АЛМАЗНАЯ ЗУБЧАТО-СТУПЕНЧАТАЯ КОРОНКА

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, армированному природными, синтетическими алмазами и алмазно-твердосплавными пластинами для бурения снарядами со съемными керноприемниками в породах средней твердости.
Известна зубчатая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с торцевыми и подрезными слоями, разделенную промывочными каналами на секторы, отличающаяся тем, что алмазы установлены в секторы, которые размещены радиально, а рабочая поверхность коронки - круглая (См. Патент США №2818233).
Недостатком этой коронки является то, что рабочая поверхность коронки имеет круглую форму торца, диаметр зерна торцевых алмазов не увязан с физико-механическими свойствами горных пород и отсутствует упрочнение матрицы частицами сверхтвердого наноматериала. Это приводит к снижению механической скорости бурения и преждевременному снятию ее с эксплуатации.
Известно также алмазная зубчато-ступенчатая коронка (прототип), включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с торцевыми и подрезными слоями, разделенную торцевыми и внутренними и наружными боковыми промывочными каналами на секторы, в которой частично устранены недостатки предыдущего аналога (См. авторское свидетельство СССР №1222811 «Алмазная зубчато-ступенчатая коронка»).
Вместе с тем необходимо отметить, что недостатком прототипа является не оптимальный диаметр зерна торцевых алмазов и отсутствие упрочнения матрицы частицами сверхтвердого наноматериала.
Отмеченное снижает работоспособность этих алмазных коронок при бурении. Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение повышения коэффициента трения алмазов о горную породу, а также снижение износа подрезных слоев матрицы коронки.
Техническое решение направлено на повышение эксплуатационной стойкости алмазной коронки и механической скорости бурения ею путем выбора рационального размера алмазных зерен торцевых алмазов с учетом физико-механических свойств буримых горных пород, и применению в матрице между алмазами подрезного слоя армирование частицами сверхтвердого наноматериала.
В предлагаемой алмазной зубчато-ступенчатой коронке, включающей корпус и алмазосодержащую матрицу с торцевыми и подрезными слоями, разделенную торцевыми и внутренними и наружными боковыми промывочными каналами на секторы, диаметр зерна торцевых алмазов определяется по зависимости
,
где d - диаметр зерна торцевого алмаза, м;
Р - осевая нагрузка на коронку, Н;
K - опытный коэффициент (К=0,7÷0,9);
Ш
P - твердость горной породы по штампу, МПа;
m - количество торцевых алмазов, шт.;
h - глубина внедрения алмазного зерна в породу, м;
кроме того по наружной и внутренней боковым частям матрицы промежутки между алмазами подрезного слоя равномерно армированы частицами сверхтвердого наноматериала, линейные размеры которых составляют 80÷160 Нм.
Благодаря тому, что диаметр зерна торцевых алмазов определяется по зависимости
,
где d - диаметр зерна торцевого алмаза, м;
Р - осевая нагрузка на коронку, Н;
K - опытный коэффициент (К=0,7÷0,9);
Ш
P - твердость горной породы по штампу, МПа;
m - количество торцевых алмазов, шт.;
h - глубина внедрения алмазного зерна в породу, м;
обеспечивается эффективное резание породы без зашлифования, так как диаметр алмазного зерна соответствует основному физико-механическому свойству горных пород - твердости по штампу.
Согласно теории разрушения горных пород при алмазном бурении (см. Породоразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин. Справочник Н.Н.Корнилов, B.C.Травский, Л.К.Берестелев и др. М, Недра, 1979-399 с) глубина внедрения алмазного зерна в породу определяется выражением
,
где h - глубина внедрения алмазного зерна в породу, м;
а
P - среднее значение осевой нагрузки на один алмаз, H;
Ш
P - твердость горной породы по штампу, МПа;
d - диаметр зерна торцевого алмаза, м
Среднее значение осевой нагрузки на один алмаз определяется по формуле (Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И. Алмазный породоразрушающий инструмент. - Тула: ИПП «Гриф и К», 2005-288 с.)
,
где Р - осевая нагрузка на коронку, H;
m - количество торцевых алмазов в коронке, шт.;
K - опытный коэффициент, определяющий количество контактирующих с породой алмазов (K=0,7÷0,9).
Решая (1) относительно диаметра зерна торцевых алмазов (2) получим
,
При определенных значениях диаметра зерна торцевого алмаза [3] обеспечивается преодоление упругих деформаций и переход к необратимым разрушающим деформациям породы.
Вследствие того, что по наружной и внутренней боковым частям матрицы промежутки между алмазами подрезного слоя равномерно армированы частицами сверхтвердого наноматериала, линейные размеры которых составляют 80-160 нанометров, значительно повышается износостойкость подрезного слоя матрицы, и уменьшается износ коронки по наружному и внутреннему диаметрам при бурении.
При использовании частиц сверхтвердого наноматериала (например, порошков нитрида бора, алмаза и др) размером менее 80 нанометров наблюдается уменьшение износостойкости подрезного слоя матрицы, а при увеличении размеров частиц сверхтвердого наноматериала до более 160 нанометров повышение износостойкости подрезного слоя матрицы не наблюдается.
Алмазная зубчато-ступенчатая коронка показана на фиг.1 и 2, где фиг.1 - изображение коронки, продольный разрез, на фиг.2 - вид А фиг.1.
Коронка состоит из корпуса 1 и алмазосодержащей матрицы 2, с торцевыми 9 и подрезными внутренними 10 и наружными 11 слоями, разделенную торцевыми, и внутренними 4 и наружными 5 боковыми промывочными каналами на зубчато-ступенчатые секторы 6, на которых размещены подрезные алмазы 7, торцевые алмазы 12 и частицы сверхтвердого наноматериала - 8.
Алмазная зубчато-ступенчатая коронка работает следующим образом: при создании осевого и окружного усилий происходит эффективное разрушение горной породы алмазной коронкой вследствие того, что размер торцевых алмазов выбран по расчетной зависимости [3] и соответствует основному физико-механическому свойству горных пород - твердости по штампу, что исключает зашлифование алмазов рабочего торца и обеспечивает создание и поддержание высокого уровня механической скорости бурения. При этом промывочная жидкость внутри корпуса 1 проходит касаясь матрицы 2 через боковые промывочные каналы 4 и через торцевые каналы 3 омывает забой и выходит через наружные боковые промывочные каналы 5 в кольцевой зазор между корпусом коронки и стенками скважины и полностью выносит разрушенные частицы породы с забоя. При этом алмазная зубчато-ступенчатая коронка не подвергается повышенному износу абразивным и буровым шламом по наружному и внутреннему диаметрам, так как в матрице промежутки между алмазами подрезного слоя равномерно армированы частицами сверхтвердого наноматериала. Благодаря такому выполнению коронки осевые и окружные усилия, передаваемые на нее обеспечивают эффективное разрушение горной породы и удалению ее частиц при наименьшем износе рабочей части коронки.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационной и механической скорости бурения горных пород.
Экономический эффект на одну алмазную коронку диаметром 76 мм составляет 8500,0 руб.