Алмазная буровая коронка Советский патент 1991 года по МПК E21B10/48 E21B7/08 

Фиг. 1

Изобретение относится к породоразру- шающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам,

Цель изобретения - повышение эффективности направленного бурения.

На фиг.1 изображена буровая коронка; на фиг.2 - схема силового воздействия подрезных элементов коронки с породой; на фиг 3 и 4 - силовые многоугольники при армировке большим количеством подрез- ных алмазов на наружной и внутренней по- верхностях матричного кольца соответственно.

Алмазная коронка содержит корпус 1 и алмазосодержащую матрицу 2, внутренняя 3 и наружная 4 поверхности которой имеют цилиндрическую форму, армированные расчетным количеством подрезных резцов 5, а торец матрицы 2 оснащен объемными резцами 6.

Принцип работы коронки заключается е следующем.

За счет действия геологических факторов на контакте коронки с горной породой возникает поперечное усилие ZGi, стремя- щееся отклонить продольную ось коронки от заданного направления.

Возмущающее усилие равномерно распределяется по всем резцам, находящимся в контакте с породой , и сила GI передается через передние грани подрезных алмазов или боковые грани твердосплавных резцов в зависимости от типа породоразрушающе- го инструмента. При этом в силовом контакте со стенкой скважины находятся резцы одной половины наружной поверхности коронки, а в силовом контакте со стенкой керна находятся резцы одной половины ее внутренней поверхности:

&--Ј-.т

где GI - суммарное возмущающее усилие;

п - число резцов коронки, находящихся в силовом контакте со стенкой скважины и керном.

Усилия Gi формируют силы нормального давления Fn и силы скатывания Fc, стремящиеся привести резец в положение устойчивого равновесия:

FH GI sin у(2)

Fc Gicos у,(3)

где у- угол поворота резца (фиг.2).

При вращении инструмента возникает момент сил, одна из которых приложена в точке соприкосновения резца с породой и действуют в направлении вектора скорости, а другая, равная ее по величине, приложена к центру колонки и противоположно направлена. Сила резания уравновешивается соответствующей силой сопротивления FT. Величина всех этих сил пропорциональна FH и коэффициенту сопротивления породы разрушению. Сила резания появляется только в тех точках, где имеет место нормальное давление резца на породу, и может быть определена из следующего выражения:

FP FH-/I,(4)

где (л - коэффициент сопротивления породы разрушению.

Векторная сумма сил Fp, FT и Fc равна нулю, поэтому для определения равнодействующей R всех смещающих сил суммируют FMi и FHi на наружной и внутренней поверхностях коронки:

R RH + R в,(5)

где RH - равнодействующая смещающих сил на наружной поверхности породоразруша- инструмента;

RB - равнодействующая смещающих сил на внутренней поверхности породораз- рушающего инструмента. Причем

RH FM2 + FM3 + FM4 + FH2 + FH3 + FH4 ;(6) RB FM + FMg + FHB + FHg . (7)

В уравнениях (6) и (7) не фигурируют силы FMi и FHI в точках 1,5,6 и 10, где сила нормального давления равна нулю и, соответственно, равна нулю сила резания Fpi и реактивная сила FM|.

В реальных условиях могут быть искусственно созданы ситуации, когда наружная 4 и внутренняя 3 боковые поверхности коронки загружены неравномерно. Рассмотрим вариант, когда по внутренней и наружной боковым поверхностям коронки алмазы распределены равномерно, а количество алмазов пропорционально радиусу коронки:

т И, (8)

гк

где т - отношение количества алмазов на разных поверхностях коронки;

Rk, rk - наружный и внутренний радиусы коронки соответственно.

В этом случае равнодействующая R смещается на некоторый угол/3 влево по ходу от направления действия возмущающей си- лыЈС|. Величина этого угла может быть определена следующим образом:

1 Рн„ ЈG, sin2 у, р , (9)

где Ј FHH - сумма нормальных сил на наружной поверхности коронки;

1FHB ЈGi sin2 yi

rk Rk +rk

(Ю)

где Ј FHB - сумма нормальных сил на внутренней поверхности коронки;

FMH fЈ SlnV(11)

где Ј FMH - сумма реактивных сил в центре коронки, возникающих за счет воздействия ее наружной поверхности с породой;

)1.(12)

где 1Рмв - сумма реактивных сил в центре коронки, возникающих за счет воздействия ее внутренней поверхности с породой.

Из векторного параллелограмма (фиг.З) можно записать,что

а ,, Ј FMH ЈРмвг п

Р„н+ЈР„в (13)

Подставляя (8) -(11) в уравнение(13), можно записать выражение для определения угла смещения равнодействующей в следующем виде:

/ arct9/ Ј.(14)

Отрицательный знак при / имеет место в том случае, когда результирующая всех поперечных сил направлена влево от направления действия возмущающей силы, и положительный знак в случае правого отклонения.

Практически менять величину и знак угла / , т.е. направление и интенсивность искривления, проще всего, изменяя количество резцов на боковых поверхностях коЧ

ронки. В таком случае для расчета угла /Здля первоначально равнозагруженной или равномерноармированной коронки следующее:

п Mi-Мз

Р ага9 мГГм7

(15)

0

5

0

5

0

Ј,Mi + М2

где MI - число подрезных резцов на внутренней поверхности коронки;

М2 - число подрезных резцов на наружной поверхности коронки.

Изобретение позволяет повысить эффективность направленного бурения за счет управления процессом азимутального искривления коронками с расчетным количеством подрезных алмазов на боковых поверхностях.

Формула изобретения Алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу, внутренняя и наружная поверхности которой имеют цилиндрическую форму и армированы подрезными алмазами, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности направленного бурения, наружная и внутренняя поверхности матрицы армированы разным количеством алмазов, причем для искривления скважины влево по азимуту большее количество алмазов установлено на наружной поверхности, а для искривления скважины вправо по азимуту - на внутренней поверхности.

J Я

Физ.З

Изобретение относится к породоразру- шающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам. Цель изобретения - повышение эффективности направленного бурения. Коронка включает корпус 1 и алмазосодержащую матрицу 2, внутренняя 3 и наружная 4 поверхности которой имею цилиндрическую форму и армированы различным количеством внутренних и наружных подрезных элементов 5, а алмазосодержащая матрица 2 армирована объединенными элементами 6. При искривлении скважины влево по азимуту большее количество подрезных элементов 5 устанавливают на наружной поверхности 4, для искривления скважины вправо большее количество подрезных элементов 5 устанавливают на внутренней поверхности. 4 ил.

Фиг.Ь