ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ВИБРОВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК E21B10/48 

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при бурении скважин с отбором или без отбора керна с использованием высокочастотных вибраторов, например магнитострикторов.

Известна коронка для ударно-вращательного бурения, включающая керно- и скважинообразующие и центральные штыри. Последние установлены в задней части каждого сектора и имеют диаметр в 1,5-2,0 раза больший диаметра керно- и скважинообразующих штырей, а рабочая головка их выполнена со скосом 15-30^о в сторону вращения и выступают над остальными штырями на 1-5 мм.

При бурении данной коронкой, благодаря увеличенному диаметру центральных штырей и превышению над остальными штырями на 1-5 мм, последние создают зону предразрушения под периферийными штырями. Скос на центральных штырях в сторону вращения обеспечивает между ударными подъем периферийных штырей и минимальные усилия трения.

Недостатком этих коронок является одностадийный характер процесса взаимодействия штырей с породой. При бурении этой коронкой контакт штырей с породой по плоскости соответствует объемному характеру накопления трещин, но не отвечает локальному характеру развития процесса катастрофического роста магистральной трещины, т.е. конечной стадии разрушения. Это основной недостаток коронки для ударно-вращательного бурения.

Недостатком этих коронок является также незначительное ослабление породы под периферийными штырями, образование ядра уплотнения, на что тратится около 85% всей энергии, т.е. на первую стадию разрушения и задавливание продуктов разрушения под торцом штырей в породу, что затрудняет очистку забоя от шлама.

Известна также буровая коронка, содержащая алмазные сектора и установленные с набегающей стороны сектора резец со сплошным лезвием, причем резец установлен от первого ряда алмазов на расстоянии, равном их шагу. Такое близкое расположение резца и алмазов и изготовление их монолитным позволяют рассматривать как один комбинированный резец с нулевым задним углом и удлиненной задней гранью, которая выполнена в виде алмазного сектора. Задняя грань такого резца создает зону предразрушения, а его лезвие отделяет от забоя разупрочненный предыдущим резцом слой. Такое поочередное последовательное воздействие на породу достаточно объективно соответствует стадийному характеру процесса разрушения горных пород.

Однако, ввиду малого выпуска алмазов (0,1-0,3 мм) зона предразрушения будет неглубокой, следовательно, и сплошной резец будет снимать тонкий разупрочненный слой.

Таким образом, существенным недостатком комбинации резцов со сплошным лезвием и алмазного сектора в единый породоразрушающий резец является низкая механическая скорость по сравнению с потенциальными возможностями двухстадийного воздействия.

Кроме того, область оптимального режима эксплуатации алмазной части и твердосплавного лезвия не совпадают, что тоже делает невозможным реализацию потенциальных возможностей, заложенных в коронке. Известно, что твердосплавный инструмент и алмазный имеют равные оптимальные параметры режима эксплуатации.

При высокой частоте вращения рабочего органа, оптимальной для алмазных секторов, последние будут работать больше в режиме микрорезания, а твердосплавный резец будет снимать минимальный разупрочненный слой и быстро изнашиваться. При малых частотах вращения, оптимальных для твердосплавного резца, если последний будет снимать слой порядка 3-10 мм, то алмазный сектор ввиду малого выпуска алмазов (максимум 0,2-0,3 мм) будет создавать зону предразрушения не более 0,5-1,0 мм, т.е. подготовительная стадия разрушения будет малоэффективной.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является породоразрушающий инструмент, оснащенный резцами из алмазно-твердосплавных пластин (АТП). Характерной особенностью всех инструментов с резцами из АТП является то, что алмазный слой образует отрицательный передний ( γ 15-20^о) и отрицательный боковой угол (5-10^о).

Существенным недостатком этих инструментов является опережающий контакт хрупкой кромки алмазного слоя АТП с породой при посадке снаряда на забой и его выкрашивание. Динамические удары о кристаллы более твердых минералов при резании тоже в первую очередь приходятся на хрупкий алмазный слой. Действие этих ударов усугубляется тем, что при резании разупрочнение поверхностного слоя пород предыдущим резцом незначительно.

Основным недостатком этих инструментов является одностадийный характер воздействия на породу, в то время как процесс разрушения является двухстадийным процессом. В этом инструменте и при наложении высокочастотного удара малой амплитуды или вибрации локальный, т.е. линейный характер контакта с породой, не изменяется, что не отвечает объемному процессу накопления повреждений. При износе алмазной части с забоем контактирует и твердосплавная подложка. Тогда поверхностный контакт АТП с породой будет соответствовать только объемному накоплению повреждений.

