БУРОВАЯ КОРОНКА Российский патент 2023 года по МПК E21B10/48 

Изобретение относиться к горному делу, а точнее к буровому инструменту ударно-поворотного действия.

Известна буровая коронка (Авторское свидетельство СССР №276858, опубл. 07.10.1985) с твердосплавными штыревыми вставками, имеющая выполненную в форме усеченного конуса вогнутую породоразрушающую поверхность, обеспечивающую улучшение очистки забоя скважины от буровой мелочи. Штыревые вставки расположены так, чтобы их количество, приходящихся на единицу вогнутой поверхности, было меньше, чем количество вставок, приходящихся на единицу периферийной поверхности.

Недостатком такой конструкции буровой коронки является расположение штыревых вставок, приводящее к низкой эффективности бурения вследствие повышенной энергоемкости разрушения породы.

Известна буровая коронка (Авторское свидетельство РФ №1789645, опубл. 23.01.1993), содержащая корпус с рабочей головкой, армированной в торцевой части породоразрушающими вставками, которые установлены группами по три вставки, причем центры вставок в группе расположены друг от друга на расстоянии от 1,3d до d, где d - это диаметр вставки.

Недостатком буровой коронки является расстояние между вставками, расположенными в отдельных группах, необеспечивающее взаимное влияние зон разрушении от соседних вставок, что приводит к низкой эффективности бурения.

Известна буровая коронка для ударно-поворотного бурения (Патент РФ №2077650, опубл. 20.04.1997), содержащая корпус, выполненный в виде хвостовика и головки со сквозным центральным отверстием, верхняя часть которого имеет форму усеченного конуса с большим основанием, расположенным на торце головки, и размещенные на периферии последней цилиндрические вставки из твердого сплава.

Недостатком данной конструкции коронки является расположение вставок на периферии, необеспечивающее взаимное влияние зон разрушения от соседних вставок, что приводит к увеличению энергоемкости разрушения.

Известна также буровая коронка (Патент РФ №2646637, опубл. 06.03.2018), которая состоит из корпуса, ударной поверхности корпуса и инденторов заданного диаметра с заданным радиусом их рабочего выступа. На ударной поверхности корпуса коронки выполнено концентрическое углубление глубиной не менее рабочего выступа индентора и диаметром не менее двух диаметров индентора. Инденторы расположены по краю концентрического углубления.

Недостатком данной буровой коронки является расположение вставок по краю концентрического углубления, необеспечивающее взаимное влияние зон разрушении от соседних вставок, что приводит к увеличению энергоемкости разрушения.

Известная буровая коронка (Патент РФ № 2655455, опубл. 28.05.2018), принятая за прототип, содержащая корпус, ударную поверхность корпуса и инденторы. Инденторы, не являющиеся периферийными относительно центра ударной поверхности корпуса, расположены на разных радиусах от центра ударной поверхности корпуса по лучам, проведенным из этого центра через заданный угол. Коронка отличается пониженной энергоемкостью бурения за счет разрушения горной породы по концентрическим линиям, проведенным из центра забоя через заданный угол.

Недостатком такой конструкции является расположение инденторов по лучам, проведенным из центра ударной поверхности корпуса, приводящее к необходимости нанесения ударов при повороте коронки на строго определенный угол, иначе не произойдет разрушение горной породы по концентрическим линиям и, как следствие, по всей поверхности забоя, что приводит к увеличению энергоемкости процесса бурения, а выполнение ударной поверхности выпуклой формы не способствует повышению качества очистки забоя от буровой мелочи при осуществлении ударно-поворотного бурения.

Техническим результатом является уменьшение энергоемкости процесса бурения и улучшение очистки забоя скважины от буровой мелочи.

Технический результат достигается тем, что породоразрушающая поверхность образована вращением относительно продольной геометрической оси коронки синусоиды, глубина вогнутой части которой составляет от 0,15 до 0,20 от диаметра коронки, твердосплавные инденторы жестко закреплены в отверстия, которые выполнены на породоразрушающей поверхности равномерно по трем концентрическим окружностям, которые проходят через вершины и точки перегиба синусоиды, при этом количество твердосплавных инденторов на каждой окружности выбирается из соотношения

$$z=6\cdot k$$ , где

k - порядковый номер окружности при отсчете от центра коронки, а диаметр твердосплавных инденторов выбирается в пределах от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки.

