Бурова коронка

1. Бурова коронка, що містить корпус і закріплену на ньому алмазоносну матрицю, розділену промивними пазами на сектори, армовані породоруйнівними елементами у вигляді зносостійких циліндричних вставок із синтетичних алмазів, розміщених в центральній, свердловинній та керноутворюючій частині секторів за схемою перекриття, яка відрізняється тим, що твердість центральної C2 2 (19) 1 3 вжньої осі сектора на величину, що відповідає величині зерен об'ємних алмазів матриці. Відома також найбільш близька за технічною суттю до пропонованої бурова коронка (див. патент України на корисну модель № 43331, МПК (2006) Е21В 10/48, опубл. 10.08.2009, бюл. № 15 за 2009 р.), що містить корпус і закріплену на ньому алмазоносну матрицю, розділену промивними пазами на сектори, армовані породоруйнівними елементами у вигляді зносостійких циліндричних вставок із синтетичних алмазів, розміщених в центральній, свердловинній та керноутворюючій частині секторів за схемою перекриття, причому описана коронка містить основні і сколюючі сектори, які мають однакову висоту алмазовмісних породоруйнівних елементів відносно торцевої поверхні коронки в зоні приєднувальної різьби, а алмазовмісні породоруйнівні елементи, якими оснащені сколюючі сектори, зміщені відносно один одного по спіралі, що з'єднує бокові поверхні алмазовмісних породоруйнівних елементів, причому на початку і в кінці спіралі алмазовмісні породоруйнівні елементи дотикаються до поверхонь, що утворюють внутрішній та зовнішній діаметри алмазної бурової коронки, відповідно. Недоліки описаних бурових коронок полягають у великій енергоємності процесу передруйнування породи упродовж усього періоду роботи інструмента через недостатньо продуману схему розташування породоруйнівних елементів у матриці і невизначеності взаємозв'язку між величинами зносостійкості складових матеріалів породоруйнівних елементів і матриці, а також величини перекриття між елементами, що призводить до унеможливлювання створення зони передруйнування протягом усього періоду роботи інструмента, внаслідок чого знижується руйнувальна здатність бурової коронки і механічна швидкість буріння. В основу винаходу поставлено задачу такого вдосконалення бурової коронки, при якому за рахунок експериментального підбору співвідношень твердості матеріалів породоруйнівних елементів і матриці забезпечується можливість створення зони передруйнування протягом усього періоду роботи інструмента, за рахунок виконання схеми перекриття у відповідності із пропонованим співвідношенням забезпечується більш рівномірне зношування робочого торця коронки, виключаються припали матриці і створюються умови для найбільш ефективного виносу шламу із зони відпрацьовування, як наслідок, забезпечується підвищення руйнуючої здатності бурової коронки з одночасним підвищенням механічної швидкості буріння, за рахунок пропонованого вибору кількості породоруйнівних елементів додатково забезпечується оптимальний перерозподіл навантажень між породоруйнівними елементами, розміщеними у свердловинній або керноутворюючій частині секторів і породоруйнівними елементами, розміщеними в центральній частині секторів. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в буровій коронці, що містить корпус і закріплену на ньому алмазоносну матрицю, розділену промивними пазами на сектори, армовані породоруйнівними елементами у вигляді зносостійких 96692 4 циліндричних вставок із синтетичних алмазів, розміщених в центральній, свердловинній та керноутво-рюючій частині секторів за схемою перекриття, згідно з винаходом твердість центральної частини кожного з породоруйнівних елементів у 3,5÷3,9 разу, а твердість периферійної їхньої частини у 1,1÷1,3 разу перевищує твердість матеріалу матриці; при найкращих варіантах реалізації пропонованої бурової коронки величина перекриття «b» між породоруйнівними елементами, розміщеними у свердловинній або керноутворюючій частині секторів і породоруйнівними елементами, розміщеними в центральній частині секторів, визначається за наступною залежністю: 0,16  1,19d  a  b , 2 де: b - величина перекриття між породоруйнівними елементами, розміщеними у свердловинній або керноутворюючій частині секторів, і породоруйнівними елементами, розміщеними в центральній частині секторів, мм; d - діаметр породоруйнівного елемента, мм; а - розмір центральної частини кожного з породоруйнівних елементів, що знаходяться в центральній частині секторів, мм; кількість породоруйнівних елементів, що знаходяться в центральній частині секторів в однаковому ступені перевищує кількість породоруйнівних елементів, що знаходяться як у свердловинній, так і у керноутворюючій