Алмазная буровая коронка Советский патент 1992 года по МПК E21B10/60 

Изобретение относится к области бурения скважин, конкретнее - к конструкции породоразрушающего инструмента.

Известны буропые алмазные коронки, состоящие из корпуса, алмазосодержащей матрицы, разделенной нэ сектора промывочными каналами так, что отношение длины сектора к длине промывочного канала 3:1. Длл того, чтобы сохранить указанное соотношение при увеличении диаметра, необходимо увеличивать число секторов, или увеличить их размер, что приводит к изменению площади контакта коронки с породой, соответственно, к ухудшению породоразрушающих характеристик коронки и к снижению скорости бурения и ресурса

коронки при повышенных затратах ,нергии на единицу разрушенного объема породы.

Наиболее близка к предложенной буровая коронкг, включающая корпус, апмпзосодоржзщую матрицу, разделенную промывочными каналами на сектора, причем длина промывочных к налоп втрое превышает ДА,и / секторов с алмазоносными вставками, В этих коронках площадь атма- зспосных зстовск значительно снимсено. но с изменением диаметра коронки число Е ставок увеличивается, соотьстсгвзнно, увеличивается гтощядь контактов апма. -ов с породой.

С известных коронках не учитыпют изменении площади контакта алп-ззов . породой при различное их крупности и ко

VI

О vj

00 О

личества в контактном слое при постоянной массе, 11едостаткамиизвестныхкороиокяв- ляетсл увеличение площади контакта алмазов с породой при увеличении диаметра бурения, что приводит к необходимости уве- личепия осевой нагрузки. Оптимальная осе- нагрузка, обеспечивающая объемное разрушение породы,для этих коронок, превышает DO много раз прочность бурового счорлда, чгс снижает производительность бурс-пил.

долью изобретения является повышение механической скорости бурения и ресурса коронки путем стабилизации копта --: (ной площади алмаз-порода так, что- Пн на контакте алмаз-порода создать удельные напряжения, достаточные для объемного разрушения породы.

Постаиленнал цель достигается тем, что в алмазной буровой коронке, содержащей сорпус, алмазосодержащую матрицу, разделенную промывочными каналами на сектора, отношение длины сектора к длине промывочного канала определяется выражением:

ГГ

lo/lk 1/A, |

(D

где А - коэффициент (для вращательного бурения ,8, для нращательно-ударного бурения ,9 мкм/мм ;

D - диаметр коронки, мм;

К - крупность алмазов, мкм; а длина сектора по окружности выбрана из соотношения

- - и

()-П

п -- число сектороп коронки.

Соотношения (1) и (2) позволяют получить размеры алмазосодержащего сектора и промывочного канала так, чтобы площадь контакта алмазов с породой оставалась постоянной при различных диаметрах, числе секторов и крупности алмазов. Объемное разрушение породы происходит при достижении контактными напряжениями на границе резец-порода величины, равной ок (0,0-0,9) РШ твердости породы по штампу, определенной по методу Л. И. Шрейнера. Величина Рш для пород VI-XII категорий по буримости лежит в пределах Р1и 1,0-8,0 Г Па.

В то же время максимальное контактное напряжение не должно превышать предел прочности алмазного зерна с/а 4,5-5,0 ГПа. Эта величина лежит в пределах объемного разрушения большинства горных пород и может быть принята за предельно допустимую величину контактного напря0

5

0

5

0

5

0

5

0

жения. Для достижения таких контактных напряжений при бурении серийными алмазными коронками необходима осевая нагрузка, на порядок превышающая прочность материалов бурового снаряда. Так как прочность материалов, применяемых при изготовлении бурового снаряда, имеет предел - предельна и осевая нагрузка. Имея предельную нагрузку и предел прочности породы, получают предельную площадь контакта алмазов с породой,

В табл. 1 приведены результаты бурения коронками с различной площадью контакта. Снижение площади контакта а 1,С раза приводит к росту удельных напряжений в 1,6 раза, механической скорости в 2,2 раза. Из табл. 1 видно, что указанным выше условиям объемного разрушения удовлетворяют коронки с площадью контакта 3,5- 3,9 мм . Эти коронки показали наилучшие результаты при бурении. Указанную величину площади контакта принимают за предельно допустимую для всех типоразмеров коронок.

Величина контактной площади зависит от крупности алмазов, от их количества в контактном слое (табл.1). При постоянной площади контакта количество алмазов изменяется в зависимости от их крупности - от площади контакта отдельного алмаза. Размер алмазов, их количество приходящееся на один сектор, определяют размер этого сектора, Конструктивные размеры коронки определяют размеры алмазосодержащего сектора°и промывочного канала. Размер сектора с и Ik определяет их количество, но при постоянной площади контакта общая площадь м-секторов должна оставаться постоянной.

На фиг. 1 представлена коронка, вид с торца; на фиг. 2 -то же, продольный осевой разрез.

Коронка содержит корпус 1, матрицу 2, алмазосодержащие сектора 3, легкоизнашивающийся абразивный безалмазный поддерживающий слой 4, промывочные каналы 5.

