АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА Российский патент 1998 года по МПК E21B10/46 

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве алмазных коронок, долот и расширителей для бурения скважин.

Известна алмазная буровая коронка, содержащая цилиндрический корпус, целиком выполненный из композиционного вибропоглащающего материала и алмазосодержащей твердосплавной матрицы (см. Баскилович И.А. и др. Алмазные буровые виброгасящие коронки, М.: Разведка и охрана недр, 1985, N 5, с. 32 - 35).

Недостатком этих буровых коронок является то, что корпус такой коронки не позволяет многократно использовать механизм рассеяния энергии виброколебаний, т.к. при прохождении через корпус фронта волн напряжений только часть энергии их необратимо рассеивается (коэффициент рассеяния материала ψ ≥ 10%), а остальная часть передается на матрицу коронки, приводя к износу и разрушению алмазных зерен.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является алмазная буровая коронка, приведенная в работах Никитаева В.А. Перспективы создания и повышения эффективности виброгасящего бурового инструмента в сб. Исследование и разработка методов и средств для реализации высокоэффективной ресурсосберегающей технологии геологоразведочного бурения, Л., ВИТР, 1990, с. 82-86, Никитаев В.А. и др. Виброгаситель наддолотный, а.с. N 1687759, МКИ E 21 B 10/00, 1991 г., содержащая полый цилиндрический корпус, выполненный в виде чередующихся колец, изготовленных из композиционного вибропоглащающего материала и стали, и алмазосодержащую твердосплавную матрицу.

Недостатком такой алмазной буровой коронки является то, что виброгасящий корпус, являющийся промежуточным элементом между матрицей коронки и бурильной колонной, снижает энергию упругих волн только от воздействия вибрации бурильной колонны, расположенной над ним. Возникающие в результате разрушения горной породы знакопеременные динамические напряжения воздействуют непосредственно на алмазное вооружение матрицы со стороны забоя скважины, что приводит к интенсивному износу и разрушению алмазов.

Предлагаемая алмазная буровая коронка содержит полый цилиндрический корпус и алмазосодержащую твердосплавную матрицу. Матрица состоит из твердосплавной шихты, износостойкого твердосплавного наполнителя и инфильтрационного материала, имеющих различную акустическую жесткость. Отношение линейных размеров частиц твердосплавной шихты и износостойкого твердосплавного наполнителя находится в пределах от 1:15 до 1:25. Отношение общих площадей их поверхностей составляет от 40:1 до 48:1.

Такая конструкция алмазной буровой коронки, матрица которой содержит частицы твердосплавной шихты, износостойкого твердосплавного наполнителя и инфильтрационного материала, имеющих различную акустическую жесткость, позволяет обеспечить разные затраты времени на прохождение упругой волны по высоте матрицы, т.е. приводит к разрушению (разрыву) единого фронта распространения упругой волны, а за счет выполнения различных размеров и площадей поверхности частиц твердосплавной шихты и твердосплавного наполнителя, имеющих отношения от 1:15 до 1:25 и от 40:1 до 48:1 соответственно, отражается и рассеивается энергия упругих волн от поверхности частиц, что повышает эффективность гашения вибрации, воздействующей на алмазные зерна, и тем самым способствует снижению расхода алмазов при бурении.

При этом необходимо отметить, что пределы отношений линейных размеров и площадей поверхности шихты и наполнителя имеют конкретное ограничение определяющееся твердостью HRC матрицы, являющейся основным показателем свойств матрицы коронок, для мягкой матрицы 15-20 HRC, нормальной 20-25 HRC, твердой 30-35 HRC (см. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. /Под редакцией Е.А.Козловского, М.: Недра, 1988, т. 1, с. 246), т.е. ограничение выражается условием 40 HRC≥ 1/15 - 1/25 и 1/40 - 1/48≥ 20 HRC.

На фиг. 1 представлен общий вид алмазной буровой коронки; на фиг. 2 - фрагмент сектора матрицы в разрезе.

Алмазная буровая коронка состоит из алмазосодержащей твердосплавной матрицы "a" и металлического корпуса "б". Матрица "а" состоит из твердосплавной шихты 1, износостойкого твердосплавного наполнителя 2, инфильтрационного материала 3 и алмазов 4.

Алмазная буровая коронка работает следующим образом. В процессе бурения при разрушении горной породы возникают упругие волны напряжений, имеющие знакопеременную величину и уровень энергии, которые распространяются по буровой коронке. Воздействие энергии упругих волн приводит к повышенному износу и выкрашиванию алмазов. При прохождении упругих волн через матрицу "а" происходит отражение и рассеяние энергии упругих волн от поверхности частиц твердосплавной шихты 1 и твердосплавного наполнителя 2, имеющих различные размеры и площади поверхности. При этом происходит разрушение единого фронта распространения упругих волн и при прохождении через частицы 1, 2 и материал 3, имеющих различную акустическую жесткость, т. е. часть упругой волны, проходящая через частицы 1, распространяется с отличной скоростью от части упругой волны, проходящей через частицы 2 и соответственно через материал 3, что приводит к разрыву единого фронта распространения упругих волн, а следовательно, к ослаблению возникающих напряжений на поверхности крепления алмазов. Аналогичный эффект происходит при воздействии упругих волн, возникающих в результате вибрации бурильной колонны, расположенной над корпусом коронки "б".

Пример
Предлагаемая конструкция алмазной буровой коронки была реализована в ТулНИГП при изготовлении экспериментальных образцов алмазных буровых коронок диаметром 46 мм. Матрицы коронки состояли из порошка карбида вольфрама 1, крупки "Ролита" 2 и медно-никелевого сплава 3, имеющих различную акустическую жесткость, природных алмазов 4, а отношение линейных размеров и площадей поверхности частиц карбида вольфрама 1 и Ролит 2 составляло от 1:15 до 1:25 и от 40:1 до 48:1 соответственно.

Изготовленные по предлагаемому изобретению 5 опытных алмазных буровых коронок диаметром 46 мм были переданы для производственных испытаний при бурении скважин из подземных горных выработок на Урале в ГП- УС-30. В результате испытаний установлено, что средний ресурс опытных коронок в 1,5 раз выше серийных типа 02И3 /ТУ-2-037-79-88/, а удельный расход алмазов на 80% ниже базовых.

Использование: изобретение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве породоразрушающего инструмента: алмазных буровых коронок. Сущность изобретения: алмазная буровая коронка содержит полый цилиндрический корпус и алмазосодержащую твердосплавную матрицу. Матрица коронки состоит из твердосплавной шихты, износостойкого твердосплавного наполнителя и инфильтрационного материала, имеющих различную акустическую жесткость. Отношение линейных размеров частиц твердосплавной шихты и износостойкого твердосплавного наполнителя находятся в пределах от 1 : 15 до 1 : 25, а отношение общих площадей их поверхности составляет от 40 : 1 до 48 : 1. 2 ил.

Алмазная буровая коронка, содержащая полый цилиндрический корпус и алмазосодержащую твердосплавную матрицу, отличающаяся тем, что матрица состоит из твердосплавной шихты, изностойкого твердосплавного наполнителя и инфильтрационного материала, имеющих различную акустическую жесткость, причем отношение линейных размеров частиц твердосплавной шихты и износостойкого твердосплавного наполнителя находятся в пределах от 1 : 15 до 1 : 25, а соотношение общих площадей их поверхности составляет от 40 : 1 до 48 : 1.