АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА Российский патент 2006 года по МПК E21B10/46 

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве породоразрушающего инструмента - алмазных буровых коронок и долот для бурения скважин.

Известна алмазная буровая коронка, содержащая цилиндрический корпус, целиком выполненный из композиционного виброгасящего материала и алмазосодержащей матрицы (Будюков Ю.Е. Создание и производство специального алмазного бурового инструмента. - М, 1993 - 38 с., Обзор ЗАО "Геоинформмарк", с.32).

Недостатком этой буровой коронки является то, что виброгасящий корпус такой коронки, являющийся промежуточным элементом между матрицей коронки и бурильной колонной, снижает энергию волн уже прошедших через матрицу. Возникающие в результате разрушения горной породы знакопеременные динамические напряжения воздействуют непосредственно на алмазные зерна со стороны забоя скважины, что приводит к интенсивному износу и разрушению алмазов.

Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является алмазная буровая коронка, содержащая цилиндрический корпус и алмазосодержащую твердосплавную матрицу, состоящую из твердосплавной шихты, износостойкого наполнителя и инфильтрационного материала, имеющих различное сопротивление, причем отношение линейных размеров частиц твердосплавной шихты и износостойкого наполнителя находится в пределах от 1:15 до 1:25 (патент РФ №2112131 М. Кл. Е 21 В 10/46).

Недостатком такой алмазной коронки является то, что при бурении ею наблюдаются случаи скалывания и выкрашивания алмазных зерен. Это обусловлено значительным различием волновых сопротивлений инфильтрационного материала и контактирующих с ним алмазных зерен. Вследствие этого возникающие в алмазных зернах при их взаимодействии с горной породой упругие волны многократно отражаются от границ этих зерен, в результате чего происходит усталостное разрушение алмазных зерен. Также происходит выкрашивание алмазных зерен, вызванное не достаточно прочным охватом их материалом матрицы.

Техническое решение направлено на повышение эксплуатационной стойкости алмазных буровых коронок за счет уменьшения коэффициента отражения упругой волны на границе алмаз-матрица, снижения вибраций торца коронки и уменьшения пористости на контакте алмазных зерен с материалом матрицы.

Предлагаемая алмазная буровая коронка отличается тем, что волновое сопротивление инфильтрационного материала, контактирующего с алмазными зернами, составляет 0,8-1,2 от волнового сопротивления алмазного зерна, а отношение линейных размеров частиц твердосплавной шихты и износостойкого твердосплавного наполнителя находится в пределах от 1:30 до 1:100, при этом отношение общих площадей поверхности составляет от 60:1 до 75:1, а высота алмазосодержащей матрицы коронки выбрана в соответствии с выражением:

где Н - высота алмазосодержащей матрицы коронки;

n - число колебательных фронтов в алмазосодержащей матрице, (n≥1);

W - резонансная частота для нулевой моды колебаний на контакте матрицы с забоем;

Е - модуль нормальной упругости материала матрицы;

ρ - плотность материала матрицы;

а также линейный размер частицы износостойкого твердосплавного наполнителя составляет 0,2-0,3 линейного размера алмазного зерна импрегнированного слоя матрицы.

Благодаря тому, что волновое сопротивление инфильтрационного материала, контактирующего с алмазными зернами, составляет 0,8-1,2 от волнового сопротивления алмазного зерна, коэффициент отражения упругой энергии при бурении коронкой равен 0 или близок к этому значению, т.е. вся упругая энергия, полученная алмазными зернами, будет отдаваться матрице коронки и алмазные зерна не будут подвергаться усталостному разрушению.

При граничных значениях волнового сопротивления инфильтрационного материала, контактирующего с алмазными зернами, составляющими соответственно 0,7 и 1,3 от волнового сопротивления алмазного зерна при прохождении упругой волны в алмазных зернах, будет происходить как рассеяние энергии, так и ее поглощение, что вызовет значительное усталостное разрушение этих зерен.