Буровая коронка поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - общий вид устройства;

фиг. 2 - схема установки инденторов;

фиг. 3 - 3D-модель устройства;

фиг.4 - схема разрушения забоя скважины буровой коронкой;

1 - корпус;

2 - породоразрушающая поверхность;

3 - твердосплавные инденторы;

4 - центральное сквозное отверстие;

5 - синусоида;

6 - концентрические окружности;

7 - пространство между соседними твердосплавными инденторами;

8 - зона разрушения горной породы под твердосплавным индентором.

Буровая коронка состоит из корпуса 1 (фиг. 1) с породоразрушающей поверхностью 2, на которой выполнены отверстия, в которые жестко установлены твердосплавные инденторы 3. В корпусе 1 выполнено центральное сквозное отверстие 4. Породоразрушающая поверхность 2 образована вращением относительно продольной геометрической оси коронки синусоиды 5, описываемой в прямоугольной системе координат уравнением

$$y=\frac{H}{2}\sin \left(\frac{3\pi }{D}x-\frac{\pi }{2}\right)$$ , где

D - диаметр коронки;

Н - глубина вогнутой части, которая составляет от 0,15 до 0,20 от диаметра коронки D. Такой интервал размера глубины вогнутой части Н выбран потому, что при Н=0,2D и больше угол наклона геометрической оси твердосплавных инденторов к оси коронки составляет больше 45°, что приводит к изгибающим нагрузкам и нарушению жесткой установки твердосплавных инденторов в отверстия. При Н=0,15D и менее невозможно обеспечить жесткую установку в отверстия периферийных твердосплавных инденторов.

Твердосплавные инденторы 3 жестко закреплены в отверстия, которые выполнены на породоразрушающей поверхности 2 равномерно по трем концентрическим окружностям 6 (фиг. 2), которые проходят через вершины и точки перегиба синусоиды 5. Количество твердосплавных инденторов 3 на каждой окружности 6 выбирается из соотношения:

$$z=6\cdot k$$ , где

z - количество твердосплавных инденторов;

k - порядковый номер концентрической окружности при отсчете от центра коронки.

Количество твердосплавных инденторов, равное 6k, выбрано потому, что при меньшем количестве не обеспечивается разрушение породы в пространстве 7 (фиг. 4) между соседними твердосплавными инденторами, так как образуемое расстояние между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой не обеспечивает взаимного влияния зон разрушения, а при большем происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов.

Диаметр твердосплавных инденторов 3 выбирается в пределах от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки D, а геометрическая ось каждого твердосплавного индентора является нормалью синусоиды. Интервал диаметра d твердосплавных инденторов выбран потому, что при d > D/6,58 происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов. При d < D/9,12 разрушение горной породы в пространстве между соседними твердосплавными инденторами не происходит, так как образуемое расстояние между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой не обеспечивает взаимного влияния зон разрушения.

Предлагаемые соотношения размеров и параметров буровой коронки были подобраны экспериментально при испытании буровой коронки в процессе разрушения горной породы высокой крепости. Испытывались буровые коронки с жестко установленными двумя твердосплавными инденторами с переменным расстоянием между точками контакта твердосплавных инденторов с горной породой. Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - результаты экспериментальных испытаний Отношение расстояния l_И между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой к диаметру d твердосплавного индентора Отношение напряжения σ_МИ горной породы в пространстве между соседними инденторами к напряжению σ_КР, при котором происходит контактное разрушение горной породы l_И / d σ_МИ / σ_КР 1,22 1,87 1,30 1,54 1,38 1,49 1,46 1,38 1,54 1,25 1,63 1,08 1,71 1,03 1,79 0,93

По результатам видно, что при отношении расстояния l_И между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой к диаметру d твердосплавного индентора больше 1,71 разрушение горной породы в пространстве между твердосплавными инденторами не происходит.

