RU2303119C1 - Crown bit - Google Patents

Abstract

FIELD: rock-cutting tool, particularly crown bits for expendable well drilling.

SUBSTANCE: drilling crown comprises body and diamondiferous matrix fastened to the body and divided into several sectors with grooves. The sectors are reinforced with wear-resistant cylindrical inserts made of synthetic diamonds having different diameters. The inserts are arranged in central part of each sector along a circle having predetermined diameter. Insert diameters decrease in peripheral direction.

EFFECT: decreased power inputs for rock cutting during the whole tool operation life, increased efficiency of mud removal from zone to be treated and, as a result, improved rock-cutting ability along with penetration speed increase.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, а именно к буровым коронкам, и может быть использовано при бурении геологоразведочных скважин.The invention relates to a rock cutting tool, namely to drill bits, and can be used when drilling exploration wells.

Известна алмазная буровая коронка (см. авт. св. СССР №1417526, МПК 4 Е21В 10/48, 1984 г.), содержащая корпус с алмазоносной матрицей в виде кольца, поперечное сечение которого выполнено в виде клина с выпуклыми по дуге окружности боковыми поверхностями, у вершины которого закреплены износостойкие вставки в виде части кольца, ось которого совпадает с осью матрицы, разделенной промывочными пазами на секторы.A well-known diamond drill bit (see ed. St. USSR No. 1417526, IPC 4 Е21В 10/48, 1984), containing a body with a diamond-bearing matrix in the form of a ring, the cross section of which is made in the form of a wedge with side surfaces convex along an arc of a circle , at the top of which wear-resistant inserts are fixed in the form of a part of the ring, the axis of which coincides with the axis of the matrix, divided by washing grooves into sectors.

Известна также буровая коронка (авт. св. СССР №1458547, МПК 4 Е21В 10/48, опубл. 15.02.89, Бюл. №6), которая содержит корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные вставками с различными прочностью и концентрацией алмазов на вставках из сверхтвердого материала, размещенными на внутренней и наружной поверхности сектора с выходом на рабочий торец коронки.Also known is a drill bit (ed. St. USSR No. 1458547, IPC 4 Е21В 10/48, publ. 02.15.89, Bull. No. 6), which contains a housing with a diamond-bearing matrix, divided by washing grooves into sectors reinforced with inserts with different strengths and the concentration of diamonds on the inserts of superhard material placed on the inner and outer surfaces of the sector with access to the working end of the crown.

Известна также наиболее близкая по технической сути к заявляемой буровая коронка (см. патент Украины №4403, МПК 7 Е21В 10/48, опубл. 17.01.05, Бюл. №1), содержащая корпус с алмазоносной матрицей, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные наклонно установленными к торцу корпуса и выступающими относительно него цилиндрическими резцами из синтетических алмазов, в которой цилиндрические резцы наклонены к торцу матрицы таким образом, что диагональная плоскость, проходящая через диаметрально противоположные точки оснований цилиндра резца и делящая его пополам, совпадает с торцевой плоскостью матрицы, оптимальным при этом будет, если размер алмазов в матрице составляет 0,07...0,14 диаметра резца, а площадь контактной поверхности сектора матрицы в 1,8...2,4 раза больше суммарной площади контактной поверхности резцов в секторе.Also known is the closest in technical essence to the claimed drill bit (see patent of Ukraine No. 4403, IPC 7 ЕВВ 10/48, publ. 01/17/05, Bull. No. 1), containing a body with a diamond-bearing matrix, divided by washing grooves into sectors, reinforced with cylindrical cutters made of synthetic diamonds inclined towards the end of the body and protruding relative to it, in which the cylindrical cutters are inclined towards the end of the matrix so that the diagonal plane passing through diametrically opposite points of the base of the cylinder cuts and dividing it in half, coincides with the end plane of the matrix, it will be optimal if the size of diamonds in the matrix is 0.07 ... 0.14 diameter of the cutter, and the contact surface area of the matrix sector is 1.8 ... 2, 4 times the total area of the contact surface of the incisors in the sector.