Цель изобретения повышение надежности работы бурового инструмента и его производительности.

Для этого необходимо устранить опережающий контакт алмазного слоя АТП при посадке снаряда на забой и до резания алмазным слоем АТП предварительно создать интенсивную зону предразрушения.

Эти две задачи решаются одним способом, а именно, установкой пластин АТП в корпусе породоразрушающего инструмента с положительным углом резания. В этом случае твердосплавная подложка АТП опережает алмазный слой при посадке инструмента на забой и предварительно создает зону предразрушения. Решение последней задачи сопровождается выполнением прямолинейных пазов на подложке АТП. Благодаря этому увеличивается удельная нагрузка на подложку и выход продуктов разрушения в пазы, что облегчает внедрение подложки в породу под действием вибрации и предварительное ее разупрочнение.

Таким образом простой установкой пластины АТП решается и задача подготовки пород забоя к разрушению. Эта задача вытекает из известных положений физики разрушения. По современным представлениям с наиболее общих позиций физики разрушения разрушение является двухстадийным процессом. На первой стадии происходит в объеме тела накопление повреждений в виде дислокаций, микротрещин и других дефектов, т.е. подготовка к разрушению. После достижения критической концентрации этих дефектов за счет их объединения происходит катастрофический рост магистральной трещины, которая завершается разрушением. При этом, если накопление повреждений носит объемный характер, то разрушение локальный, т. е. при механическом воздействии контакт инструмента с породой должен быть по поверхности для накопления повреждений и по линии для окончательного разрушения. Краткий анализ состояния современных способов и средств разрушения, в том числе и породоразрушающих резцов, показывает, что одностадийное механическое воздействие не соответствует многостадийному характеру самого процесса разрушения и потому оно неэффективно и недостаточно. Важнейшую роль играют процессы зарождения и накопления трещин.

Поэтому предварительное разупрочнение отвечает самой физике механического разрушения, следовательно, и воздействие механическое должно быть, соответственно, двухстадийным. Одна группа породоразрушающих элементов подготавливает породу к разрушению, а вторая разрушает. В изобретении подложка АТП подготавливает забой к разрушению, а алмазный слой доразрушает, снимая этот подготовленный слой породы.

При полном износе опережающей части подложки алмазный слой будет одновременно касаться забоя с подложкой, однако, чтобы еще больше защитить его, над ним выполняется еще один надалмазный слой из твердого сплава. Следует подчеркнуть, что пластины АТП прессуются, т.е. изготавливаются, трехслойными. Только впоследствии один слой сошлифовывается полностью и получается двухслойная пластина. Поэтому наличие надалмазного слоя только облегчает изготовление пластин АТП. При выполнении пазов по радиусу ребра жесткости работают в основном в условиях сжатия, а при параллельных пазах, облегчается их изготовление, т.е. повышается технологичность их изготовления абразивной пилой.

Таким образом, поставленная цель достигается тем, что пластины АТП установлены с положительным передним углом, а на ее твердосплавной подложке выполнены радиальные или вертикальные параллельные пазы, образующие ребро жесткости. Кроме того, по сравнению с прототипом в предлагаемом инструменте АТП по мере износа не теряет своих режущих свойств, обеспечивается лучшее крепление АТП к опоре, улучшаются условия теплоотвода за счет увеличения теплоотводящей поверхности.

На фиг.1 изображен общий вид породоразрушающего инструмента, оснащенного пластинами АТП; на фиг. 2 АТП с радиальными пазами; на фиг.3 то же, вид сбоку; на фиг. 4 АТП с параллельными пазами и надалмазным слоем; на фиг.5 установка АТП в державке; на фиг.6 схема взаимодействия пластин АТП с породой до износа выступающей части подложки; на фиг.7 то же, после износа.

Породоразрушающий инструмент состоит из корпуса 1, резцов из АТП 2, установленных на опоры 3, и вставок из твесала или славутича 4. Пластины АТП имеют на подложке 5 радиальные пазы 6, образуя ребра жесткости 7, рис.2. Для повышения вибростойкости при бурении очень крепких пород АТП может снабжаться третьим надалмазным твердосплавным слоем 8, а для повышения технологичности изготовления пазы 6 могут выполняться параллельными (фиг.4). При этом для усиления крепления АТП к опоре на последней выполняются ответные пазам выступы 9 (фиг.5).

Породоразрушающий инструмент работает следующим образом.

При посадке инструмента на забой в первую очередь контактируют с забоем ребра жесткости 7. Под действием осевого усилия и вибрации, например от магнитостриктора, они периферийной угловой частью внедряются в породу, затем вступают в контакт с забоем всем своим торцом.

