БУРОВОЕ ДОЛОТО И РЕЖУЩАЯ ВСТАВКА ДЛЯ НЕГО Российский патент 2000 года по МПК E21B10/36 E21B10/56 

Изобретение касается создания режущих вставок с корпусами из цементированного карбида и буровых долот, используемых преимущественно для ударного бурения породы.

В патенте США US-A-4,598,779 раскрыто буровое долото, которое снабжено множеством режущих вставок в виде долот. Каждая вставка имеет направляющую поверхность, которая имеет относительно острое соединение с режущими кромками. При использовании цементированного карбида относительно острое соединение является нежелательным, так как при тяжелом бурении может происходить отслаивание, вызванное появлением напряжений в области соединений, при этом не удается осуществить бурение прямых скважин при длительном прогоне. Кроме того, форма известных вставок не оптимизирована относительно максимального объема износа.

В патенте США US-A-4,607,712 раскрыто буровое долото, которое содержит множество режущих вставок. Рабочая часть каждой вставки имеет полусферическую базовую форму, к которой добавлен дополнительный объем цементированного карбида. Однако известные вставки не обеспечивают достаточного упора в стенку буровой скважины, поэтому не удается осуществить бурение прямолинейных скважин. Более того, области соединений между компонентами рабочей части являются относительно острыми, в результате чего возникают упомянутые выше напряжения, вредные для цементированного карбида. Кроме того, сферическая базовая форма содержит относительно малый объем цементированного карбида.

Цементированный карбид для бурения породы обычно содержит WC, часто именуемый альфа-фазой, и фазу связки, которая состоит из кобальта с малыми количествами W и C в твердом растворе, которую именуют бета-фазой. Обычно нет свободного углерода или эта-фаз, а также фаз с малым содержанием углерода с общими формулами M₆C (Co₃W₃C), M₁₂C (Co₆W₆C) или каппа-фазы M₄C. Однако в европейском патенте EP-B2-0 182 759 раскрыты тела из цементированного карбида с сердечником из мелкой и равномерно распределенной эта-фазы, внедренной в нормальную структуру альфа + бета-фаза, и с зоной окружающей поверхности, содержащей только альфа + бета-фазу. Дополнительное условие заключается в том, что внутренняя часть зоны поверхности, расположенная вблизи от сердечника, имеет содержание фазы связки, которое превышает номинальное содержание фазы связки. Кроме того, содержание фазы связки в самой внешней части зоны поверхности ниже номинального и возрастает в направлении к сердечнику до максимума, расположенного в зоне, не имеющей эта-фазы. Под номинальным содержанием фазы связки здесь и далее понимают взвешенное содержание фазы связки.

В патенте США US-A 5,286,549 раскрыты тела из цементированного карбида, которые содержат WC (альфа-фазу) и фазу связки, которая основана по меньшей мере на одном из Co, Fe и Ni, и имеют сердечник из цементированного карбида, содержащего эта-фазу, окруженный поверхностной зоной с внешней частью поверхностной зоны, причем содержание фазы связки в этой внешней части ниже номинального и является постоянным. Полученные в соответствии с этим изобретением тела из цементированного карбида имеют высокую износостойкость по причине высокой средней твердости внешней зоны. Другими имеющими отношение к делу являются документы US-A-5,279,901 и EP-A- 92850260.8. Тела из цементированного карбида со структурой, аналогичной EP-B2-0 182 759, полезны также в качестве материала инструментов для перфорирования или прошивки, как это раскрыто в US-A-5,235,879, или в качестве рулонного материала, как это раскрыто в EP-A-93850023.8. Кроме того, также может быть использован материал, который раскрыт в US-A-5,074,623.

Задачей указанных изобретений является достижение высокой износостойкости внешней зоны, вызванной высокой твердостью, в сочетании с предварительными напряжениями сжатия, вызванными различным содержанием связки в различных зонах. Если кромка износа, которая развивается в ходе износа, достигает зоны, которая имеет содержание связки выше номинального, то износостойкость быстро падает по причине более низкой твердости. Это представляет собой недостаток, в особенности при бурении породы при помощи снабженных режущими вставками буровых долот.

Задачей настоящего изобретения является избежание или уменьшение влияния недостатков, имеющихся в известных устройствах. Одной из задач настоящего изобретения является увеличение износостойкости корпусов (инструментов) из цементированного карбида, которые преимущественно предназначены для использования в инструментах для бурения породы (в перфораторах) и для бурения минералов. Износостойкость корпусов из цементированного карбида может быть увеличена путем увеличения объема корпуса в области, подверженной износу. Для того, чтобы достичь явного увеличения износостойкости, в основном должен быть увеличен объем подверженной износу зоны.

Явное увеличение износостойкости может быть получено при увеличении объема внешней зоны, которая подвержена износу, когда инструмент проработал по меньшей мере 50%, а вероятнее всего 100% или более (его срока службы). Вставки для ударных буровых долот имеют наибольший износ в зоне, которая входит в контакт со стенкой буровой скважины, а также на вершине вставки, где должна разламываться порода. Увеличение износостойкости вставки может быть получено при увеличении объема внешней зоны, которая входит в контакт со стенкой, а также объема на вершине вставки.

