Алмазная буровая коронка



Алмазная буровая коронка
Алмазная буровая коронка

 


Владельцы патента RU 2445438:

Открытое акционерное общество "Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие" (ОАО "Тульское НИГП") (RU)

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве алмазных коронок и долот, армированных синтетическими или природными алмазами, либо сверхтвердыми материалами для бурения скважин. Технический результат - повышение эксплуатационной стойкости алмазной коронки и механической скорости бурения. Алмазная буровая коронка включает корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным трехступенчатым и подрезными слоями, гребнями на торце и промывочными окнами в каждой ступени импрегнированного слоя, сообщающимися с боковыми наружными и внутренними цилиндрическими каналами. Рациональный диаметр алмазного зерна в каждой ступени импрегнированного слоя матрицы определяется по расчетной зависимости в зависимости от физико-механических свойств буримых пород. Кроме того, по наружной и внутренней боковым частям матрицы промежутки между алмазами подрезного слоя равномерно армированы частицами сверхтвердого наноматериала, линейные размеры которых составляют 50÷150 нанометров, а боковые наружные и внутренние цилиндрические каналы коронки по крайней мере в первой ступени импрегнированного слоя матрицы, сообщаются между собой дополнительными каналами, ширина которых составляет (0,6÷0,8) диаметра цилиндрического канала, а глубина равна высоте гребня матрицы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве алмазных коронок и долот, армированных синтетическими и природными алмазами, либо сверхтвердыми материалами для бурения скважин.

Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным и подрезным слоями, гребнями на торце и промывочными окнами (см. патент США №3106973, 175-413, приоритет от 26.09.1960 г.).

Недостатками этой коронки являются сравнительно малая высота импрегнированного слоя и нерациональный размер алмазных зерен в нем, несовершенная конструкция подрезного слоя матрицы и недостаточно развитая геометрия промывочной системы коронки. Это приводит к снижению механической скорости бурения коронкой и преждевременному снятию ее с эксплуатации.

Известна также алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным и подрезными слоями, гребнями на торце и промывочными окнами, сообщающимися с боковыми наружными и внутренними цилиндрическими каналами, в которой частично устранены недостатки вышеуказанной коронки (см. авт.св. РФ №1609939).

Недостатками этой коронки являются частое заполирование алмазных зерен рабочего торца, малая высота импрегнированного слоя, повышенный износ по наружному и внутреннему диаметрам коронки, нерациональная геометрия промывочной системы. Указанное снижает работоспособность этих алмазных коронок при бурении.

Наиболее близким аналогом к заявленному решению является описанная в каталоге фирмы BOART LONGYEAR (см. приложение 1) алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным и подрезным слоями, с гребнями на торце и промывочными окнами в каждой ступени импрегнированного слоя, сообщающимися с боковыми наружными и внутренними цилиндрическими каналами.

Недостатками этой коронки являются нерациональный размер алмазных зерен в ступенях импрегнированного слоя матрицы, повышенный износ по наружному и внутреннему диаметрам коронки, неоптимальная геометрия промывочной системы. Это приводит к заполированию алмазов на торце матрицы, снижению эксплуатационной стойкости алмазных коронок и механической скорости бурения ими.

Техническое решение направлено на повышение эксплуатационной стойкости алмазной коронки и механической скорости бурения путем выбора рационального размера алмазных зерен импрегнированного слоя матрицы с учетом физико-механических свойств и упругих констант буримых горных пород, применения в матрице между алмазами подрезного слоя армирования частицами сверхтвердого наноматериала и оптимизация геометрических параметров промывочной системы.

