АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА Российский патент 2001 года по МПК E21B10/48 

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к коронкам для вращательного бурения геологоразведочных скважин в твердых породах.

Известны алмазные буровые коронки для бурения геологоразведочных скважин в твердых породах типов 02И3, 02И4, 03И5, ИМВ-4, ИМВ-5, 16И4-59, ДЭИ-76. Коронки состоят из металлического корпуса и алмазосодержащей матрицы, разделенной промывочными каналами на рабочие породоразрушающие секторы. Объемный слой породоразрушающих секторов выполнен импрегнированным путем смешивания шихты с алмазами мелких фракций. Технология изготовления таких коронок обеспечивает равномерное распределение большого количества мелких фракций алмазов в породоразрушающих секторах. У всех вышеприведенных типов коронок породоразрушающие секторы выполнена так, что площадь рабочего алмазоносного слоя первого сектора равна площади рабочего алмазоносного слоя второго сектора и т.д. В связи с такой конструкцией коронок насыщенность алмазами рабочего торца сектора при изготовлении получается равномерной по всей площади (Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: в 2-х томах) под общей ред. проф. Е.А. Козловского, - том I, М. Недра, 1984, с. 246 - 258; Волков А.С. Буровой геологоразведочный инструмент. М. Недра, 1979, с. 28 - 37; Породоразрушающий инструмент для алмазного бурения (Г.А. Блинов и др., Л., Недра, 1969, с. 78 - 89).

Анализ отработанных в твердых породах таких коронок показывает, что наибольшему износу подвергается часть рабочего сектора, расположенная ближе к внутреннему диаметру. Неравномерность износа рабочего торца секторов матрицы является основным недостатком аналогов.

Наиболее близкой по конструктивному решению и достигаемому техническому результату является алмазная буровая коронка, содержащая корпус и алмазосодержащую матрицу с выступающими концентрическими породоразрушающими элементами, в которой последние выполнены переменной ширины, увеличивающейся от периферии к центру (а.с. N 1069476, кл. E 21 B 10/48 "Алмазная буровая коронка"). За счет такого конструктивного решения обеспечивается равномерное распределение нагрузки на породоразрушающие элементы, имеющие форму равнобочной трапеции или прямоугольную форму, что повышает эффективность работы коронки на забое, но не учитывает износостойкость породоразрушающих элементов.

Основным недостатком прототипа является неравномерный износ породоразрушающих элементов, имеющих разную площадь рабочих торцов, что снижает ресурс коронки в процессе бурения.

На увеличение стойкости коронки в процессе бурения геол-скважин, особенно в твердых породах существенное влияние оказывает концентрация алмазов в алмазоносном слое породоразрушающих элементов, особенно различающихся по площади рабочего торца.

Для обеспечения равномерного износа породоразрушающих элементов, различающихся по площади рабочего торца, вооружение алмазоносного слоя каждого из рядов породоразрушающих элементов должно быть равно между собой.

Для этого в алмазной буровой коронке, содержащей корпус и алмазосодержащую матрицу с выступающими концентрическими породоразрушающими элементами, выполненными переменной ширины, увеличивающейся от периферии к центру, равенство вооружения породоразрушающих элементов обеспечивают за счет изменения концентрации алмазов в алмазоносном слое в каждом ряду породоразрушающих элементов в соответствии с соотношением: K₁ • S₁ = K₂ • S₂ ... = K_i • S_i, где K₁, K₂, K_i - концентрация алмазов в алмазоносном слое соответственно 1-го, 2-го, i-го рядов породоразрушающих элементов, объемных процентов; S₁, S₂, S_i - площадь соответственно 1-го, 2-го, i-го ряда породоразрушающих элементов, см².

Отличие предлагаемого от прототипа заключается в том, что в предлагаемой коронке обосновывается отношение концентраций алмазоносного слоя каждого ряда к площади рабочего торца каждого ряда, в то время как у прототипа это обстоятельство не учтено.