Известные инструменты обычно содержали вставки с аксиально-симметричной формой вершины (левая часть фиг. 12). Увеличение объема внешней зоны, которая подвержена износу, часто приводит к появлению не аксиально-симметричной формы вершины. По природе износа, которая зависит от свойств породы и условий бурения, износ более всего проявляется в зоне, которая входит в контакт со стенкой, или в области вершины вставки, где должна разламываться порода. Важно принимать во внимание этот факт и увеличивать объем внешней зоны более всего там, где вставки изнашиваются сильнее всего.

Как увеличение срока службы, так и высокая скорость проходки могут быть достигнуты при использовании оптимальной геометрической структуры, разрушение которой происходит не так быстро. Важным преимуществом настоящего изобретения является высокая точность при использовании материала для бурового долота. Увеличенный объем износостойкого материала и, следовательно, высокая износостойкость внешней зоны в области, подверженной износу, позволяет проходить прямолинейные скважины и иметь лучшие допуски по диаметру буровой скважины. Кроме того, могут быть увеличены интервалы между повторными перешлифовками; это снижает опасность для бурильщика и облегчает его труд.

Задачи настоящего изобретения решаются следующим образом.

Режущая вставка из цементированного карбида, согласно изобретению, имеет главным образом цилиндрический установочный участок и внешний участок, включающий в себя относительно плоскую поверхность, идущую от указанного установочного участка в направлении к переднему концу вставки, при этом установочный участок имеет центральную ось (A) и радиус (D/2). Отличием вставки является то, что тело вставки из цементированного карбида включает в себя ряд зон, одной из которых является поверхностная зона, полностью окружающая сердечник режущей вставки, причем граница двух смежных зон описывает траекторию, которая не является симметричной, по меньшей мере в одном поперечном сечении в виде сбоку, относительно центральной оси (A), а траектория в поперечном сечении в виде сверху не является симметричной по меньшей мере относительно одной оси (N2), перпендикулярной к центральной оси.

Внешний участок вставки имеет выпукло-изогнутую базовую форму, преимущественно баллистическую базовую форму, радиально наружу из которой выступает большая часть внешнего участка, а относительно плоская поверхность плавно соединяет другие части указанного внешнего участка.

Стык установочного участка и внешнего участка вставки образует базовую линию, которая является вогнутой, на виде сбоку, у относительно плоской поверхности, в результате чего ограничивается самая задняя по оси точка, причем эта самая задняя точка расположена по оси впереди базовой линии у вогнутой базовой формы и позади в осевом направлении относительно самой передней части базовой линии.

Сердечник вставки из мелкой и равномерно распределенной эта-фазы внедрен в нормальную структуру альфа + бета-фаза, причем окружающая поверхностная зона содержит только альфа + бета-фазу, при этом внутренняя часть поверхностной зоны, расположенная вблизи от сердечника, имеет содержание фазы связки, которое превышает номинальное содержание фазы связки, причем содержание фазы связки в самой внешней части поверхностной зоны ниже номинального и возрастает в направлении к сердечнику до максимума, расположенного в зоне, не имеющей эта-фазы.

Вставка содержит WC (альфа-фазу) и фазу связки, которая основана по меньшей мере на одном из элементов Co, Fe и Ni и имеет сердечник из содержащего эта-фазу цементированного карбида, окруженный поверхностной зоной с внешней частью поверхностной зоны, содержание фазы связки в которой ниже номинального, причем содержание фазы связки во внешней части поверхностной зоны является главным образом постоянным.

Особенностями бурового долота согласно настоящему изобретению является применение в нем множества режущих вставок, выполненных согласно охарактеризованному выше.

Буровое долото ударного типа включает в себя вал, бурильную головку, расположенную на переднем конце указанного вала и имеющую первую продольную ось (CL), причем бурильная головка имеет направленный вперед лицевой конец с лицевой поверхностью, поверхность оболочки, которая идет главным образом в продольном направлении и ограничивает внешнюю периферию указанной бурильной головки, а также множество отверстий, образованных в указанном лицевом конце, причем каждое из указанных отверстий имеет главным образом цилиндрическую основную форму и служит для введения в него режущей вставки из цементированного карбида, при этом каждая режущая вставка имеет главным образом цилиндрический установочный участок с центральной осью (A) и внешний участок, выступающий из указанного отверстия.

Тело из цементированного карбида включает ряд зон (H, I, K), одной из которых является поверхностная зона (K), полностью окружающая сердечник (H) режущей вставки, причем граница двух смежных зон описывает траекторию, которая не является симметричной в поперечном сечении в виде сбоку относительно центральной оси (A), а траектория в поперечном сечении в виде сверху не является симметричной по меньшей мере относительно одной оси (N2), перпендикулярной к центральной оси.

На фиг. 1-5 показана вставка, подходящая для осуществления бурения в условиях, когда износ вставки сконцентрирован в зоне, близкой к стенке скважины.

На фиг. 1 показана вставка в соответствии с настоящим изобретением, вид сбоку; на фиг. 2 - то же, другой вид сбоку вставки; на фиг. 3 - то же, вид сверху; на фиг. 4 - вставка, вид по стрелке B на фиг. 2; на фиг. 5 показано с увеличением поперечное сечение вставки по линии C.

