АЛМАЗНАЯ БУРОВАЯ КОРОНКА
DIAMOND DRILLING BIT

Изобретение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам с алмазным вооружением для бурения скважин с отбором керна.
Известна алмазная буровая коронка, включающая корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на отдельные секторы, армированные алмазами (см. авт. св. СССР №308181, кл. E21B 10/48, 1970 г).
Недостатком этой коронки является малая механическая скорость бурения, обусловленная большой площадью поверхности алмазосодержащей матрицы, что приводит к значительному увеличению объема разрушенной породы. Другим недостатком данной коронки является необходимость создания высоких осевых нагрузок на коронку, что ведет к ускоренному износу бурильной колонны и увеличению числа ее обрывов.
Известна также алмазная буровая коронка, включающая кольцевой корпус, матрицу, разделенную промывочными пазами на алмазосодержащие секторы в виде прямоугольных трапеций с острыми углами при большом основании, причем острый угол каждого последующего сектора расположен со стороны, противоположной острому углу прямоугольной трапеции предыдущего сектора (см. авт. св. СССР №719192, кл. E21B 10/46. 1981 г.).
К недостаткам данной коронки следует отнести увеличение контактной поверхности по мере износа матрицы, что ведет к снижению как механической скорости бурения, так и проходки.
Наиболее близкой к предложенной по технической сущности и достигаемому результату является алмазная буровая коронка, включающая корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на ступенчато расположенные и армированные режущими элементами рабочие секторы, имеющие в вертикальной плоскости вид прямоугольников и прямоугольных трапеций, опережающие из которых армированы режущими элементами более высокого качества (см. патент UA №31911, кл. E21B 10/48, 2008 г.).
Данная коронка обеспечивает более равномерный износ матрицы. Однако из-за неоптимальной схемы расположения секторов матрицы как проходка, так и скорость бурения весьма ограничены из-за быстрого выхода из строя опережающих секторов, особенно при бурении по трещиноватым породам. Связано это с тем, что основная часть осевой нагрузки воспринимается острыми кромками трапецеидальных секторов, которые к тому же имеют меньшее поперечное сечение по сравнению с другими секторами. Это приводит к сколу опережающих режущих кромок, что может послужить причиной выхода из строя алмазов других секторов.
В связи с изложенным техническим результатом изобретения является повышение эффективности работы коронки путем увеличения проходки и механической скорости бурения за счет оптимальной схемы расположения секторов матрицы с учетом физико-механических свойств разбуриваемых пород.
Указанный технический результат достигается тем, что в алмазной буровой коронке, включающей корпус и матрицу, разделенную промывочными пазами на армированные режущими элементами рабочие секторы с поперечным сечением в виде прямоугольников и прямоугольных трапеций, опережающие из которых армированы режущими элементами более высокого качества, согласно изобретению трапецеидальной формы секторы ориентированы своими наклонными гранями поочередно в сторону стенок скважины и керна, причем длина опережающих секторов больше длины смежных секторов, а наклонная грань их расположена со стороны стенок скважины.
Решению поставленной задачи способствует также и то, что:
- количество опережающих секторов - не менее трех.
- опережающие секторы расположены равномерно по окружности торца коронки.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид коронки со стороны ее рабочего торца; на фиг.2, 3 и 4 - схема выполнения секторов разного профиля.
Предложенная алмазная буровая коронка содержит цилиндрический корпус 1 с присоединительной резьбой (не показана) и матрицу 2, разделенную промывочными пазами 3 на рабочие секторы, армированные режущими элементами, преимущественно естественными или искусственными алмазами. Рабочие секторы расположены ступенчато и выполнены с различным поперечным сечением. Часть секторов в радиальном сечении выполнена с поперечным сечением в виде прямоугольника 4, а другая часть в виде прямоугольных трапеций 5 и 6 с острыми углами при большом основании. При этом наклонные стороны трапеций 5 и 6 имеют противоположное направление. У секторов 5 наклонная боковая грань образует с осью коронки острый угол, вершина которого расположена со стороны резьбы коронки, а у опережающих секторов 6 - со стороны забоя скважины. При этом опережающие секторы 6 имеют большую длину - а, расположены равномерно по окружности торца коронки и армированы более качественными алмазами по сравнению с другими рабочими секторами 4 и 5.
В зависимости от физико-механических свойств разбуриваемых пород секторы 4, 5 и 6 расположены на разных уровнях. В коронках для разбуривания трещиноватых пород опережающими являются секторы 6 с трапецеидальным поперечным сечением, наклонная грань которых расположена со стороны стенок скважины. Такая схема расположения секторов 6 обеспечивает лучшую сохранность кернового материала, особенно при бурении по разрушенным (трещиноватым) породам благодаря защите его от воздействия рабочих элементов других секторов 4 и 5, а также благодаря удалению раздробленнных частиц породы в существующие трещины на забое скважины, а также благодаря удалению их промывочной жидкостью. Количество секторов 6, расположенных с опережением относительно секторов 4 и 5, должно быть не менее трех, при этом - опережающие секторы должны быть расположены равномерно по окружности торца коронки. Наличие трех точек опоры, равномерно распределенных по окружности торца коронки, гарантирует работу коронки без биения, а следовательно, и без вибрации. Сохранению керна способствует также и центровка коронки за счет образования секторами 6 опережающей скважины, что особенно важно при бурении по трещиноватым породам, а также по пластам, содержащим полезное ископаемое. Учитывая, что рабочие элементы опережающих секторов 6 работают в наиболее трудных условиях, они армируются более качественными алмазами по сравнению с другими секторами. При разбуривании пород с другими физико-механическими свойствами схема расположения секторов 4, 5 и 6 может быть и другой.
Принцип работы коронки заключается в следующем. Под действием осевой нагрузки и крутящего момента режущие элементы секторов 4, 5 и 6 внедряются в породу и производят ее разрушение. При этом благодаря ступенчатой схеме расположения секторов коронки обеспечивается объемное разрушение породы, значительно снижающее энергоемкость процесса бурения. Промывочная жидкость подхватывает разрушенную породу и выносит ее на поверхность. При этом промывочная жидкость, проходя под торцом опережающей ступени, образованной секторами 6, удаляется в затрубное пространство, не соприкасаясь больше с керновым материалом. Это благоприятно сказывается на сохранности кернового материала, что имеет особое значение при бурении по трещиноватым породам и пластам с полезными ископаемыми.
Таким образом, предложенное конструктивное выполнение коронки позволяет повысить ее технико-экономические показатели, а именно проходку и скорость бурения за счет снижения энергоемкости процесса разрушения породы и исключения вибрации бурового снаряда, а также увеличить выход керна при бурении по трещиноватым породам, а также по пластам, содержащим полезное ископаемое.