RU2373370C2 - Diamond drill bit - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: this invention refers to the drilling technologies and is intended to be used as the diamond bits and diamond crowns armoured with the synthetic and natural diamonds for the well-drilling. Drill bit including the body and the diamond-containing matrix with the end impregnated and undercut external and internal layers, armoured with the diamonds of different size watercourses into the operation sectors. The bit is located in the end impregnated and undercut external and internal layers, the diamonds of the smaller size additionally are uniformly located between the diamonds if the bigger size, and the linear dimension of the smaller diamond grain in the undercut and impregnated layers is the same and is 0.2-0.3 of the size of the big diamond grain. Impregnated layer of the matrix in the plan along the radius is divided for three areas of identical width, and the concentration of additional diamonds of the smaller size in the undercut layer, within the areas adjoining to the internal, middle and external diametre of the bit is in the proportion of 1.5:1.5:1.0:1.5 respectively. Compression resistance of the diamonds of the smaller size is equal or is less than the resistance of the diamonds of the bigger size in the undercut layer.

EFFECT: improvement of the resistance of the diamond bit and mechanical drilling velocity.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике и предназначено для использования в качестве алмазных коронок и долот, армированных синтетическими или природными алмазами, для бурения скважин.The invention relates to drilling equipment and is intended for use as diamond crowns and bits reinforced with synthetic or natural diamonds for drilling wells.

Известна алмазная буровая коронка, содержащая корпус и разделенную промывочными каналами на рабочие сектора алмазосодержащую матрицу с равномерным распределением алмазов одинаковой прочности в секторе (см. США патент 3112803, 175-329, приоритет 02.01.1962 г.).A well-known diamond drill bit containing a housing and a diamond-containing matrix divided by flushing channels into working sectors with a uniform distribution of diamonds of the same strength in the sector (see US patent 3112803, 175-329, priority 02/01/1962).

Недостатком этой буровой коронки являются сложная технология изготовления и то, что при бурении происходит зашлифование и повышенный износ внутренней и наружной поверхности рабочего торца, что приводит к снижению механической скорости бурения коронкой и преждевременному снятию ее с эксплуатации.The disadvantage of this drill bit is the complicated manufacturing technology and the fact that during drilling, grinding and increased wear of the inner and outer surfaces of the working end occur, which leads to a decrease in the mechanical drilling speed of the crown and its premature decommissioning.

Наиболее близким аналогом к заявленному техническому решению является описание в патенте на изобретение СССР №594291, М. Кл. Е21B 10/46, 1978 г. - алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с импрегнированным и подрезным слоями, армированную алмазами различного размера, разделенную промывочными каналами на рабочие сектора, в которой в известной мере устранены указанные выше недостатки.The closest analogue to the claimed technical solution is the description in the patent for the invention of the USSR No. 594291, M. Kl. E21B 10/46, 1978 - a diamond drill bit, comprising a body and a diamond-containing matrix with impregnated and cutting layers, reinforced with diamonds of various sizes, divided by washing channels into working sectors, which to a certain extent eliminated the above disadvantages.

Недостатком этой конструкции коронки является повышенный износ подрезного слоя и участков матрицы по внутреннему и наружному диаметрам коронки, что приводит при бурении к снижению механической скорости и стойкости этого инструмента.The disadvantage of this design of the crown is the increased wear of the undercut and matrix sections along the inner and outer diameters of the crown, which leads to a decrease in the mechanical speed and durability of this tool during drilling.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение эксплуатационной стойкости алмазной коронки и механической скорости бурения ее за счет более рационального размещения в рабочем секторе коронки алмазов с учетом их размеров, прочности и концентрации.The proposed technical solution is aimed at increasing the operational stability of the diamond crown and its mechanical drilling speed due to a more rational placement of diamonds in the working sector of the crown, taking into account their size, strength and concentration.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в алмазной буровой коронке, включающей корпус и алмазосодержащую матрицу с торцевым импрегнированным и подрезными наружным и внутренним слоями, армированными алмазами различного размера, разделенную промывочными каналами на рабочие сектора в торцевом импрегнированном и подрезных наружном и внутреннем слоях, алмазы меньшего размера дополнительно равномерно размещены между алмазами большего размера, при этом линейный размер мелкого алмазного зерна в подрезных и импрегнированных слоях одинаков и составляет 0,2÷0,3 размера крупного алмазного зерна в подрезном слое, а импрегнированный слой матрицы в плане по радиусу коронки разбит на три участка одинаковой ширины, причем концентрация дополнительных алмазов меньшего размера в подрезном слое, на участках, прилегающих к внутреннему, среднему и наружному диаметрам коронки, находится в пропорции 1,5:1,5:1,0:1,5 соответственно, а прочность на сжатие алмазов меньшего размера равна или меньше прочности алмазов большего размера.The solution to this problem is ensured by the fact that in a diamond drill bit, comprising a body and a diamond-containing matrix with end impregnated and cutting outer and inner layers, reinforced with diamonds of various sizes, divided by washing channels into working sectors in the end impregnated and cutting outer and inner layers, smaller diamonds sizes are additionally evenly placed between larger diamonds, while the linear size of the fine diamond grains in the cutting and impregnated layers it is the same and amounts to 0.2–0.3 of the size of large diamond grains in the cutting layer, and the impregnated layer of the matrix in terms of radius of the crown is divided into three sections of the same width, and the concentration of additional diamonds of a smaller size in the cutting layer, in areas adjacent to the inner, middle and outer diameters of the crown is in the ratio of 1.5: 1.5: 1.0: 1.5, respectively, and the compressive strength of smaller diamonds is equal to or less than the strength of larger diamonds.