На фиг. 6-10 показана вставка, которая подходит для бурения в таких условиях, когда износ вставки распределен в зоне, близкой к стенке буровой скважины, и в зоне вершины вставки.

На фиг. 6 показана вставка в соответствии с настоящим изобретением, вид сбоку; на фиг. 7 - то же, другой вид сбоку вставки; на фиг. 8 - вставка, вид сверху; на фиг. 9 показана вставка по стрелке B на фиг. 7; на фиг. 10 показано с увеличением поперечное сечение вставки по линии C'.

На фиг. 11 показан вид в перспективе бурильной головки в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 12 показан схематично вид сбоку с частичным выровом бурильной головки с баллистической вставкой, а также вставки в соответствии с настоящим изобретением, при их расположении в буровой скважине.

На фиг. 13-18 показаны поперечные сечения через центральные оси двух режущих вставок.

На фиг. 1 приведен с увеличением вид сбоку преимущественного варианта осуществления вставки в соответствии с настоящим изобретением. Вставка имеет главным образом цилиндрический установочный участок хвостовика 20 с диаметром D в диапазоне от 4 до 20 мм, а преимущественно от 7 до 18 мм. Установочный конец 21 вставки 14 преимущественно имеет форму усеченного конуса, приспособленного для его ввода в отверстие на лицевой поверхности бурильной головки (см. фиг. 11). Преимущественно отверстие выступает как на лицевой поверхности, так и на поверхности оболочки. На чертежах показаны продольная центральная ось A вставки и две идущие под прямым углом нормали N1 и N2. Линия Y ограничивает основание (базу) внешнего (рабочего) участка 22. Эта линия может быть явно выраженной или плавной.

Внешний (рабочий) участок 22 вставки 14 подразделен на семь плавно соединенных друг с другом выпуклых по окружности и по оси участков. Используемый здесь термин "плавно" означает, что две касательные, каждая из которых перпендикулярна к центральной оси A на виде сбоку, расположенные на отдельных сторонах в непосредственной близости от соединения, образуют угол τ, который лежит в интервале от 135 до 180^o, а преимущественно, от 160 до 175^o (фиг. 5). Первый участок 23 имеет главным образом баллистическую форму и расположен главным образом симметрично по обеим сторонам нормали N1. Первый участок заканчивается по окружности соответственно у симметрично расположенных линий 24 и 25 зон радиуса. Радиус первого участка в определенном поперечном сечении C обозначен позицией R1. Математическое образование (конструкция) баллистической формы является следующим.

Опорная плоскость X первого участка 23 лежит ниже базовой линии Y на фиг. 2. Выпуклая кривизна (выпуклость) первого участка 23 идет от радиусов R с центром Z в окрестности огибающей поверхности участка хвостовика 20. Центр Z преимущественно размещен вне огибающей поверхности на расстоянии l от нее и ниже самой передней по оси точки на расстоянии h. Расстояние h в 4-8 раз превышает расстояние l, но меньше, чем длина радиуса R. Опорная плоскость X и радиусы R образуют угол ε, который составляет от 10 до 75^o.

Каждая из линий 24 и 25 зоны радиуса соответственно и нормаль N1 в виде сверху образуют угол α в диапазоне от 45 до 85^o. Следует иметь в виду, что баллистическая выпуклая кривизна, которая является самой внешней по радиусу, сопряжена с огибающей поверхностью участка хвостовика 20.

Каждая из линий 24 и 25 зоны радиуса образует плавный переход между первым участком 23 и вторым участком 26 или 27. Второй участок 26 или 27 кроме зоны непосредственного стыка (пересечения) с первым участком расположен главным образом вне баллистической базовой формы (показанной штриховой линией на фиг. 1, 2 и 4). Радиус R2 второго участка в поперечном сечении C больше радиуса R1 первого участка. Второй участок главным образом сужается в переднем направлении к оси A. Вторые участки 26, 27 сужаются в направлении первого участка 23 и образуют острый угол β .

Кроме того, вторые участки 26, 27 соединены с третьим участком 28 или 29. Третьи участки выступают радиально от оси A в лицевой участок вставки. Третьи участки имеют пикообразные мощные кромки, которые разламывают руду главным образом в направлении по окружности. Касательная к третьему участку в точке пересечения поперечного сечения C имеет больший внутренний угол φ1 по отношению к огибающей поверхности участка хвостовика, чем соответствующие касательные первого и второго участков. Увеличенное значение угла φ1 вызывает увеличение износостойкости материала по сравнению с полной баллистической конфигурацией, в результате чего износостойкость вставки увеличивается. Третий участок ограничен радиусом R3, который меньше, чем радиус R1 первого участка и радиус R2 второго участка в поперечном сечении C (см. фиг. 5). Ширина третьего участка является главным образом постоянной.