Недостатки описанных буровых коронок заключаются в большой энергоемкости процесса предразрушения породы на протяжении всего периода работы инструмента из-за недостаточно продуманной схемы расположения резцов в матрице и неотработанности выбора размеров площадей контактных поверхностей секторов матрицы по отношению к площади контактной поверхности каждого резца в секторе, что приводит к снижению эффективности разрушающей способности буровой коронки и понижению механической скорости бурения.The disadvantages of the described drill bits are the high energy intensity of the rock prefracturing process over the entire period of the tool operation due to the insufficiently thought out arrangement of the cutters in the matrix and the inability to select the sizes of the contact surfaces of the sectors of the matrix in relation to the contact surface of each cutter in the sector, which leads to reducing the effectiveness of the destructive ability of the drill bit and lowering the mechanical drilling speed.

В основу изобретения поставлена задача такого усовершенствования буровой коронки, при котором за счет размещения вставок в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра с уменьшением диаметров вставок в окружном направлении с соблюдением предлагаемых параметров обеспечивается возможность снижения энергоемкости процесса предразрушения породы на протяжении всего периода работы инструмента, при этом обеспечивается наиболее эффективный вынос шлама из зоны отработки и, как следствие, обеспечивается повышение разрушающей способности буровой коронки с одновременным повышением механической скорости бурения.The basis of the invention is the task of such an improvement of the drill bit, in which by placing the inserts in the central part of each sector on the circumference of the same diameter with a decrease in the diameters of the inserts in the circumferential direction, observing the proposed parameters, it is possible to reduce the energy consumption of the rock pre-fracture process over the entire period of operation of the tool, this ensures the most effective removal of sludge from the mining zone and, as a result, increases the destruction retaining ability of the drill bit while increasing ROP.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в буровой коронке, состоящей из корпуса и закрепленной на нем алмазоносной матрицы, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные износостойкими цилиндрическими вставками из синтетических алмазов, имеющими разный диаметр, согласно изобретению вставки размещены в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра, а диаметры вставок уменьшаются в окружном направлении, при этом площади оснований вставок большего и меньшего диаметров составляют, соответственно, 1/35-1/130 часть площади поверхности каждого сектора; расстояние набегающей кромки вставки от набегающей кромки сектора определяется по формулеThe problem is solved due to the fact that in the drill bit, consisting of a body and a diamond-bearing matrix fixed on it, divided by flushing grooves into sectors reinforced by wear-resistant cylindrical inserts of synthetic diamonds having different diameters, according to the invention, the inserts are placed in the center of each sector on a circle one diameter, and the diameters of the inserts are reduced in the circumferential direction, while the base areas of the inserts of larger and smaller diameters are, respectively, 1 / 35-1 / 130 part of the surface area of each sector; the distance of the rising edge of the insert from the rising edge of the sector is determined by the formula

где l_i - расстояние набегающей кромки вставки от набегающей кромки сектора, мм;where l _i is the distance of the incident edge of the insert from the incident edge of the sector, mm;

d₁ - диаметр основания первой вставки, мм;d ₁ - the diameter of the base of the first insert, mm;

n_i - порядковый номер устанавливаемой вставки, начиная от первой;n _i - serial number of the installed insert, starting from the first;

величина выступания каждой вставки относительно поверхности сектора матрицы определяется по следующей зависимости:the size of the protrusion of each insert relative to the surface of the matrix sector is determined by the following relationship:

h_i=0,2·d_i±0,1,h _i = 0.2 · d _i ± 0.1,

где h_i - величина выступания вставки над поверхностью матрицы, мм;where h _i - the size of the protrusion of the insert above the surface of the matrix, mm;

d_i - радиус устанавливаемой вставки, мм.d _i is the radius of the insert, mm.

Причинно-следственная связь между предлагаемой совокупностью признаков и достигаемыми при ее реализации техническими эффектами состоит в следующем.A causal relationship between the proposed set of features and the technical effects achieved through its implementation is as follows.

