БУРОВАЯ КОРОНКА Российский патент 2005 года по МПК E21B10/48 

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, и может быть использовано при бурении геологоразведочных скважин.

Известна буровая коронка (см. Исаев М.И. Технический прогресс и новые достижения в колонковом бурении. Л., Недра, 1976, с.99, рис.45), содержащая корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные наклонно установленными к торцу корпуса и выступающими относительно него цилиндрическими резцами из синтетических алмазов.

Известна также наиболее близкая по технической сути к заявляемой буровая коронка (авт.св. СССР №1020565, МПК 3 Е 21 В 10/48, опубл.30.05.83, Бюл.№20), которая также как и вышеописанная коронка содержит корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные наклонно установленными к торцу корпуса и выступающими относительно него цилиндрическими резцами из синтетических алмазов, причем смежные рабочие секторы выполнены разной длины и в каждом секторе с большей длиной резцы установлены с перекрытием b=0,2...0,4 d, а в секторе с меньшей длиной - с неперекрытием l=0,3...0,5 d, где d - диаметр резца.

Недостатки описанных буровых коронок заключаются в невозможности обеспечить стабильное предразрушение породы на протяжении всего периода работы инструмента из-за недостаточно продуманной схемы расположения резцов в матрице и неотработанности выбора размеров алмазов в матрице, а также площадей контактных поверхностей секторов матрицы по отношению к суммарной площади контактной поверхности резцов в секторе, что приводит к снижению разрушающей способности буровой коронки и понижению механической скорости бурения.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования буровой коронки, при котором за счет выбора предлагаемого угла наклона резцов, выбора определенных размеров алмазов в матрице и резцов, а также площади контактной поверхности сектора по отношению к суммарной площади контактной поверхности резцов в секторе обеспечивается возможность создания зоны предразрушения на протяжении всего периода работы инструмента, при этом исключаются прижоги матрицы и обеспечивается наиболее эффективный вынос шлама из зоны отработки и, как следствие, обеспечивается повышение разрушающей способности буровой коронки с одновременным повышением механической скорости бурения.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в буровой коронке, содержащей корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные наклонно установленными к торцу корпуса и выступающими относительно него цилиндрическими резцами из синтетических алмазов, согласно изобретению цилиндрические резцы наклонены к торцу матрицы таким образом, что диагональная плоскость, проходящая через диаметрально противоположные точки оснований цилиндра резца и делящая его пополам, совпадает с торцевой плоскостью матрицы, оптимальным при этом будет, если размер алмазов в матрице составляет 0,07...0,14 диаметра резца; а площадь контактной поверхности сектора матрицы в 1,8...2,4 раза больше суммарной площади контактной поверхности резцов в секторе.

Причинно-следственная связь между предлагаемой совокупностью признаков и достигаемыми при ее реализации техническими эффектами состоит в следующем.

В процессе бурения резцы, выступающие над алмазоносной матрицей, создают в разбуриваемом массиве породы зону предразрушения, а алмазы матрицы, работая по предразрушенной породе, завершают процесс разрушения. Частицы разрушенной породы затем с помощью промывочной жидкости выносятся на поверхность скважины. Предразрушение породы должно сопровождать процесс бурения на протяжении всего периода работы инструмента. Это возможно в полной мере тогда, когда диагональная плоскость резцов, проходящая через их взаимно противоположные торцы, совпадает с торцевой плоскостью матрицы. Если основание цилиндрического резца со стороны набегающей части будет выступать над поверхностью матрицы, то в пространстве между основанием и поверхностью матрицы будет скапливаться шлам, дополнительно изнашивающий матрицу. Основание со стороны сбегающей части цилиндрического резца должно находиться в теле матрицы так, чтобы крайняя точка его находилась в торцевой плоскости матрицы. Если же это основание цилиндрического резца будет выступать над поверхностью матрицы, то в пространстве у сбегающей части резца будет скапливаться шлам, дополнительно изнашивающий матрицу. Максимальная разрушающая способность буровой коронки будет обеспечена тогда, когда взаимодействие с породой будет осуществляться всей выступающей над поверхностью матрицы частью цилиндрического резца.

Если размер алмазов в матрице будет составлять меньше 0,07 диаметра резца, то алмазы матрицы не смогут эффективно завершать процесс разрушения породы, так как не в состоянии разрушить крупные частицы шлама, образующиеся после резцов, а они, в свою очередь, не смогут проходить в малый зазор между алмазами и матрицей. Неразрушенные частицы шлама будут скапливаться в призабойном пространстве, дополнительно изнашивая матрицу. При этом повышается мощность, затрачиваемая на разрушение породы, и может возникнуть прижог матрицы. Если же размер алмазов в матрице будет составлять больше 0,14 диаметра резца, то частицы шлама будут значительно меньше зазора между алмазами и матрицей и будут полностью выноситься жидкостью, что недостаточно для нормального износа матрицы и обнажения алмазов матрицы. Работа коронки в таких условиях будет малоэффективной. Оптимальным является соотношение 0,07-0,14. При этом в породе под резцом образуется достаточная зона предразрушения. Шлам небольших размеров под торцом матрицы находится в незначительном количестве, что облегчает работу алмазам матрицы. Они окончательно разрушают предразрушенную породу без дополнительных на это усилий и увеличения мощности.

