КОРОНКА ЦЕЛЬНОГО БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 2001 года по МПК E21B10/46 

Изобретение относится к режущим элементам или коронкам, предназначенным для крепления на цельных буровых инструментах, используемых при бурении горных пород, например, при бурении на нефть или бурении по цементу.

Обычная буровая коронка 10, такая, как изображенная на прилагаемой фиг. 1, обычно состоит из держателя 12 в виде цилиндрической пластины, выполненной из твердого сплава, например, из карбида вольфрама, и снабженного на одном из концов плоской наклонной поверхностью 14, на которой закрепляется, например, посредством пайки, слой в виде пластинки 16, образованной смесью тонких частиц синтетического поликристаллического алмаза, или ПКА, кобальтового порошка и карбида вольфрама. Названная смесь подвергается прессованию при очень высокой температуре, что вызывает ее спекание и связь с держателем. Полученные таким образом коронки затем закрепляются на головке бурового инструмента 18, например, посредством зачеканки в глухих отверстиях 20, предварительно просверленных на головке.

Коронка такого типа описана, например, в патентах США 4073354, 4098353 и 4156329. При работе коронка 10 занимает точное положение относительно массива 22 горной породы, как изображено на фигуре 1: плоская свободная поверхность 24 пластинки 16 образует с нормалью к поверхности 25 массива горной породы острый угол α, ориентированный в направлении, обратном направлению перемещения F коронки, так что пластинка 16 врезается в массив своей плоской поверхностью 24.

Принцип действия этой буровой коронки основан на сжатии алмазной поверхности, т. е. , как показано на фиг. 1, порода оказывает давление на плоскую алмазную поверхность 24. Образуется породная стружка 26, которая разбивается перед названной поверхностью. Если порода хрупкая, происходит ломка стружки дроблением с накоплением небольших обломков перед поверхностью пластинки. Отпечаток коронки на породе будет иметь дополнительную форму нижней части коронки. Например, в случае цилиндрической коронки отпечаток будет в виде сектора цилиндра. Таким образом, буровая коронка должна быть достаточно прочной, чтобы врезаться в породу фронтально по всей протяженности названной зоны в виде цилиндрического сектора. Понятно, что резание может быть выполнено с высокой эффективностью в случае слабых пород или пород средней крепости и с гораздо меньшей эффективностью в случае крепких пород из-за высокой силы, которая была бы необходима для разбивания породы одновременно по всей протяженности названной зоны.

Кроме того, названная сила вызывает обычно вибрационные явления, отрицательно влияющие на срок службы инструмента.

Предметом настоящего изобретения является устранение этих недостатков и с этой целью оно касается коронки цельного инструмента для бурения горной породы, включающей держатель из твердого сплава, закрепленный на буровом инструменте, с которым соединена, например, посредством пайки, пластинка в виде цилиндрического диска, образованная в основании частицами поликриcталлического алмаза и снабженная боковой стенкой и свободной почти плоской поверхностью, причем названная коронка отличается тем, что пластинка расположена так, что плоскость ее плоской поверхности образует с нормалью к поверхности породного массива острый угол, ориентированный в том же направлении, что и направление перемещения инструмента, так что пластинка врезается в горную породу своей боковой поверхностью.

Такое положение пластинки, которое составляет почти 90^o по отношению к тому положению, которое она занимает в обычной буровой коронке на фиг. 1, совершенно удивительно, так как оно заставляет работать плоскую поверхность пластинки на срез. Это является новым и противоречит обычно принимаемым в этой области взглядам, в соответствии с которыми пластинка должна непременно подвергаться сжатию, как в случае на фиг. 1, так как, если она подвергается касательному напряжению, она подвергается опасности преждевременного разрушения. Однако последние достижения в области пластинок из ПКА (снижение остаточных напряжений, повышение сопротивления ударам, более высокая жаропрочность и более эффективное управление качеством) позволяют в настоящее время заставлять пластинки работать таким образом, чтобы они подвергались срезу, но при этом это не сказывалось бы на их сроке службы.

