Коронка для бурения

Полезная модель относится к алмазному породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, и может быть использована при бурении геологоразведочных скважин.
Известна алмазная буровая коронка (см. А. с. СССР №1717786, МПК4 Е21В 10/48, опубл. 07.03.1992 г., бюл. №9), которая содержит корпус и алмазоносную матрицу, разделенную промывочными пазами на секторы, оснащенные композиционными вставками, установленными на их передних гранях таким образом, что они смещены от керно- и скважинообразующих поверхностей матрицы к продольной оси сектора на величину, которая соответствует величине зерен алмазов объемного слоя матрицы.
Известна также буровая коронка (см. патент UA на полезную модель №43331, МПК (2006) Е21В 10/48, опубл. 10.08.2009, бюл. №15, 2009 г.), которая содержит корпус и закрепленную на нем алмазоносную матрицу, разделенную промывочными пазами на секторы, армированные породоразрушающими элементами в виде износостойких цилиндрических вставок из синтетических алмазов, размещенных в центральной, скважинообразующей и кернообразующей части секторов по схеме перекрытия, причем описанная коронка содержит основные и скалывающие секторы, которые имеют одинаковую высоту алмазосодержащих породоразрушающих элементов относительно торцевой поверхности коронки в зоне присоединительной резьбы, а алмазосодержащие породоразрушающие элементы, которыми оснащены скалывающие секторы, смещенные относительно друг друга по спирали, которая соединяет боковые поверхности алмазосодержащих породоразрушающих элементов, при этом в начале и в конце спирали алмазосодержащие породоразрушающие элементы касаются поверхностей, которые образуют внутренний и внешний диаметры алмазной буровой коронки соответственно.
Недостатками известных буровых коронок состоят в большой энергоемкости процесса предразрушения породы в течение всего периода работы инструмента вследствие недостаточно продуманной схемы размещения породоразрушающих элементов в матрице и неопределенности взаимосвязи между величинами износостойкости составляющих материалов породоразрушающих элементов и матрицы, а также величины перекрытия между элементами, что приводит к невозможности создания зоны предразрушения на протяжении всего периода работы инструмента, вследствие чего снижается разрушающая способность буровой коронки и механическая скорость бурения.
Наиболее близкой по технической сущности является буровая коронка (Патент RU №2478767 Е21В 10/46, опубл. 10.04.2013 г.), содержащая корпус с закрепленной на нем алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные породоразрушающими элементами в виде износостойких цилиндрических вставок из синтетических алмазов, размещенных в центральной, скважинообразующей и кернообразующей части секторов по схеме перекрытия. Недостатком известного технического решения является невозможность поддерживать заданную форму торца матрицы в процессе всего срока службы породоразрушающего инструмента. Еще одним недостатком является низкая контактная площадь разрушения горной породы, так как подобное распределение вставок не способствует формированию забоя с большей контактной поверхностью, а значит, является менее эффективным.
Полезная модель направлена на повышение эффективности бурения геологоразведочных скважин, при использовании алмазного породоразрушающего инструмента, с повышением его ресурса использования, увеличения механической скорости бурения и снижения интенсивности искривления скважины.
Для этого коронка, содержащая корпус с закрепленной на нем алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированная породоразрушающими элементами, в виде разных по твердости износостойких цилиндрических вставок большей твердости чем твердость алмазоносной матрицы, при этом, цилиндрические вставки меньшей твердости размещены вдоль центральной, скважинообразующей и кернообразующей линий резания на расстоянии друг от друга с образованием свободных поверхностей по всей длине алмазоносной матрицы без перекрытия торца буровой коронки, при этом в цилиндрических вставках меньшей твердости, распределенных вдоль центральной линии резания, размещены цилиндрические вставки, большей твердости.
Расстояние между цилиндрическими вставками центральной, скважинообразующей и кернообразующей частями алмазосодержащего сектора матрицы обеспечивает создание зон опережающего разрушения между ними в процессе бурения, что приведет к образованию большей свободной поверхности разрушения горной породы, увеличению контактной площади коронки с забоем скважины, что способствует достаточной производительности при умеренных осевых нагрузках, созданию и сохранению гребешкового профиля торца матрицы, с обеспечением рационального распределения напряжений под торцом инструмента, сохраняя соосность коронки со скважиной.
