БУРОВАЯ КОРОНКА
DRILL BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, и может быть использовано при бурении геологоразведочных скважин.
Известна буровая коронка (патент РФ №2268348, МПК E21B 10/48, опубл. 20.01.2006), содержащая корпус с прорезями в нижней части, наклоненными в сторону, противоположную направлению вращения корпуса, разделяющими ее на секторы, армированные концентрично расположенными резцами, и размещенную в полости корпуса направляющую втулку с присоединительной резьбой. Секторы расположены ступенчато, при этом опережающие секторы армированы менее износостойкими породоразрушающими элементами и имеют меньшее сопротивление изгибу по сравнению с другими секторами коронки. Для этого опережающие секторы имеют меньшее поперечное сечение, что достигается выполнением их с разгрузочными радиальными каналами, расположенными у основания прорезей, или же выполнением их во фронтальной плоскости трапецеидальной формы, меньшее основание которой расположено со стороны присоединительной резьбы.
Известна также наиболее близкая по технической сути к заявляемой буровая коронка (патент РФ №92002378, МПК6 E21B 10/46, опубл. 20.05.95), содержащая корпус с закрепленной на торце алмазосодержащей матрицей, разделенной промывочными пазами на рабочие секторы переменного профиля в поперечно-радиальном сечении каждого рабочего сектора коронки, чередующиеся по периметру ее рабочего торца, причем секторы имеют переменный профиль выпуклой и вогнутой формы в поперечно-радиальном сечении каждого рабочего сектора коронки и одинаковый радиус кривизны на протяжении всей длины каждого рабочего сектора.
Недостатки описанных буровых коронок заключаются в невозможности обеспечить стабильное предразрушение породы на протяжении всего периода работы инструмента из-за недостаточно продуманной комбинации в коронке чередующихся по форме секторов, неотработанного выбора размера секторов от размера алмазов, что приводит к недостаточному обеспечению разрушающей способности буровой коронки и механической скорости бурения.
В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования буровой коронки, при котором за счет изготовления чередующихся по периметру рабочего торца матрицы секторов, имеющих прямоугольную форму и форму прямоугольной трапеции, причем секторы, имеющие форму прямоугольной трапеции, оснащены более прочными алмазами и имеют меньшую длину и большую высоту набегающей части сектора, чем секторы, имеющие прямоугольную форму, а сбегающие части секторов, имеющих форму прямоугольной трапеции, находятся на одном уровне с рабочей поверхностью секторов, имеющих прямоугольную форму, обеспечивается возможность создания зоны предразрушения на протяжении всего периода работы инструмента, при обеспечении наиболее эффективного выноса шлама из зоны отработки и, как следствие, обеспечивается повышение разрушающей способности буровой коронки с одновременным повышением механической скорости бурения.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в буровой коронке, содержащей корпус с закрепленной на торце алмазосодержащей матрицей, разделенной промывочными пазами на рабочие секторы переменного профиля в поперечно-радиальном сечении каждого рабочего сектора коронки, чередующиеся по периметру ее рабочего торца, согласно изобретению чередующиеся по периметру рабочего торца матрицы секторы имеют прямоугольную форму и форму прямоугольной трапеции, причем секторы, имеющие форму прямоугольной трапеции, оснащены более прочными алмазами и имеют меньшую длину и большую высоту набегающей части сектора, чем секторы, имеющие прямоугольную форму, а сбегающие части секторов, имеющих форму прямоугольной трапеции, находятся на одном уровне с рабочей поверхностью секторов, имеющих прямоугольную форму, оптимальным при этом является такое выполнение коронки, при котором длина секторов, имеющих форму прямоугольной трапеции, определяется по следующей зависимости:
,
1
где l - длина сектора, имеющего форму прямоугольной трапеции, мм;
2
l - длина сектора, имеющего прямоугольную форму;
δ - коэффициент, учитывающий соотношение прочности алмазов в секторах; а высота набегающей части секторов, имеющих форму прямоугольной трапеции, в 1,25-1,35 раза больше высоты секторов, имеющих прямоугольную форму.
Причинно-следственная связь между предлагаемой совокупностью признаков и достигаемыми при ее реализации техническими эффектами состоит в следующем.
