БУРОВАЯ КОРОНКА
CROWN BIT

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, и может быть использовано при бурении геологорозведочных скважин.
Известна алмазная буровая коронка (см. авт.св. СССР №1717786, МПК4 E21B 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 наиболее близкая по технической сути к предлагаемой буровая коронка (см. патент Украины на полезную модель №43331, МПК (2006) Е21B 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 однаковую 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.
Недостатки описанных 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.
В основу изобретения положена задача такого усовершенствования буровой коронки, при котором за счет экспериментального подбора соотношений твердости материалов породоразрушающих элементов и матрицы обеспечивается возможность создания зоны предразрушения на протяжении всего периода работы инструмента, за счет выполнения схемы перекрытия в соответствии с предлагаемым соотношением обеспечивается более равномерное изнашивание рабочего торца коронки, исключаются прижоги матрицы и создаются условия для наиболее эффективного выноса шлама из зоны отработки и, как следствие, обеспечивается повышение разрушающей способности буровой коронки с одновременным повышением механической скорости бурения, за счет предлагаемого выбора количества породоразрушающих элементов дополнительно обеспечивается оптимальное перераспределение нагрузки между породоразрушающими элементами, размещенными в скважинообразующей или кернообразующей части секторов, и породоразрушающими элементами, размещенными в центральной части секторов.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в буровой коронке, 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, согласно изобретению твердость центральной части каждого из породоразрушающих элементов в 3,5÷3,9 раза, а твердость периферийной их части в 1,1÷1,3 раза превышает твердость материала матрицы; при наилучших вариантах реализации предлагаемой буровой коронки величина перекрытия «b» между породоразрушающими элементами, размещенными в скважинообразующей или кернообразующей части секторов, и породоразрушающими элементами, размещенными в центральной части секторов, определяются следующей зависимостью:
,
где: b - величина перекрытия между породоразрушающими элементами, размещенными в скважинообразующей или кернообразующей части секторов, и породоразрушающими элементами, размещенными в центральной части секторов, мм;
d - диаметр породоразрушающего элемента, мм;
a - размер центральной части каждого из породоразрушающих элементов, которые находятся в центральной части секторов, мм;
количество породоразрушающих элементов, которые находятся в центральной части секторов, в одинаковой степени превышает количество породоразрушающих элементов, которые находятся как в скважинообразующей, так и в кернообразующей части секторов, количество которых одинаково, при этом общее количество породоразрушающих элементов в коронке определяется следующей зависимостью:
k=1,5n-2,
где: k - общее количество породоразрушающих элементов, размещенных в центральной, скважинообразующей и керноообразующей части секторов, шт.;
n - количество секторов в коронке, которое должно быть парным, шт.
Причинно-следственная связь между предлагаемой совокупностью признаков и техническими эффектами, которые достигаются при ее реализации, состоят в следующем.
В связи с тем что все породоразрушающие элементы состоят из двух разных по твердости материалов, в процессе бурения они работают как резцы режуще-истирающего типа. Наиболее твердый материал, который находится в центре породоразрушающего элемента, под действием осевого усилия создает в массиве буримой породы зону предразрушения. Менее твердый материал, который его окружает, разрушает уже менее прочную породу, а алмазоносный слой матрицы в облегченных условиях завершает процесс разрушения. Предразрушение породы должно сопровождать процесс бурения на протяжении всего периода работы инструмента, что становится возможным в полной мере тогда, когда наиболее твердый материал каждого породоразрушающего элемента будет выступать над менее твердым, а последний будет выступать над поверхностью алмазоносной матрицы, что обеспечивается, как показали проведенные нами экспериментальные исследования в процессе бурения, предлагаемым соотношением твердостей используемых материалов. Максимальная разрушающая способность буровой коронки будет обеспечена тогда, когда твердость материала центральной части каждого из породоразрушающих элементов в 3,5÷3,9 раза, а твердость материала периферийной их части в 1,1÷1,3 раза будет превышать твердость материала матрицы. Наиболее твердый материал центральной части породоразрушающего элемента внедряется в породу, предразрушает и разрушает массив горной породы. При этом откалываются частицы размером до 2÷3 мм, которые попадают под менее твердый материал периферийной их части и изнашивают его, одновременно при этом разрушаясь. Твердость материала связана с его износостойкостью: чем тверже материал, тем более он износостоек. Чтобы иметь зазор между двумя материалами породоразрушающего элемента в пределах 3 мм, износостойкость материала центральной части породоразрушающего элемента должна быть в 3,5÷3,9 раза больше износостойкости материала матрицы, а износостойкость материала периферийной части породоразрушающего элемента должна быть в 1,1÷1,3 раза больше износостойкости материала матрицы, то есть износостойкость материала центральной части породоразрушающего элемента должна превышать износостойкость материала периферийной его части, потому что в противоположном случае крупные частицы породы не будут попадать в малый зазор, а будут сталкиваться с материалом матрицы и интенсивно его изнашивать.
