ДОЛОТО ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК E21B10/46 

Изобретение относится к инструменту для вращательного бурения шпуров и скважин и может быть использовано в угольной промышленности при проходке горных выработок буровзрывным способом.

Известны долота для вращательного бурения (см. Европейскую заявку N 0084418, МКИ Е 21 В 10/50, опубл. 27.07.83 г.), содержащие хвостовик, выполненную за одно целое с хвостовиком рабочую головку с двумя центральными и двумя периферийными перьями с установленными на перьях алмазно-твердосплавными пластинами.

Недостатком данных долот является низкая стойкость периферийных пластин, что приводит к быстрой потере наружного диаметра.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является долото для вращательного бурения по заявке N 4699545/03 (М.кл. Е 21 В 10/46, решение о выдаче а.с. от 26.04.90 г.).

Данное долото для вращательного бурения содержит хвостовик с двумя калибрующими выступами, выполненную за одно целое с хвостовиком рабочую головку с двумя центральными и двумя периферийными перьями с установленными в имеющихся в них пазах алмазнотвердосплавными пластинами. Оснащение периферийных и центральных перьев износостойкими алмазно-твердосплавными пластинами повышает стойкость известных долот, однако при бурении крепких и трещиноватых горных пород ввиду повышенных динамических нагрузок периферийные перья на данных долотах интенсивно разрушаются путем скалывания алмазного поликристаллического слоя. Поэтому известные долота эффективно работают лишь в ограниченной области по породам крепостью f 6-10 ед. по шкале проф. М.М. Протодьяконова, не содержащих трещин или присечек более крепких пород.

Целью заявляемого изобретения является расширение технологических возможностей долота за счет бурения крепких и трещиноватых горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что в долоте для вращательного бурения, содержащем хвостовик с двумя калибрующими выступами, выполненную за одно целое с хвостовиком рабочую головку с двумя центральными и двумя периферийными перьями с установленными в имеющихся в них пазах алмазно-твердосплавными пластинами, согласно изобретению на поверхность алмазно-твердосплавных пластин нанесено демпфирующее двухслойное металлическое покрытие, внутренний слой которого выполнен из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому слою, а наружный из металла с повышенной пластичностью и ударной вязкостью, при этом суммарная толщина покрытия составляет 0,03-0,15 от толщины алмазного слоя алмазно-твердосплавной пластины.

Более предпочтительным является долото, у которого демпфирующее двухслойное металлическое покрытие нанесено на всю рабочую головку с перьями, на которых установлены алмазно-твердосплавные пластины или долото, у которого на два центральных пера нанесен слой из молибдена или титана, а на периферийные перья нанесено демпфирующее двухслойное металлическое покрытие.

Кроме того, долото может быть выполнено таким образом, что внутренний слой покрытия предварительно нанесен под пазы на перьях рабочей головки, на которых установлены алмазно-твердосплавные пластины.

Отличительные признаки заявляемого изобретения установлены на основании исследований работоспособности долот вращательного бурения в лабораторных и производственных условиях. При этом заявляемая конструкция долота позволяла эффективно разрушать крепкие и трещиноватые горные породы за счет изменения характера износа алмазно-твердосплавных пластин.

При бурении крепких и трещиноватых горных пород вследствие высоких динамических нагрузок на режущих кромках алмазно-твердосплавных пластин образуются сколы и микровыколы. В результате сразу же изнашивается незащищенный участок твердосплавной подложки, изготавливаемой из сплава с повышенным содержанием кобальта (ВК15, ВК20), и долото интенсивно теряет размер по наружному диаметру, что приводит к его быстрому выходу из строя. Поэтому область применения данных долот ограничена породами средней крепости.

Нанесение износостойких покрытий, например, нитрида титана на поверхность режущих пластин не дает положительного результата, т.к. в этом случае не изменяется характер износа алмазно-твердосплавных пластин. Поскольку износостойкость последних на порядок и более превышает износостойкость известных покрытий, то стойкость долота как и до нанесения покрытия будет определяться износостойкостью алмазно-твердосплавных пластин.

В то же время нанесение демпфирующего двухслойного металлического покрытия, наружный слой которого выполнен из металла с повышенной пластичностью и ударной вязкостью, резко изменяет характер изнашивания алмазно-твердосплавных пластин. В этом случае динамические нагрузки и удары воспринимаются демпфирующим покрытием, которое, деформируясь, защищает режущую кромку от сколов и выкрашиваний, поэтому алмазно-твердосплавная пластина начинает работать в режуще-истирающем режиме, характерном для нее при разрушении мягких пород. Поэтому стойкость долото резко возрастает.

