RU195564U1 - Drill bit - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к алмазному породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, и может быть использована при бурении геологоразведочных скважин. Коронка для бурения содержит корпус с закрепленной на нем алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армирована породоразрушающими элементами в виде разных по твердости износостойких цилиндрических вставок большей твердости, чем твердость алмазоносной матрицы, при этом цилиндрические вставки меньшей твердости размещены вдоль центральной, скважинообразующей и кернообразующей линий резания на расстоянии друг от друга с образованием свободных поверхностей по всей длине алмазоносной матрицы без перекрытия торца буровой коронки, при этом в цилиндрических вставках меньшей твердости, распределенных вдоль центральной линии резания, размещены цилиндрические вставки большей твердости. Данная конструкция позволит повысить механическую скорость бурения с сохранением ресурса инструмента. 2 ил.The utility model relates to a diamond rock cutting tool, namely to drill bits, and can be used for drilling exploration wells. The drilling crown contains a housing with a diamond-bearing matrix fixed to it, divided by washing grooves into sectors, reinforced with rock cutting elements in the form of wear-resistant cylindrical inserts of different hardnesses of greater hardness than the hardness of the diamond-bearing matrix, while cylindrical inserts of lower hardness are placed along the central, bore-forming and core-forming cutting lines at a distance from each other with the formation of free surfaces along the entire length of the diamondiferous matrix without overlapping torus a drill bit, while cylindrical inserts of higher hardness are placed in cylindrical inserts of lower hardness distributed along the central cutting line. This design will increase the mechanical drilling speed while maintaining the resource of the tool. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к алмазному породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, и может быть использована при бурении геологоразведочных скважин.The utility model relates to a diamond rock cutting tool, namely to drill bits, and can be used for drilling exploration wells.

Известна алмазная буровая коронка (см. А. с. СССР №1717786, МПК4 Е21В 10/48, опубл. 07.03.1992 г., бюл. №9), которая содержит корпус и алмазоносную матрицу, разделенную промывочными пазами на секторы, оснащенные композиционными вставками, установленными на их передних гранях таким образом, что они смещены от керно- и скважинообразующих поверхностей матрицы к продольной оси сектора на величину, которая соответствует величине зерен алмазов объемного слоя матрицы.A well-known diamond drill bit (see A. S. of the USSR No. 1717786, MPK4 ЕВВ 10/48, published on 03/07/1992, bull. No. 9), which contains a housing and a diamondiferous matrix, divided by washing grooves into sectors equipped with composite inserts mounted on their front faces in such a way that they are offset from the core and bore-forming surfaces of the matrix to the longitudinal axis of the sector by an amount that corresponds to the size of the grains of diamonds of the bulk matrix layer.

Известна также буровая коронка (см. патент UA на полезную модель №43331, МПК (2006) Е21В 10/48, опубл. 10.08.2009, бюл. №15, 2009 г.), которая содержит корпус и закрепленную на нем алмазоносную матрицу, разделенную промывочными пазами на секторы, армированные породоразрушающими элементами в виде износостойких цилиндрических вставок из синтетических алмазов, размещенных в центральной, скважинообразующей и кернообразующей части секторов по схеме перекрытия, причем описанная коронка содержит основные и скалывающие секторы, которые имеют одинаковую высоту алмазосодержащих породоразрушающих элементов относительно торцевой поверхности коронки в зоне присоединительной резьбы, а алмазосодержащие породоразрушающие элементы, которыми оснащены скалывающие секторы, смещенные относительно друг друга по спирали, которая соединяет боковые поверхности алмазосодержащих породоразрушающих элементов, при этом в начале и в конце спирали алмазосодержащие породоразрушающие элементы касаются поверхностей, которые образуют внутренний и внешний диаметры алмазной буровой коронки соответственно.Also known is a drill bit (see UA patent for utility model No. 43331, IPC (2006) Е21В 10/48, published on 08/10/2009, bull. No. 15, 2009), which contains a housing and a diamond-bearing matrix mounted on it, divided by flushing grooves into sectors reinforced by rock cutting elements in the form of wear-resistant cylindrical inserts of synthetic diamonds placed in the central, bore-forming and core-forming parts of the sectors according to the overlap pattern, and the described crown contains the main and cleaving sectors that have the same height oil-containing rock-cutting elements relative to the end surface of the crown in the area of the connecting thread, and diamond-containing rock-cutting elements, which are equipped with shearing sectors, displaced relative to each other in a spiral that connects the side surfaces of diamond-containing rock-cutting elements, while at the beginning and at the end of the spiral diamond-containing rock-cutting elements touch the surfaces which form the inner and outer diameters of the diamond drill bit, respectively.