частині секторів, кількість яких однакова, при цьому загальна кількість породоруйнівних елементів у коронці визначається за наступною залежністю: k=1,5n-2, де: k - загальна кількість породоруйнівних елементів, розміщених в центральній, свердловинній та керноутворюючій частині секторів, шт.; n - кількість секторів у коронці, яка повинна бути парною, шт. Причинно-наслідковий зв'язок між пропонованою сукупністю ознак і технічними ефектами, які досягаються при її реалізації, полягає у наступному. У зв'язку з тим, що усі породоруйнівні елементи складаються із двох різних за твердістю матеріалів, в процесі буріння вони працюють як різці ріжучо-стираючого типу. Найбільш твердий матеріал, який знаходиться у центрі породоруйнівного елемента під дією осьового навантаження створює у масиві породи, що розбурюється, зону передруйнування. Менш твердий матеріал, що його оточує, руйнує вже менш щільну породу, а алмазоносний шар матриці в полегшених умовах завершує процес руйнування. Передруйнування породи повинне супроводжувати процес буріння протягом усього періоду роботи інструмента, що стає можливим повною мірою тоді, коли найбільш твердий матеріал кожного породоруйнівного елемента буде виступати над менш твердим, а останній буде виступати над поверхнею алмазоносної матриці, що забезпечується, як показали проведені нами експериментальні дослідження в процесі буріння, пропонованим співвідношенням твердості використовуваних матеріалів. Максимальна руйнуюча здатність бурової коронки буде забезпечена 5 тоді, коли твердість матеріалу центральної частини кожного з породоруйнівних елементів у 3,5÷3,9 разу, а твердість матеріалу периферійної їхньої частини у 1,1÷1,3 разу буде перевищувати твердість матеріалу матриці. Найбільш твердий матеріал центральної частини породоруйнівного елемента укоріняється в породу, передруйнує і руйнує масив гірської породи. При цьому відколюються частки розміром до 2÷3 мм, які попадають під менш твердий матеріал периферійної їхньої частини і зношують його, одночасно при цьому руйнуючись. Твердість матеріалів пов'язана з його зносостійкістю: чим твердіше матеріал, тим більш він зносостійкий. Щоб мати зазор між двома матеріалами породоруйнівного елемента в межах 3 мм, зносостійкість матеріалу центральної частини породоруйнівного елемента повинна бути у 3,5÷3,9 разу більше зносостійкості матеріалу матриці, а зносостійкість матеріалу периферійної частини породоруйнівного елемента бути у 1,1÷1,3 разу більше зносостійкості матеріалу матриці, тобто зносостійкість матеріалу центральної частини породоруйнівного елемента повинна перевищувати зносостійкість матеріалу периферійної його частини, тому що в протилежному випадку великі частки породи не будуть попадати в малий зазор, а будуть стикатися з матеріалом матриці і інтенсивно його зношувати. Подрібнений між двома поверхнями породоруйнівного елемента шлам має великі частки розміром уже порядку 0,2÷0,3 мм. Вони попадають на поверхню алмазоносної матриці, де піддаються остаточному подрібнюванню. Щоб подрібнені частки породи потрапили на поверхню матеріалу матриці, між поверхнею матеріалу периферійної частини породоруйнівного елемента і поверхнею матеріалу матриці повинен бути зазор, що забезпечується різницею твердості матеріалу периферійної частини породоруйнівного елемента і матеріалу матриці у 1,1÷1,3 разу. У випадку, якщо зносостійкість матеріалу центральної частини породоруйнівного елемента буде перевищувати зносостійкість матеріалу матриці більше ніж у 3,5÷3,9 разу, то великі частки шламу будуть проходити між двома поверхнями матеріалу породоруйнівних елементів без контакту з ними і попадати на поверхню матеріалу матриці коронки, піддаючи його катастрофічному зношуванню. У випадку, якщо зносостійкість матеріалу периферійної частини породоруйнівного елемента буде перевищувати зносостійкість матеріалу матриці менше ніж у 1,1÷1,3 разу, то зазори будуть недостатніми і великі частки будуть скопичуватися під торцем матеріалу матриці, створюючи зашламування, що призведе до припалу матриці бурової коронки. При реалізації в коронці пропонованих розмірів схеми перекриття забезпечується повне ураження всього вибою гірської породи, що руйнується, при одночасному однаковому навантаженні на всі породоруйнівні елементи і, відповідно, рівномірне зношування робочого торця коронки. Досить подрібнені частки зруйнованої породи потім за допомогою промивної рідини виносяться на поверхню свердловини. 