Третий участок плавно соединен с четвертым участком 30, который приспособлен главным образом для совпадения (совмещения) со стенкой пробуренной скважины и лежит заподлицо с ней. Четвертый участок ограничивает направляющую поверхность, которая предусмотрена для осуществления скольжения по стенке скважины. Четвертый участок в поперечном сечении C имеет радиус R4, который намного больше, чем каждый из упомянутых выше радиусов R1 и R3. Центральная касательная к участку 30 в поперечном сечении C-C образует внутренний угол φ по отношению к огибающей поверхности участка хвостовика 20. Угол φ меньше, чем соответствующие углы других участков 23-27.

Первая часть базовой линии Y, которая соединена с первым участком 23, идет главным образом перпендикулярно к центральной оси A. Вторая часть базовой линии Y, которая соединена со вторым участком 24 или 25, поднимается по меньшей мере частично вперед под острым углом δ относительно первой части. Третья часть базовой линии Y, которая соединена с третьим участком 28 или 29, образует самую переднюю по оси точку всей базовой линии и главным образом ограничена радиусом R6. Третья часть является выпуклой. Четвертая часть базовой линии Y, которая соединена с четвертым участком 30, главным образом ограничена радиусом R5, который больше, чем радиус R6. Четвертая часть является вогнутой и ее самая задняя точка лежит по оси впереди от первой части.

Пятая часть 31 представляет собой закругленную вершину, в которой сходятся участки 23, 24, 25, 26 и 27. Четвертый участок 30 заканчивается в осевом направлении позади вершины 31. Самая передняя в осевом направлении часть третьего участка 28 или 29 главным образом не является частью вершины, хотя она и соединена с ней.

Следует иметь в виду, что у базовой линии Y указанные выше радиусы R1, R2, R3 и R4 в виде сверху равны друг другу, например равны D/2.

При некоторых условиях бурения буровые вставки могут иметь больший износ на одной стороне, чем на другой стороне, поэтому была разработана вставка, которая предназначена для использования в таких условиях, а именно вставка с объемом материала, расположенным симметрично по отношению к нормали N1. При этом объем расположен на наветренной стороне и имеется увеличенная задняя поверхность на подветренной стороне нормали N1. На фиг. 6 показан с увеличением вид сбоку преимущественного варианта осуществления вставки в соответствии с настоящим изобретением. Вставка имеет главным образом цилиндрический установочный участок 20' с диаметром D в диапазоне от 4 до 20 мм, а преимущественно от 7 до 18 мм. Установочный конец 21' вставки 14' преимущественно имеет форму усеченного конуса, приспособленного для его ввода в отверстие (не показано) на лицевой поверхности бурильной головки. Преимущественно отверстие выступает как на лицевой поверхности, так и на поверхности оболочки. На чертежах показана продольная центральная ось A вставки и две идущие под прямым углом нормали N1 и N2. Линия Y' ограничивает основание внешнего (рабочего) участка 22'.

Внешний (рабочий) участок 22' вставки 14' подразделен на несколько плавно соединенных друг с другом выпуклых по окружности и по оси участков. Первый участок 23' имеет главным образом баллистическую форму и расположен главным образом симметрично по обеим сторонам нормали N1. Первый участок заканчивается по окружности соответственно у симметрично расположенных линий 24' и 25' зон радиуса. Радиус первого участка в определенном поперечном сечении C' обозначен как R1. Математическое образование (конструкция) баллистической формы обсуждено выше.

Каждая из линий 24' и 25' зоны радиуса образует плавный переход между первым участком 23' и вторыми участками 26' и 27'. Второй участок 26' состоит из трех плавно соединенных частей. Первая часть 26'A второго участка 26' и второй участок 27' кроме непосредственного стыка (пересечения) с первым участком расположены вне баллистической базовой формы (показанной штриховой линией на фиг. 6, 7 и 10), главным образом перпендикулярно друг другу в поперечном сечении C'. Радиус первой части 26'A и второго участка 27' в поперечном сечении C' больше радиуса R'1 первого участка и имеет такое же значение, что и упомянутый выше радиус R2. Первая часть 26'A и второй участок 27' главным образом сужаются в осевом направлении вперед к центральной оси A и образуют острый угол β′ , главным образом перпендикулярно в поперечном сечении C'. Вторая часть 26'B второго участка 26' расположена по радиусу вне баллистической базовой формы. Радиус R'2B второй части в поперечном сечении C больше радиуса R'1 первого участка и меньше радиуса R2. Вторая часть главным образом сужается в направлении вперед к центральной оси A.

Третья часть 26'C второго участка 26' также расположена по радиусу вне баллистической базовой формы на стороне W нормали N1 вставки. Радиус R'2C третьей части в поперечном сечении C' больше радиуса R'1 первого участка. Третья часть главным образом сужается в переднем направлении центральной оси A. Сторона W является частью вставки, которая подвержена наибольшему износу при разламывании материала породы.