В процессе бурения более прочные алмазы секторов матрицы, имеющих форму прямоугольной трапеции, находящиеся в вершине острого угла трапеции, создают в разбуриваемом массиве породы зону предразрушения, а менее прочные алмазы секторов, имеющих прямоугольную форму, работая по предразрушенной породе, завершают процесс разрушения. Крупные частицы разрушенной породы затем с помощью промывочной жидкости по наклонной поверхности острого угла секторов, имеющих форму прямоугольной трапеции, через промывочные каналы легко выносятся на поверхность скважины, а более мелкие частицы породы, объем которых значительно превышает объем крупных частиц, попадают под алмазоносную поверхность секторов, имеющих прямоугольную форму, истираются и выносятся промывочной жидкостью также через промывочные каналы на поверхность. Предразрушение породы должно сопровождать процесс бурения на протяжении всего периода работы инструмента. Это возможно в полной мере тогда, когда секторы, имеющие форму прямоугольной трапеции, имеют меньшую длину. За счет этого, удельное давление на данный сектор увеличиваются, что приводит к более эффективному разрушению породы под этим сектором. Более прочные алмазы, находящиеся в данном секторе, способны выдерживать повышенные нагрузки без катастрофического износа, что позволяет на протяжении всего периода эксплуатации сохранять заданную форму рабочего профиля сектора, имеющего форму прямоугольной трапеции. Наличие острого угла и превышения высоты набегающей части сектора, имеющего форму прямоугольной трапеции, по сравнению с высотой сектора, имеющего прямоугольную форму и находящегося на одном уровне с высотой сбегающей части сектора, имеющего форму прямоугольной трапеции, способствует беспрепятственному удалению крупных частиц разрушенной породы без дополнительного их переизмельчения, что снижает энергоемкость разрушения горной породы и, соответственно, повышает эффективность процесса разрушения и механическую скорость бурения.
На чертежах проиллюстрирована предлагаемая буровая коронка: на фиг.1 представлен вид со стороны рабочего торца, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 (повернуто) в увеличенном масштабе.
Буровая коронка содержит корпус 1 и закрепленную на его торце алмазосодержащую матрицу 2, разделенную промывочными пазами 3 на рабочие секторы переменного профиля в поперечно-радиальном сечении каждого рабочего сектора коронки, чередующиеся по периметру ее рабочего торца, чередующиеся по периметру рабочего торца матрицы 2 секторы, имеющие прямоугольную форму 4, и секторы, имеющие форму прямоугольной трапеции 5, острый угол которой направлен в сторону забоя скважины, причем секторы, имеющие форму прямоугольной трапеции 5, оснащены более прочными алмазами и имеют меньшую длину и большую высоту набегающей части каждого сектора, чем секторы, имеющие прямоугольную форму 4, а сбегающая часть секторов, имеющих форму прямоугольной трапеции 5, находится на одном уровне с рабочей поверхностью секторов, имеющих прямоугольную форму 4.
Как показали экспериментальные исследования, наиболее высокие показатели эффективности предлагаемой буровой коронки достигаются при соотношении длин упомянутых секторов 4 и 5 в поперечно-радиальном сечении, определяемом по следующей зависимости: ,
1
где l - длина сектора, имеющего форму прямоугольной трапеции, мм;
2
l - длина сектора, имеющего прямоугольную форму;
δ - коэффициент, учитывающий соотношение прочности алмазов в секторах, а также при условии, когда высота набегающей части секторов, имеющих форму прямоугольной трапеции 5, в 1,25-1,35 раза больше высоты секторов, имеющих прямоугольную форму 4.
Предлагаемая буровая коронка работает следующим образом.
При бурении осевая нагрузка и крутящий момент передаются на упомянутые секторы 4-5 алмазосодержащей матрицы 2 буровой коронки. При этом более прочные алмазы секторов, имеющих форму прямоугольной трапеции 5, участвуют в предразрушении породы, создавая сеть макро- и микротрещин, а менее прочные алмазы секторов, имеющих прямоугольную форму 4, завершают процесс разрушения породы. Предразрушение породы сопровождает процесс бурения на протяжении всего периода работы инструмента. Благодаря оптимальному выбору параметров секторов 4-5 алмазосодержащей матрицы 2 частицы разрушенной породы с помощью промывочной жидкости выносятся на поверхность скважины. При этом исключено появление дополнительного шлама, который может скапливаться в зазоре между алмазами и матрицей 2, а значит и возможность прижогов коронки.