Указанный эффект достигается лишь в случае прочного удержания слоя с повышенной пластичностью и ударной вязкостью на поверхности алмазного слоя. Это может обеспечиваться если внутренний слой выполнен из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому слою. Одновременно данное покрытие, диффундируя в межзеренное пространство поликристалла залечивает микротрещины на поверхности АТЦ и прочность последнего повышается. При этом суммарная толщина покрытия должна составлять 0,03-015 от толщины алмазного слоя, т.е. 10-50 мкм. Уменьшение толщины покрытия ниже указанного предела не защищает поликристаллический алмазный слой от динамических нагрузок, в результате чего на поверхности АТП возникают сколы и микротрещины. Превышение указанного максимального значения толщины покрытия влияет на процесс стружкообразования, поскольку при этом увеличивается отрицательный передний угол пластины, и образование стружки затруднено.

Демпфирующее двухслойное металлическое покрытие может наноситься также на всю рабочую головку с перьями, на которых установлены алмазно-твердосплавные пластины. В этом случае покрытие защищает от динамических нагрузок и ударов не только алмазнотвердосплавные пластины, но и корпус долота, что позволяет его эксплуатировать при более жестких режимах бурения.

Поскольку центральные и периферийные перья долота работают в различных условиях (разные скорости бурения, нормальные и осевые усилия, а также динамические нагрузки), то и состав покрытия может отличаться на центральных и периферийных перьях. Отсутствие ударов на режущих кромках центральных перьев позволяет ограничиться нанесением на них лишь первого (внутреннего) слоя из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому слою, который может быть выполнен из молибдена или титана.

Кроме того, предварительное нанесение внутреннего слоя под пазы на перьях рабочей головки, на которых установлены алмазнотвердосплавные пластины обеспечивает лучшую смачиваемость поверхностей корпуса и подложки АТП при пайке, что повышает прочность соединения алмазно-твердосплавной пластины с корпусом и, соответственно, позволяет эксплуатировать указанные долота на более жестких режимах, т. е. технологические возможности долота при этом также расширяются.

Некоторые элементы заявляемого изобретения являются известными, однако используются они по другому назначению. Например, согласно патенту ФРГ N 3030010 от 8.08.90 г. кл. Е 21 В 10/45 на поверхность долота наносится защитное износостойкое покрытие, толщина которого устанавливается в соответствии с абразивностью, имеющей место в различных условиях при бурении. Т.е. нанесение износостойких покрытий на корпус долота в этом случае используется по прямому назначению для защиты от абразивного износа элементов корпуса. В то же время в заявляемом изобретении демпфирующее двухслойное покрытие не защищает от абразивного износа (поскольку, как показано выше, алмазные режущие элементы обладают значительно более высокой износостойкостью, чем известные покрытия), а изменяют характер взаимодействия АТП с горной породой, что расширяет технологические возможности долота за счет бурения трещиноватых и более крепких пород по сравнению с породами, которые могут разрушать известные долота.

Cущность изобретения поясняется чертежами,
где на фиг.1 изображена проекция долота в основной плоскости (вид спереди),
на фиг.2 вид сбоку,
на фиг.3 вид сверху,
на фиг.4 перо долота с алмазно-твердосплавной пластиной, на которую нанесено двухслойное покрытие.

Долото содержит хвостовик 1 с двумя калибрующими выступами 2 и выполненную за одно целое с хвостовиком рабочую головку 3 с двумя центральными 4 и двумя периферийными 5 перьями. В перьях 4, 5 выполнены пазы 6, в которых установлены алмазно-твердосплавные пластины 7, 8. На поверхность алмазно-твердосплавных пластин 7, 8 нанесено демпфирующее двухслойное металлическое покрытие 9. Внутренний слой 10 данного покрытия выполнен из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому слою, а наружный 11 из металла с повышенной пластичностью и ударной вязкостью. Суммарная толщина покрытия составляет 0,03-0,15 от толщины алмазного слоя 12 алмазно-твердосплавной пластины 7, 8.

Покрытие 9 может быть нанесено на алмазно-твердосплавные пластины 7, 8 или одновременно на всю рабочую головку 3. Кроме того, на два центральных пера 7 может быть нанесен слой из титана или молибдена, а на периферийные перья 5 нанесено демпфирующее двухслойное металлическое покрытие 9. Внутренний слой 10 покрытия может быть предварительно нанесен под пазы 6 на перьях 4, 5 рабочей головки 3, на которых установлены алмазно-твердосплавные пластины 7, 8.

