АЛМАЗНАЯ ИМПРЕГНИРОВАННАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА

Техническое решение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве алмазных импрегнированных буровых коронок и долот, армированных синтетическими или природными алмазами, для бурения скважин.
Известна алмазная импрегнированная буровая коронка, содержащая корпус и разделенную промывочными каналами на рабочие сектора алмазосодержащую матрицу с равномерным распределением алмазов в секторе, (см. США патент 3112803, 175-329, приоритет 02.01.1962 г.). Недостатком этой буровой коронки является сложная технология изготовления и то, что при бурении происходят зашлифование и повышенный износ коронки. Это приводит к снижению механической скорости бурения коронкой и преждевременному снятию ее с эксплуатации.
Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является описанная в патенте на изобретение РФ №2270320, М. кл Ε21B 10/46, буровая коронка, включающая корпус и разделенную промывочными каналами на рабочие секторы алмазосодержащую матрицу, рабочий сектор которой по ходу вращения делится по длине окружности среднего радиуса на набегающую и сбегающую части с равномерной концентрацией алмазов и частиц сверхтвердого материала в них, в которой в известной мере устранены указанные выше недостатки.
Основными недостатками этой конструкции коронки являются повышенный износ рабочих секторов и не высокая механическая скорость бурения из-за нерационального выбора диаметра алмазного зерна импрегнированного слоя и нерациональной концентрации частиц сверхтвердого наноматериала.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эксплуатационной стойкости алмазной коронки и механической скорости бурения ею за счет выбора диаметра алмазного зерна импрегнированного слоя матрицы с учетом физико-механических свойств буримых горных пород и оптимизации концентрации частиц сверхтвердого наноматериала по длине рабочего сектора матрицы коронки.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в алмазной импрегнированной буровой коронке, включающей корпус и матрицу, армированную алмазами и частицами сверхтвердого наноматериала, разделенную промывочными каналами на рабочие секторы с набегающими и сбегающими частями диаметр алмазного зерна импрегнированного слоя матрицы определяется по зависимости
,
где d - диаметр алмазного зерна, мм;
F - разрушающая нагрузка на алмаз, Н;
o
P - предел текучести породы по штампу, МПа;
K - коэффициент сопротивления движению алмазного резца (K=1,05÷1,15);
1
1
1
K - коэффициент формы алмаза (K=1 для дробленного алмаза, K=1, 2 для овализованного алмаза);
h - глубина внедрения алмаза, м
а рабочий сектор коронки по ходу вращения делится на набегающую и сбегающие части в пропорции (1,3÷1,7):(0,7÷0,3) при этом концентрация частиц сверхтвердого наноматериала в набегающей части сектора на 10-15% выше, чем концентрация частиц сверхтвердого наноматериала в сбегающей части сектора.
Благодаря тому, что диаметр алмазного зерна импрегнированного слоя матрицы определяется по зависимости
,
где d - диаметр алмазного зерна, мм;
F - разрушающая нагрузка на алмаз, Н;
o
P - предел текучести породы по штампу, МПа;
K - коэффициент сопротивления движению алмазного резца (K=1,05÷1,15);
1
1
1
K - коэффициент формы алмаза (K=1 для дробленного алмаза, K=1, 2 для овализованного алмаза);
h - глубина внедрения алмаза, м
определяется предельный размер алмазного зерна, при котором происходит переход от упругой деформации горной породы к ее разрушению. Вследствие этого снижается возможность заполирования алмазных зерен, что обуславливает повышение производительности бурения.
Проведенными в ОАО «Тульское НИШ» исследованиями установлено, условие разрушения горной породы алмазом (см. Будюков Ю,Е. Создание и производство специального бурового инструмента. - М., 1993. - 38 с, ил. (Техн. и технол. геол. - развед. работ). Обзор /АО «Геоинформмарк». - библиогр.).
