АЛМАЗНАЯ ИМПРЕГНИРОВАННАЯ КОРОНКА

Техническое решение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве породоразрушающего инструмента: алмазных буровых коронок и долот для бурения скважин.
Известна алмазная импрегнированная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу, разделенную промывочными каналами на рабочие сектора, набегающая часть которых наклонена к плоскости,
перпендикулярной оси коронки /патент РФ №2049655 М. кл 6 В 24 Д 3/100/.
Недостатками этой коронки являются; не рациональные форма рабочих секторов коронки и схема их армирования алмазами, а также не оптимальная величина угла наклона набегающей части торца рабочих секторов к плоскости, перпендикулярной оси коронки. Это приводит при бурении к повышенному износу коронки и снижению механической скорости бурения ею.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому результату является алмазная импрегнированная коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с концентрическими гребнями, разделенную промывочными каналами на рабочие секторы, по наружной и внутренней частям которых установлены рядами подрезные алмазные зерна /а.с. СССР №1040850 М. кл. Е 218 10/48/.
Недостатком такой коронки является не рациональные форма торца рабочих секторов и схема их армирования алмазами. Вследствие этого не обеспечиваются условия рациональной нагруженности всех алмазных зерен при бурении, что обуславливает снижение износостойкости коронки и механической скорости бурения ею.
Техническое решение направлено на повышение работоспособности (стойкости и механической скорости бурения) алмазных буровых коронок за счет: создания рациональных нагрузок на алмазные зерна без увеличения осевой нагрузки на коронку, а путем уменьшения контактной площади коронки, снижения динамических ударных нагрузок на коронку путем выбора и выполнения рационального угла наклона набегающей части торца рабочего сектора к плоскости, перпендикулярной оси коронки, применение рациональной схемы армирования по наружной и внутренней частям сектора коронки алмазными зернами и стержнями износостойкого твердосплавного материала.
Предлагаемая алмазная импрегнированная коронка отличается тем, что набегающая часть торца рабочего сектора выполнена без концентрических гребней, а угол наклона ее к "плоскости, перпендикулярно оси коронки, определяется из соотношения
где α - угол наклона набегающей части торца рабочего сектора к плоскости, перпендикулярной оси коронки, рад;
k - опытный коэффициент, зависящий от твердости и абразивности горных пород (К=0,4-0,5);
кроме того, по наружной и внутренней частям сектора между рядами подрезных алмазных зерен установлены ряды стержней из износостойкого твердосплавного материала, линейные размеры которых равны или больше линейных размеров алмазных зерен.
Благодаря тому, что набегающая часть торца рабочего сектора выполнена без концентрических гребней, которые в определенной мере являются концентраторами разрушающих напряжений, она в меньшей степени будет подвергаться усталостному разрушению вследствие воздействия на нее скоростного потока абразивного шлама
Вследствие того, что угол наклона а набегающей части торца рабочего сектора к плоскости, перпендикулярной оси коронки, определяется из соотношения
где α - угол наклона набегающей части торца рабочего сектора к плоскости, перпендикулярной оси коронки, рад;
k - опытный коэффициент зависящий от твердости и абразивности горных пород (К=0,4-0,5);
при бурении такой коронкой обуславливается более равномерное распределение рациональных нагрузок на алмазные зерна и значительное снижение динамических ударных нагрузок.
Оптимальность выбранного соотношения k для нахождения угла а определена в результате стендовых испытаний при бурении по граниту (таблица). По максимуму механической скорости бурения и минимуму удельного износа это соотношение составляет 0,4-0,5.
ТаблицаРезультаты стендовых испытаний
Значение коэффициента, К
Механическая скорость бурения, см/мин
Удельный износ, мкм/мм
0,2
3,1
15
0,3
3,8
11
0,4
5,1
9
0,5
4,8
10
0,6
3,9
12
0,7
2,9
14
Благодаря тому, что по наружной и внутренней частям сектора между рядами подрезных алмазных зерен установлены ряды стержней из износостойкого твердосплавного материала, линейные размеры которых равны или больше линейных размеров алмазных зерен, при бурении стержни из износостойкого твердосплавного материала выполняют основную работу по разрушению крупных абразивных частиц бурового шлама и предохраняют подрезные алмазные зерна от абразивного износа, что способствует повышению стойкости коронки в целом.
На фиг.1 представлен общий вид алмазной буровой коронки, на фиг.2 ее горизонтальная проекция, на фиг.3 вид А.
Алмазная импрегнированная коронка состоит из металлического корпуса 1, алмазосодержащей матрицы 4 с концентрическими гребнями, разделенной промывочными каналами 3 на рабочие секторы 2 с набегающей (без гребней) 5 и сбегающей (с гребнями) 6 частями и расположенными выше импрегнированного слоя 9 по наружной и внутренней поверхностями рядами алмазов 7 и стержней из износостойкого твердосплавного материала 8. Набегающая часть торца рабочего сектора наклонена под углом а к плоскости, перпендикулярной оси коронки.
Алмазная импрегнированная коронка работает следующим образом: при создании осевого и окружного усилий на корпус 1 и матрицу 4 происходит разрушение горной породы секторами 2, при этом, благодаря рациональному углу а наклона набегающей части 5 торца рабочего сектора к плоскости перпендикулярной оси коронки происходит повышение удельных нагрузок на алмазные зерна без увеличения осевой нагрузки на коронку, а образованный трапециевидный канал 3 способствует нормализации теплового режима на забое и уменьшению скорости потока, что обеспечивает попадание крупных абразивных частиц шлама под торец коронки и их разрушение, вследствие этого обуславливается самозатачивание алмазного импрегнированного слоя 9. Отдельные крупные частицы абразивного шлама разрушаются также расположенными на рабочем секторе между рядами алмазов 7 стержнями 8 из износостойкого твердосплавного материала.
Применение предложенной алмазной коронки позволяет избежать интенсивного износа алмазов, обеспечить самозатачивание алмазного импрегнированного слоя и повысить стойкость коронки в целом и механическую скорость бурения за счет рационального уменьшения контактной поверхности алмазного слоя с забоем скважины.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышении эксплуатационной стойкости алмазной коронки и механической скорости бурения ею.
Экономический эффект на одну алмазную буровую коронку составляет 2400 рублей.