Так же гребешковый профиль позволяет снизить искривление скважины, и способствует соосному со скважиной положению коронки на забое, без значительных поперечных перемещений и ударных воздействий на керн. Такой профиль так же позволяет создавать высокую удельную нагрузку на породу даже при малых осевых нагрузках.
Коронки с гребешковым профилем торца матрицы рационально организуют напряжения под торцом, направляя их, прежде всего, навстречу под прямым углом в направлении от плоскостей торцевых граней, что предохраняет от излишних напряжений, разрушения керна и стенок скважины.
На фигуре 1 показана схема распределения напряжений под торцом коронки с гребешковым профилем, где 1 - линии напряжений от резцов каждой грани выступа; 2 - линия суммарных напряжений.
Однако в процессе бурения импрегнированной алмазной коронкой, матрица которой изготовлена из однородного материала, по мере истирания наблюдается потеря гребешкового профиля, из-за чего уменьшается площадь свободных поверхностей, а соответственно уменьшается эффективность разрушения горной породы на забое скважины.
Сохранить гребешковый профиль возможно с применением специальных цилиндрических вставок повышенной твердости в торце матрицы, что и обеспечивает заявляемая буровая коронка.
На фигуре 2 изображена предлагаемая алмазная коронка, содержащая корпус 3 с закрепленной на нем алмазоносной матрицей 5, разделенной промывочными пазами 4 на секторы, армированные породоразрушающими элементами в центральной части в виде цилиндрических вставок 6 и 7 большей твердости, чем исходный материал алмазоносной матрицы 5. Цилиндрические вставки 6 располагаются вдоль центральной линии резания, а также в керно- и скважинообразующих частях по периметру алмазной коронки. Цилиндрические вставки 7 располагаются в центральной части внутри расположенных там цилиндрических вставок 6.
При этом принимается, что твердость цилиндрических вставок 6 больше твердости исходной твердости алмазоносной матрицы 5 коронки. А твердость цилиндрических вставок 7 больше твердости цилиндрических вставок 6. Таким образом, в процессе бурения формируется ступенчатая форма торца матрицы гребешковой формы с образованием нескольких ступеней предразрушения и создания свободных поверхностей разрушения горной породы на протяжении всего срока службы инструмента.
Предлагаемая алмазная коронка работает следующим образом.
При бурении осевое усилие и крутящий момент передаются на корпус 3 и секторы алмазоносной матрицы 5 и через нее на цилиндрические вставки 6 и 7. Наиболее твердый материал цилиндрической вставки 7 закрепленный в цилиндрических вставках 6 вдоль центральной линии резания алмазоносной матрицы 5, создает зону предразрушения путем создания сети макро- и микротрещин. Менее твердые, чем цилиндрические вставки 7, цилиндрические вставки 6, расположенные вдоль центральной линии резания а также по периметру скважино- и кернообразующей поверхности алмазной коронки продолжают процесс разрушения горной породы с образованием более крупного шлама. При этом цилиндрические вставки 6 и 7 создают дополнительную свободную поверхность разрушения, увеличивают контактную площадь разрушения горной породы на забое. Алмазоносная матрица 5, имея твердость, ниже твердости цилиндрических вставок 6, непосредственно завершает процесс разрушения горной породы. При этом износ алмазосодержащей матрицы за счет ее меньшей твердости происходит с образованием гребешковой формы торца коронки на протяжении всего ресурса работы инструмента. После разрушения горная порода выносится в затрубное пространство подаваемым очистным агентом через промывочные пазы 4. Предлагаемая конструкция торца коронки содержит интегрируемые в нее цилиндрические вставки, имеющие твердость большую, чем исходный материал матрицы коронки. При бурении матрица коронки получает опережающий износ по сравнению с цилиндрическими вставками, тем самым сохраняя в процессе бурения гребешковый профиль. Кроме того, наличие цилиндрических вставок повышенной твердости позволяет осуществлять комбинированное разрушение забоя скважины, которое заключается в одновременном осуществлении как истирания-резания, так и резания-скалывания горных пород. Как известно, эффективность применения импрегнированного инструмента снижается с понижением прочностных характеристик горных пород. В этом случае, осуществление комбинированного способа разрушения забоя скважины расширяет возможности эффективного применения импрегнированного инструмента при бурении пород средней твердости, что определенно является преимуществом, так как увеличивает диапазон его применения, делая его более универсальным. Данная конструкция позволит повысить механическую скорость бурения с сохранением ресурса инструмента.