Отношение с длины сектора алмазосо- держащегс слоя к длине к смывочного канала:

Ic/lk --т - « D2

К

длина сектора пп окружности выбрана из соотношения:

яО

(1+А)

где D - диаметр коронки; К - крупность алмазов; п - число секторов; А - коэффициент, характеризующий отношение , при минимальном диаметре коронки и максимальной крупности алмазов.

Коэффициент определен следующим образом. При изменении диаметра коронки DB и крупности армирующих алмазоп KD численное значение этого соотношения Судет меняться пропорционально квадрату диаметров и крупности алмазоп

Кмакс/Кв.

lc/ik- i/fA,,).

V Do 2 KD

где Do - минимальный диаметр применяемых коронок (36 мм);

Кмакс - максимальная крупность алмазов 2000/1600 мкм;

DB - выбранный диаметр коронки;

KD - выбранный размер (крупность) алмазов;

АО - соотношение размеров сектора и промывочного канала при минимальном диаметре коронки - 36 мм.

Для коронки диаметром 33x22 мм при заданном числе секторов 4 и максимальном значении крупности алмазов 2000/1600 (среднее 1800) расчетная длина по окружности алмазосодержащего сектора 1С 12,37 мм, промывочного канала ,9 мм. Начальное соотношение при разных числах сектооов 1с/1к 1 /1,28, ,28. Так как величины Кмакс И Do ПОСТОЯННЫ, А1

Тогда А 1,28x1,38 1,77 « 1.8.

При вращательно-ударном бурении нагрузка на коронку повышается наложением ударных импульсов. Отсюда, площадь контакта увеличивается, соответственно величина А снижается до 0,9.

В табл. 2 приведены расчетные длины секторов и промывочных каналов для коронок, армированных алмазами крупностью 2000/1600 мкм, предназначенных для вращательного бурения. Аналогичный расчет можно выполнить для пращательно-удпрно- го бурения, а также для коронок, армированных алмазами другой крупности. Во всех случаях величина площади контакта алмазов с породой остается постоянной, независимо от количества секторов и крупности

алмазов, и находится в пределах, достаточных для обьемного разрушения породы.

Площадь контакта алмазов с породой рассчитывают по формуле:

(D-d) -IcSa n

Sk8К:

0

5

0

5

0

5

0

Угде Ья площадь контакта одного алмаза.

Коротка работает следующим образом.

Установленная на забое коронка получает крутящий момент и осевую нагрузку через колонну бурильных труб. При вращательно-ударном бурении на коронку накладывают дополнительные ударные импульсы от ударного механизма. Энергия удара достигает 25 Дж, что эквивалентно увеличению осевой нагрузки на 20 кН. Под действием этих нагрузок на контакте алмаз- порода создают удельные контактные напряжения, пропорциональные величине площади контакта. Если контактные напряжения превышают предел прочности породи, происходит выкол ее объема под алмазом. При передвижении алмаза цикл повторяется.

Предложенные конструктивные параметры коронки позволяют создавать в породе контактные напряжения, достаточные для ее обьемного разрушения, не выходя за пределы допустимых по прочности бурового вала и инструмента осевых нагрузок.

Формула изобретения

Алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу, разделенную промывочными каналами на секторы, отличающаяся тем, что. с целью повышения эффективности ее работы за смет обеспечения обьемного разрушения породы, длины промывочного канала U и сектора с по окружности связаны выражением

Ik/lc

AD К

при этом

формуле

длина сектора определяется по

.яО

1с- -----г-- ,

()-П

где D - диаметр коронки, мм;

К - крупность алмазов, мкм;

А - 1чОЭффициеит (для вращательного бурения .8. для вращательно-ударного бурения ,9), мкм/мм2;

п - число секторов.

Таблица 1

Изобретение относится к породораэру- шающему инструменту, а именно к алмазным буровым коронкам. Цель изобретения 2 повышение эффективности работы коронки зо счэт обеспечения объемного разрушения породы. Для этого длины секторов и промы- ночных каналов связаны выражением lk/lc AD2/K, а длина сектора по окружности определяется по формуле lc л D/(1 - -) AD2/K) п, где 1С, i - соответственно длина сек юра и промывочного канала, мм; D - диаметр коронки, мм; К - крупность алмазов, мкм; А - коэффициент, мкм/мм2 (для вращательного бурения ,8, дня враща- телыю-ударного бурения ,9). Выполнение коронки с предлагаемыми параметрами позволяет создавать в породе контактные напряжения, обеспечивающие объемное разрушений породы, причем независимо от диаметра перодорэзрушающего инструмента. 2 ил., 2 габл. Ё

Примечание. Порода: Габбро-норит, Рщ ш 3,5-4,0 ГПа; осевая нагрузка - 15 кН; коронка 76 мм с шестью секторами.

Таблица 2

При реализации конструкции коронки размер округляют до целого. Отношение взято обратным lc/lk.

Продолжение табл. 2

Фиг. 1