Алмазная буровая коронка

(51) 21 10/48 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ выполнен в виде трехзаходной винтовой поверхности. На каждом заходе последней расположено равное количество промывочных каналов, разделяющих матрицу на секторы. Матрица включает чередующиеся друг с другом равные по толщине алмазосодержащие слои и слои связующего материала меньшей износостойкости,чем связующий материал алмазосодержащих слоев,причем последние расположены по винтовой поверхности соответственно торцевой поверхности коронки. Угол подъема,поверхности определяется по формуле винтовой поверхности- глубина разрушения породы алмазными зернами Дср - средний диаметр торца матрицы). Отличительной особенностью коронки является то, что алмазосодержащие и безалмазные слои, расположенные на винтовых поверхностях, имеют обращенную к забою гребешковую форму,представляющую чередующиеся конусные кольцевые выступы и впадины.(72) Федоров Борис Владимирович Кудайкулова Гульжан Абдуллаевна Бердыбаев Ильяс Мансурович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан(56) Предварительный патент РК 13581, кл. Е 21 В 10/46, Е 21 В 10/48(57) Изобретение относится к породаразрушаемому инструменту, а именно к алмазным коронкам для колонкового бурения твердых абразивных пород. Задачей изобретения является разработка конструкции коронки, обеспечивающей увеличение стойкости и работоспособности инструмента при бурении твердых абразивных пород. Техническая задача решается за счет того, что алмазная коронка содержит корпус с резьбой и алмазосодержащую матрицу,торец которой 25764 Изобретение относится к породаразрушаемому инструменту, а именно к алмазным коронкам для колонкового бурения твердых абразивных пород. Известна буровая коронка (предварительный патент РК 4289, Бюл. 10 от 15.10.03, кл Е 21 В 10/48,1997 г.), содержащая корпус с резьбой и алмазосодержащую матрицу,торец которой выполнен в виде трехзаходной винтовой поверхности. На каждом заходе последней расположено одинаковое количество секторов,которые по форме и размерам соответствуют секторам, расположенным на соседних заходах. Концы задних граней наибольших по высоте секторов находятся в плоскости, перпендикулярной оси коронки, а разность высот задних граней наибольших по высоте секторов и передних граней секторов, наименьших по высоте, на каждом заходе винтовой поверхности соответствуют глубине разрушения породы при внедрении алмазных зерен,которыми оснащен торец матрицы. Недостатком указанной коронки является расположение алмазов только в один слой на торце матрицы. Поэтому после отработки алмазного слоя в большем по высоте сектора и, последовательно, до меньшего по высоте сектора породаразрушающий инструмент требует замены. По этой причине стоимость и работоспособность рассматриваемой коронки недостаточна, что уменьшает рейсовую скорость бурения и эффективность проходки скважины. Известна буровая коронка, выбранная в качестве прототипа (предварительный патент 13581, кл. Е 21 В 10/46, Е 21 В 10/48, 2003 г.). Коронка содержит корпус с резьбой и алмазосодержащую матрицу,торец который имеет многозаходную,преимущественно трехзаходную винтовую поверхность. На каждом заходе последней расположено равное количество промывочных каналов, разделяющих матрицу на секторы, которые включают чередующиеся друг с другом алмазосодержащие слои и слои связующего материала меньшей износостойкости,чем связующий материал алмазосодержащих слоев. Все слои расположены по винтовой поверхности соответственно торцевой поверхности матрицы, а угол подъема, а винтовой поверхности определяется по формуле где- число заходов винтовой поверхности- глубина разрушения породы алмазными зернами Дср - средний диаметр торца матрицы. Недостатком коронки, взятой в качестве прототипа, является то, что по мере износа алмазосодержащих слоев торец коронки приобретает прямоугольную форму (в осевом сечении инструмента). Такая форма алмазосодержащего торца является недостаточно эффективной, так как на ней размещается минимальное количество алмазных зерен,участвующих в разрушении забоя скважины. 