ПОРОДОРАЗРУШАЮЩАЯ ТВЕРДОСПЛАВНАЯ ВСТАВКА Российский патент 1997 года по МПК E21B10/52 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к твердосплавным вставкам, применяемым для армирования буровых долот.

Известна твердосплавная вставка для оснащения породоразрушающего инструмента, содержащая цилиндрический корпус и клиновидную рабочую часть [1] Однако малый радиус закругления лезвия и наличие угловых элементов на рабочей части способствуют появлению зон повышенной концентрации напряжений при контакте вставки с породой, что отрицательно сказывается на ее износостойкости. Наиболее близкой к предлагаемой является вставка, содержащая цилиндрический корпус и рабочую часть с режущей кромкой, образованную поверхностями конусной и клиновидной формы [2] Недостатком данной конструкции является повышенный уровень напряжения состояния вставки, особенно в начальный период внедрения в породу, за счет вершины рабочего лезвия, выполненной с закруглением по конусной поверхности и небольшой величиной радиуса закругления по клиновой поверхности, а также отсутствием обоснования параметров по длине и углам заострения рабочей части.

Целью изобретения является повышение износостойкости твердосплавной вставки.

Поставленная цель достигается тем, что породоразрушающая твердосплавная вставка, состоящая из цилиндрического хвостовика и рабочей головки с режущими кромками и лезвием, образованными пересечением поверхностей конусной и клиновидной формы, имеет переходной конус, а соотношение углов α и β заострения рабочей головки вставки, образованных соответственно конусной и клиновидной поверхностями, лежит в диапазоне:
a/β = 0,70-1,40;
причем радиус притупления R клиновидной поверхности рабочей головки определяется из выражения:
R/d 0,2 0,35.

Лезвие вставки выполнено с прямолинейной средней частью и двумя боковыми криволинейными участками, сопрягающимися с конусной поверхностью, при этом радиус кривизны указанных участков меньше длины прямолинейной средней части, а высота рабочей головки h связана с диаметром d хвостовика соотношением:
h/d 0,45 0,75
На рис. 1 представлена твердосплавная вставка, общий вид; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 то же, вид сверху.

Породоразрушающая вставка состоит из цилиндрического основания - хвостовика 1 диаметром d и рабочей головки 2 высотой h, имеющей конусную 3, клиновидную 4 поверхности и переходной конус 5. Лезвие 6 образовано радиусом R притупления 7 по клиновидной части и содержит прямолинейную среднюю часть 8 длиной L и криволинейные участки 9 с радиусом закругления r.

Породоразрушающие вставки изготавливаются из твердых сплавов, например вольфрамокобальтовых, запрессовываются в шарошки буровых долот и работают следующим образом. Под действием осевого и окружного усилий при подаче долота вставки внедряются в породу, раздавливая и скалывая ее, образуется контактная поверхность сложной формы и зоны предельного напряженно-деформированного состояния в области контактирования вставок с породой. Каждая породоразрушающая вставка является элементом, через который энергия бурового оборудования вводится в горную породу. При этом данная энергия может расходоваться как на разрушения массива, так и на износ бурового оборудования. Показателем эффективности работы инструмента является отношение объема разрушенной породы к объему изношенного материала породоразрушающих органов.

Разрушение породы и прочность инструмента однозначно определяются напряженным состоянием, возникающим в системе "инструмент горная порода". Следствием данного напряженного состояния является преждевременный выход из строя бурового оборудования из-за раскалывания и изнашивания его элементов. Оптимизация напряженного состояния породоразрушающих элементов, отсутствие в них зон с запредельным уровнем концентрации напряжений позволяет повысить износостойкость вставок без снижения эффективности бурения, поскольку, ввиду различных прочностных характеристик материала вставок и породы, напряжения, недостаточные для разрушения вставок, гораздо выше предела прочности пород.

Напряженное состояние вставок определяется взаимодействием технологических и горно -геологических факторов работы инструмента (параметры буровых станков, долот, свойства буримых пород) и геометрических факторов (форма вставок). Снижение уровня напряженного состояния породоразрушающих элементов достигается оптимизацией их формы с учетом условий работы.