96692 6 Зони перекриття породоруйнівних елементів повинні забезпечувати постійний процес оголення усіх трьох матеріалів. Це досягається повною мірою у тому випадку, якщо величина перекриття буде перебувати з розмірами елемента у пропонованому співвідношенні. У випадку, якщо співвідношення буде менше 0,16, то подрібнювання часток породи матеріалом периферійної частини елемента буде менш значним - основне навантаження прийме на себе матеріал матриці, що призведе до можливості утворення кільцевих канавок і, як наслідок, до передчасного виходу інструмента з ладу. Якщо співвідношення буде більше 1,19, то значна частина площі контакту торця матриці з породою буде перекрита більше зносостійким матеріалом, ніж матеріал матриці, і для того, щоб відбувалося оголення матеріалу породоруйнівного елемента, необхідно буде прикладати додаткові зусилля, а це призведе до підвищення витрати потужності на буріння і скривлення бурильних труб. Максимальна ріжуча здатність бурової коронки при мінімальних енергетичних витратах буде забезпечена при дотриманні додаткових умов відповідно до п. 3 формули, оскільки вони спрямовані на оптимальний перерозподіл навантажень між породоруйнівними елементами, розміщеними у свердловинній або керноутворюючій частині секторів і породоруйнівними елементами, розміщеними в центральній частині секторів. При наявності в центральній частині секторів коронки більшої кількості елементів дещо знижується питоме навантаження на один елемент і зменшується його зношування в порівнянні зі зношуванням породоруйнівних елементів, розміщених у свердловинній або керноутворюючій частині секторів. У результаті цього породоруйнівні елементи, що розміщені у свердловинній або керноутворюючій частині секторів, зношуються ненабагато швидше породоруйнівних елементів, розміщених в центральній частині секторів, тому утвориться клиноподібна форма профілю, що дозволяє більш ефективно передруйнувати моноліт породи. На кресленнях проілюстровано пропоновану бурову коронку: на фіг. 1 представлений робочий торець коронки, на фіг. 2 - переріз А-А на фіг. 1 (повернено) у збільшеному масштабі. Бурова коронка містить корпус 1 і закріплену на ньому алмазоносну матрицю 2, розділену промивними пазами 3 на сектори, армовані породоруйнівними елементами 4-6 у вигляді зносостійких циліндричних вставок із синтетичних алмазів, розміщених в центральній, свердловинній та керноутворюючій частині секторів відповідно за схемою перекриття, при цьому твердість центральної частини 7 кожного з породоруйнівних елементів 4-6 у 3,5÷3,9 разу, а твердість периферійної їхньої частини 8 у 1,1÷1,3 разу перевищує твердість матеріалу 9 матриці 2, при цьому величина перекриття «b» між породоруйнівними елементами 5-6, розміщеними у свердловинній або керноутворюючій частині секторів і породоруйнівними елементами 4, розміщеними в центральній частині секторів, визначається за наступною залежністю: 7 0,16  1,19d  a  , 2 де: b - величина перекриття між породоруйнівними елементами 5-6, розміщеними у свердловинній або керноутворюючій частині секторів і породоруйнівними елементами 4, розміщеними в центральній частині секторів, мм; d - діаметр породоруйнівного елемента, мм; а - розмір центральної частини 7 кожного з породоруйнівних елементів 4, що знаходяться в центральній частині секторів, мм; при цьому кількість породоруйнівних елементів 4, що знаходяться в центральній частині секторів, в однаковому ступені перевищує кількість породоруйнівних елементів, що знаходяться як у свердловинній 6, так і у керноутворюючій частині 5 секторів, кількість яких однакова, а загальна кількість породоруйнівних елементів у коронці визначається за наступною залежністю: k=1,5n-2, де: k - загальна кількість породоруйнівних елементів 4, розміщених в центральній, свердловинній 6 та керноутворюючій 5 частинах секторів, шт.; n - кількість секторів у коронці, яка повинна бути парною, шт. Пропонована бурова коронка працює так. При бурінні осьове навантаження і крутний момент передаються на сектори алмазоносної матриці 2 коронки і через неї на породоруйнівні елементи 4-6. Найбільш твердий матеріал центральної частини 7 породоруйнівних елементів 4-6 передруйнує породу, створюючи мережу макро і мікротріщин. Менш твердий матеріал периферійної частини 8 породоруйнівних елементів 4-6 руйнує породу і великі частки шламу, а алмази матриці 2 безпосередньо завершують процес руйнування породи. Передруйнування породи супроводжується малими витратами потужності за рахунок утворення східцевої форми зони передруйнування протягом усього періоду роботи інструмента. Завдяки вибору згаданих параметрів частки зруйнованої породи зменшеного розміру за допомогою промивної рідини через промивні пази 3 виносяться на поверхню свердловини, тому виключається поява великого шламу, що може скопичуватися в зазорі між алмазами