Передробленный между двумя поверхностями породоразрушающего элемента шлам содержит крупные частцы размером уже порядка 0,2-0,3 мм. Они попадают на поверхность алмазоносной матрицы, где подвергаются окончательному передроблению. Чтобы передробленные частицы породы попали на поверхность материала матрицы, между поверхностью материала периферийной части породоразрушающего элемента и поверхностью материала матрицы должен быть зазор, который обеспечивается разницей твердостей материала периферийной части породоразрушающего элемента и материала матрицы в 1,1÷1,3 раза. В случае если износостойкость материала центральной части породоразрушающего элемента будет превышать износостойкость материала матрицы больше чем в 3,5÷3,9 раза, то крупные частицы шлама будут проходить между двумя поверхностями материала породоразрушающих элементов без контакта с ними и попадать на поверхность материала матрицы коронки, подвергая ее катастрофическому износу.
В случае если износостойкость материала периферийной части породоразрушающего элемента будет превышать износостойкость материала матрицы меньше чем в 1,1÷1,3 раза, то зазоры будут недостаточными и крупные частицы будут скапливаться под торцом матрицы, создавая зашламование, которое приведет к прижогу матрицы буровой коронки.
При реализации в коронке предлагаемых размеров схемы перекрытия обеспечивается полное поражение всего забоя буримой горной породы при одновременных одинаковых усилиях на все породоразрушающие элементы и, соответственно, равномерное изнашивание рабочего торца коронки. Слишком передробленные частицы разрушенной породы потом с помощью промывочной жидкости выносятся на поверхность скважины.
Зоны перекрытия породоразрушающих элементов должны обеспечивать постоянный процесс обнажения всех трех материалов. Это достигается полностью в том случае, если величина перекрытия будет находиться с размерами элемента в предлагаемом соотношении.
В случае если соотношение будет меньше 0,16, то передробление частиц породы материалом периферийной части элемента будет значительно меньшим - основную нагрузку примет на себя материал матрицы, что приведет к возможности образования кольцевых канавок и, как следствие, к преждевременному выходу инструмента из строя. Если соотношение будет больше 1,19, то значительная часть площади контакта торца матрицы с породой будет перекрыта более износостойким материалом, чем материал матрицы, и для того, чтобы происходило обнажение материала породоразрушающего элемента, необходимо будет приложить дополнительные усилия, а это приведет к повышению затрат мощности на бурение и искривлению бурильных труб.
Максимальная режущая способность буровой коронки при минимальных энергетических затратах будет обеспечена при соблюдении дополнительных условий соответственно к п.3 формулы, поскольку они направлены на оптимальное перераспределение нагрузки между породоразрушающими элементами, размещенными в скважинообразующей или кернообразующей части секторов, и породоразрушающими элементами, размещенными в центральной части секторов.