Такое положение вызывает, кроме того, целую серию важных преимуществ:
оно позволяет использовать более эффективные и, следовательно, более совершенные углы резания, наклоняя пластинку "почти плоско" к поверхности массива;
пластинка работает не своей свободной поверхностью в контакте со стружкой, а своей цилиндрической боковой поверхностью (по всей своей толщине) в контакте с массивом. Образующаяся стружка поэтому соприкасается не с плоской поверхностью, а с цилиндрической поверхностью пластинки. Отсюда следует, что пластинка осуществляет разрушение породы не только путем скалывания, но и путем раздавливания;
распределение сил осуществляется радиально по цилиндрической стенке пластинки, что способствует снижению вибрационного явления инструмента;
толщина алмазного слоя, которая подвергается усилиям резания, уже не несколько десятых миллиметра, как в случае пластинки, изображенной на фиг. 1, а несколько миллиметров. Срок службы пластинки, следовательно, значительно увеличивается.

Теперь изобретение будет подробно описано со ссылкой на прилагаемые фигуры, на которых:
фиг. 1 - вид в разрезе буровой коронки предшествующего уровня техники, закрепленной в цельном буровом инструменте, который изображен лишь частично;
фиг. 2 - вид в разрезе буровой коронки согласно изобретению;
фиг. 3 - вид в разрезе буровой коронки согласно второму варианту осуществления изобретения;
фиг. 4 - вид в разрезе буровой коронки согласно третьему варианту осуществления изобретения;
фиг. 5 - вид в разрезе буровой коронки согласно четвертому варианту осуществления изобретения.

Коронка 28 согласно изобретению, представленная на фиг. 2, состоит из цилиндрического держателя 30 из твердого сплава, закрепленного в глухом отверстии 20, просверленном в цельном инструменте 18. Он имеет наклонную плоскую поверхность 32, на которой крепится посредством пайки или другого способа пластинка 34 из ПКА в виде цилиндрического диска.

По важному отличительному признаку изобретения свободная поверхность 36 пластинки образует с нормалью N к поверхности 25 горной породы острый угол α, ориентированный в том же направлении, что и направление Г перемещения коронки.

Как подчеркивалось выше, такое положение не является обычным в области цельного бурового инструмента, где угол α, который образует свободная поверхность пластинки с нормалью N, ориентирован в направлении, противоположном направлению перемещения инструмента.

Положение пластинки на фиг. 2 практически под 90^o по отношению к ее положению на фиг. 1 и позволяет работать с углами наклона β поверхности 36 "почти плоско" по отношению к поверхности 25 массива 38. Породу таким образом можно резать под более острыми углами, чем в случае коронок предшествующего уровня техники. Преимущественно, угол наклона β может меняться от 0 до 25^o.

Как видно на фиг. 2, пластинка работает с боковой цилиндрической стенкой 40 по всей ее толщине. Она, следовательно, раздавливает породу в ее наиболее низкой точке P одновременно с резанием.

В только что описанной коронке пластинка 34 имеет равномерную толщину и, из изображений экономии, ее толщина относительно небольшая, порядка 0,5-1 мм. Глубина резания h след. также будет небольшой. Коронка по этому варианту осуществления будет служить, следовательно, главным образом для работы по крепким породам и породам средней крепости.

По изобретению можно добиться значительно большей глубины резания при том же количестве ПКА и, следовательно, при меньших затратах, используя коронку, показанную на фиг. 3. На наклонной поверхности держателя 30 этой коронки образован ряд параллельных прямоугольных канавок 44, которые располагаются в центральной части названной поверхности. Эти канавки определяют между собой ребра 46 жесткости и примыкают к периферической канавке 48, расположенной в периферической части названной поверхности. Канавка 48 может быть более глубокой, чем центральные канавки 44. На поверхности держателя закрепляют тонкий алмазный слой 50, который заполняет все канавки 44, 48 и который несколько выходит за пределы вершины ребер жесткости.

Таким образом, максимальное количество ПКА концентрируется в периферическом участке коронки. Возможно придать периферической канавке значительно большую глубину, чем толщина стандартных пластинок. Инструменты с такими коронками могут использоваться для бурения по породам с большим интервалом твердости. Кроме того, эти коронки будут иметь больший срок службы, чем коронки, показанные на фиг. 1.

Само собой разумеется, что ребра жесткости и прямоугольные канавки могут быть заменены любым выступающим или вогнутым рельефом.