В процессе бурения вставки, выступающие над поверхностью секторов алмазоносной матрицы, под действием осевой нагрузки создают в разбуриваемом массиве породы зону предразрушения, а алмазы, находящиеся на поверхности матрицы, уже в несколько облегченных условиях работают по предразрушенной породе и завершают процесс разрушения. Частицы разрушенной породы затем с помощью промывочной жидкости выносятся на поверхность скважины. Предразрушение породы должно сопровождать процесс бурения на протяжении всего периода работы инструмента. Это возможно в полной мере тогда, когда вставки увеличивающегося диаметра в направлении вращения буровой коронки размещены в центральной части каждого сектора на одной окружности. При работе предлагаемой буровой коронки образуется ступенчатая форма зоны предразрушения породы. Так, вставка большего диаметра создает зону предразрушения в породе вглубь и в ширину, а следующие за ней вставки меньших диаметров увеличивают зону предразрушения поступательно вглубь массива породы. Накладывание таких процессов предразрушения друг на друга позволяет снизить энергоемкость процесса предразрушения породы. Кроме того, при работе предлагаемой буровой коронки из-за убывания размера вставок образуется каплевидная форма потока промывочной жидкости под торцем матрицы, вследствие чего снижается коэффициент трения частиц шлама при контакте со вставками. Таким образом, обеспечивая создание ступенчатой зоны предразрушения за счет предлагаемого выбора диаметра вставок с одновременным более эффективным охлаждением, алмазам, закрепленным на поверхности секторов матриц, остается только завершить разрушение ослабленной от воздействия вставок породы. Максимальная разрушающая способность буровой коронки при минимальных энергетических затратах будет обеспечена при соблюдении дополнительных условий в соответствии с п.п.2-4 формулы, поскольку они направлены на оптимальный выбор соотношения размеров зоны предразрушения и зоны контакта алмазоносной матрицы с породой. При этом шлам под торцом матрицы будет небольших размеров и в незначительном количестве, что облегчает работу алмазам матрицы. Они окончательно разрушают предразрушенную породу без дополнительных на это усилий и увеличения мощности.During drilling, the inserts protruding above the surface of the diamondiferous matrix sectors, under the action of axial loading, create a pre-fracture zone in the rock mass to be drilled, and the diamonds located on the matrix surface, already in somewhat lightened conditions, work on the pre-fractured rock and complete the fracture process. The particles of the destroyed rock are then carried out to the surface of the borehole with a flushing fluid. Pre-fracture of the rock should accompany the drilling process throughout the entire period of operation of the tool. This is fully possible when inserts of increasing diameter in the direction of rotation of the drill bit are placed in the central part of each sector on one circle. When the proposed drill bit is formed, a stepped form of the rock pre-fracture zone is formed. Thus, an insert of a larger diameter creates a pre-fracture zone in the rock in depth and in width, and subsequent inserts of smaller diameters increase the pre-fracture zone progressively into the rock mass. The superposition of such prefracture processes on one another allows one to reduce the energy consumption of the prefracture process of the rock. In addition, during the operation of the proposed drill bit due to a decrease in the size of the inserts, a drop-shaped form of the flow of washing liquid under the end face of the matrix is formed, as a result of which the coefficient of friction of the particles of the sludge in contact with the inserts decreases. Thus, ensuring the creation of a stepped prefracture zone due to the proposed choice of insert diameter with simultaneous more efficient cooling, diamonds fixed on the surface of the matrix sectors can only complete the destruction weakened from the influence of the rock inserts. The maximum destructive ability of the drill bit with minimal energy costs will be ensured if additional conditions are met in accordance with paragraphs 2-4 of the formula, since they are aimed at the optimal choice of the ratio of the sizes of the prefracture zone and the contact zone of the diamondiferous matrix with the rock. In this case, the slurry under the end of the matrix will be small in size and in small quantities, which facilitates the work of the matrix diamonds. They finally destroy the pre-destroyed rock without additional efforts and increase in power.

На чертежах проиллюстрирована предлагаемая буровая коронка: на фиг.1 представлен вид со стороны рабочего торца, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1 (повернуто) в увеличенном масштабе.The drawings illustrate the proposed drill bit: figure 1 shows a view from the side of the working end, figure 2 - section aa in figure 1 (rotated) on an enlarged scale.

Буровая коронка содержит корпус 1 с алмазоносной матрицей 2, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные цилиндрическими вставками 3, имеющими разный диаметр, при этом вставки 3 размещены в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра, а диаметры d₁ вставок 3 уменьшаются в окружном направлении от набегающей части сектора, площади оснований вставок 3 большего и меньшего диаметров составляют, соответственно 1/35-1/130 часть площади поверхности каждого сектора; расстояние набегающей кромки вставки 3 от набегающей кромки сектора определяется по формулеThe drill bit contains a housing 1 with a diamond matrix 2, divided by flushing grooves into sectors reinforced by cylindrical inserts 3 having different diameters, while inserts 3 are placed in the central part of each sector on a circle of the same diameter, and the diameters d _{1 of the} inserts 3 are reduced in the circumferential direction from the incident part of the sector, the base area of the inserts 3 of larger and smaller diameters are, respectively, 1 / 35-1 / 130 of the surface area of each sector; the distance of the incident edge of the insert 3 from the incident edge of the sector is determined by the formula

