АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА Российский патент 1997 года по МПК E21B10/46 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам.

Известны серийные алмазные коронки, включающие корпус с присоединительной к буровой снаряду частью, алмазосодержащему с промывочными каналами.

Недостатком известных коронок является снижение стойкости при бурении на форсированных режимах из-за ухудшения очистки забоя скважины от шлама. Это связано с тем, что при бурении с высокой механической скоростью под торцом матрицы, в задней по ходу вращения части каждого сектора, происходит накопление шлама и его многократное переизмельчение, а при использовании мелких торцевых алмазов, вследствие отсутствия циркуляции промывочной жидкости между породоразрушающими резцами, нарушается температурный режим работы инструмента, что ведет к снижению ресурса и эффективности бурового процесса.

Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус с присоединительной резьбовой частью, матрицу, состоящую из алмазного торцевого и подрезного слоев, разделенную промывочными каналами на сектора уменьшенной длины, оснащенные по наружной и внутренней боковым поверхностям износостойкими элементами из сверхтвердого материала, причем износостойкие элементы в каждом секторе, с целью повышения механической прочности соединения, смещены в сторону набегающей части на угол 6-8 градусов.

Уменьшение длины секторов, увеличение количества промывочных каналов улучшает очистку поверхности разрушения горной породы от бурового шлама и охлаждение породоразрушающих резцов, что позволяет использовать в коронке дешевые сорта алмазов мелкой фракции и повышает эффективность процесса бурения на форсированных режимах работы инструмента.

Однако, данная коронка имеет и недостатки. Так как прочность соединения сектора матрицы с корпусом пропорциональна его длине, а секторы коронки укорочены до минимально-допустимой величины, то дальнейшее повышение эффективности бурения на более высоком уровне форсирования режимов ее работы проблематично.

Вместе с этим, из-за наличия большого количества промывочных каналов, коронка имеет не только пониженную прочность соединения секторов матрицы с корпусом, но и уменьшенную площадь контактирования алмазосодержащей матрицы с поверхностью забоя. В процессе бурения, для обеспечения работоспособности коронки необходимо стабилизировать заданную величину внедрения резцов в горную породу, а при использовании мелких торцевых алмазов, допустимое отклонение имеет короткий интервал, выдержать который из-за повышенной амплитуды колебаний осевой нагрузки на инструмент и вибрации бурового снаряда, работающего в форсированном режиме, весьма затруднительно. В связи с этим для обеспечения нормального режима работы породоразрушающих резцов и увеличения ресурса коронки рекомендуют ограничивать уровень механической скорости (не более 4 м/час), а это снижает эффективность процесса бурения.

Цель настоящего изобретения повышение эффективности бурения за счет увеличения ресурса работы коронки и механической скорости путем форсирования режимов по параметрам частоты вращения и осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент, а также снижение стоимости коронки за счет использования дешевых природных и синтетических алмазов мелкой фракции.

Эта цель достигается тем, что слои матрицы расположены перпендикулярно или наклонно к плоскости, перпендикулярной продольной оси коронки, а между ними установлен породоразрушаеющий резец, при этом слой матрицы, расположенный по ходу вращения коронки перед резцом, имеет меньшее значение износоустойчивости, чем слой матрицы, размещенный за резцом.

В процессе бурения коронкой, слой матрицы, расположенный перед породоразрушающим резцом, изнашивается с большей скоростью, чем слой, расположенный за резцом, по ходу вращения. При этом обнажается передняя режущая кромка резца и образуется гидравлический канал, способствующий поступлению промывочной жидкости в зону горной породы для охлаждения алмазов, смачивания и очистки от шлама поверхности забоя скважины. Слой матрицы, расположенный за резцом, имеющий более высокое значение износоустойчивости, чем передний, в процессе бурения выполняет роль опорного и несущего элемента резца, предохраняющего его от механических повреждений при действии повышенных нагрузок и ограничивающего внедрение алмазов в горную породу сверх допустимой величины. Предлагаемое техническое решение обеспечивает высокую механическую прочность матрицы коронки за счет сохранения ее целостности и стандартных размеров секторов, прочное закрепление породоразрушающих резцов, а стабилизация процесса разрушения горной породы и нормализация температурного режима работы алмазов, позволяет повысить стойкость наконечника и механическую скорость на более высоком уровне форсирования режимных параметров бурения.

На фиг. 1, 2 изображена буровая коронка в двух проекциях с продольным резцом; на фиг. 3 показана схема работы породоразрушающего резца, расположенного между двумя слоями матрицы с различной износоустойчивостью; на фиг. 4 изображен один из вариантов выполнения коронки с криволинейной формой породоразрушающих резцов в поперечном сечении.

Буровая коронка состоит из корпуса 1 с присоединительной к буровому снаряду частью 2, промывочных каналов 3, матрицы, выполненной из слоев 4, 5 и расположенных между ними породоразрушающих резцов 6. Слои 4, 5 матрицы расположены перпендикулярно или наклонно к плоскости, перпендикулярной продольной оси коронки, а между ними установлен резец 6, при этом слой 4 матрицы, расположенный по ходу вращения коронки перед резцом 6, имеет меньшее значение износоустойчивости, чем слой 5 матрицы, размещенный за резцом 6.