Вследствие того, что отношение линейных размеров частиц твердосплавной шихты и износостойкого твердосплавного наполнителя находится в пределах от 1:30 до 1:100, а отношение общих площадей их поверхности составляет при этом от 60:1 до 75:1, существенно возрастает общая поверхность частиц твердосплавного наполнителя, обладающего повышенным волновым сопротивлением, что обуславливает при прохождении упругой волны повышенные рассеяние энергии и ее поглощение, т.е. повышается демпфирующая способность материала матрицы коронки. Это обстоятельство способствует снижению вибрации, устранению возможности усталостного разрушения алмазных зерен, что подтверждается исследованиями В.И.Спирина (В.И.Спирин, Д.М.Левин. Новые направления создания алмазного породоразрушающего инструмента. Тул. гос. ун-т - Тула, 2000. с.69-70).

Благодаря тому, что высота алмазосодержащей матрицы коронки выбрана в соответствии с выражением:

где Н - высота алмазосодержащей матрицы коронки;

n - число колебательных фронтов в алмазосодержащей матрице, (n≥1);

W - резонансная частота для нулевой моды колебаний на контакте матрицы с забоем;

Е - модуль нормальной упругости материала матрицы;

ρ - плотность материала матрицы;

уменьшается износ торца матрицы коронки в процессе бурения.

Исследованиями Л.К.Горшкова (В.И.Власюк, Ю.Е.Будюков, Л.К.Горшков, А.И.Осецкий, С.Я.Рябчиков, В.И.Спирин. Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента. - М, ЗАО "Геоинформмарк". 2002. с.103-105) установлено, что при бурении коронкой резонансная частота для нулевой моды колебаний на контакте матрицы с забоем определяется по выражению:

где W - резонансная частота для нулевой моды колебаний на контакте матрицы с забоем;

n - число колебательных фронтов в алмазосодержащей матрице, (n≥1);

Н - высота алмазосодержащей матрицы коронки;

С₀ - фазовая скорость.

Из этой формулы видно, что чем больше высота алмазосодержащей матрицы, тем меньше значение резонансной частоты для нулевой моды колебаний, т.е. тем меньше износ торца матрицы коронки в процессе бурения. Из теории линейной акустики известно, что:

где С₀ - фазовая скорость;

Е - модуль нормальной упругости материала матрицы;

ρ - плотность материала матрицы.

Подставляя значения для С₀ в формулу для определения W, имеем:

Из этой зависимость находим выражение для определения рациональной высоты алмазосодержащей матрицы:

Верхнее граничное значение высоты алмазосодержащей матрицы определяется с учетом сохранения ее прочности при бурении, а нижнее граничное значение ее устанавливается из условия получения наименьшего значения резонансной частоты для нулевой моды колебаний.

Вследствие того, что линейный размер частицы износостойкого твердосплавного наполнителя составляет 0,2-0,3 линейного размера алмазного зерна импрегнированного слоя матрицы, снижается пористость прессовки матрицы и повышается прочность удержания алмазных зерен в матрице коронки, как установлено исследованиями, проведенными в ТулНИГП.

При этом при граничном линейном размере частицы износостойкого твердосплавного наполнителя, равном 0,1 линейного размера алмазного зерна импрегнированного слоя матрицы, повышение прочности удержания алмазных зерен в матрице коронки не наблюдается, а при граничном линейном размере частицы износостойкого наполнителя, равном 0,4 линейного размера алмазного зерна, прочность удержания алмазных зерен в матрице коронки уменьшается.

На фиг.1 представлен общий вид алмазной буровой коронки, а на фиг.2. - фрагмент сектора матрицы в разрезе. Алмазная буровая коронка состоит из алмазосодержащей матрицы а и металлического корпуса б. Матрица а высотою Н состоит из твердосплавной шихты 1, износостойкого твердосплавного наполнителя 2, инфильтрационного материала 3, алмазов импрегнированного слоя 4 и алмазов подрезного слоя 5.