В таблице 2 представлены расчеты размеров и параметров буровой коронки при различных значениях диаметра буровой коронки и диаметра твердосплавных инденторов согласно заявленным признакам.

Таблица 2 - результаты расчетов размеров и параметров буровой коронки при различных значениях диаметра буровой коронки и диаметра твердосплавных инденторов согласно заявленным признакам. Диаметр коронки,
D, мм Диаметр индентора,
d, мм D/d Расстояние между точками контакта соседних инденторов с горной породой,
l_И, мм l_И/d Проверка условия l_И/d ≤ 1,71 Примечание 32 3,2 10,000 6,27 1,959 Не выполняется 4,2 7,619 6,73 1,602 Выполняется 5,2 6,154 происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов 34 3,2 10,625 7,12 2,225 Не выполняется 4,2 8,095 6,75 1,607 Выполняется 5,2 6,538 происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов 36 4,2 8,571 7,14 1,700 Выполняется 5,2 6,923 7,14 1,373 40 4,2 9,524 7,92 1,886 Не выполняется 5,2 7,692 8,28 1,592 Выполняется 6,2 6,452 происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов 43 4,2 10,238 8,50 2,024 Не выполняется 5,2 8,269 8,87 1,706 Выполняется 6,2 6,935 8,43 1,360 48 5,2 9,231 9,84 1,892 Не выполняется 6,2 7,742 9,40 1,516 Выполняется 7,2 6,667 9,04 1,256 50 5,2 9,615 10,23 1,967 Не выполняется 6,2 8,065 9,79 1,579 Выполняется 7,2 6,944 9,43 1,310 54 5,2 10,385 11,02 2,119 Не выполняется 6,2 8,710 10,57 1,705 Выполняется 7,2 7,500 10,20 1,417 8,2 6,585 10,50 1,280 (D/d)_min=6,58 57 6,2 9,194 11,15 1,798 Не выполняется 7,2 7,917 10,79 1,499 Выполняется 8,2 6,951 11,02 1,344 64 7,2 8,889 12,15 1,688 Выполняется 8,2 7,805 12,80 1,561 9,2 6,957 12,80 1,391 10,2 6,27 происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов 70 7,2 9,722 13,31 1,849 Не выполняется 8,2 8,537 13,97 1,704 Выполняется 9,2 7,609 13,97 1,518 10,2 6,863 13,97 1,370 11,2 6,250 происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов 76 7,2 10,556 13,65 1,896 Не выполняется 8,2 9,268 14,19 1,730 Не выполняется 9,2 8,261 14,19 1,542 Выполняется 10,2 7,451 14,19 1,391 11,2 6,786 15,14 1,352 83 8,2 10,122 16,20 1,976 Не выполняется 9,2 9,022 15,47 1,682 Выполняется 10,2 8,137 16,50 1,618 11,2 7,411 16,50 1,473 12,3 6,748 16,50 1,341 89 11,2 7,946 17,66 1,577 Выполняется 12,3 7,236 17,66 1,436 13,3 6,692 17,66 1,328 93 10,2 9,118 17,24 1,690 Выполняется (D/d)_max=9,12 11,2 8,304 18,44 1,646 12,3 7,561 19,90 1,618 13,3 6,992 18,44 1,386 14,3 6,503 происходит пересечение отверстий, предназначенных для жесткой установки твердосплавных инденторов 102 11,2 9,107 18,94 1,691 Выполняется 12,3 8,293 20,19 1,641 13,3 7,669 20,19 1,518 14,3 7,133 20,92 1,463 15,3 6,667 20,19 1,320 115 12,3 9,350 22,72 1,847 Не выполняется 13,3 8,647 22,72 1,708 Выполняется 14,3 8,042 23,44 1,639 15,3 7,516 23,81 1,556 16,3 7,055 24,71 1,516 127 12,3 10,325 25,05 2,037 Не выполняется 13,3 9,549 25,05 1,883 14,3 8,881 24,11 1,686 Выполняется 15,3 8,301 26,14 1,708 16,3 7,791 26,51 1,626 140 14,3 9,790 28,30 1,979 Не выполняется 15,3 9,150 28,67 1,874 16,3 8,589 27,09 1,662 Выполняется