При наличии в центральной части секторов коронки большого количества элементов значительно снижается удельная нагрузка на один элемент и уменьшается его износ в сравнении с износом породоразрушающих элементов, размещенных в скважинообразующей или керноообразующей части секторов. В результате этого породоразрушающие элементы, размещенные в скважинообразующей или кернообразующей части секторов, изнашиваются немного быстрее породоразрушающих элементов, размещенных в центральной части секторов, поэтому образуется клиноподобная форма профиля, которая позволяет более эффективно предразрушать монолит породы.
На чертеже проиллюстрирована предлагаемая буровая коронка: на фиг.1 представлен рабочий торец коронки, на фиг.2 - разрез по А-А на фиг.1 (повернуто) в увеличенном масштабе.
Буровая коронка содержит корпус 1 и закрепленную на нем алмазоносную матрицу 2, разделенную промывочными пазами 3 на секторы, армированные породоразрушающими элементами 4-6 в виде износостойких циллиндрических вставок из синтетических алмазов, размещенных в центральной, скважинообразующей и кернообразующей части секторов по схеме перекрытия, при этом твердость центральной части 7 каждого из породоразрушающих элементов 4-6 в 3,5÷3,9 раза, а твердость периферийной их части 8 в 1,1÷1,3 раза превышает твердость материала матрицы 9, при этом величина перекрытия «b» между породоразрушающими элементами 5-6, размещенными в скважинообразующей или кернообразующей части секторов, и породоразрушающими элементами 4, размещенными в центральной части секторов, определяется следующей зависимостью:
,
где: b - величина перекрытия между породоразрушающими элементами 5-6, размещенными в скважинообразующей или кернообразующей части секторов, и породоразрушающими элементами 4, размещенными в центральной части секторов, мм;
d - диаметр породоразрушающего элемента, мм;
а - размер центральной части 7 каждого из породоразрушающих элементов 4, которые находятся в центральной части секторов, мм;
при этом количество породоразрушающих элементов 4, которые находятся в центральной части секторов, в одинаковой степени превышает количество породоразрушающих элементов, которые находятся как в скважинообразующей 6, так и в кернообразующей части 5 секторов, количество которых одинаково, а общее количество породоразрушающих элементов в коронке определяется следующей зависимостью:
k=1,5n-2,
где: k - общее количество породоразрушающих элементов 4, размещенных в центральной, скважинообразующей 6 и кернообразующей 5 частях секторов, шт.;
n - количество секторов в коронке, которое должно быть парным, шт.
Предлагаемая буровая коронка работает следующим образом.
При бурении осевое усилие и крутящий момент передаются на секторы алмазоносной матрицы 2 коронки и через нее на породоразрушающие элементы 4-6. Наиболее твердый материал центральной части 7 породоразрушающих элементов 4-6 предразрушает породу, создавая сеть макро- и микротрещин. Менее твердый материал периферийной части 8 породоразрушающих элементов 4-6 разрушает породу и крупные частицы шлама, а алмазы матрицы 2 непосредственно завершают процесс разрушения породы. Предразрушение породы сопровождается малыми затратами мощности за счет образования ступенчатой формы зоны предразрушения в течение всего периода работы инструмента. Благодаря выбору указанных параметров частицы разрушенной породы уменьшенных размеров с помощью промывочной жидкости через промывочные пазы 3 выносятся на поверхность скважины, поэтому исключается появление крупного шлама, который может скапливаться в зазоре между алмазами матрицы 2, и, следовательно, возможность прижогов коронки.
Если износостойкость материала центральной части 7 породоразрушающих элементов 4-6 будет превышать износостойкость материала матрицы 9 более чем в 3,5-3,9 раза, а износостойкость материала периферийной части 8 каждого породоразрушающего элемента будет превышать износостойкость материала матрицы 9 менее чем в 1,1-1,3 раза, изнашивание наиболее твердого материала центральной части 7 породоразрушающих элементов 4-6 будет происходить значительно медленнее, чем менее твердого материала периферийной части 8 породоразрушающих элементов 4-6 и зазор между этими двумя поверхностями породоразрушающих элементов 4-6 будет значительным и крупные частицы шлама будут сразу попадать на поверхность материала матрицы 9 и подвергать его катастрофическому износу.