Третья часть 26'C и второй участок 27' дополнительно соединены соответственно с третьими участками 28' и 29'. Третьи участки выступают радиально от оси A в лицевой участок вставки 14'. Третий участок 29' намного шире, по меньшей мере в 2 раза, чем участок 28'. Касательная к третьему участку 28' в точке пересечения поперечного сечения C' имеет больший внутренний угол φ1 по отношению к огибающей поверхности участка хвостовика, чем соответствующие касательные первого 23' и третьего 29' участков. Угол φ1 вызывает увеличение износостойкости материала по сравнению с полной баллистической конфигурацией, в результате чего износостойкость вставки увеличивается. Третий участок 29' образован на подветренной стороне L нормали N1 и ограничен радиусом R'3, который меньше, чем радиус R'1 первого участка и радиус R'2 второго участка в поперечном сечении C' (см. фиг. 10). Ширина третьего участка 28' является главным образом постоянной, в то время как участок 29' значительно сужается в переднем направлении по оси. Третий участок 29' ограничивает мощную пикообразую режущую кромку.

Третьи участки 28' и 29' плавно соединяются с четвертым участком 30', который приспособлен главным образом для совпадения (совмещения) со стенкой пробуренной скважины и лежит заподлицо с ней. Четвертый участок ограничивает направляющую поверхность, которая предусмотрена для осуществления скольжения по стенке скважины. Четвертый участок в поперечном сечении C имеет радиус R'4, который намного больше, чем каждый из упомянутых выше радиусов R'1 и R'3. Центральная касательная к участку 30' в поперечном сечении C' образует внутренний угол φ′ по отношению к огибающей поверхности участка хвостовика 20. Угол φ′ меньше, чем соответствующие углы других участков 23' - 27'.

Первая часть базовой линии Y', которая соединена с первым участком 23', идет главным образом перпендикулярно к центральной оси A. Вторая часть базовой линии Y', которая соединена с участками 26'A и 27', поднимается по меньшей мере частично, вперед под острым углом δ′ относительно первой части. Третьи части базовой линии Y', которые соединены с третьей частью 26'C и с третьим участком 29', образуют самую переднюю по оси точку всей базовой линии. Одна из третьих частей базовой линии в соединении с третьим участком 29' является выпуклой в виде сбоку, в то время как другая третья часть, соединенная с третьей частью 29', является главным образом прямолинейной. Четвертая часть базовой линии Y', которая соединена с четвертым участком 30', главным образом ограничена радиусом R'5 (в виде сбоку), который больше, чем радиус R'1. Четвертая часть является вогнутой и ее самая задняя точка лежит по оси впереди от первой части.

Пятый участок 31' представляет собой закругленную вершину, в которой сходятся участки 23', 26'A, 26'B, 26'C и 27'. Четвертый участок 30' заканчивается по оси позади вершины 31'. Самая передняя в осевом направлении часть третьего участка 28 или 29 главным образом не является частью вершины, хотя она и соединена с ней.

Следует иметь в виду, что у базовой линии Y' указанные выше радиусы R'1, R'2B, R'2C, R'3 и R'4 в виде сверху равны друг другу, например равны D/2.

В варианте, показанном в перспективном изображении на фиг. 11, можно видеть улучшенное буровое долото ударного типа, которое в общем виде обозначено позицией 10 и включает в себя бурильную головку 11, вал 12, лицевой конец с лицевой поверхностью 13, снабженной множеством закрепленных карбидных вставок 14 или 14'. Поверхность оболочки 16 бурового долота 10 имеет цилиндрическую форму или форму усеченного конуса и ограничивает на фиг. 11 бурильную головку. Поверхность оболочки начинается у самого большого диаметра стальной части корпуса бурового долота. Вставки 14, 14' введены в отверстия в корпусе бурового долота таким образом, что их самые внешние по радиусу поверхности 30, 30' главным образом совпадают с поверхностью оболочки бурового долота. Следует иметь в виду, что термин "главным образом" в этом контексте предусматривает радиальное смещение в пределах от -2 до +2 мм относительно поверхности оболочки 16 бурового долота, а преимущественно от +0,2 до +0,5 мм. Вставки 14, 14' установлены таким образом, что стальной корпус не подвергается интенсивному износу и поэтому диаметр скважины 15 остается главным образом постоянным в ходе всей операции бурения. Лицевая поверхность 13 может содержать ряд размещенных ближе к центру вставок (не показаны) соответствующей формы, например полукруглой формы, причем указанные вставки разламывают материал руды ближе к центральной линии CL бурового долота. На фиг. 12 приведено сравнение известного ранее решения (в левой части чертежа) и вставки в соответствии с настоящим изобретением (в правой части чертежа), частично в разрезе, вставка с баллистической рабочей частью имеет объем на 50% больше, чем соответствующая полусферическая рабочая часть. Объем вставки 14, 14' по меньшей мере на 50% больше, чем объем вставки баллистической формы, и имеет сопоставимый с ней срок службы. На фиг. 12 показано пунктиром воображаемое расширение поверхности оболочки 16, чтобы показать различие объемов двух вставок.

