ПОРОДОРАЗРУШАЮЩАЯ ВСТАВКА

Техническое решение относится к области породоразрушающего инструмента, а именно к буровым коронкам для бурения взрывных разведочных скважин.
Известна породоразрушающая вставка для буровой коронки, состоящая из твердосплавной массы (см. а.с СССР кл. Е21С 13/09, 1967), отличающаяся тем, что твердость матрицы увеличивается от центра к периферии. Недостатком ее является невысокая стойкость при бурении коронкой в твердых породах. Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является патент США №4128136 кл. 175-330, по которому предлагается породоразрушающая вставка, состоящая из алмазосодержащей матрицы и безалмазного хвостовика, режущие элементы выполнены из сплава с вкраплением алмазов.
Недостатком этой вставки является повышенный износ рабочих секторов и невысокая механическая скорость бурения из-за нерационального выбора диаметра алмазного зерна в алмазосодержащей матрице и нерациональной теплопроводимости материала хвостовика вставки.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эксплуатационной стойкости породоразрушающей вставки и механической скорости бурения коронкой, включающей породоразрушающие вставки, за счет выбора рационального диаметра алмазного зерна в зависимости от концентрации алмазов и расстояния между алмазами в алмазосодержащей матрице и рационального выбора термического сопротивления материала хвостовика вставки.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в породоразрушающей вставке, для буровой коронки, состоящей из алмазосодержащей матрицы и безалмазного хвостовика, алмазы в алмазосодержащей матрице расположены равномерно, а их концентрация определяется по зависимости
где с - концентрация алмазов в матрице;
d - диаметр алмазного зерна, м;
t - расстояние между алмазами, м,
а условие рационального перекрытия матрицы алмазами выражается зависимостью
t=Kd,
где t - расстояние между алмазами, м;
K - опытный коэффициент (K=0,85÷0,95);
d - диаметр алмазного зерна, м,
при этом термическое сопротивление материала хвостовика меньше, чем термическое сопротивление материала матрицы.
Благодаря тому, что алмазы в алмазосодержащей матрице вставки расположены равномерно и диаметр алмазного зерна определяется по зависимости (1)
,
где с - концентрация алмазов в матрице;
d - диаметр алмазного зерна, м;
t - расстояние между алмазами, м.
При бурении коронкой со вставками происходит эффективное разрушение породы забоя при минимальном износе вставок.
Для проектирования алмазного инструмента и режимов бурения требуются данные о зернистости алмазов и их распределении в алмазосодержащей матрице. Из литературных данных известно (Композиционные материалы под ред. Л. Браутмана, Р. Крока - М: Мир, 1978 - т. 5 484 с) следующее выражение для расчета расстояния между алмазами
где с - концентрация алмазов в матрице;
d - диаметр алмазного зерна, м;
t - расстояние между алмазами, м.
Решая (2) относительно d находим диаметр алмазного зерна
где с - концентрация алмазов в матрице;
d - диаметр алмазного зерна, м;
t - расстояние между алмазами, м.
Исследованиями авторов в АО «Тульское НИГП» установлено, что при бурении коронкой горная порода эффективно разрушается только в том случае, если режущие кромки алмазных зерен перекрывают друг друга, образуя составную режущую кромку, то есть соблюдается условие
где t - расстояние между алмазами, м;
K - опытный коэффициент;
d - диаметр алмазного зерна, м.
Исследованиями установлено, что при значении опытного коэффициента K менее 0,85 эффект перекрытия не возрастает, а при значении K более 0,95 эффективное перекрытие не наблюдается. Поэтому принято значение K=0,85÷0,95.
При этом условии разрушение горной породы при бурении существенно эффективно за счет слияния лунок выкала на забое скважины. Вследствие этого снижается заполирование алмазных зерен, что обусловливает повышение производительности бурения и стойкости инструмента.
Вследствие того, что термическое сопротивление материала хвостовика меньше, чем термическое сопротивление материала матрицы, тепло образующееся на контакте алмазосодержащей матрицы с горной породой, эффективно отводится к хвостовику вставки и рассеивается в окружающую среду (вода или сжатый воздух) при бурении коронкой, оснащенной породоразрушающими вставками. При этом повышается эффективность охлаждения породоразрушающей матрицы и, следовательно, уменьшается ее износ и повышается стойкость вставки и механическая скорость бурения коронкой со вставками. Все это обусловливает повышение механической скорости бурения и эксплуатационной стойкости коронки.
Породоразрушающая вставка показана на фиг. 1, где 1 - алмаз, 2-алмазосодержащая матрица, 3 - хвостовик.
Буровая коронка, включающая породоразрушающие вставки, работает следующим образом: при создании осевого и окружного усилий происходит эффективное разрушение горной породы коронкой вследствие того, что диаметр алмазного зерна 1 в алмазосодеержащей матрице 2, определяется по расчетной зависимости (1), а выполнение хвостовика 3 так, что термическое сопротивление материала хвостовика меньше, чем термическое сопротивление материала матрицы, способствует эффективному охлаждению вставки и буровой коронки в целом.
Вследствие этого повышается стойкость породоразрушающего инструмента и механическая скорость бурения им.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационной стойкости коронок и механической скорости бурения горных пород.
Экономический эффект на одну буровую коронку диаметром 82 мм, оснащенную породразрушающими вставками, составляет 8000 руб., а аналогичную коронку диаметром 160 мм эффект составляет 15000 руб.