Алмазный буровой инструмент

(51) 21 10/58 (2010.01) 21 10/00 (2010.01) 21 10/02 (2010.01) 21 10/46 (2010.01) 21 10/48 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ инструмента путем конструктивного создания условий для его эффективного соответствия геолого-техническим и технологическим условиям бурения. Технический результат повышение работоспособности, износостойкости инструмента,снижение энергоемкости процесса бурения и расширение диапазона применения инструмента по категорийности пород. Это достигается тем, что в алмазном буровом инструменте,состоящем из корпуса и алмазосодержащей матрицы,разделенной промывочными каналами на сектора, основная рабочая поверхность которых имеет гребенчатовидную форму в виде концентрических выступов и впадин, смещенных радиально с определенным шагом в смежных секторах, в котором выступы выполнены в осевом сечении инструмента в форме трапеций с меньшим основанием при вершинах выступов, причем соответствующие выступы смежных секторов расположены с частичным радиальным перекрытием вершин выступов, а в начале каждого выступа, по ходу вращения инструмента, в свободных от перекрытия местах установлены износостойкие вставки.(72) Аубакиров Марат Тлеубаевич Тлеуов Мурат Габдуллович(56) 1.2007542 С 1, (В.Ф.Чихоткин), 15.02.1994 2.1314000 А 1, (Ворошиловградское отделение специального проектно-конструкторского и технологического бюро всесоюзного промышленного объединения СОЮЗГЕОТЕХНИКА), 30.05.1987 3.1828902 А 1, (Тульский филиал центрального научно-исследовательского геологоразведочного института цветных и благородных металлов), 23.07.1993 4.3215215 , , 02.11.1965(57) Изобретение относится к области бурения, а именно к алмазным инструментам для проходки скважин по твердым и крепким породам. Задачей изобретения является повышение работоспособности, износостойкости инструмента,снижение энергоемкости процесса бурения и расширение диапазона категорийной применимости 24177 Изобретение относится к области бурения, а именно к алмазным инструментам для проходки скважин по твердым и крепким породам. Известен алмазный буровой инструмент с комбинированными матрицами, включающий кроме алмазов и расположенные на рабочих поверхностях вставки из комбинированного материала повышенной износостойкости (А.с. СССР 1717786, МКИ Е 21 В 10/48). К общему недостатку таких конструкций алмазных инструментов относится то, что когда при работе инструмента износостойкие вставки(инденторы) несколько выдвинутся в забой относительно основной рабочей поверхности, за ними образуются концентрические выступы матрицы, при этом резко ухудшатся условия прохода промывочной жидкости в радиальном направлении под рабочим торцом каждого сектора из-за образовавшихся дополнительных препятствий подобных так называемому лабиринтному уплотнению. При этом значительно ухудшатся условия по удалению выбуренного шлама и по достаточному охлаждению рабочих поверхностей инструмента, что приведет к его повышенному аномальному износу и преждевременному снятию с работы. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является алмазный буровой инструмент, состоящий из корпуса и алмазосодержащей матрицы,разделенной промывочными каналами на сектора, основная рабочая поверхность которых имеет гребенчатовидную форму в виде концентрических выступов и впадин, взаимосмещенных радиально в смежных секторах (Патент РФ 2007542, МКИ Е 21 В 10/48). Однако, несколько улучшенное, на первый взгляд,соответствие этого технического решения условиям бурения не исключает недостатков, присущих описанному выше аналогу. При работе инструмента концентрические выступы производят разрушение забоя в образованных ими же концентрических канавках, внедряясь в них своими торцевой и боковыми сторонами и как бы запирая тем самым проход для промывочной жидкости в радиальном направлении под ними. Это также значительно ухудшит условия по удалению выбуренного выступами шлама и достаточному охлаждению рабочих поверхностей выступов матрицы. Все это приведет к недостаточному или неполному эффекту гребней, повышенному аномальному износу выступов, снижению ресурса инструмента в целом. Задачей изобретения является повышение работоспособности, износостойкости инструмента,снижение энергоемкости процесса бурения и расширение диапазона применимости алмазного бурового инструмента путем конструктивного создания условий для его эффективного соответствия геолого-техническим и технологическим условиям бурения. Технический результат повышение работоспособности, износостойкости, снижение 2 энергоемкости процесса бурения