В предлагаемой алмазной буровой коронке, включающей корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным трехступенчатым и подрезным слоями, гребнями на торце и промывочными окнами в каждой ступени импрегнированного слоя, сообщающимися с боковыми наружными и внутренними цилиндрическими каналами, диаметр алмазного зерна в каждой ступени импрегнированного слоя матрицы определяется по зависимости

где d - диаметр алмазного зерна;

α - коэффициент пропорциональности (α=1,0÷1,1);

В1 - постоянная, зависящая от вязкости разрушения, определяется по методике О.Н.Григорьева;

В2 - упругая постоянная породы;

,

где n - коэффициент Пуассона;

Е - модуль упругости горной породы;

К - упругая постоянная породы;

К=9(1-n)/16,

где n - коэффициент Пуассона;

с - коэффициент, учитывающий повышение несущей прочности контакта алмаза с горной породой, определяется по методике А.Ю.Ишлинского;

ρ0 - предел текучести горной породы,

кроме того, по наружной и внутренней боковым частям матрицы промежутки между алмазами подрезного слоя равномерно армированы частицами сверхтвердого наноматериала, линейные размеры которых составляет 50÷150 нанометров, а боковые наружные и внутренние цилиндрические каналы коронки, по крайней мере, в первой ступени импрегнированного слоя матрицы, сообщаются между собой дополнительными каналами, ширина которых составляет (0,6÷0,8) диаметра цилиндрического канала, а глубина равна высоте гребня матрицы.

Благодаря тому, что диаметр алмазного зерна в каждой ступени импрегнированного слоя матрицы определяется по зависимости

где d - диаметр алмазного зерна;

α - коэффициент пропорциональности (α=1,0÷1,1);

В1 - постоянная, зависящая от вязкости разрушения, определяется по методике О.Н.Григорьева;

В2 - упругая постоянная породы;

,

где n - коэффициент Пуассона;

Е - модуль упругости горной породы;

К - упругая постоянная породы;

К=9(1-n)/16;

где n - коэффициент Пуассона:

с - коэффициент, учитывающий повышение несущей прочности контакта алмаза с горной породой, определяется по методике А.Ю.Ишлинского;

ρ0 - предел текучести горной породы,

устанавливается критический размер алмазного зерна, при котором при внедрении его в твердую горную породу происходит переход от полностью упругого разрушения ее к упругопластическому. При этой деформации горной породы алмазные зерна воздействуют на нее преимущественно в тангенциальном направлении, при котором сдвиг и отрыв частиц породы происходит в направлении наименьшего сопротивления ее. По этой причине снижается возможность заполирования алмазных зерен и прекращения углубки скважины для осуществления заточки заполированных алмазных зерен, что обуславливает повышение производительности бурения.

Исследованиями, проведенными в ОАО «Тульское НИГП» установлено выражение для силы, вызывающей пластическое течение при внедрении алмазного зерна в породу (см. Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И. Алмазный породоразрушающий инструмент. - Тула: ИПП «Гриф и К», 2005. - 288 с.).

где PТ - сила, вызывающая пластическую деформацию;

po - предел текучести породы;

с - коэффициент, учитывающий повышение несущей прочности контакта алмаза с горной породой, определяется по методике А.И.Иншлинского;

К, В2 - упругие постоянные;

где n - коэффициент Пуассона;

а - коэффициент пропорциональности;

r - критический радиус индентора;

Е - модуль упругости горной породы.

Критический радиус индентора при переходе от упругого к пластическому деформированию определяется согласно закона Ф.Ауэрбаха

где Pc - критическая нагрузка, н;

В1 - постоянная, зависящая от вязкости разрушения, определяется по методике О.Н.Григорьева;

n1 - константа (n1=1).

Приравнивая Pc и PT и проведя преобразования, получим выражение для определения диаметра алмазного зерна

где d - диаметр алмазного зерна.

Таким образом, существуют критические размеры алмазного зерна (диаметры), при которых происходит переход от полностью упругого разрушения породы к ее упругопластическому разрушению.

Вследствие того, что по наружной и внутренней боковым частям матрицы промежутки между алмазами подрезного слоя равномерно армированы частицами сверхтвердого наноматериала, линейные размеры которых составляют 50÷150 нанометров, значительно повышается износостойкость подрезного слоя матрицы, а следовательно, уменьшается износ коронки по наружному и внутреннему диаметрам при бурении. При использовании частиц сверхтвердого наноматериала (например, нанопорошков нитрида бора, алмаза и др.) размером менее 50 нанометров наблюдается уменьшение износостойкости подрезного слоя матрицы, а при увеличении размеров частиц сверхтвердого наноматериала до более 150 нанометров повышения износостойкости подрезного слоя матрицы не наблюдается.