Для управления высокими растягивающими напряжениями, возникающими при бурении породы, предпочтительно использование специального типа цементированного карбида, раскрытого в обсуждавшихся ранее семи патентах. Поэтому указанные публикации включены в данное описание в качестве ссылки.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 13-18, на которых показана режущая вставка из цементированного карбида 14 или 14', которая имеет ряд зон H, I и K. Границы 50, 51 и 50', 51' соответствующих смежных зон описывают траекторию, которая является не симметричной по меньшей мере в поперечном сечении в виде сбоку относительно по меньшей мере одной оси N2, перпендикулярной к центральной оси. Вставка имеет сердечник H из цементированного карбида, содержащего эта-фазу. Сердечник H окружен промежуточным слоем I цементированного карбида, лишенного эта-фазы и имеющего высокое содержание кобальта. Поверхностный слой K состоит из цементированного карбида, лишенного эта-фазы и имеющего низкое содержание кобальта. Толщина поверхностного слоя составляет 0,8 - 4, а преимущественно 1 - 3 толщины промежуточного слоя. Соответствующие траектории 50, 50' и 51, 51' преимущественно расположены на одинаковых расстояниях.

Сердечник и промежуточный богатый кобальтом слой имеют более высокое тепловое расширение по сравнению с поверхностным слоем. Это означает, что поверхностный слой будет подвергаться высоким напряжениям сжатия (сжимающим напряжениям). Чем выше различие в тепловом расширении, то есть чем больше различие в содержании кобальта между поверхностным слоем и другими частями режущей вставки, тем выше напряжение сжатия поверхностного слоя. Содержание фазы связки в поверхностном слое составляет 0,1 - 0,9, а преимущественно 0,2 - 0,7 номинального содержания фазы связки для режущей вставки 14 или 14'. Содержание фазы связки в промежуточном слое составляет 1,2 - 3, а преимущественно 1,4 - 2,5 номинального содержания фазы связки для режущей вставки 14 или 14'.

Вставка 14 или 14' может быть изготовлена из цементированного карбида, как это раскрыто в EP-A-0182759, в соответствии с которым тела из цементированного карбида имеют сердечник H из мелкой и равномерно распределенной эта-фазы, внедренной в нормальную структуру I альфа + бета-фазы, и зону окружающей поверхности K, содержащую только альфа + бета-фазу. Дополнительное условие заключается в том, что внутренняя часть зоны поверхности, расположенная вблизи от сердечника, имеет содержание фазы связки, которое превышает номинальное содержание фазы связки. Кроме того, содержание фазы связки в самой внешней части зоны поверхности ниже номинального и возрастает в направлении к сердечнику до максимума, расположенного в зоне, не имеющей эта-фазы.

Альтернативно, вставка 14 или 14' может быть изготовлена из цементированного карбида, как это раскрыто в патенте США US-A-5,286,549, в соответствии с которым тела из цементированного карбида содержат WC (альфа-фазу) и фазу связки, которая основана по меньшей мере на одном из элементов Co, Fe и Ni и имеют сердечник из цементированного карбида, содержащего эта-фазу, окруженный поверхностной зоной с внешней частью поверхностной зоны, причем содержание фазы связки в этой внешней части ниже номинального и является главным образом постоянным.

Из того, что было сказано выше, можно понять, что более высокое номинальное содержание кобальта в материале режущей вставки создает более высокое напряжение сжатия в поверхностном слое.

Пример 1.

В Норвегии (Туннелинг) было проведено испытание 45 мм буровых долот колонкового бурильного молотка. Долота имели 5 периферических вставок диаметром 11 мм и две фронтальных вставки диаметром 8 мм. Фронтальные вставки для всех вариантов били изготовлены из обычного цементированного карбида и имели одинаковую форму с полусферической вершиной (кончиком).

Вариант 1. Обычное долото с вставками, имеющими сферическую вершину. Вставки были изготовлены из обычного цементированного карбида (6 вес.% Co, твердость 1460 HV3) (твердость по Виккерсу).

Вариант 2. Обычное долото с вставками, имеющими сферическую вершину. Вставки были изготовлены с внешней зоной, имеющей низкое содержание Co (3 вес. % Co, твердость 1620 HV3), с промежуточной зоной, имеющей высокое содержание Co (11 вес. % Co, твердость 1240 HV3), и с сердечником с той же самой эта-фазой (6 вес.% Co, твердость 1550 HV3).

Вариант 3. Долото с вставками в соответствии с настоящим изобретением (фиг. 1-4) и с таким же распределением Co, как и для варианта 2.

Условия проведения испытания
Буровая установка: Atlas Copoc Promec TH 5065
Давление нагнетания: 110 бар
Ударное давление: 215 бар
Скорость вращения: 120 об/мин
Глубина скважины: 4,3 м
Промывка водой: 11 бар
Порода: Гнейс
Число долот: 6 на вариант.

Результаты испытания
Все долота использовались для бурения без перезаточки, а также в соответствии с требованиями пользователя (см. табл. 1).

Кроме превосходного срока службы вариант 3 обеспечивает гораздо меньший разброс диаметров скважины из-за высокой износостойкости. Высокая скорость проходки варианта 3 важна для экономики бурения.

Пример 2
Целью испытания была проходка скважины глубиной 60 м без перезаточки. Имеющиеся в настоящее время долота должны перезатачиваться после проходки каждых 24 м по причине низкой скорости проходки и риска повреждения пальца и долот. Время простоя при извлечении из скважины буровых штанг, смене долот и возобновлении бурения составляет ориентировочно 1 ч. Так как эффективное рабочее время на этой шахте для каждой смены составляет только 6 ч, то существует очень высокая потребность в наличии долот лучшего качества.