2 Поэтому, при бурении такой коронкой снижается механическая и рейсовая скорости бурения, а так же общая эффективность процесса. Задачей изобретения является разработка конструкции коронки, обеспечивающей увеличение стойкости и работоспособности инструмента при бурении твердых абразивных пород. Техническим результатом изобретения является повышение механической и рейсовой скорости колонкового бурения и в целом повышение эффективности проходки скважин в твердых абразивных породах. Техническая задача решается за счет того, что алмазная коронка содержит корпус с резьбой и алмазосодержащую матрицу,торец которой выполнен в виде трехзаходной винтовой поверхности. На каждом заходе последней расположено равное количество промывочных каналов, разделяющих матрицу на секторы. Матрица включает чередующиеся друг с другом равные по толщине алмазосодержащие слои и слои связующего материала меньшей износостойкости,чем связующий материал алмазосодержащих слоев,причем последние расположены по винтовой поверхности соответственно торцевой поверхности коронки. Угол подъема,поверхности определяется по формуле винтовой поверхности р - глубина разрушения породы алмазными зернами Дср - средний диаметр торца матрицы). Отличительной особенностью коронки является то, что алмазосодержащие и безалмазные слои, расположенные на винтовых поверхностях, имеют обращенную к забою гребешковую форму,представляющую чередующиеся конусные кольцевые выступы и впадины. Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показан вид коронки со стороны корпуса, на фиг.2 то же, со стороны торца матрицы (по стрелке К на фиг.1), на фиг.3 - развертка алмазосодержащих секторов по среднему диаметру торца матрицы при контакте с забоем скважины, на фиг.4 - в увеличенном масштабе разрез матрицы коронки(разрез А - А на фиг.3), и на фиг.5 - в увеличенном масштабе силы, действующие на единичный кольцевой алмазосодержащий выступ и приходящиеся на единицу его длины. Буровая коронка содержит корпус 1 с резьбой и алмазосодержащую матрицу 2. Боковая наружная и внутренняя поверхности матрицы оснащены более крупными алмазами 3,служащими для калибрования диаметров скважины и формирующегося керна. Матрица разделена промывочными каналами 4 на шесть секторов,являющихся породаразрушающими элементами коронки. Торец матрицы выполнен в виде трехзаходной винтовой поверхности с одинаковой величиной шага для каждого захода. На заходах винтовой поверхности располагается одинаковое количество секторов, в предлагаемой конструкции коронки- по два сектора (фиг.3). Каждый сектор 25764 состоит из алмазосодержащих слоев 5,чередующихся с безалмазными слоями 6,обладающими меньшей абразивностью и стойкостью (например твердый сплав на базе карбида вольфрама и кобальта с повышенным содержанием последнего). Секторы, расположенные на одном заходе винтовой поверхности (фиг.3),имеют высоту, убывающую от задней грани к передней, и выполнены таким образом, что разность высот задних граней наибольших по высоте секторов и передних граней секторов, наименьших по высоте, на каждом заходе винтовой поверхности соответствует глубине разрушения р породы,которая для твердых горных пород в 8 - 12 раз превышает глубину внедрения в алмазных зерен и др. Породаразрушающий инструмент для геологоразведочных скважин Справочник. М Недра 1979 г., с. 21 - 22). Толщина (высота по вертикали) безалмазных и алмазосодержащих слоев одинакова и связана с глубиной разрушения твердых пород алмазными зернами. Особенностью предлагаемой коронки является то, что алмазосодержащие слои матрицы,расположенные на винтовой поверхности и обращенные к забою скважины, имеют форму,представляющую чередующиеся конусные кольцевые выступы и впадины. Угол подъема,винтовых поверхностей алмазосодержащих слоев матрицы определяется по формуле(3 - число заходов винтовой поверхностиглубина разрушения породы алмазными зернами Дср - средний диаметр торца матрицы). Это дает возможность последовательно отработать алмазосодержащих слои и чередующиеся с ними слои безалмазного материала,так как при этом алмазы предыдущего слоя,наиболее удаленные от торца матрицы, и алмазы последующего слоя,наиболее близко расположенные к торцу матрицы, находятся в одной плоскости. Работа коронки осуществляется следующим образом. В начальный момент процесса бурения после подачи промывочной жидкости, приложения осевой нагрузки и крутящего момента коронка внедряется в породу концами граней секторов,наибольших по высоте. При этом конусная кольцевая форма профиля алмазосодержащего слоя облегчает разрушение забоя скважины, так как обеспечивает большую площадь контакта алмазных зерен с горной породой и высокие удельные нагрузки на последнюю. Как известно, твердые горные породы при воздействии алмазных зерен разрушаются в режим микрорезания и трения. На фиг.5 показан один из конусных профилей алмазосодержащего слоя и сила Р 0, представляющая долю общей осевой нагрузки на единицу длины конусных кольцевых выступов. Соответствующая сила трения 0, действующая на боковые поверхности конусного выступа единичной длины (фиг.5) равна (С.