матриці 2, а тому і можливість приладів коронки. Якщо зносостійкість матеріалу центральної частини 7 породоруйнівних елементів 4-6 буде перевищувати зносостійкість матеріалу 9 матриці 2 більше ніж у 3,5÷3,9 разу, а зносостійкість матеріалу периферійної частини 8 кожного породоруйнівного елемента буде перевищувати зносостійкість матеріалу 9 матриці 2 менше ніж у 1,1÷1,3 разу, зношування найбільш твердого матеріалу центральної частини 7 породоруйнівних елементів 4-6 буде відбуватися значно повільніше, ніж менш твердого матеріалу периферійної частини 8 породоруйнівних елементів 4-6, і зазор між цими двома поверхнями породоруйнівних елементів 4-6 буде значним і великі частки шламу будуть відразу попадати на поверхню матеріалу 9 матриці 2 та піддавати його катастрофічному зношуванню. b 96692 8 У випадку, якщо зносостійкість матеріалу центральної частини 7 кожного породоруйнівного елемента буде перевищувати зносостійкість матеріалу 9 матриці 2 менше ніж у 3,5÷3,9 разу, а зносостійкість матеріалу периферійної частини 8 кожного породоруйнівного елемента буде перевищувати зносостійкість матеріалу 9 матриці 2 більше ніж у 1,1÷1,3 разу, зазори будуть недостатніми і великі частки шламу будуть накопичуватися під торцем матеріалу 9 матриці 2, створюючи зашламування, що призведе до припалу матриці 2. Зони перекриття породоруйнівних елементів 4-6 повинні забезпечувати постійний процес оголення всіх трьох матеріалів (центральної і периферійної частини 7, 8 породоруйнівних елементів 4-6 і матеріалу 9 матриці 2). Це досягається найбільшою мірою в тому випадку, якщо величина перекриття «b» між породоруйнівними елементами, розміщеними у свердловинній 5 або керноутворюючій 6 частині секторів, і породоруйнівними елементами 4, розміщеними в центральній частині секторів буде відповідати співвідношенню 0,161,19 (п. 2 формули). У випадку, якщо співвідношення буде менше 0,16, то подрібнювання часток породи матеріалом периферійної частини 8 породоруйнівних елементів 4-6 буде незначним, основне навантаження прийме на себе матеріал 9 матриці 2, що в деяких випадках може призвести до утворення кільцевих канавок і, як наслідок, до передчасного виходу інструмента з ладу. Якщо означене співвідношення буде більше 1,19, то значна частина площі контакту торця матриці 2 з породою буде перекрита більше зносостійким матеріалом центральної частини 7, ніж матеріал 9 матриці 2, і для того, щоб відбувалося оголення матеріалу породоруйнівних елементів 4-6, необхідно буде прикладати додаткові зусилля, а це може призвести при бурінні особливо твердих порід до підвищення витрати потужності на буріння і скривлення бурильних труб. Максимальна ріжуча здатність бурової коронки при мінімальних енергетичних витратах буде забезпечена при дотриманні додаткових умов відповідно до п. 2 формули, оскільки вони спрямовані на перерозподіл навантажень між породоруйнівними елементами 5-6, розміщеними у свердловинній або керноутворюючій частині секторів і породоруйнівними елементами 4, розміщеними в центральній частині секторів. При наявності в центральній частині секторів матриці 2 коронки більшої кількості породоруйнівних елементів 4 знижується питоме навантаження на один породоруйнівний елемент і зменшується його зношування в порівнянні із зношуванням породоруйнівних елементів 5-6, розміщених у свердловинній або керноутворюючій частині секторів. У результаті цього породоруйнівні елементи 5-6, що розміщені у свердловинній або керноутворюючій частині секторів, зношуються ненабагато швидше породоруйнівних елементів 4, що розміщені в центральній частині секторів, внаслідок чого утворюється клиноподібна форма профілю матриці 2, що дозволяє більш ефективно передруйнувати моноліт породи. 9 При дотримуванні умов згідно з п. 3 формули, коли кількість породоруйнівних елементів 4, що знаходяться в центральній частині секторів в однаковому ступені перевищує кількість породоруйнівних елементів, що знаходяться як у свердловинній 6, так і у керноутворюючій частині 5 секторів, кількість яких однакова, при цьому загальна кількість породоруйнівних елементів 4-6 у коронці визначається за наступною залежністю: k=1,5n-2, Комп’ютерна верстка Л. Купенко 96692 10 де: k - загальна кількість породоруйнівних елементів 4-6, розміщених в центральній, свердловинній та керноутворюючій частині секторів, шт.; n - кількість секторів у коронці, яка повинна бути парною, шт.; бурова коронка зношуватиметься більш рівномірно, без утворення кільцевих канавок як по зовнішньому, так і внутрішньому діаметрам, і тим самим стає можливим уникнути підвищення витрат потужності. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601