Недостатками известных буровых коронок состоят в большой энергоемкости процесса предразрушения породы в течение всего периода работы инструмента вследствие недостаточно продуманной схемы размещения породоразрушающих элементов в матрице и неопределенности взаимосвязи между величинами износостойкости составляющих материалов породоразрушающих элементов и матрицы, а также величины перекрытия между элементами, что приводит к невозможности создания зоны предразрушения на протяжении всего периода работы инструмента, вследствие чего снижается разрушающая способность буровой коронки и механическая скорость бурения.The disadvantages of the known drill bits are the high energy intensity of the rock prefracturing process during the entire period of the tool operation due to the insufficiently thought out layout of the rock cutting elements in the matrix and the uncertainty of the relationship between the wear resistance of the constituent materials of the rock cutting elements and the matrix, as well as the overlap between the elements, which makes it impossible creating a pre-fracture zone throughout the entire period of the tool’s operation, as a result of which the destructive ability of the drill bit and the mechanical drilling speed are reduced.

Наиболее близкой по технической сущности является буровая коронка (Патент RU №2478767 Е21В 10/46, опубл. 10.04.2013 г.), содержащая корпус с закрепленной на нем алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные породоразрушающими элементами в виде износостойких цилиндрических вставок из синтетических алмазов, размещенных в центральной, скважинообразующей и кернообразующей части секторов по схеме перекрытия. Недостатком известного технического решения является невозможность поддерживать заданную форму торца матрицы в процессе всего срока службы породоразрушающего инструмента. Еще одним недостатком является низкая контактная площадь разрушения горной породы, так как подобное распределение вставок не способствует формированию забоя с большей контактной поверхностью, а значит, является менее эффективным.The closest in technical essence is the drill bit (Patent RU No. 2478767 ЕВВ 10/46, published April 10, 2013), containing a body with a diamond-bearing matrix fixed to it, divided by flushing grooves into sectors reinforced by rock cutting elements in the form of wear-resistant cylindrical inserts from synthetic diamonds placed in the central, borehole and core-forming part of the sectors according to the overlap pattern. A disadvantage of the known technical solution is the inability to maintain a given shape of the end face of the matrix during the entire service life of the rock cutting tool. Another disadvantage is the low contact area of rock destruction, since such a distribution of the inserts does not contribute to the formation of a face with a larger contact surface, which means it is less effective.

Полезная модель направлена на повышение эффективности бурения геологоразведочных скважин, при использовании алмазного породоразрушающего инструмента, с повышением его ресурса использования, увеличения механической скорости бурения и снижения интенсивности искривления скважины.The utility model is aimed at increasing the efficiency of drilling exploration wells when using a diamond rock cutting tool, with increasing its resource of use, increasing the mechanical drilling speed and reducing the intensity of well bending.

Для этого коронка, содержащая корпус с закрепленной на нем алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированная породоразрушающими элементами, в виде разных по твердости износостойких цилиндрических вставок большей твердости чем твердость алмазоносной матрицы, при этом, цилиндрические вставки меньшей твердости размещены вдоль центральной, скважинообразующей и кернообразующей линий резания на расстоянии друг от друга с образованием свободных поверхностей по всей длине алмазоносной матрицы без перекрытия торца буровой коронки, при этом в цилиндрических вставках меньшей твердости, распределенных вдоль центральной линии резания, размещены цилиндрические вставки, большей твердости.For this, a crown containing a housing with a diamond-bearing matrix fixed to it, divided by washing grooves into sectors, reinforced by rock cutting elements, in the form of wear-resistant cylindrical inserts of different hardnesses of greater hardness than the hardness of the diamond-bearing matrix, while cylindrical inserts of lower hardness are placed along the central, well-forming and core-forming cutting lines at a distance from each other with the formation of free surfaces along the entire length of the diamond matrix without overlapping the end face of the drill bit, while cylindrical inserts of greater hardness are placed in cylindrical inserts of lower hardness distributed along the central cutting line.

Расстояние между цилиндрическими вставками центральной, скважинообразующей и кернообразующей частями алмазосодержащего сектора матрицы обеспечивает создание зон опережающего разрушения между ними в процессе бурения, что приведет к образованию большей свободной поверхности разрушения горной породы, увеличению контактной площади коронки с забоем скважины, что способствует достаточной производительности при умеренных осевых нагрузках, созданию и сохранению гребешкового профиля торца матрицы, с обеспечением рационального распределения напряжений под торцом инструмента, сохраняя соосность коронки со скважиной.The distance between the cylindrical inserts of the central, bore-forming and core-forming parts of the diamond-containing sector of the matrix ensures the creation of zones of leading fracture between them during drilling, which will lead to the formation of a larger free surface of rock fracture, an increase in the contact area of the crown with the bottom of the borehole, which contributes to sufficient productivity with moderate axial loads, the creation and preservation of the scallop profile of the end face of the matrix, with a rational distribution eniya stresses under the end tool, while maintaining concentricity with the bore crown.

