ПОРОДОРАЗРУШАЮЩАЯ ТВЕРДОСПЛАВНАЯ ВСТАВКА ДЛЯ ШАРОШЕЧНЫХ ДОЛОТ Российский патент 1997 года по МПК E21B10/52 E21B10/46 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту и может быть использовано для армирования буровых шарошечных долот.

Известна твердосплавная вставка, имеющая цилиндрический хвостовик и полусферическую рабочую головку [1] Недостатком данной формы породоразрушающей вставки является то, что она создает в породе симметричное распределение напряжений относительно оси симметрии вставки с недостаточно высоким градиентом коэффициента концентрации напряжений. Это отрицательно сказывается на эффективности разрушения пород, имеющих хрупкий механизм разрушения.

Наиболее близкой к предлагаемой вставке является конструкция, состоящая из цилиндрического хвостовика и рабочей головки с приливом, расположенным на боковой поверхности головки [2]
Однако данная вставка, в силу того, что прилив расположен на боковой поверхности, предназначено только для калибровки стенок скважины и не позволяет повысить эффективность разрушения пород при проходе скважин.

Цель изобретения повышение износостойкости вставки и эффективности разрушения крепких и особо крепких пород,
Цель достигается тем, что породоразрушающая твердосплавная вставка содержит цилиндрическое основание и рабочую головку с приливом, причем рабочая головка образована пересечением полусферической поверхности и двух секущих плоскостей, образующих между собой угол α, причем значение a > 130^o. Прилив расположен на вершине рабочей головки вдоль между секущими плоскостями, причем радиус R кривизны образующей прилива в сечении вдоль прилива, радиус R_c образующей полусферической поверхности рабочей головки и радиус r кривизны образующей прилив в сечении, перпендикулярном его длине, находятся в соотношении: R > R_c > r. Высота рабочей головки h связана с длиной прилива L и диаметром цилиндрического основания вставки соотношением: d > 1,5L > 2h.

На фиг. 1 представлена твердосплавная вставка, общий вид; на фиг. 2 то же, вид сбоку; на фиг. 3 то же, вид сверху; на фиг. 4 графики изменения коэффициента концентрации напряжений в теле вставки и породе.

Породоразрушающая вставка состоит из цилиндрического основания 1 и рабочей головки 2 с приливом 3. Рабочая головка образована пересечением полусферической поверхности 4 и секущих плоскостей 5. Прилив имеет продольную 6 и поперечную 7 образующие.

Твердосплавные вставки закрепляются в шарошках буровых долот и предназначены для разрушения горных пород, являясь оставной частью взаимодействующей системы "инструмент-порода". При этом в данной системе происходят два взаимносвязанных процесса разрушение горных пород и износ вооружения. Хотя протекание данных процессов находятся в прямой зависимости друг от друга, повышение эффективности бурения требует интенсифицирования первого и замедления течения второго из них. Разработанная форма вставки является оптимизированно-компромиссной конструкцией, позволяющей создать высокую концентрацию напряжений в разрушаемых породах при сохранении возможно более низкого уровня напряженно-деформированного состояния материала вставки.

Наличие прилива на вершине рабочей части вставки обусловлено механизмом разрушения горных пород при вдавливании породоразрушающего инструмента. Вдавливающийся удлиненный прилив с небольшим радиусом закругления рабочей кромки создает высокую концентрацию напряжений и одновременно различную деформацию породы в направлении вдоль и поперек прилива. Тем самым в породе создаются высокий градиент концентрации напряжений, а также растягивающие напряжения, наиболее эффективные для ее разрушения, поскольку прочность горных пород на сдвиговые и растягивающие напряжения в несколько раз меньше, чем на сжимающие. Выполнение условия превышения значения радиуса продольной образующей прилива R над радиусом полусферической поверхности R_c (R > R_c) обеспечивает удлиненную форму прилива, создающую различную деформацию породы по разным направлениям, Условие по величине радиуса поперечной образующей (R_c > r) обеспечивает высокую концентрацию напряжений в породе.