где l_i - расстояние набегающей кромки вставки 3 от набегающей кромки сектора, мм;where l _i is the distance of the incident edge of the insert 3 from the incident edge of the sector, mm;

d₁ - диаметр основания первой вставки 3, мм;d ₁ - the diameter of the base of the first insert 3, mm;

n_i - порядковый номер устанавливаемой вставки 3, начиная от первой; величина выступания каждой вставки 3 относительно поверхности сектора матрицы 2 определяется по следующей зависимости:n _i - serial number of the installed insert 3, starting from the first; the protrusion of each insert 3 relative to the surface of the sector of the matrix 2 is determined by the following relationship:

h_i=0,2·d_i±0,1,h _i = 0.2 · d _i ± 0.1,

где: h_i - величина выступания вставки 3 над поверхностью матрицы 2, мм;where: h _i - the size of the protrusion of the insert 3 above the surface of the matrix 2, mm;

d_i - радиус устанавливаемой вставки 3, мм.d _i - radius of the installed insert 3, mm.

Предлагаемая буровая коронка работает следующим образом.The proposed drill bit works as follows.

При бурении осевая нагрузка и крутящий момент передаются на секторы алмазоносной матрицы 2 коронки и через нее на вставки 3. Износостойкие цилиндрические вставки 3, выступающие над алмазоносной матрицей 2, участвуют в предразрушении породы, создавая сеть макро- и микротрещин, а алмазы 4 матрицы 2 непосредственно завершают процесс разрушения породы. Предразрушение породы сопровождается малыми затратами мощности за счет образования ступенчатой формы зоны предразрушения на протяжении всего периода работы инструмента. Благодаря оптимальному выбору упомянутых параметров частицы разрушенной породы с помощью промывочной жидкости выносятся на поверхность скважины, поэтому исключается появление дополнительного шлама, который может скапливаться в зазоре между алмазами и матрицей 2, а значит, и возможность прижогов коронки.During drilling, the axial load and torque are transferred to the sectors of the diamond-bearing matrix 2 of the crown and through it to the inserts 3. Wear-resistant cylindrical inserts 3, protruding above the diamond-bearing matrix 2, participate in the pre-fracture of the rock, creating a network of macro- and microcracks, and diamonds 4 of the matrix 2 directly complete the process of destruction of the rock. Pre-fracture of the rock is accompanied by low power consumption due to the formation of a stepped form of the pre-fracture zone throughout the entire period of operation of the tool. Due to the optimal choice of the mentioned parameters, the particles of the destroyed rock are washed out to the surface of the well with the help of the flushing fluid, therefore the appearance of additional sludge that can accumulate in the gap between the diamonds and matrix 2, and, therefore, the possibility of burns of the crown.