Условия проведения испытания
Буровая установка: Молоток XL 5, 5 с воздушным давлением 25 бар, рудничная атмосфера и подпорный компрессор 280 бар
Порода: Очень твердая и абразивная, около 80% кремнезема, около 8% пирита
Размеры буровой скважины: Диаметр 115 мм, глубина скважины 65 м
Скорость вращения: 40 об/мин
Число долот: 4 на вариант
Долото: Диаметр 115 мм, 2 промывочных отверстия, 8 вставок (диаметр 16 мм) по периферии, 6 вставок (14 мм) на лицевой стороне).

Варианты:
A: Пластины, имеющие сферическую вершину. Вставки были изготовлены из обычного цементированного карбида.

B: Баллистические вставки. Все вставки были изготовлены с внешней зоной, имеющей низкое содержание Co (3 вес.% Co, твердость 1650 HV3), с промежуточной зоной, имеющей высокое содержание Co (10, 5 вес.% Co, твердость 1260 HV3), и с сердечником с той же самой эта-фазой (6 вес.% Co, твердость 1570 HV3). Вставки, которые были изготовлены из обычного цементированного карбида, имеют 6,0 вес.% Co и твердость 1450 HV3.

C: Периферические вставки в соответствии с настоящим изобретением (фиг. 6-9) для лицевых баллистических вставок.

Все вставки изготовлены из цементированного карбида в соответствии с вариантом B.

Результаты испытания
Испытание всех долот производилось без перезаточки (см. табл. 2).

Вариант B обеспечивает лучшие результаты, чем вариант A, которые однако являются все же недостаточными. Только вариант C позволяет осуществить полную проходку скважины.

Следует подчеркнуть, что сердечник из цементированного карбида, содержащего эта-фазу, является жестким, твердым и износостойким. Сердечник H в сочетании с промежуточным слоем, в котором нет эта-фазы и имеется высокое содержание кобальта, а также с поверхностным слоем, в котором нет эта-фазы и который подвержен высоким сжимающим напряжениям, образует тело (корпус) режущей вставки 14 или 14', которая подходит для выполнения обсуждавшихся ранее требований для бурения твердой породы, то есть вставки, которая имеет высокую износостойкость в соответствии с настоящим изобретением. Сердечник H имеет содержание фазы связки в диапазоне от 4 до 9%, а преимущественно около 6%; промежуточный слой I имеет содержание фазы связки в диапазоне от 9,5 до 20%, а преимущественно около 10-11%, а поверхностный слой K имеет содержание фазы связки в диапазоне от 0,5 до 3,9%, а преимущественно около 3%.

Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что он не носит ограничительного характера и в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной формулы изобретения. Например, в том случае, когда производится бурение очень твердой породы (например, растрескавшейся и чешуйчатой породы магнетит + кварцит), может потребоваться уменьшение высоты между вершиной и базовой линией Y, Y', в результате чего увеличивается средняя толщина рабочей части 22, 22' и поэтому увеличивается износостойкость. При такой модификации баллистические поверхности 23, 23' приобретают главным образом сферическую форму.

Изобретение относится к буровой технике, к созданию режущей вставки для бурового долота и бурового долота, которое включает в себя такие режущие вставки. Режущая вставка из цементированного карбида, предназначенная преимущественно для ударного бурения, имеющая главным образом цилиндрический установочный участок и внешний участок, включает в себя относительно плоскую поверхность, идущую от указанного установочного участка в направлении к переднему концу вставки, при этом установочный участок имеет центральную ось и радиус. Тело вставки из цементированного карбида включает в себя ряд зон, одной из которых является поверхностная зона, полностью окружающая сердечник режущей вставки, причем граница двух смежных зон описывает траекторию, которая не является симметричной, по меньшей мере в одном поперечном сечении в виде сбоку, относительно центральной оси, а траектория в поперечном сечении в виде сверху не является симметричной по меньшей мере относительно одной оси, перпендикулярной к центральной оси. Буровое долото ударного типа включает в себя вал, бурильную головку, расположенную на переднем конце указанного вала и имеющую первую продольную ось. Бурильная головка имеет направленный вперед лицевой конец с лицевой поверхностью, поверхность оболочки, которая идет главным образом в продольном направлении и ограничивает внешнюю периферию указанной бурильной головки, а также множество отверстий, образованных в указанном лицевом конце, причем каждое из указанных отверстий имеет главным образом цилиндрическую основную форму и служит для введения в него описанной выше режущей вставки из цементированного карбида. Повышается долговечность работы долота за счет увеличения износостойкости режущих вставок. 2 с. и 9 з.п. ф-лы, 2 табл., 18 ил.