Долото работает следующим образом. В процессе бурения на долото передаются осевая нагрузка и крутящий момент, под действием которых алмазно-твердосплавные пластины 7, 8 с демпфирующим покрытием 9 разрушают породу. Динамические удары, приходящиеся на алмазно-твердосплавные пластины 7, 8 сначала воспринимаются покрытием 9, которое, деформируясь, передает на алмазно-твердосплавные пластины 7, 8 распределенную нагрузку и режущая кромка пластин 7, 8 не скалывается, а остается постоянно острой, что обеспечивает работу пластин в режуще-истирающем режиме. Это дает возможность эксплуатировать долота при более жестких режимах, в том числе при бурении крепких и трещиноватых горных пород.

При создании заявляемого инструмента были разработаны и изготовлены различные варианты конструкции долота, позволив обосновать существенность заявляемого диапазона толщины покрытия, наносимого на поверхность алмазно-твердосплавных пластин. Были изготовлены долота типа РШ-140, на поверхность АТЦ которого наносились двухслойные покрытия различной толщины. Испытания заявляемых долот проводились в Институте сверхтвердых материалов АН Украины на специальном стенде при вращательном бурении шпуров в абразивном песчанике с прочностью на сжатие 140 МПа (f 14 ед. по шкале проф. М.М. Протодьяконова) при частоте вращения 300 об/мин и постоянном усилии подачи равном 5000 Н. Критерием эффективности работы долот являлась их износостойкость, определявшаяся по интенсивности изменение наружного диаметра, а также наличие сколов и микротрещин на поверхности алмазно-твердосплавных пластин, которые определялись визуально под микроскопом МБС-2.

В каждом эксперименте осуществлялось бурение пяти шпуров диаметром 43 мм и длиной 0,75 м. В качестве прототипа использовалось долото РШ-140 без покрытия.

Результаты испытаний долот диаметром 43 мм при различных толщинах покрытий на поверхности алмазно-твердосплавных пластин приведены в табл.1.

Как видно из результатов испытаний, долота с двухслойными демпфирующими покрытиями на поверхности алмазно-твердосплавных пластин изнашиваются менее интенсивно по сравнению с прототипом и на их режущих кромках отсутствуют сколы и микротрещины. Это говорит о возможности эксплуатации заявляемых долот при более жестких режимах бурения, когда возникают сильные вибрации и динамические удары, а также при бурении крепких и трещиноватых пород, что подтверждено результатами производственных испытаний.

Использование предложенного технического решения вместо известных долот позволяет на 20-70% повысить стойкость долот, расширить область их применения и технологические возможности буровых установок типа БУЭ-IM.

Использование: инструмент для вращательного бурения скважин в угольной промышленности при проходке горных выработок буровзрывным способом. Сущность: в долоте для вращательного бурения рабочие поверхности алмазно-твердосплавных пластин 7 и 8 выполнены из двухслойного металлического материала 9. Внутренний слой 10 выполнен из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому материалу. Наружный слой 11 выполнен из металла с повышенными пластичностью и ударной вязкостью. Суммарная толщина слоев 10 и 11 составляет 0,03-0,15 от толщины алмазного слоя 12. Вся наружная поверхность рабочей головки 3 с перьями 4 и 5 может быть выполнена из двухслойного металлического материала. Наружная поверхность перьев 4 может быть выполнена из молибдена или титана, а перьев 5 - из двухслойного металлического материала 9. Внутренняя поверхность пазов 6 может быть выполнена из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому материалу. 3 з.п.ф-лы. 4 ил.

1. Долото для вращательного бурения, содержащее хвостовик с двумя калибрующими выступами, соединенную с хвостовиком рабочую головку с двумя центральными и двумя периферийными перьями с пазами, и установленные в пазах перьев алмазно-твердосплавные пластины с рабочими поверхностями, отличающееся тем, что, с целью расширения технологических возможностей долота за счет бурения крепких и трещиноватых горных пород, рабочие поверхности алмазно-твердосплавных пластин выполнены из двухслойного металлического материала, внутренний слой которого из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому материалу, а наружный из металла с повышенными пластичностью и ударной вязкостью, причем суммарная толщина двухслойного металлического материала составляет 0,03 0,15 от толщины алмазного слоя алмазно-твердосплавной пластины. 2. Долото по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность рабочей головки с перьями выполнена из двухслойного металлического материала. 3. Долото по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность центральных перьев выполнена из молибдена или титана, а наружная поверхность периферийных перьев выполнена из двухслойного маталлического покрытия. 4. Долото по п.1, отличающееся тем, что внутренняя поверхность пазов на центральных и периферийных перьях выполнена из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому материалу.