Как известно, в зависимости от физико-механических свойств горной породы ширина борозды разрушения ее превышает ширину внедренной части резца до 2 раз. Если превышение площади контактной поверхности сектора матрицы над суммарной площадью контактной поверхности резцов в секторе будет меньше 1,8 раза, то в процессе бурения на забое скважины после прохождения резцов будут оставаться целики неразрушенной породы и алмазы матричного слоя будут вынуждены выполнять дополнительную работу по предразрушению породы и только потом - по разрушению. Для этого требуются дополнительные затраты мощности и снижается скорость бурения. Если превышение площади контактной поверхности сектора матрицы над суммарной площадью контактной поверхности резцов в секторе будет больше 2,4 раза, то в процессе бурения резцы, вступившие в контакт с породой первыми, будут создавать развитую зону предразрушения. Резцы, идущие вслед за ними, будут проходить повторно по уже предразрушенной зоне и перемалывать частицы шлама. В этом случае затраты энергии на разрушение породы резцами будут расти за счет участия их в перемалывании шлама предразрушенной породы. В свою очередь, дополнительный шлам, скапливающийся в зазоре между алмазами и матрицей также может привести к прижогу коронки. При превышение площади контактной поверхности сектора матрицы над суммарной площадью контактной поверхности резцов в секторе 1,8...2,4 раза соблюдается оптимальный процесс разрушения породы коронкой.

На чертежах проиллюстрирована предлагаемая буровая коронка: на фиг.1 представлен вид со стороны рабочего торца, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 (повернуто) в увеличенном масштабе.

Буровая коронка содержит корпус 1 с алмазоносной матрицей 2, разделенной промывочными пазами 3 на секторы, армированные наклонно установленными к торцу корпуса 1 и выступающими относительно него цилиндрическими резцами 4 из синтетических алмазов, цилиндрические резцы 4 наклонены на угол к торцу матрицы 2 таким образом, что диагональная плоскость, проходящая через диаметрально противоположные точки оснований цилиндра резца и делящая его пополам, совпадает с торцевой плоскостью матрицы 2, размер алмазов d₁ в матрице 2 составляет 0,07...0,14 диаметра d₂ резца 4, а площадь контактной поверхности сектора матрицы 2 в 1,8...2,4 раза больше суммарной площади контактной поверхности резцов 4 в секторе.

Предлагаемая буровая коронка работает следующим образом. При бурении осевая нагрузка и крутящий момент передаются на секторы алмазоносной матрицы 2 коронки. При этом цилиндрические резцы 4, выступающие над алмазоносной матрицей 2, участвуют в предразрушении породы, создавая сеть макро и микротрещин, а алмазы матрицы 2 завершают процесс разрушения породы. Предразрушение породы сопровождает процесс бурения на протяжении всего периода работы инструмента. Благодаря оптимальному выбору размера алмазов в матрице 2 по отношению к диаметру резцов 4 и соотношения площадей контактной поверхности сектора матрицы 2 к суммарной площади контактной поверхности резцов 4 частицы разрушенной породы с помощью промывочной жидкости выносятся на поверхность скважины. При этом исключено появление дополнительного шлама, который может скапливаться в зазоре между алмазами и матрицей 2, а значит и возможность прижогов коронки.

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, может быть использовано при бурении геологоразведочных скважин. Обеспечивается возможность создания зоны предразрушения на протяжении всего периода работы инструмента, при этом исключаются прижоги матрицы, а также обеспечивается наиболее эффективный вынос шлама из зоны отработки и, как следствие, повышается разрушающая способность буровой коронки с одновременным повышением механической скорости бурения. В буровой коронке, содержащей корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные наклонно установленными к торцу корпуса и выступающими относительно него цилиндрическими резцами из синтетических алмазов, цилиндрические резцы наклонены к торцу матрицы таким образом, что диагональная плоскость, проходящая через диаметрально противоположные точки оснований цилиндра резца и делящая его пополам, совпадает с торцевой плоскостью матрицы. Оптимальным при этом будет, если размер алмазов в матрице составляет 0,07...0,14 диаметра резца, а площадь контактной поверхности сектора матрицы в 1,8...2,4 раза больше суммарной площади контактной поверхности резцов в секторе. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Буровая коронка, содержащая корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные наклонно установленными к торцу корпуса и выступающими относительно него цилиндрическими резцами из синтетических алмазов, отличающаяся тем, что цилиндрические резцы наклонены к торцу матрицы таким образом, что диагональная плоскость, проходящая через диаметрально противоположные точки оснований цилиндра резца и делящая его пополам, совпадает с торцевой плоскостью матрицы.2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что размер алмазов в матрице составляет 0,07...0,14 диаметра резца.3. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что площадь контактной поверхности сектора матрицы в 1,8...2,4 раза больше суммарной площади контактной поверхности резцов в секторе.