилизацией вымывания частиц шлама и исключения их скопления под торцем матрицы 2 без дополнительных затрат мощности на их переизмельчение с одновременным исключением прижогов. Выбор величины выступания вставок 3 обусловлен созданием оптимального зазора для прохождения шлама между поверхностью матрицы 2 и поверхностью забоя скважины. Если этот зазор недостаточен, то частицы шлама будут уплотняться в нем и с возрастающим усилием воздействовать на матрицу 2, катастрофически изнашивая ее. При неоправданном увеличении этого зазора частицы шлама будут вымываться из него без необходимого воздействия на матрицу 2, поэтому матрица 2 будет изнашиваться недостаточно, что приведет к слабому обнажению находящихся в ней алмазов и недостаточном их участии в окончательном разрушении породы. При выполнении предлагаемого соотношения обеспечивается такая оптимальная величина упомянутого зазора, при котором износ матрицы 2 на сотые доли процента опережает износ вставок 3.

1. Буровая коронка, состоящая из корпуса и закрепленной на нем алмазоносной матрицы, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные износостойкими цилиндрическими вставками из синтетических алмазов, имеющими разный диаметр, отличающаяся тем, что вставки размещены в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра, а диаметры вставок уменьшаются в окружном направлении.

2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что площади оснований вставок большего и меньшего диаметров составляют соответственно 1/35-1/130 части площади поверхности каждого сектора.

3. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние набегающей кромки вставки от набегающей кромки сектора определяется по формуле

где l_i - расстояние набегающей кромки вставки от набегающей кромки сектора, мм;

d₁ - диаметр основания первой вставки, мм;

n_i - порядковый номер устанавливаемой вставки, начиная от первой.

4. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что величина выступания каждой вставки относительно поверхности сектора матрицы определяется по следующей зависимости:

h_i=0,2·d_i±0,1,

где h_i - величина выступания вставки над поверхностью матрицы, мм;

d_i - радиус устанавливаемой вставки, мм.