Различная величина износоустойчивости слоев 4, 5 матрицы коронки достигается путем изменения количественных и качественных соотношений материалов, входящих в композиционный состав шихты, а также использования вставок из твердых и сверхтвердых сплавов.

Породоразурешающий резец 6 представляет собой слой матрицы, содержащий природные или синтетические алмазы, величина и концентрация которых зависит от условий бурения.

Количество и геометрические размеры слоев 4, 5 матрицы, породоразрушающих резцов 6 в секторе, а также угол их наклона к плоскости торца коронки определяется физико-механическими свойствами разбуриваемых горных пород, видом промывочной жидкости и режимными параметрами процесса бурения.

Коронка работает следующим образом.

При бурении скважины, от бурового агрегата коронке передается крутящий момент и осевая нагрузка. Для охлаждения коронки, удаления шлама и смачивания зоны разрушения горной породы подается промывочная жидкость, поступающая по буровому снаряду через промывочные каналы 3 к поверхности забоя. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающие резцы 6, перемещаясь по поверхности забоя скважины, разрушают горную породу, слои 4 матрицы вследствие эрозионного износа обнажают набегающую поверхность резцов 6. В результате износа слоев 4 в передних по ходу вращения частях резцов 6 образуются гидравлические каналы, соединяющие боковые поверхности матрицы, по которым промывочная жидкость поступает к забою скважины, осуществляет охлаждение резцов 6, очистку от шлама и смачивание поверхности разрушения горной породы. Таким образом, у передней кромки каждого породоразрушающего резца 6 образуется индивидуальный гидравлический канал, поперечное сечение которого из-за небольших размеров не снижает прочность матрицы, но достаточно для циркуляции жидкости и нормализации температурного режима работы алмазов. Промывочные каналы 3 в матрице коронки обеспечивают необходимый перепад давления промывочной жидкости и скорость восходящего потока (жидкости) в скважине. Слой 5 матрицы, расположенный за резцом 6, имеющий более высокое значение износостойкости, выполняет функцию опорного элемента резца 6 и регулятора величины внедрения резца 6 в горную породу, воспринимающего динамические нагрузки, возникающие при вибрации бурового снаряда, работающего в форсированном режиме.

Расположение породоразрушающих резцов 6 между слоями 4, 5 матрицы обеспечивает ее целостность, высокую механическую прочность закрепления резцов 6, необходимый уровень теплоотвода, а также оптимальный температурный режим работы алмазов, что позволяет интенсифицировать технологический процесс бурения горных пород путем повышения уровня форсирования режимов работы алмазной коронки.

Криволинейное выполнение породоразрушающих резцов 6 в поперечном сечении коронки, способствует интенсификации удаления бурового шлама с поверхности разрушения горной породы за счет изменения траектории его движения у режущей кромки резцов 6 по касательной к периферийной стороне забоя. Криволинейная форма выполнения резцов 6 с отрицательным углом их наклона к плоскости, перпендикулярной продольной оси коронки, обеспечивает снижение ударных нагрузок на коронку при бурении трещиноватых и перемежающихся по твердости горных пород. Динамическая стабильность работы коронки с криволинейным выполнением породоразрушающих резцов позволяет поднять уровень форсирования режима бурения, повысить механическую скорость и снизить удельный расход алмазов.

Использование: изобретение относится к породоразрушающему инструменту. Сущность изобретения: коронка состоит из корпуса 1, присоединительной части 2, промывочных каналов 3, матрицы, выполненной из слоев 4, 5 и размещенных между ними породоразрушающих резцов 6. Слои 4 и 5 расположены перпендикулярно или наклонно к плоскости, перпендикулярной продольной оси коронки, а между ними размещен резец 6, при этом слой 4, расположенный по ходу вращения коронки перед резцом 6, имеет меньшее значение износоустойчивости, чем слой 5, размещенный за резцом 6. При бурении слой 4, в результате эрозионного износа обнажает переднюю кромку резца 6, образуя гидравлический канал для поступления жидкости в зону смачивания поверхности забоя. Износоустойчивый слой 5 матрицы в процессе бурения выполняет роль опорного элемента резца 6, ограничивает величину его внедрения в горную породу сверх допустимых величин, воспринимает динамические нагрузки, возникающие при вибрации бурового снаряда. Это позволяет оптимизировать режим работы породоразрушающих резцов 6 при интенсификации технологического процесса бурения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Алмазная буровая коронка, содержащая корпус с частью для присоединения к буровому снаряду, выполненную из слоев алмазосодержащую матрицу с промывочными каналами и породоразрушающие резцы, отличающаяся тем, что слои матрицы расположены перпендикулярно или наклонно к плоскости перпендикулярной продольной оси коронки, а между ними установлен резец, при этом слой матрицы, расположенный по ходу вращения коронки перед резцом, имеет меньшее значение износоустойчивости, чем слой матрицы, размещенный за резцом. 2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что резец имеет криволинейную форму в поперечном сечении коронки.