и расширение диапазона применения алмазного инструмента по категорийности пород. Это достигается тем, что в алмазном буровом инструменте,состоящем из корпуса и алмазосодержащей матрицы,разделенной промывочными каналами на сектора, основная рабочая поверхность которых имеет гребенчатовидную форму в виде концентрических выступов и впадин, смещенных радиально с определенным шагом в смежных секторах, в котором,согласно изобретению,выступы выполнены в осевом сечении инструмента в форме трапеций с меньшим основанием при вершине выступов, причем соответствующие выступы смежных секторов расположены с частичным радиальным перекрытием вершин выступов, а в начале каждого выступа, по ходу вращения инструмента,в свободных от частичного радиального перекрытия местах установлены износостойкие вставки. Сопоставительный анализ заявляемого алмазного бурового инструмента с прототипом показывает, что заявляемый инструмент обладает значительным преимуществом, поскольку в нем решены задачи длительного сохранения конструктивной формы матрицы при работе,обеспечения своевременного удаления шлама из зон контактирования матрицы с забоем, а также достаточного охлаждения теплонагруженных частей матрицы. Большую роль здесь играет то, что каждый образующийся на забое концентрический гребень породы и часть дна впадины между гребнями, при работе инструмента поочередно разрушаются выступами смежных секторов, а значит под секторами имеют одну свободную боковую и часть донной поверхности, то есть образуются зазоры, по которым проходит промывочная жидкость. Большим преимуществом является также улучшенные условия удаления выбуренного шлама из под работающих поверхностей выступов как в радиальном направлении промывочной жидкостью из зазоров,так и по самим зазорам. Установкой износостойких вставок, типа Твесал,в выступы достигается цель максимального сохранения профиля выступов в процессе работы. Кроме того, работа износостойких вставок сопровождается созданием ими значительной микротрещиноватости, называемой зоной предразрушения,куда проникает промывочная жидкость, а значит в хрупких и крепких породах разрушение пород забоя и сам процесс бурения будет происходить с большей эффективностью, что позволит увеличить диапазон буримых пород. Более глубокому проникновению жидкости в микротрещины зон предразрушения будет способствовать так же то, что в зазорах удлиняется время пребывания зон предразрушения в контакте с промывочной жидкостью без помех со стороны матрицы или образуемых шламовых подушек. 24177 В целом, заявляемое конструктивное решение позволяет повысить работоспособность,износостойкость,расширить диапазон применимости инструмента, а также снизить энергоемкость процесса бурения. На фиг.1 представлен алмазный буровой инструмент в виде коронки, общий вид на фиг.2 - вид А на фиг. 1, вид со стороны рабочего торца на фиг.3 расположенные один над другим увеличенные сечения А-А и Б-Б на фиг.2 смежных секторов на фиг.4 схематическое совмещение выступов и впадин матрицы смежных секторов на фиг.5 - алмазный буровой инструмент в виде долота, общий вид на фиг.6 - вид Б на фиг.5, вид со стороны рабочего торца на фиг.7 - расположенные один над другим увеличенные сечения В-В и Д-Д на фиг.5 смежных секторов на фиг.8 - схематическое совмещение выступов и впадин матрицы смежных секторов. Алмазный буровой инструмент в виде коронки содержит корпус 1 и металлокерамическую алмазосодержащую матрицу 2, разделенную на сектора 3 промывочными каналами 4. Рабочая часть матрицы 2 выполнена с концентрическими выступами 5,имеющими в осевом сечении инструмента форму трапеций с меньшими основаниями при вершинах 6, и впадинами 7, причем в смежных секторах 3 выступы 5 расположены с частичным радиальным перекрытием вершин 6. В набегающей части секторов 3, в выступах 5, в местах,свободных от частичного радиального перекрытия вершин 6, установлены износостойкие вставки 8(например из материала типа Твесал). Калибрующие скважину и керн элементы 9 установлены на боковых поверхностях секторов 3. Алмазный буровой инструмент в виде долота,кроме вышеописанного, содержит дополнительные промывочные каналы 10, а центральная часть матрицы выполнена с конусным углублением 11,имеющим, как и все промывочные каналы 4 и 10,гидравлическое соединение с полостью корпуса 1 долота через отверстия 12, причем ось отверстия 12 из конусного углубления 11 смещена от оси долота на радиус этого отверстия. Алмазный буровой инструмент в виде коронки работает следующим образом. Инструмент под действием осевой нагрузки и крутящего