После окончания внедрения прилива, в породу начинает вдавливаться рабочая часть вставки, образованная полусферической поверхностью и двумя секущими плоскостями. Данная форма рабочей части продолжает процесс изменения напряженно-деформированного состояния пород, начатый внедрением прилива. Наличие секущих граней на полусферической поверхности обеспечивает внедрение вставки с меньшей силой трения и создание неравномерного напряженного состояния в породе. Величина угла между плоскостями a > 130^oC обоснована результатами экспериментов по физическому моделированию на оптически чувствительных материалах работы системы "инструмент-порода". Данное значение обеспечивает отсутствие в материале вставки наиболее опасных растягивающих напряжений, обусловленных действием окружного условия при вращении долота.

Выполнение условия d > 1,5L > 2h позволяет достичь оптимизационного компромисса во взаимодействии вставки с породой, обеспечивающего сохранение высокого разрушающего эффекта инструмента при выполнении тенденции повышения его износостойкости. На основе проведенных экспериментальных исследований на оптически чувствительных материалах взаимодействия твердосплавных вставок с крепкими и особо крепкими породами установлены закономерности изменения коэффициента концентрации касательных напряжений K_τ в породе и теле вставки в зависимости от геометрических параметров конструкции вставки (фиг. 4). Графики K_τ f(h/d) и K_τ f(h/d) показывают изменение K_τ в теле вставки при изменении соотношений длины прилива L, высоты рабочей части вставки h и диаметра цилиндрического основания вставки d. График K_τ f(R/d) показывает изменение коэффициента концентрации напряжений K_τ в разрушаемой горной породе в зависимости от соотношения радиуса закругления рабочей кромки вставки R и диаметра основания d.

Из графиков следует, что увеличение соотношения L/d более 0,7 (точка А - пересечение графиков K_τ f(L/d) и K_τ f(R/d)) нерационально из-за уменьшения напряженного состояния пород.

Увеличение соотношения h/d более 0,5 (точка B) также нерационально из-за одновременного уменьшения концентрации напряжений в породе и увеличении их в теле вставки.

Одновременное выполнение всех соотношений, заложенных в конструкцию твердосплавной вставки, оптимизирует процесс взаимодействия бурового инструмента и разрушаемой породы и позволяет увеличить износостойкость твердосплавных вставок, а также повысить эффективность разрушения крепких и особо крепких пород.

Использование: породоразрушающие инструменты, в частности буровые шарошечные долота. Сущность изобретения: рабочая головка вставки образована пересечением полусферической поверхности и двух секущих плоскостей, образующих между собой угол больше 130^o. На вершине рабочей головки между секущими плоскостями расположен прилив. Радиус R кривизны образующей прилива, радиус R_c образующей полусферической поверхности и радиус r кривизны образующей прилив в сечении, перпендикулярном его длине, находятся в соотношении R > R_c > r. Высота h рабочей головки связана с длиной прилива и диаметром d цилиндрического основания вставки соотношением: d > 1,5L > 2h. Данная конструкция вставки позволяет создать высокую концентрацию напряжений в разрушаемой породе при сохранении возможно более низкого уровня напряженно-деформированного состояния материала вставки. 4 ил.

Породоразрушающая твердосплавная вставка, содержащая цилиндрическое основание и рабочую головку с приливом, отличающаяся тем, что рабочая головка образована пересечением полусферической поверхности и двух секущих плоскостей, образующих между собой угол больше 130^o, при этом прилив расположен на вершине рабочей головки вдоль между секущими плоскостями, причем радиус R кривизны образующей прилива в сечении вдоль прилива, радиус R_с образующей полусферической поверхности рабочей головки и радиус r кривизны образующей прилива в сечении, перпендикулярном его длине, находятся в соотношении R > R_с > r, а высота рабочей головки h связана с длиной прилива L и диаметром d цилиндрического основания вставки соотношением d > 1,5 L > 2h.