Благодаря тому, что боковые наружные и внутренние цилиндрические каналы коронки, по крайней мере, в первой ступени импрегнированного слоя матрицы, сообщаются между собой дополнительными каналами, ширина которых составляет (0,6÷0,8) диаметра цилиндрического канала, а глубина равна высоте матрицы, улучшаются условия выноса частиц выбуренной горной породы с забоя скважины вследствие возможности ее транспортирования через дополнительные каналы в затрубное пространство и далее на дневную поверхность.

При ширине дополнительного канала менее 0,6 диаметра цилиндрического канала происходит повышение износа импрегнированного слоя коронки, а с увеличением ширины дополнительного канала до более 0,8 диаметра цилиндрического канала уменьшения износа импрегнированного слоя не наблюдается.

Все это обуславливает повышение механической скорости бурения и эксплуатационной стойкости коронки.

Алмазная буровая коронка показана на фиг.1 и 2, где фиг.1 - общий вид коронки, а фиг.2 - схема размещения алмазных зерен и частиц сверхтвердого наноматериала в матрице коронки.

Алмазная буровая коронка состоит из корпуса 1, алмазосодержащей матрицы 2 со ступенями импрегнированного слоя a, в, с, гребнями 3 высотой h, промывочными окнами 4 в каждой ступени импрегнированного слоя, сообщающимися с боковыми внутренними цилиндрическими каналами 5 и наружными цилиндрическими каналами 6, а также дополнительными каналами 7. В алмазосодержащей части матрицы 2 расположены алмазы 8 импрегнированного слоя, алмазы 9 подрезного слоя и частицы 10 сверхтвердого наноматериала.

Алмазная буровая коронка работает следующим образом: при создании осевого и окружного усилий происходит эффективное разрушение горной породы алмазной коронкой вследствие того, что размер алмазов импрегнированного слоя выбран по расчетной зависимости (5) и соответствует физико-механическим свойствам буримых пород, что исключает заполирование алмазов рабочего торца.

При этом промывочная жидкость внутри корпуса 1 проходит, касаясь матрицы 2, через боковые внутренние цилиндрические каналы 5, промывочные окна 4, дополнительные каналы 7 и омывает матрицу 2 с гребнями 3 с торца и боков, затем через наружные цилиндрические каналы 6 полностью выносит разрушенные частицы породы с забоя, в том числе и крупные, что исключает возможность вторичного измельчения их. При этом алмазная буровая коронка не подвергается повышенному износу абразивным буровым шламом по наружному и внутреннему диаметрам, так как в матрице промежутки между алмазами подрезного слоя равномерно армированы частицами сверхтвердого наноматериала. После отработки ступени а матрицы, отрабатываются ступени в и с.

Благодаря такому выполнению алмазной буровой коронки осевые и окружные усилия, передаваемые на нее, обеспечивают эффективное разрушение горной породы и удаление ее частиц при наименьшем износе рабочей части коронки.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационной стойкости и механической скорости бурения горных пород.

Экономический эффект на одну алмазную коронку диаметром 93 мм составляет 9000,0 руб.

1. Алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным трехступенчатым и подрезным слоями, гребнями на торце и промывочными окнами в каждой ступени импрегнированного слоя, сообщающимися с боковыми наружными и внутренними цилиндрическими каналами, отличающаяся тем, что диаметр алмазного зерна в каждой ступени импрегнированного слоя матрицы определяется по зависимости

где α - коэффициент пропорциональности (α=1,0÷1,1);
B1 - постоянная, зависящая от вязкости разрушения, определяется по методике О.Н.Григорьева;
В2 - упругая постоянная породы;

где n - коэффициент Пуассона;
Е - модуль упругости горной породы;
К - упругая постоянная породы;
К=9(1-n)/16,
где n - коэффициент Пуассона;
с - коэффициент, учитывающий повышение несущей прочности контакта алмаза с горной породой, определяется по методике А.Ю.Ишлинского;
ρ0 - предел текучести горной породы,
кроме того, по наружной и внутренней боковым частям матрицы промежутки между алмазами подрезного слоя равномерно армированы частицами сверхтвердого наноматериала, линейные размеры которых составляют 50÷150 нм.