Алмазная буровая коронка работает следующим образом: при создании осевого и окружного усилий на корпус б и матрицу а происходит разрушение горной породы и возникают упругие волны напряжений, имеющие знакопеременную величину и уровень энергии, которые распространяются по буровой коронке. Воздействие энергии упругих волн приводит к вибрации, повышенному износу и выкрашиванию алмазов 4. При прохождении упругих волн через коронку в алмазных зернах 4 из-за близости волновых сопротивлений инфильтрационного материала 3 и алмазных зерен 4 усталостного разрушения алмазных зерен не происходит, а при прохождении упругих волн через матрицу а, происходит интенсивное рассеяние и поглощение энергии волн от поверхности частиц твердосплавной шихты 1 и твердосплавного наполнителя 2, имеющих различные линейные размеры и площади поверхности, что приводит к уменьшению вибрации алмазосодержащей матрицы. Выполнение матрицы с высотой, равной Н, уменьшает износ торца во время бурения, а выбор частиц износостойкого наполнителя с линейными размерами меньше линейных размеров алмазных зерен снижает пористость при пропитке на контакте алмаз-матрица, что повышает прочность удержания алмазных зерен в матрице при бурении.

Благодаря такому выполнению алмазной буровой коронки осевое и окружное усилия, передаваемые на коронку, обеспечивают эффективное разрушение ею горной породы при одновременном сохранении высокой стойкости алмазосодержащей породоразрушающей матрицы.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационной стойкости алмазной буровой коронки.

Экономический эффект на одну алмазную буровую коронку составляет 1500 рублей.

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве алмазного породоразрушающего инструмента - алмазных буровых коронок и долот для бурения скважин. Позволяет повысить эксплуатационную стойкость алмазных буровых коронок за счет уменьшения коэффициента отражения упругой волны на границе алмаз-матрица, снижения вибраций торца коронки и уменьшения пористости на контакте алмазных зерен с материалом матрицы. Коронка включает металлический корпус и алмазосодержащую матрицу. Волновое сопротивление инфильтрационного материала, контактирующего с алмазными зернами, составляет 0,8-1,2 от волнового сопротивления алмазного зерна. Отношение линейных размеров частиц твердосплавной шихты и износостойкого твердосплавного наполнителя находится в пределах от 1:30 до 1:100. Отношение общих площадей их поверхности составляет от 60:1 до 75:1, а высота алмазосодержащей матрицы коронки выбрана в соответствии с выражением: где Н - высота алмазосодержащей матрицы коронки; n - число колебательных фронтов в алмазосодержащей матрице, (n≥1); W- резонансная частота для нулевой моды колебаний на контакте матрицы с забоем; Е - модуль нормальной упругости материала матрицы; ρ - плотность материала матрицы. Линейный размер частицы износостойкого твердосплавного наполнителя составляет 0,2-0,3 линейного размера алмазного зерна импрегнированного слоя матрицы. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Алмазная буровая коронка, включающая металлический корпус и алмазосодержащую матрицу, состоящую из твердосплавной шихты, износостойкого наполнителя и инфильтрационного материала, имеющих различное волновое сопротивление, отличающаяся тем, что волновое сопротивление инфильтрационного материала, контактирующего с алмазными зернами, составляет 0,8-1,2 от волнового сопротивления алмазного зерна, а отношение линейных размеров частиц твердосплавной шихты и износостойкого твердосплавного наполнителя находится в пределах от 1:30 до 1:100, при этом отношение общих площадей их поверхности составляет от 60:1 до 75:1. 2. Алмазная буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что высота алмазосодержащей матрицы коронки выбрана в соответствии с выражением

где Н - высота алмазосодержащей матрицы коронки;

n - число колебательных фронтов в алмазосодержащей матрице, (n≥1);

W- резонансная частота для нулевой моды колебаний на контакте матрицы с забоем;

Е - модуль нормальной упругости материала матрицы;

ρ - плотность материала матрицы.