Так же гребешковый профиль позволяет снизить искривление скважины, и способствует соосному со скважиной положению коронки на забое, без значительных поперечных перемещений и ударных воздействий на керн. Такой профиль так же позволяет создавать высокую удельную нагрузку на породу даже при малых осевых нагрузках.Also, the scallop profile allows to reduce the curvature of the well, and contributes to the position of the crown on the bottom, coaxial with the well, without significant lateral movements and impacts on the core. Such a profile also allows you to create a high specific load on the rock, even at low axial loads.

Коронки с гребешковым профилем торца матрицы рационально организуют напряжения под торцом, направляя их, прежде всего, навстречу под прямым углом в направлении от плоскостей торцевых граней, что предохраняет от излишних напряжений, разрушения керна и стенок скважины.Crowns with a scalloped profile of the end face of the matrix rationally organize stresses under the end face, directing them, first of all, towards a right angle from the planes of the end faces, which protects against excessive stresses, core damage and borehole walls.

На фигуре 1 показана схема распределения напряжений под торцом коронки с гребешковым профилем, где 1 - линии напряжений от резцов каждой грани выступа; 2 - линия суммарных напряжений.The figure 1 shows a diagram of the distribution of stresses under the end face of the crown with a comb profile, where 1 is the stress line from the cutters of each face of the protrusion; 2 - line of total stresses.

Однако в процессе бурения импрегнированной алмазной коронкой, матрица которой изготовлена из однородного материала, по мере истирания наблюдается потеря гребешкового профиля, из-за чего уменьшается площадь свободных поверхностей, а соответственно уменьшается эффективность разрушения горной породы на забое скважины.However, in the process of drilling with an impregnated diamond core, the matrix of which is made of homogeneous material, loss of the scallop profile is observed during abrasion, due to which the area of free surfaces decreases, and, accordingly, the efficiency of rock destruction at the bottom of the well decreases.

Сохранить гребешковый профиль возможно с применением специальных цилиндрических вставок повышенной твердости в торце матрицы, что и обеспечивает заявляемая буровая коронка.It is possible to save the scallop profile using special cylindrical inserts of increased hardness at the end of the matrix, which is provided by the inventive drill bit.

На фигуре 2 изображена предлагаемая алмазная коронка, содержащая корпус 3 с закрепленной на нем алмазоносной матрицей 5, разделенной промывочными пазами 4 на секторы, армированные породоразрушающими элементами в центральной части в виде цилиндрических вставок 6 и 7 большей твердости, чем исходный материал алмазоносной матрицы 5. Цилиндрические вставки 6 располагаются вдоль центральной линии резания, а также в керно- и скважинообразующих частях по периметру алмазной коронки. Цилиндрические вставки 7 располагаются в центральной части внутри расположенных там цилиндрических вставок 6.The figure 2 shows the proposed diamond crown containing a housing 3 with a diamond-bearing matrix 5 fixed thereon, divided by flushing grooves 4 into sectors reinforced by rock cutting elements in the central part in the form of cylindrical inserts 6 and 7 of greater hardness than the initial material of the diamond-bearing matrix 5. Cylindrical inserts 6 are located along the central cutting line, as well as in core and borehole parts around the perimeter of the diamond crown. Cylindrical inserts 7 are located in the central part inside the cylindrical inserts 6 located there.

При этом принимается, что твердость цилиндрических вставок 6 больше твердости исходной твердости алмазоносной матрицы 5 коронки. А твердость цилиндрических вставок 7 больше твердости цилиндрических вставок 6. Таким образом, в процессе бурения формируется ступенчатая форма торца матрицы гребешковой формы с образованием нескольких ступеней предразрушения и создания свободных поверхностей разрушения горной породы на протяжении всего срока службы инструмента.It is assumed that the hardness of the cylindrical inserts 6 is greater than the hardness of the initial hardness of the diamond-bearing matrix 5 of the crown. And the hardness of the cylindrical inserts 7 is greater than the hardness of the cylindrical inserts 6. Thus, in the process of drilling, a stepwise shape of the end face of the comb-shaped matrix is formed with the formation of several stages of prefracture and the creation of free fracture surfaces of the rock throughout the life of the tool.

Предлагаемая алмазная коронка работает следующим образом.The proposed diamond crown works as follows.