К. Кудайкулов Бурение скважин в сложных условиях снарядами со съемным керноприемником (ССК), Алматы изд. центр КазНТУ 1010, с. 79) где- коэффициент трения на контакте алмазпорода- угол приострения выступа. Из приведенной формулы следует, что сила 0,тем больше, чем острее угол . Уменьшение последнего лимитируется лишь прочностью конусных кольцевых алмазосодержащих слоев. Каждый из указанных секторов коронки,воздействуя на породу наибольшими по высоте конусными кольцевыми выступами алмазосодержащего слоя, пройдя 1/3 окружности забоя, формирует аналогичные по форме конусные кольцевые впадины , а под ними - зону разрушения,т.е. зону раздробленной трещинами, но не удаленной породы (фиг.3,4). При дальнейшем вращении коронки каждая группа секторов, расположенная на одном заходе винтовой поверхности, перемещается в часть забоя,подготовленного к углублению впереди работающей группой секторов, расположенной на соседнем заходе. Таким образом, через 1/3 оборота вследствие сформированной на забое кольцевой зоны разрушения и действия постоянной осевой нагрузки секторы матрицы,вытесняя раздробленную породу, перемещаются вниз на величину близкую к толщине разрушенного слоя, и осуществляют послойное удаление последнего. Формирующиеся на забое кольцевые выступы разрушаются под действием всегда имеющихся вибраций буровой коронки. После отработки первого, начиная от забоя алмазосодержащего слоя,вследствие опережающего износа малоабразивного слоя связующего материала происходит обнажение второго алмазосодержащего слоя секторов, который производит дальнейшее углубление забоя. Опережающий износ малоабразивного безалмазного слоя позволяет,постепенно обнажая алмазосодержащий слой, полностью отработать его при разрушении породы. Далее процесс углубления забоя повторяется до полной отработки всех алмазосодержащих слоев матрицы. Наклонное (по отношению к забою) положение алмазосодержащих слоев расположенных на винтовой поверхности и разделяющих их слоев малоабразивного материала, а так же их конусная кольцевая форма позволяет создавать большие удельные нагрузки на забой, реализовать эффект самозатачивания и особенности механизма разрушения твердых пород при воздействии алмазных зерен. Таким образом, использование предлагаемой алмазной коронки позволяет увеличить е удельное контактное давление на забой и стойкость, что, в свою очередь, повышает механическую и рейсовые скорости углубления и в целом эффективность проходки скважины. 25764 Предлагаемая алмазная буровая коронка может быть изготовлена конструктивными размерами в соответствии с существующими стандартами,характерными для алмазного бурения, и найти преимущественное применение при бурении твердых абразивных пород с применением одинарных и двойных колонковых труб, а так же снарядов со съемными керноприемниками. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Алмазная буровая коронка, содержащая корпус с резьбой и алмазосодержащую матрицу, торец которой выполнен в виде трехзаходной винтовой поверхности,на каждом заходе которой расположено равное количество промывочных каналов, разделяющих матрицу на секторы, причем последние включают чередующиеся друг с другом равные по толщине алмазосодержащие слои и слои связующего материала меньшей износостойкости,чем связующий материал алмазосодержащих слоев,а последние расположены по винтовой поверхности соответственно торцевой поверхности, угол подъема а который определяется по формуле- число заходов винтовой поверхностиглубина разрушения породы алмазными зернами Д средний диаметр торца матрицы,отличающаяся тем, что расположенные слои на винтовых поверхностях алмазосодержащие и безалмазные слои имеют обращенную к забою скважины гребешковую форму, представляющую чередующиеся конусные кольцевые выступы и впадины.