За это время буровой инструмент сделает несколько оборотов и прорежет канавку глубиной t, а под ребрами жесткости образуется интенсивная зона предразрушения толщиной h (фиг.6). После этого алмазный слой последующей АТП внедрится в уже подготовленный для окончательного разрушения верхний слой породы Н и срежет его. После износа выступающей части ребер жесткости канавки прорезываться не будут, но под ними также будет образована интенсивная зона предразрушения (фиг.7). Утверждение о внедрении ребер жесткости в породу и развитие значительной зоны предразрушения подкрепляется опытом внедрения шарошечного бурения с магнитострикционным вибратором, а именно, увеличение механической скорости бурения происходит при том же режиме бурения. При этом, благодаря малой чувствительности к притуплению резца, чем крепче порода, тем выше эффект (в 3-4 раза). Кроме того, наблюдается углубка долота и при полном износе его вооружения. Это позволяет утверждать, что при наложении соответствующей вибрации ребра жесткости будут внедряться в твердые породы при нормальных режимах нагружения и создавать значительную зону предразрушения. От внедренных ребер при вращении образуется шлам 10, который удаляется через пазы 6 между ребрами (фиг.6). Таким образом, после взаимодействия ребер жесткости подложки с породой остается слой породы весь пронизанный микро- и макротрещинами, к тому же еще прорезанный канавками глубиной t (фиг.6). Следующая пластина АТП своим алмазным слоем отделяет этот слой от породы, т. е. проводит окончательное разрушение. При этом работа алмазного слоя интенсифицируется вибрацией.

Благодаря наложению интенсивной вибрации на опережающие лезвие ребра жесткости разрушение пластиной АТП происходит в две стадии.

Первая подготовительная стадия, которая заключается в наведении в поверхностном слое густой сети микро- и макротрещин, осуществляется ребрами жесткости подложки АТП. Вторая стадия окончательное разрушение проводится алмазным слоем в режиме виброрезания. Такое двухстадийное воздействие на горную породу с целью ее разрушения соответствует физическим процессам, происходящим в горной породе при разрушении, а именно, накопление повреждений до их критической концентрации в единице объема тела и катастрофическому росту магистральной трещины за счет поглощения микротрещин и других дефектов. Соответствие внешнего воздействия внутренним процессам, происходящим при разрушении, несомненно является основным фактором повышения эффективности разрушения горных пород.

Работоспособность алмазного слоя АТП в предлагаемом инструменте обусловлено тем, что ребра жесткости опережают алмазный слой, поэтому динамическое воздействие забоя в первую очередь воспринимают ребра жесткости, в результате которого крепкие включения или берега трещин разрушаются. И только последствие такого динамического взаимодействия забоя и ребер жесткости через предразрушенную зону передается алмазному слою. Кроме того, повышение вибро- и ударостойкости алмазного слоя может быть усилено твердосплавным слоем поверх него 8 (фиг.4).

Выполнение прямолинейных пазов на подложке по радиусу круглых пластин, т. е. по направлению нормальных реактивных сил забоя, значительно уменьшает действие изгибающих сил на ребра жесткости. Однако при достаточной прочности ребер жесткости возможно изготовление пазов параллельными, а на опорах выполнение ответных им выступов. Это повышает технологичность изготовления пазов и надежность закрепления пластин на опоры.

Промышленность в настоящее время выпускает пластины АТП диаметром 13,5 мм, при этом толщина подложки составляет 2,8 мм. На подложке таких параметров можно сделать 4 паза шириной 1,5 мм и глубиной 2 мм, с образованием 5 ребер жесткости. Для бурения трещиноватых пород, следует увеличить ширину ребер до 2 мм.

Использование: при бурении скважин с отбором или без отбора керна с использованием высокочастотных вибраторов. Сущность изобретения: породоразрушающий инструмент для вибровращательного бурения содержит корпус и резцы из алмазно-твердосплавных пластин (АТП). Пластины АТП установлены с положительным передним углом. На твердосплавной подложке АТП выполнены радиальные или параллельные оси коронки в проекции на вертикальную проскость прямолинейные пазы, образующие ребра жесткости. Пластины АТП имеют дополнительный надалмазный твердосплавный слой. 1 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ВИБРОВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ, включающий корпус и резцы из алмазно-твердосплавных пластин (АТП), отличающийся тем, что пластины АТП установлены с положительным передним углом, а на твердосплавной подложке АТП выполнены радиальные или параллельные оси коронки в проекции на вертикальную плоскость прямолинейные пазы, образующие ребра жесткости. 2. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что пластины АТП имеют дополнительный надалмазный твердосплавный слой.