1. Режущая вставка из цементированного карбида, предназначенная преимущественно для ударного бурения, имеющая главным образом цилиндрический установочный участок и внешний участок, включающий в себя относительно плоскую поверхность, идущую от указанного установочного участка в направлении к переднему концу вставки, при этом установочный участок имеет центральную ось А и радиус D/2, отличающаяся тем, что тело вставки из цементированного карбида включает в себя ряд зон Н, I, K, одной из которых является поверхностная зона К, полностью окружающая сердечник Н режущей вставки, причем граница двух смежных зон описывает траекторию, которая не является симметричной, по меньшей мере, в одном поперечном сечении в виде сбоку, относительно центральной оси А, а траектория в поперечном сечении в виде сверху не является симметричной, по меньшей мере, относительно одной оси N2, перпендикулярной к центральной оси. 2. Режущая вставка по п.1, отличающаяся тем, что ее внешний участок имеет выпукло-изогнутую базовую форму, радиально наружу из которой выступает большая часть внешнего участка, а относительно плоская поверхность плавно соединяют другие части указанного внешнего участка. 3. Режущая вставка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что ее внешний участок имеет баллистическую базовую форму, причем радиус R4; R4' относительно плоской поверхности больше, чем радиус D/2 установочного участка, при этом относительно плоская поверхность соединена по окружности, по меньшей мере, с одной пикообразной режущей кромкой. 4. Режущая вставка по одному из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что стык установочного участка и внешнего участка образует базовую линию Y; Y', которая является вогнутой, на виде сбоку, у относительно плоской поверхности, в результате чего ограничивается самая задняя по оси точка, причем эта самая задняя точка расположена по оси впереди базовой линии у вогнутой базовой формы и позади в осевом направлении относительно самой передней части базовой линии. 5. Режущая вставка по одному из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что сердечник Н из мелкой и равномерно распределенной эта-фазы внедрен в нормальную структуру альфа+бета-фаза, причем окружающая поверхностная зона К содержит только альфа+бета-фазу, при этом внутренняя часть I поверхностной зоны, расположенная вблизи от сердечника, имеет содержание фазы связки, которое превышает номинальное содержание фазы связки, причем содержание фазы связки в самой внешней части поверхностной зоны ниже номинального и возрастает в направлении к сердечнику до максимума, расположенного в зоне, не имеющей эта-фазы. 6. Режущая вставка по одному по пп.1 - 4, отличающаяся тем, что она содержит WC (альфа-фазу) и фазу связки, которая основана, по меньшей мере, на одном из элементов Со, Fe и Ni и имеет сердечник Н из содержащего эта-фазу цементированного карбида, окруженный поверхностной зоной I с внешней частью К поверхностной зоны, содержание фазы связки в которой ниже номинального, причем содержание фазы связки во внешней части поверхностной зоны является главным образом постоянным. 7. Буровое долото ударного типа, которое включает в себя вал, бурильную головку, расположенную на переднем конце указанного вала и имеющую первую продольную ось CL, причем бурильная головка имеет направленный вперед лицевой конец с лицевой поверхностью, поверхность оболочки, которая идет главным образом в продольном направлении и ограничивает внешнюю периферию указанной бурильной головки, а также множество отверстий, образованных в указанном лицевом конце, причем каждое из указанных отверстий имеет главным образом цилиндрическую основную форму и служит для введения в него режущей вставки из цементированного карбида, при этом каждая режущая вставка имеет главным образом цилиндрический установочный участок с центральной осью А и внешний участок, выступающий из указанного отверстия, отличающееся тем, что тело из цементированного карбида включает в себя ряд зон Н, I, K, одной из которых является поверхностная зона К, полностью окружающая сердечник Н режущей вставки, причем граница двух смежных зон описывает траекторию, которая не является симметричной в поперечном сечении в виде сбоку, относительно центральной оси А, а траектория в поперечном сечении в виде сверху не является симметричной, по меньшей мере, относительно одной оси N2, перпендикулярной к центральной оси. 8. Буровое долото по п.7, отличающееся тем, что внешний участок вставки имеет выпукло-изогнутую базовую форму, радиально наружу из которой выступает большая часть внешнего участка, а относительно плоская поверхность плавно соединяет другие части указанного внешнего участка. 9. Буровое долото по п.7 или 8, отличающееся тем, что внешний участок вставки имеет баллистическую базовую форму, причем радиус R4; R'4 относительно плоской поверхности больше, чем радиус D/2 установочного участка, при этом относительно плоская поверхность соединена по окружности, по меньшей мере, с одной пикообразной режущей кромкой. 10. Буровое долото по одному из пп.7 - 9, отличающееся тем, что сердечник Н из мелкой и равномерно распределенной эта-фазы внедрен в нормальную структуру альфа+бета-фаза, причем окружающая поверхностная зона К содержит только альфа+бета-фазу, при этом внутренняя часть I поверхностной зоны, расположенная вблизи от сердечника, имеет содержание фазы связки, которое превышает номинальное содержание фазы связки, причем содержание фазы связки в самой внешней части поверхностной зоны ниже номинального и возрастает в направлении к сердечнику до максимума, расположенного в зоне, не имеющей эта-фазы. 11. Буровое долото по одному из пп.7 - 9, отличающееся тем, что вставка содержит WC (альфа-фазу) и фазу связки, которая основана, по меньшей мере, на одном из элементов Со, Fe и Ni и имеют сердечник Н из содержащего эта-фазу цементированного карбида, окруженный поверхностной зоной I с внешней частью поверхностной зоны К, содержание фазы связки в которой ниже номинального, причем содержание фазы связки во внешней части поверхностной зоны является главным образом постоянным.