В варианте осуществления на фиг. 4 нет тонкого алмазного слоя на всей поверхности коронки, а имеется лишь кольцо 52 из ПКА, расположенное в периферической канавке 54, образованной на наклонной поверхности держателя. Свободная поверхность кольца заходит на поверхность центрального сердечника 56 из карбида вольфрама.

Кольцо 52 может быть более толстым или более высоким, чем в варианте осуществления на фиг. 3. Инструмент, снабженный такими коронками, можно будет использовать для бурения в породных массивах от самых слабых до самых крепких.

Другое преимущество этой коронки заключается в том, что в сердечнике 56 из карбида вольфрама может быть просверлено отверстие 58 для размещения в нем винта, с помощью которого коронка может закрепляться на корпусе инструмента.

В варианте осуществления на фиг. 5 коронка имеет форму усеченного конуса и, как в варианте осуществления на фиг. 4, имеет кольцо 60 из ПКА в периферической части большого основания. Боковая стенка кольца совпадает со стенкой в виде усеченного конуса коронки. При установлении этой коронки по изобретению, т.е. большим основанием "существенно плоско" по отношению к поверхности массива, можно добиться резания породы с положительным углом γ резания. Напоминаем, что угол резания - это угол, который образует боковая стенка в виде усеченного конуса 62 кольца с нормалью N к поверхности породного массива. Известно из классической механики, что такой тип коронки может дать превосходные результаты, когда разрезаемые материалы становятся пластичными. Кроме того, эта коронка обеспечивает высокую скорость в единицу чистого времени бурения инструмента. Здесь также коронка может крепиться на корпусе цельного инструмента посредством винта.

Коронка относится к цельному инструменту для бурения горной породы. Она включает держатель из спеченного карбида металла, закрепленный на инструменте и присоединенный, например, пайкой к пластине в виде цилиндрического диска, выполненного из частиц поликристаллического алмаза. Диск имеет боковую стенку и существенно плоскую свободную поверхность, а пластина расположена так, что плоскость ее свободной плоской поверхности составляет с нормалью к поверхности массива горной породы острый угол, ориентированный в том же направлении, что и направление перемещения коронки. Таким образом, пластина входит в контакт с горной породой своей боковой стенкой. Такая конструкция коронки позволяет повысить скорость разрушения горной породы при одновременном увеличении стойкости инструмента. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Коронка цельного инструмента для бурения горных пород, включающая держатель (30) из твердого сплава, закрепленный на инструменте, с которым связана, например, посредством пайки пластинка (34) в виде цилиндрического диска, образованная частицами поликристаллического алмаза и имеющая боковую стенку (40) и существенно плоскую свободную поверхность (36), отличающаяся тем, что пластинка (34) ориентирована так, чтобы плоскость ее свободной плоской поверхности (36) составляла бы с нормалью N к поверхности (25) массива горной породы острый угол (α), ориентированный в том же направлении, что и направление (F) перемещения коронки, так, чтобы пластинка резала горную породу своей боковой стенкой (40). 2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что угол (β), образуемый плоскостью свободной плоской поверхности (36) пластинки с поверхностью (25) массива горной породы, составляет 0 - 25^o. 3. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что пластинка (34) имеет постоянную толщину по всей поверхности держателя, на котором она закреплена. 4. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что пластинка закрепляется на наклонной поверхности держателя, на которой образуются вогнутые (44) и выступающие (46) рельефы, причем названная поверхность имеет также на периферической части канавку (48) глубиной больше глубины названных вогнутых рельефов, а слой поликристаллического алмаза, образующего пластинку, наполняет названные вогнутые рельефы и покрывает тонким слоем верхушки выступающих рельефов. 5. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что пластинка образована простым кольцом (52) из поликристаллического алмаза, закрепленным в периферической канавке (54), образованной на краю наклонной поверхности держателя (30), причем остальная часть названной поверхности держателя не покрыта поликристаллическим алмазом. 6. Коронка по п.4, отличающаяся тем, что в держателе (30) просверлено отверстие (58) в зоне отсутствия поликристаллического алмаза для пропускания винта, предназначенного для крепления коронки на корпусе цельного инструмента.