момента, передаваемых от бурового станка через колонну труб (на фиг. не показано) на корпус 1 и матрицу 2 осуществляет разрушение породы забоя скважины секторами 3 матрицы 2, при этом выбуренный шлам выносится на поверхность промывочной жидкостью, подаваемой через колонну труб и промывочные каналы 4 в самом инструменте. В процессе бурения основная рабочая поверхность матрицы 2 разрушает забой скважины вершинами 6 и боковыми сторонами выступов 5. Поскольку выступы 5 выполнены в смежных секторах 3 с частичным радиальным перекрытием,то образующиеся на забое гребни породы во впадинах 7 матрицы 2 имеют одну свободную боковую поверхность и часть донной между гребнями, образуемые работой выступов 5 предыдущих смежных секторов 3, т.е. зазоры по которым проходит охлаждающая промывочная жидкость. Такая схема прохождения промывочной жидкости позволяет вкупе с охлаждением теплонагруженных частей матрицы 2 значительно улучшить условия по удалению выбуренного шлама из под работающих поверхностей выступов 5 как в радиальном направлении из зазоров, так и по самим зазорам в промывочные каналы 4. Установленные износостойкие вставки 8 типа Твесал в начале каждого выступа 5, по ходу вращения инструмента, в места, свободные от частичного радиального перекрытия вершин 6 выступов 5 позволяют максимально сохранить в процессе работы профиль выступов 5, а также создавать в крепких, весьма крепких и твердых породах значительную призабойную и забойную микротрещиноватость - зону предразрушения. Развитие зоны предразрушения боковыми поверхностями выступов 5 и вставок 8, а также проникновение в микротрещины промывочной жидкости, в том числе и из зазоров, обуславливают работу инструмента в режиме мокрого трения, а значит не только интенсифицируется процесс бурения в крепких и твердых породах, что увеличивает диапазон применимости инструмента,но и значительно снижается энергоемкость процесса. Более глубокому проникновению жидкости в микротрещины зон предразрушения будет способствовать также то, что в зазорах увеличивается время пребывания промывочной жидкости над фрагментом зоны предразрушения без помех со стороны фрагментов матрицы 2 или образуемых в контактах матрица-забой шламовых подушек. На наружных и внутренних боковых поверхностях секторов 3 алмазного бурового инструмента в виде коронки установлены калибрующие скважину и керн подрезные элементы 9. Алмазный буровой инструмент в виде долота производит разрушение всей поверхности забоя,поэтому центральная часть матрицы 2 выполнена с конусным углублением 11, позволяющим разрушать конический пенек забоя в этом месте с меньшими линейными скоростями движения алмазов, но компенсируя это увеличенным количеством работающих алмазов на конусной поверхности углубления 11. Центром конического углубления 11 производится мелкое скалывание самой верхней части конического пенька забоя и удаление этих сколов промывочной жидкостью из отверстия 12 в конусном углублении 11, причем ось этого отверстия смещена от оси долота на радиус этого отверстия. Такое конструктивное решение позволяет эффективно разрушать забой в его центральной зоне. Подача промывочной жидкости в промывочные каналы 4 и 10, а так же в центральную конусную часть матрицы 11 осуществляется через отверстия 12 из полости корпуса 1 долота. Калибрующие элементы 9 алмазного бурового инструмента в виде долота расположены только на наружной боковой поверхности секторов 3, позволяют удерживать диаметр в задаваемых пределах. 3 24177 Таким образом предлагаемый алмазный буровой инструмент позволяет повысить работоспособность,износостойкость и расширить диапазон применимости инструмента, снизить энергоемкость процесса бурения, и таким образом эффективно соответствовать геолого-техническим и технологическим условиям бурения за счет конструктивных особенностей и решений. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Алмазный буровой инструмент, состоящий из корпуса и алмазосодержащей матрицы, разделенный промывочными каналами на сектора, основная рабочая поверхность которых имеет гребенчатовидную форму в виде концентрических выступов и впадин, смещенных радиально с определенным шагом в смежных секторах,отличающийся тем, что выступы выполнены в осевом сечении инструмента в форме трапеций с меньшими основаниями при вершинах выступов,причем соответствующие выступы смежных секторов расположены с частичными радиальным перекрытием вершин выступов, а в начале каждого выступа, по ходу вращения инструмента, в свободных от частичного радиального перекрытия местах установлены износостойкие вставки.