где F - разрушающая нагрузка на алмаз Н;
d - диаметр алмазного зерна, мм;
h - глубина внедрения алмаза, м;
τ - временное сопротивление породы разрушению, МПа;
K - коэффициент сопротивления движению алмазного резца (K=1,05÷1,15).
o
Следует заметить, что, в первом приближении временное сопротивление породы разрушению "τ" можно заменить значением предела текучести породы "Ρ", которое легко находится при определении твердости породы на приборе УМГП-3. С учетом этого имеем
С учетом влияния формы алмаза можно записать (2) в виде
2
0
1
F=n(dh-h)K·PK,
Решим последнее уравнение относительно d получим выражение для определения диаметра алмазного зерна
где d - диаметр алмазного зерна, мм;
F - разрушающая нагрузка на алмаз, Н;
o
P - предел текучести породы по штампу, МПа;
K - коэффициент сопротивления движению алмазного резца (K=1,05÷1,15);
1
1
1
К - коэффициент формы алмаза (K=1 для дробленного алмаза, K=1, 2 для овализованного алмаза);
h - глубина внедрения алмаза, м.
Таким образом, существуют предельные размеры (диаметр алмазного зерна), при которых происходит переход от упругой деформации породы к ее разрушению.
Вследствие того, что рабочий сектор коронки по ходу вращения делится на набегающую и сбегающие части в пропорции (1,3÷Н,7):(0,7÷0,3) при этом концентрация сверхтвердого наноматериала в набегающей части сектора на 10÷15% выше, чем концентрация частиц сверхтвердого наноматериала в сбегающей части значительно повышается износостойкость набегающих частей рабочих секторов матрицы коронки, а износостойкость сбегающей части сектора практически остается неизменной. Это обуславливает самозатачивание коронки при бурении и повышение ее стойкости и механической скорости бурения. При этом коронка эффективно разрушает горную породу набегающими частями рабочих секторов, имеющих повышенную износостойкость по сравнению со сбегающими частями рабочих секторов, благодаря этому возникает зазор между матрицей и породой, через который разрушенная горная порода попадает в промывочные каналы и эффективно выносится из призабойной зоны, вследствие чего возникает и поддерживается высокий уровень механической скорости бурения.
При этом при отношении набегающей и сбегающей частей сектора (1,3÷1,7):(0,7÷0,3) при концентрации сверхтвердого наноматериала в набегающей части сектора менее 10% повышение износостойкости набегающей части сектора не происходит, а при концентрации сверхтвердого наноматериала в набегающей части сектора более 15% дальнейшее повышение износостойкости набегающей части сектора уже не происходит.
Все это обуславливает повышение механической скорости бурения и эксплуатационной стойкости коронок.
Алмазная импрегнированная буровая коронка показана на фиг. 1, 2, где фиг. 1 - общий вид коронки и фиг. 2 - схема размещения алмазных зерен и частиц сверхтвердого наноматериала в секторе коронки.
Алмазная импрегнированная буровая коронка состоит из корпуса 1, алмазосодержащей матрицы 2 с рабочими секторами 3, промывочными каналами 4, алмазами 5 и частицами сверхтвердого наноматериала 6. При этом а - набегающая часть сектора по ходу вращения коронки, б - сбегающая часть сектора.
Алмазная импрегнированная буровая коронка работает следующим образом: при создании осевого и окружного усилий происходит эффективное разрушение горной породы алмазной коронкой вследствие того, что диаметр алмазного зерна импрегнированного слоя матрицы определяется по расчетной зависимости (3) и соответствует физико-механическим свойствам буримых пород, и благодаря тому, что рабочий сектор 3 коронки по ходу ее вращения делится на набегающую а и сбегающую 6 части в пропорции (1,3÷1,7):(0,7÷1,3) при этом концентрация частиц сверхтвердого наноматериала 6, например, нанопорошка нитрида бора в набегающей части сектора на 10-15% выше, чем концентрация частиц сверхтвердого наноматериала в сбегающей части сектора. Поэтому при бурении возникает зазор в сбегающей части сектора между матрицей и породой, через который разрушенная горная порода попадает в промывочные каналы и быстро выносится из призабойной зоны, что обуславливает возникновение и поддержание на высоком уровне механической скорости бурения.
Благодаря такому выполнению алмазной буровой коронки осевые и окружные усилия, передаваемые на нее, обеспечивают эффективное разрушение горной породы, и удаление ее частиц при минимальном износе рабочей части коронки.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационной стойкости коронки и механической скорости бурения горных пород.
Экономический эффект на одну алмазную коронку диаметром 76 мм составляет 8 500 рублей.