При бурении осевое усилие и крутящий момент передаются на корпус 3 и секторы алмазоносной матрицы 5 и через нее на цилиндрические вставки 6 и 7. Наиболее твердый материал цилиндрической вставки 7 закрепленный в цилиндрических вставках 6 вдоль центральной линии резания алмазоносной матрицы 5, создает зону предразрушения путем создания сети макро- и микротрещин. Менее твердые, чем цилиндрические вставки 7, цилиндрические вставки 6, расположенные вдоль центральной линии резания а также по периметру скважино- и кернообразующей поверхности алмазной коронки продолжают процесс разрушения горной породы с образованием более крупного шлама. При этом цилиндрические вставки 6 и 7 создают дополнительную свободную поверхность разрушения, увеличивают контактную площадь разрушения горной породы на забое. Алмазоносная матрица 5, имея твердость, ниже твердости цилиндрических вставок 6, непосредственно завершает процесс разрушения горной породы. При этом износ алмазосодержащей матрицы за счет ее меньшей твердости происходит с образованием гребешковой формы торца коронки на протяжении всего ресурса работы инструмента. После разрушения горная порода выносится в затрубное пространство подаваемым очистным агентом через промывочные пазы 4. Предлагаемая конструкция торца коронки содержит интегрируемые в нее цилиндрические вставки, имеющие твердость большую, чем исходный материал матрицы коронки. При бурении матрица коронки получает опережающий износ по сравнению с цилиндрическими вставками, тем самым сохраняя в процессе бурения гребешковый профиль. Кроме того, наличие цилиндрических вставок повышенной твердости позволяет осуществлять комбинированное разрушение забоя скважины, которое заключается в одновременном осуществлении как истирания-резания, так и резания-скалывания горных пород. Как известно, эффективность применения импрегнированного инструмента снижается с понижением прочностных характеристик горных пород. В этом случае, осуществление комбинированного способа разрушения забоя скважины расширяет возможности эффективного применения импрегнированного инструмента при бурении пород средней твердости, что определенно является преимуществом, так как увеличивает диапазон его применения, делая его более универсальным. Данная конструкция позволит повысить механическую скорость бурения с сохранением ресурса инструмента.During drilling, the axial force and torque are transmitted to the body 3 and the sectors of the diamondiferous matrix 5 and through it to the cylindrical inserts 6 and 7. The hardest material of the cylindrical insert 7 fixed in the cylindrical inserts 6 along the central cutting line of the diamondiferous matrix 5 creates a prefracture zone by creating networks of macro- and microcracks. Shorter than cylindrical inserts 7, cylindrical inserts 6 located along the central cutting line and along the perimeter of the borehole and core-forming surface of the diamond crown continue the process of rock destruction with the formation of a larger sludge. In this case, cylindrical inserts 6 and 7 create an additional free fracture surface, increase the contact area of rock destruction at the bottom. Diamond-bearing matrix 5, having a hardness lower than the hardness of the cylindrical inserts 6, directly completes the process of destruction of the rock. In this case, the wear of the diamond-containing matrix due to its lower hardness occurs with the formation of the scallop-shaped end face of the crown throughout the life of the tool. After the destruction of the rock is carried out into the annulus by the supplied cleaning agent through the flushing grooves 4. The proposed crown end construction includes cylindrical inserts integrable into it having a hardness greater than the initial material of the crown matrix. During drilling, the crown matrix receives anticipatory wear compared to cylindrical inserts, thereby preserving the scallop profile during drilling. In addition, the presence of cylindrical inserts of increased hardness allows for the combined destruction of the bottom of the well, which consists in the simultaneous implementation of both abrasion-cutting and cutting-chipping rocks. As you know, the effectiveness of the use of impregnated tools decreases with a decrease in the strength characteristics of rocks. In this case, the implementation of the combined method for destroying the bottom of the well expands the possibilities of effective use of the impregnated tool when drilling medium hard rocks, which is definitely an advantage, since it increases the range of its application, making it more universal. This design will increase the mechanical drilling speed while maintaining the resource of the tool.

Claims (1)

Коронка для бурения, содержащая корпус с закрепленной на нем алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированная породоразрушающими элементами в виде разных по твердости износостойких цилиндрических вставок большей твердости, чем твердость алмазоносной матрицы, отличающаяся тем, что цилиндрические вставки меньшей твердости размещены вдоль центральной, скважинообразующей и кернообразующей линий резания на расстоянии друг от друга с образованием свободных поверхностей по всей длине алмазоносной матрицы без перекрытия торца буровой коронки, при этом в цилиндрических вставках меньшей твердости, распределенных вдоль центральной линии резания, размещены цилиндрические вставки большей твердости.A drilling crown containing a housing with a diamond-bearing matrix fixed to it, divided by washing grooves into sectors, reinforced with rock cutting elements in the form of wear-resistant cylindrical inserts of different hardnesses of greater hardness than the hardness of the diamond-bearing matrix, characterized in that cylindrical inserts of lower hardness are placed along the central well-forming and core-forming cutting lines at a distance from each other with the formation of free surfaces along the entire length of the diamondiferous matrix ithout overlapping end of the drill bit, wherein a cylindrical insert of lower hardness, distributed along the central cut line has a greater hardness of the cylindrical insert.

Images