2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что боковые наружные и внутренние цилиндрические каналы коронки, по крайней мере, в первой ступени импрегнированного слоя матрицы сообщаются между собой дополнительными каналами, ширина которых составляет (0,6÷0,8) диаметра цилиндрического канала, а глубина равна высоте гребня матрицы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области бурения скважин с отбором керна с применением породоразрушающего инструмента, в частности к буровым коронкам с алмазным вооружением.

Изобретение относится к коронкам, предназначенным для бурения скважин с отбором керна по трещиноватым и перемежающимся по твердости породам при разведке месторождений на твердые полезные ископаемые и воду.

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. .

Изобретение относится к коронкам, предназначенным для бурения скважин с отбором керна по трещиноватым и перемежающимся по твердости породам при разведке месторождений на твердые полезные ископаемые и воду.

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. .

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин различного целевого назначения как с отбором, так и без отбора керна в породах до XI категории по буримости.

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин различного целевого назначения с отбором так и без отбора керна в породах до XI категории по буримости.

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. .

Изобретение относится к области бурого породоразрушающего инструмента режущего типа, преимущественно с алмазным вооружением. .

Изобретение относится к области бурения, а именно к породоразрушающему инструменту для ударно-вращательного бурения

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, предназначенным для разрушения, преимущественно абразивных и перемежающихся по твердости пород

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к коронкам, предназначенным для бурения скважин с отбором керна

Изобретение относится к буровым коронкам, армированным природными и искусственными алмазами для бурения глубоких скважин. Обеспечивает увеличение механической скорости бурения, стойкости коронки, повышение сохранности керна. Алмазная ступенчатая буровая коронка включает алмазосодержащую с пилотом матрицу, разделенную торцевыми, внутренними и наружными боковыми, наклонными и дополнительными цилиндрическими промывочными каналами на секторы и корпус с наружной кольцевой проточкой. Дополнительные цилиндрические промывочные каналы, выходящие в торцевые промывочные каналы, расположены перпендикулярно рабочему торцу коронки и смещены по радиусу к периферии пилота матрицы, а диаметр дополнительного цилиндрического канала определяется по установленной зависимости, при этом суммарная площадь поперечных сечений внутренних боковых промывочных каналов коронки находится из расчетного соотношения. Кроме того, входные кромки дополнительных цилиндрических каналов выполнены коническими с острым углом при вершине конуса, а наклонные промывочные каналы выполнены с переменной емкостью, увеличивающейся в сторону наружной кольцевой проточки корпуса коронки. 2 ил.

Изобретение относится к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. Обеспечивает повышение проходки и механической скорости бурения, лучшее охлаждение матрицы и более качественную очистку забоя от шлама. Алмазная буровая коронка включает корпус, матрицу, разделенную промывочными пазами на армированные режущими элементами рабочие секторы с вогнутыми торцами, и размещенные в промывочных пазах пустотелые вставки, открытые со стороны забоя скважины и выполненные в поперечном сечении в форме кольцевых сегментов с выпуклыми торцами, конгруэнтными вогнутым торцам секторов. Каждый сектор матрицы выполнен с горизонтальными каналами, сообщенными с полостью пустотелых вставок, причем горизонтальные каналы выполнены конической формы, большее основание которых ориентировано в сторону вращения коронки. Горизонтальные каналы могут быть сообщены с полостью корпуса дополнительными каналами. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна. Обеспечивает повышение эффективности работы коронки. Алмазная буровая коронка включает корпус и алмазосодержащую матрицу, разделенную промывочными пазами на секторы и содержащую импрегнированный и промежуточный слои, последний из которых выполнен с кольцевым выступом, взаимодействующим с ответной впадиной импрегнированного слоя. Кольцевой выступ промежуточного слоя выполнен в виде синусоиды с амплитудой, не превышающей половину ширины матрицы, при этом длина каждого сектора матрицы составляет не менее длины волны синусоиды. 2 ил.
Наверх