При выборе соотношения площадей оснований вставок 3 большего и меньшего диаметров более 1/35 ширина зоны предразрушения породы под коронкой будет превышать ширину зоны контакта матрицы 2 с породой, т.е. энергия, идущая на разрушение породы, будет затрачиваться на ненужное предразрушение стенок скважины и керна. При выходе за пределы упомянутого соотношения 1/130 зона предразрушения породы не будет увеличиваться вширь, а будет локализоваться непосредственно под торцом матрицы 2 коронки, увеличивая ее только вглубь, т.к. потребуются дополнительные затраты мощности на разрушение породы по ширине забоя скважины. Выбор расстояния набегающей кромки вставки 3 от набегающей кромки сектора, определяемого по предлагаемой формуле, продиктован выбором, каждого последующего расстояния между вставками 3 большим, чем предыдущее в направлении вращения коронки, что обусловлено стабилизацией вымывания частиц шлама и исключения их скопления под торцем матрицы 2 без дополнительных затрат мощности на их переизмельчение с одновременным исключением прижогов. Выбор величины выступания вставок 3 обусловлен созданием оптимального зазора для прохождения шлама между поверхностью матрицы 2 и поверхностью забоя скважины. Если этот зазор недостаточен, то частицы шлама будут уплотняться в нем и с возрастающим усилием воздействовать на матрицу 2, катастрофически изнашивая ее. При неоправданном увеличении этого зазора частицы шлама будут вымываться из него без необходимого воздействия на матрицу 2, поэтому матрица 2 будет изнашиваться недостаточно, что приведет к слабому обнажению находящихся в ней алмазов и недостаточном их участии в окончательном разрушении породы. При выполнении предлагаемого соотношения обеспечивается такая оптимальная величина упомянутого зазора, при котором износ матрицы 2 на сотые доли процента опережает износ вставок 3.When choosing the ratio of the base areas of the inserts 3 of larger and smaller diameters more than 1/35, the width of the pre-fracture zone of the rock under the crown will exceed the width of the contact zone of matrix 2 with the rock, i.e. the energy spent on the destruction of the rock will be spent on unnecessary pre-fracture of the walls of the well and core. If you go beyond the mentioned 1/130 ratio, the pre-fracture zone of the rock will not increase in breadth, but will be localized directly under the end of the crown matrix 2, increasing it only in depth, because additional power costs for rock destruction along the bottom of the well will be required. The choice of the distance of the running edge of the insert 3 from the running edge of the sector, determined by the proposed formula, is dictated by the choice of each subsequent distance between the inserts 3 is greater than the previous one in the direction of rotation of the crown, due to the stabilization of leaching of sludge particles and the exclusion of their accumulation under the end of the matrix 2 without additional power costs for their regrinding with the simultaneous exclusion of burns. The choice of the protrusion of the inserts 3 is due to the creation of an optimal gap for the passage of sludge between the surface of the matrix 2 and the bottom surface of the well. If this gap is insufficient, then the particles of sludge will compact in it and with increasing force act on the matrix 2, catastrophically wear it. If this gap is unjustifiably increased, the sludge particles will be washed out of it without the necessary impact on the matrix 2, therefore, the matrix 2 will not wear out enough, which will lead to poor exposure of the diamonds in it and insufficient participation in the final destruction of the rock. When the proposed ratio is fulfilled, such an optimal value of the said gap is provided that the wear of the matrix 2 is hundredths of a percent ahead of the wear of the inserts 3.

Claims (4)

1. Буровая коронка, состоящая из корпуса и закрепленной на нем алмазоносной матрицы, разделенной промывочными пазами на секторы, армированные износостойкими цилиндрическими вставками из синтетических алмазов, имеющими разный диаметр, отличающаяся тем, что вставки размещены в центральной части каждого сектора на окружности одного диаметра, а диаметры вставок уменьшаются в окружном направлении.1. A drill bit consisting of a body and a diamond-bearing matrix fixed on it, divided by flushing grooves into sectors, reinforced by wear-resistant cylindrical inserts of synthetic diamonds having different diameters, characterized in that the inserts are placed in the central part of each sector on a circle of the same diameter, and the diameters of the inserts are reduced in the circumferential direction. 2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что площади оснований вставок большего и меньшего диаметров составляют соответственно 1/35-1/130 части площади поверхности каждого сектора.2. The crown according to claim 1, characterized in that the base area of the inserts of larger and smaller diameters are respectively 1 / 35-1 / 130 of the surface area of each sector. 3. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние набегающей кромки вставки от набегающей кромки сектора определяется по формуле3. The crown according to claim 1, characterized in that the distance of the incident edge of the insert from the incident edge of the sector is determined by the formula

где l_i - расстояние набегающей кромки вставки от набегающей кромки сектора, мм;where l _i is the distance of the incident edge of the insert from the incident edge of the sector, mm; d₁ - диаметр основания первой вставки, мм;d ₁ - the diameter of the base of the first insert, mm; n_i - порядковый номер устанавливаемой вставки, начиная от первой.n _i - serial number of the installed insert, starting from the first. 4. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что величина выступания каждой вставки относительно поверхности сектора матрицы определяется по следующей зависимости:4. The crown according to claim 1, characterized in that the protrusion of each insert relative to the surface of the matrix sector is determined by the following relationship: h_i=0,2·d_i±0,1,h _i = 0.2 · d _i ± 0.1, где h_i - величина выступания вставки над поверхностью матрицы, мм;where h _i - the size of the protrusion of the insert above the surface of the matrix, mm; d_i - радиус устанавливаемой вставки, мм.d _i is the radius of the insert, mm.

Images