Импрегнированная буровая коронка Советский патент 1992 года по МПК E21B10/48 

Изобретение относится к породораз- рушающему инструменту для колонкового бурения с областью применения в горных породах IX- IX категории по бури- мости.

Известны импрегнированные коронки с комбинированными матрицами, включающими кроме алмазов и вставки из композиционного материала типа тве- сал. К общему недостатку этих конструкций коронок относятся разрушение вставок алмазов, частая излишняя потеря размера внутреннего диаметра, различие работоспособности вставок и алмазосодержащей матрицы, приводящие к образованию кольцевых выработок по рабочему торцу коронки, что снижает производительность бурения.

Наиболее близкой по конструкции является алмазная буровая коронка,

включающая короночное кольцо с резьбой, приварочный слой и алмазосодержащую матрицу, прикрепленные методом инфильтрациц к короночному кольцу и разделенные промывочными пазами на сектора, содержащие породоразруша- ющие композиционные вставки установленные по наружному и внутреннему диаметру и в клиновой части профиля.

Такая конструкция обладает высокой работоспособностью, однако, т.к.

вставки и алмазосодержащая матрица оснащены одинаковыми по прочности и размеру алмазами, вставки над рабочим торцом при бурении не выступают и поэтому не образуют и не концентрируют сеть микротрещин на забое горной породы. Вставки лишь защищают кли- новый профиль от быстрого износа.

VJ XJ

00

ю о

J4

3T

Целью изобретения является повышение эффективности работы импрегниро- ванной буровой коронки за счет интенсификации процесса разрушения породы забоя.

Указанная цель достигается тем, что в импрегнированной буровой коронке, содержащей короночное кольцо, приварочный слой и алмазосодержащую матрицу, разделенную промывочными пазами на секторы, имеющими в радиальном направлении торец с плоским и наклонным участками, первый из ко

скважины стремятся поддерживать заданное направление, т.к. они сходятся а оси скважины, что обеспечивает уменьшение искривления и способствует плавной работе коронки.

Выполненные исследования позволили установить при определенных параметрах iM, iu, Scp , IM, PB, коэффициент Ка, при котором может быть определен необходимый средний размер dft алмаза армирующей вставки, достаточной при бурении обеспечить высту- пание этой вставки над рабочим тор

Использование: бурение скважин по твердым породам. Сущность изобретения: коронка включает короночное кольцо, приварочный слой и алмазосодержащую матрицу. Матрица разделена промывочными пазами на секторы, имеющими торец с наружним плоским участком, армированным композиционными вставками, и внутренним наклонным участком. Ширина наклонного участка больше ширины плоского участка в 1,3-2,3 раза, при этом размер алмазов композиционных вставок определяется по определенной зависимости. 3 ил., 1 табл.

торых армирован композиционными встав- Ц0м коронки с образованием сети микками, наклонный участок торца матрицы расположен с внутренней стороны и имеет в плане ширину в 1,3-2,3 раза больше ширины плоского участка, при этом размер алмазов - db композиционных вставок определяется исходя из выражения

20

ротрещин на забое. Рассматриваемый новый эффект разрушения забоя горной породы позволяет сконцентрировать в нужном направлении нагрузку, за счет чего увеличивается разрушающая способность рабочего торца матрицы. Это приводит к увеличению механической скорости бурения и стойкости коронки.

de KC

iM-Scp P6

К.

м

где К

а

LM

«

коэффициент, корректирующий средний размер алмазов композиционной вставки, зависящий от марки и зернистости;

соответственно количество алмазов, работающих на поверхности матрицы и вставки, шт.;

средняя площадь контакта алмаза с горной породой, мм2;

соответственно удельная нагрузка, приходящаяся на рабочие элементы матрицы и вставки, кН/мм2; эквивалентный коэффициент отношения рабочей площади матрицы к площади армирующей вставки.

При таком конструктивном решении алмазы определенного размера, установленные во вставках на плоском участке матрицы, позволяют выдерживать при бурении большие нагрузки и выступание над матрицей, за счет чего образуется на забое сеть микротрещин или зона предразрушения. Наклонный участок торца матрицы обеспечивает то, что результирующие силы каждого сектора от воздействия вой нагрузки пересекаются на оси скважины и на протяжении проводки

1сР

ирв К, 0

5

ротрещин на забое. Рассматриваемый новый эффект разрушения забоя горной породы позволяет сконцентрировать в нужном направлении нагрузку, за счет чего увеличивается разрушающая способность рабочего торца матрицы. Это приводит к увеличению механической скорости бурения и стойкости коронки.