В случае если износостойкость материала центральной части 7 каждого породоразрушающего элемента будет превышать износостойкость материала матрицы 9 менее чем в 3,5÷3,9 раза, а износостойкость материала периферийной части 8 каждого породоразрушающего элемента будет превышать износостойкость материала матрицы 9 более чем в 1,1÷1,3 раза, зазоры будут недостаточными и крупные частицы шлама будут скапливаться под торцом материала матрицы 9, создавая зашламование, что приведет к прижогу матрицы 2.
Зоны перекрытия породоразрушающих элементов 4-6 должны обеспечивать постоянный процесс обнажения всех трех материалов (центральной и периферийной части 7, 8 породоразрушающих элементов 4-6 и материала матрицы 9). Это достигается в наибольшей степени в том случае, если величина перекрытия «b» между породоразрушающими элементами, размещенными в скважинообразующей или кернообразующей части секторов и породоразрушающими элементами, размещенными в центральной части секторов будет отвечать соотношению 0,16-1,19 (п.2 формулы).
В случае если соотношение будет меньше 0,16, то передробление частиц породы материалом периферийной части 8 породоразрушающих элементов 4-6 будет незначительным, основную нагрузку примет на себя материал матрицы 9, что в некоторых случаях может привести к образованию кольцевых канавок и, как следствие, к преждевременному выходу инструмента из строя. Если указанное соотношение будет больше 1,19, то значительная часть площади контакта торца матрицы 2 с породой будет перекрыта более износостойким, чем материал матрицы 9 материалом центральной части породоразрушающего элемента 7 и для того, чтобы осуществлялось обнажение материала породоразрушающих элементов 4-6, необходимо будет прикладывать дополнительные усилия, а это может привести при бурении твердых пород к повышению затрат мощности на бурение и искривлению бурильных труб.
Максимальная режущая способность буровой коронки при минимальных энергетических затратах будет обеспечена при выполнении дополниельных условий согласно п.2 формулы, поскольку они направлены на перераспределение нагрузки между породоразрушающими элементами 5-6, размещенными в скважинообразующей или кернообразующей части секторов и породоразрушающими элементами 4, размещенными в центральной части секторов.
При наличии в центральной части секторов матрицы 2 коронки большого количества породоразрушающих элементов 4 снижается удельная нагрузка на один породоразрушающий элемент и уменьшается его износ в сравнении с износом породоразрушающих элементов 5-6, размещенных в скважинообразующей или кернообразующей части секторов. В результате этого породоразрушающие элементы 5-6, которые размещены в скважинообразующей или кернообразующей части секторов, изнашиваются ненамного быстрее породоразрушающих элементов 4, которые размещены в центральной части секторов, вследствие чего образуется клиноподобная форма профиля матрицы 2, что позволяет более эффективно предразрушать массив породы.
При выполнении условий согласно п.3 формулы, когда количество породоразрушающих элементов 4, которые находятся в центральной части секторов, в одинаковой степени превышает количество породоразрушающих элементов, которые находятся как в скважинобразующей 6, так и в кернообразующей части 5 секторов, количество которых однаково, при этом общее количество породоразрушающих элементов 4-6 в коронке определяется следующей зависимостью:
k=1,5n-2,
где: k - общее количество породоразрушающих элементов 4-6, размещенных в центральной, скважинообразующей и кернообразующей части секторов, шт.;
n - количество секторов в коронке, которое должно быть парным, шт.;
буровая коронка будет изнашиваться более равномерно, без образования кольцевых канавок как по наружному, так и по внутреннему диаметрам, и тем самым можно избежать повышения затрат мощности.