Из приведенных данных видно, что условие, когда отношение расстояния l_И между точками контакта соседних твердосплавных инденторов с горной породой к диаметру d твердосплавного индентора меньше или равно значению 1,71, при котором происходит разрушение горной породы в пространстве между соседними инденторами, выполняется при диаметре d твердосплавных инденторов от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки D.

Работает буровая коронка в совокупности с бурильной машиной ударно-поворотного действия. Буровая коронка вставляется в корпус машины до соприкосновения со штангой-волноводом. Энергия привода машины преобразуется в энергию удара, которая через штангу-волновод передается на буровую коронку. Далее энергия удара передается через породоразрушающую поверхность 2 (фиг. 3) корпуса 1 (фиг. 4) твердосплавным инденторам 3. Под действием ударной нагрузки твердосплавные инденторы 3 забуриваются в забой скважины, и происходит разрушение горной породы не только под каждым твердосплавным индентором 3, но и в пространстве между соседними твердосплавными инденторами 7, так как обеспечивается взаимное влияние зон разрушения горной породы под твердосплавным индентором 8, то есть за один удар происходит разрушение по всей поверхности забоя. После чего буровая коронка поворачивается на любой угол. Через центральное сквозное отверстие 4 подается сжатый воздух или промывочная жидкость, и через вогнутую часть породоразрушающей поверхности 2 во всех направлениях между твердосплавными инденторами 3 происходит очистка забоя скважины от разрушенной буровой мелочи, находящейся не только в пространстве между твердосплавными иденторами, но и под ними.

В результате уменьшается энергоемкость процесса бурения и улучшается очистка забоя скважины от буровой мелочи за счет наличия в конструкции буровой коронки вогнутой части породоразрушающей поверхности, на которой в отверстия жестко установлены твердосплавные инденторы с расстоянием, гарантировано обеспечивающим взаимное влияние зон разрушения от соседних твердосплавных инденторов.

Изобретение относится к горному делу, а точнее к буровому инструменту ударно-поворотного действия. Техническим результатом является уменьшение энергоемкости процесса бурения и улучшение очистки забоя скважины от буровой мелочи. Буровая коронка содержит корпус с породоразрушающей поверхностью, центральное сквозное отверстие и твердосплавные инденторы. Породоразрушающая поверхность образована вращением относительно продольной геометрической оси коронки синусоиды, глубина вогнутой части которой составляет от 0,15 до 0,20 от диаметра коронки. Твердосплавные инденторы жестко закреплены в отверстия, которые выполнены на породоразрушающей поверхности равномерно по трем концентрическим окружностям, которые проходят через вершины и точки перегиба синусоиды. Количество твердосплавных инденторов на каждой окружности выбирается из определенного соотношения, зависящего от порядкового номера окружности при отсчете от центра коронки. Диаметр твердосплавных инденторов выбирается в пределах от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки. 4 ил., 2 табл.

Буровая коронка, содержащая корпус с породоразрушающей поверхностью, центральное сквозное отверстие и твердосплавные инденторы, отличающаяся тем, что породоразрушающая поверхность образована вращением относительно продольной геометрической оси коронки синусоиды, глубина вогнутой части которой составляет от 0,15 до 0,20 от диаметра коронки, твердосплавные инденторы жестко закреплены в отверстия, которые выполнены на породоразрушающей поверхности равномерно по трем концентрическим окружностям, которые проходят через вершины и точки перегиба синусоиды, при этом количество твердосплавных инденторов на каждой окружности выбирается из соотношения

$$z=6\cdot k$$ ,

где k – порядковый номер окружности при отсчете от центра коронки, а диаметр твердосплавных инденторов выбирается в пределах от 6,58 до 9,12 раз меньше диаметра коронки.