В такой коронке на наклонных участках матрицы в диаметральных сечениях результирующие силы противоположных секторов пересекаются на оси скважины. Именно эти силы препятствуют отклонению оси коронки от оси скважины, сохраняя ее направленность и способствуют плавной работе коронки.

Кроме того, существенными отличиями изобретения, которые отражены в 5 Формуле изобретения, являются следующие: отношение iM/ie, отношение Кэ 50 площадка матрицы к площади вставок; определен средний размер алмазов армирующей вставки dg в зависимости от зернистости и показателя г прочности (качества) алмазов; определен коэффициент Кд, который позволяет установить для данной коронки средний размер и марку алмазов для

0

0

горных пород при Рсг от 2,5 до 8,0 кН/мм2.

Рассматриваемые параметры представлены в таблице.

Из таблицы видно, что при 869 шт, алмазов, работающих на поверхности матрицы, требуется, чтобы в композиционных армирующих вставках работало 55 шт. алмазов, тогда площадь контакта с горной породой алмазов, работающих в армирующей вставке, составит 0,0 мкм2 и удельная нагрузка на эту вставку и ее алмазы увеличится в 3,315 раза, что позволит об5

разевать зону предразрушения в горно породе алмазами армирующей вставки. При этом требуется, чтобы средний размер d6 алмаза армирующей вставки должен быть равен 200-250 мкм при Кд 0,004- 0,005 и зернистости алмазов матрицы 160-200 мкм. Конкретному значению Ка будет соответствовать значение db.

Из таблицы и приведенной зависимости видно, что все параметры конструкции Ка, Scp, Кэ, iM) ift, de находятся в строгой взаимосвязи. Нарушать эту взаимосвязь нельзя, т.к. пр ведет к потере эффекта образования зоны предразрушения.

На фиг.1 представлена коронка в разрезе; на фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.З - разрез Б-Б на фиг.2.

Коронка состоит из короночного кольца 1, алмазосодержащей матрицы 2, каждый сектор которой состоит из безалмазной засыпки 3, армирующей вставки 4, приварочного слоя 5, подрезных вставок 6 и 7.

На вставках k применены алмазы определенного по формуле размера.

Коронка работает следующим образом.

Под действием осевой нагрузки и крутящего момента, получаемых от шпинделя через буровую колонну, осуществляется процесс разрушения коронкой забоя скважины.

В силу того, что в процессе самозатачивания армирующие вставки k г выступают над рабочей поверхностью, при этом выступание вставок обеспечивается условиями, изложенными в сущности изобретения, данные вставки работают как инденторы, способные развивать на забое глубокие трещины, с образованием при вращении сети трещин (зоны предразрушения) за счет возрастания нагрузки на вставках при самозатачивании и выступании.

Эффект образования зоны предразрушения позволяет значительно увеличить разрушающую способность матрицы и при этом снизить нагрузку на алмазы самой матрицы. Сильно развитая сеть трещин глубоко на мм прони7И26А6

кает в массив горной породы. При этоь наклонный участок матрицы препятствует искривлению скважины и плавно работает по ослабленной трещинами породе. Все это вместе взятое позволяет увеличить стойкость коронки, механическую скорость бурения при сохранении заданного направления .JQ скважины.

Формула изобретения Импрегнированная буровая коронка, содержащая короночное кольцо, прива- 15 рочный слой и алмазосодержащую матрицу, разделенную промывочными пазами на секторы, имеющие в радиальном направлении торец с плоским и наклонным участками, первый из которых

20 армирован композиционными вставками, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности в работе за счет снижения энергоемкости процесса разрушения породы, нак25 лонный участок торца матрицы расположен с внутренней стороны и имеет в плане ширину в 1,3-2,3 раза больше ширины плоского участка, при этом размер dB алмазов композиционных

30 вставок определяется из выражения

d& KQ

.JiaiScLLEuJ 1 к,-ч- PM

где Kg - коэффициент, корректирующий средний размер алмазов композиционной вставки, зависящий от марки и зернистости алмазов;

i M и ift- соответственно количество алмазов, работающих на поверхности матрицы и вставки , шт.; S Ср - средняя площадь контакта

алмаза с горной породой,

мм2; Рм и Pft соответственно удельная

нагрузка, приходящаяся на рабочие элементы матрицы

и вставки, кН/мм2;

К - эквивалентный коэффициент отношения площади армирующей вставки.