Предлагаемое соотношение концентраций алмазоносного слоя в рядах к площади рабочего торца рядов породоразрушающих элементов обосновывается нижеследующим. Известно, что объемная концентрация алмазоносного слоя - отношение объема, занимаемого алмазами, к объему рабочего торца породоразрушающего элемента. Объем рабочего торца породоразрушающего элемента в форме равнобочной трапеции или прямоугольной формы зависит соответственно от площади. Чем больше площадь, тем больше объем. Следовательно, для сохранения равенства в соотношении K₁ • S₁ = K₂ • S₂ = K_i • S_i, концентрация должна изменяться в зависимости от площади рабочего торца породоразрушающего элемента, т. е. большей площади соответствует меньшая концентрация и наоборот. Соотношение между площадью и концентрациями рядов породоразрушающих элементов в инструменте обоснованы на основании проведенных исследований и экспериментов (см. таблицу).

Предлагаемое конструктивное решение рабочего торца коронки обеспечивает получение минимального равномерного износа рядов породоразрушающих элементов, различающихся по площади рабочего торца, при бурении коронкой, особенно в твердых породах.

На чертеже изображен общий вид коронки в продольном разрезе. Коронка состоит из корпуса 1, породоразрушающих элементов 2, переменной площади, увеличивающейся от периферии к центру с алмазоносным слоем 3. При этом концентрация алмазоносного слоя находится в обратно пропорциональной зависимости от площади рабочего торца породоразрушающих элементов, что выражается соотношением: K₁ • S₁ = K₂ • S₂ = K_i • S_i, где K₁, K₂, K_i - концентрация алмазоносного слоя соответственно 1-го, 2-го, i-го рядов объемных процентов; S₁, S₂, S_i - площадь рабочего торца соответственно 1-го, 2-го, i-го рядов породоразрушающих элементов, см².

В процессе бурения коронкой под действием осевого усилия и крутящего момента происходит разрушение горных пород, осуществляемое путем образования на забое кольцевых борозд, в виде выступов и впадин.

При бурении предлагаемой коронкой горная порода эффективно разрушается всеми породоразрушающими элементами. При этом износ алмазоносных слоев каждого ряда породоразрушающих элементов происходит равномерно по всему профилю коронки, вследствие этого обеспечивается полная отработка вооружения коронки.

Экономический эффект заключается в повышении ресурса коронки и снижении стоимости бурения 1 п.м скважины.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к коронкам для вращательного бурения геологоразведочных скважин в твердых породах. Изобретение обеспечивает равномерный износ породоразрушающих элементов, различающихся по площади рабочего торца, и повышает ресурс коронки в процессе бурения. Алмазная буровая коронка содержит корпус и алмазосодержащую матрицу с выступающими породоразрушающими элементами. Для осуществления равномерного износа породоразрушающих элементов, выполненных переменной ширины, увеличивающейся от периферии к центру, равенство вооружения породоразрушающих элементов обеспечивают за счет изменения концентрации алмазов в алмазоносном слое в каждом ряду породоразрушающих элементов в соответствии с соотношением: K₁ • S₁ = K₂ • S₂ = ... K_i • S_i, где К₁, К₂, K_i - концентрация алмазов в алмазоносном слое соответственно 1-го, 2-го, 1-го рядов породоразрушающих элементов, об. %, S₁, S₂, S_i - площадь соответственно 1-го, 2-го, i-го ряда породоразрушающих элементов, см². Изобретение позволяет повысить ресурс коронки и снизить стоимость бурения одного погонного метра скважины. 1 ил., 1 табл.

Алмазная буровая коронка, содержащая корпус и алмазосодержащую матрицу с выступающими концентрическими породоразрушающими элементами, выполненными переменной ширины, увеличивающейся от периферии к центру, отличающаяся тем, что равенство вооружения породоразрушающих элементов обеспечено за счет изменения концентрации алмазов в алмазоносном слое в каждом ряду породоразрушающих элементов в соответствии с соотношением:
K₁ • S₁ = K₂ • S₂ = ... = K_i • S_i,
где К₁, К₂, К_i - концентрация алмазов в алмазоносном слое соответственно 1-го, 2-го, i-го рядов породоразрушающих элементов, об.%;
S₁, S₂, S_i - площадь соответственно 1-го, 2-го, i-го ряда породоразрушающих элементов, см².