В результате экспериментальных исследований работы системы "породоразрушающая вставка порода" методами физического моделирования на оптически-чувствительных материалах получен коэффициенты корреляционно-регрессионных уравнений, определяющих напряженное состояние породоразрушающих вставок при изменении факторов их формы и технологических параметров при бурении скважин в диапазоне пород от мягких и среднетвердых до твердых (таблица).

Математическим анализом данных коэффициентов установлено, что диапазон изменения параметров формы вставок: α/β 0,70 1,10; R/d 0,2 0,35; h/d 0,45 0,75 обеспечивает оптимизацию распределения напряжений в теле вставки. При выходе из указанного соотношения a/β происходит неравномерное деформирование рабочей головки и возникает высокий градиент коэффициента концентрации напряжений. Несоблюдение данного соотношения R/d приводит к появлению зон с высокой концентрацией касательных напряжений, а h/d к возникновению зон наиболее опасных растягивающих напряжений на гранях вставки. Выполнение рабочей головки с переходным конусом, а также лезвие с прямолинейной средней частью и боковыми криволинейными участками, радиус кривизны которых меньше длины прямолинейной средней части, позволяет снизить уровень концентрации напряжений в вершине лезвия за счет его достаточно большой длины и, следовательно, увеличения поверхности взаимодействия с породой. Наибольший эффект это обеспечивает в начальный момент взаимодействия вставки с породой при отсутствии выкола и малой зоне соприкосновения инструмента с породой.

Данные параметры конструкции породоразрушающей вставки позволяют достичь оптимального режима ее взаимодействия с породой и обеспечить повышение износостойкости бурового инструмента.

Источники информации
1. Палий П.А, Корнеев К.Е. Буровые долота. Справочник. М. Недра, 1971, с.367.

2. Патент США N 4254840, кл. 175/410, опубл. 1981.

Использование: изобретение относится к области горного дела, к породоразрушающим вставкам, применяемым для армирования буровых долот. Сущность изобретения: вставка выполнена с переходным конусом, а соотношение углов α и β заострения рабочей головки вставки, образованных соответственно конусной и клиновидной поверхностями, лежит в диапазоне: a/β = 0,70 - 1,40. Радиус R притупления клиновидной поверхности рабочей головки находится с диаметром d хвостовика вставки в соотношении: R/d = 0,2 - 0,35. Лезвие вставки выполнено с прямолинейной средней частью и двумя боковыми криволинейными участками, причем радиус кривизны указанных участков меньше длины прямолинейной средней части. Высота h рабочей головки связана с диаметром хвостовика соотношением: h/d = 0,45 - 0,75. Данная конструкция вставки оптимизирует изменение ее напряженно-деформированного состояния при работе системы "инструмент-порода". Это позволяет повысить износостойкость вставки за счет уменьшения в ней концентрации напряжений. 3 ил, 1табл.

Породоразрушающая твердосплавная вставка, содержащая цилиндрический хвостовик и рабочую головку с режущими кромками и лезвием, образованными пересечением поверхностей конусной и клиновидной формы, отличающаяся тем, что рабочая головка выполнена с переходным конусом, а углы заострения, образованные конусной и клиновидной поверхностями, находятся в соотношении
α/β = 0,70-1,40,
причем радиус притупления клиновидной поверхности рабочей головки определяется из выражения
R/d 0,2 0,35,
при этом лезвие выполнено с прямолинейной средней частью и двумя боковыми криволинейными участками, сопрягающимися с конусной поверхностью, причем радиус кривизны указанных участков меньше длины прямолинейной средней части, а высота рабочей головки связана с диаметром хвостовика соотношением
h/d 0,45 0,75,
где α и β- углы заострения рабочей части вставки, образованные соответственно конусной и клиновидной поверхностями, град.

R радиус притупления клиновидной поверхности, м;
d диаметр хвостовика, м;
h высота рабочей головки вставки, м.