Благодаря тому, что в импрегнированном и подрезном слоях алмазы меньшего размера дополнительно равномерно размещены между алмазами большего размера, при этом линейный размер мелкого алмазного зерна составляет 0,2÷0,3 размера крупного алмазного зерна, в подрезном слое при бурении зернами меньшего размера обеспечивается образование зоны предразрушения в горной породе по всей поверхности контакта рабочего сектора коронки с горной породой и улучшаются условия работы алмазных зерен большего размера, вследствие чего они проникают в породу на заданную глубину и регулируют глубину резания алмазами меньшего размера. Это способствует повышению эффективности разрушения горной породы и увеличению механической скорости бурения коронок.Due to the fact that in the impregnated and undercut layers, smaller diamonds are additionally evenly placed between larger diamonds, while the linear size of small diamond grains is 0.2–0.3 large coarse grains, in the undercut layer when drilling with smaller grains pre-fracture zones in the rock over the entire contact surface of the working sector of the crown with the rock and improve the working conditions of larger diamond grains, as a result of which they penetrate into the rock and a given depth and regulate the depth of cut with smaller diamonds. This helps to increase the efficiency of the destruction of the rock and increase the mechanical speed of drilling crowns.

При больших значениях соотношения 0,2÷0,3 улучшение условий выноса разрушенной породы из-под торца работающей коронки не наблюдается, а при меньшем значении этого соотношения происходит повышенный износ секторов коронки.With large values of the ratio of 0.2 ÷ 0.3, an improvement in the conditions for the removal of the destroyed rock from under the end face of the working crown is not observed, and with a lower value of this ratio, increased wear of the crown sectors occurs.

Вследствие того, что импрегнированный слой матрицы в плане по радиусу коронки разбит на три участка одинаковой ширины, причем концентрация дополнительных алмазов меньшего размера в подрезном слое, на участках, прилегающих к внутреннему, среднему и наружному диаметрам коронки, находится в пропорции 1,5:1,5:1,0:1,5 соответственно, значительно повышаются износостойкость подрезного слоя и участков, прилегающих к внутреннему, среднему и наружному диаметрам коронки, и вся поверхность сектора становится равноизнашиваемой, что обуславливает повышение эксплуатационной стойкости и механической скорости бурения.Due to the fact that the impregnated matrix layer in terms of the radius of the crown is divided into three sections of the same width, the concentration of additional smaller diamonds in the cutting layer in the areas adjacent to the inner, middle and outer diameters of the crown is in the ratio of 1.5: 1 , 5: 1.0: 1.5, respectively, significantly increases the wear resistance of the undercut layer and the areas adjacent to the inner, middle and outer diameters of the crown, and the entire surface of the sector becomes equally worn, which leads to higher The operational stability and mechanical drilling speed.

При большем значении соотношения 1,5:1,5:1,0:1,5 наблюдается зашлифование и повышенный износ коронки, при меньшем значении этого соотношения происходит повышенный износ участков, прилегающих к внутреннему, среднему и наружному диаметрам коронки, а также подрезного слоя ее.With a larger value of the ratio of 1.5: 1.5: 1.0: 1.5, grinding and increased wear of the crown is observed, with a lower value of this ratio, increased wear of the areas adjacent to the inner, middle and outer diameters of the crown, as well as the cutting layer her.

Благодаря тому, что прочность на сжатие алмазов меньшего размера равна или меньше прочности алмазов большого размера в подрезном слое, устойчиво и стабильно формируется зона предразрушения, возникают благоприятные условия выноса из-под рабочего торца разрушенного шлама и не возникает негативное явление - повышение коэффициента трения при бурении в твердых породах. Все это обуславливает повышение механической скорости бурения и ресурса коронки.Due to the fact that the compressive strength of smaller diamonds is equal to or less than the strength of large diamonds in the cutting layer, a pre-fracture zone is formed steadily and stably, favorable conditions arise for the removal of destroyed sludge from under the working end and there is no negative phenomenon - an increase in the friction coefficient during drilling in hard rocks. All this leads to an increase in the mechanical drilling speed and crown resource.

Алмазная буровая коронка показана на фиг.1, 2, 3, где фиг.1 - продольный разрез коронки по А-А, фиг.2 - горизонтальная проекция коронки, а на фиг.3 - схема размещения алмазных зерен в рабочем секторе В коронки.The diamond drill bit is shown in FIGS. 1, 2, 3, where FIG. 1 is a longitudinal section of the crown according to AA, FIG. 2 is a horizontal projection of the crown, and FIG. 3 is a layout of diamond grains in the working sector B of the crown.

Алмазная буровая коронка состоит из корпуса 1, алмазосодержащей матрицы 2 с торцевым импрегнированным слоем 3, с подрезным наружным слоем 4 и подрезным внутренним слоем 5, разделенной промывочными каналами 6 на рабочие сектора 7, разбитые на три участка одинаковой ширины - участок 8, прилегающий к наружному диаметру коронки Д_н, участок 9, прилегающий к среднему диаметру коронки, и участок 10, прилегающей к внутреннему диаметру коронки Д_в. В подрезном наружном слое 4 и подрезном внутреннем слое 5 расположены алмазы большого размера 11 и меньшего размера 12, а в торцовом импрегнированном слое 3 расположены алмазы большого размера 13 и алмазы меньшего размера 12.The diamond drill bit consists of a housing 1, a diamond-containing matrix 2 with an end impregnated layer 3, with an undercut outer layer 4 and an undercut inner layer 5, divided by washing channels 6 into working sectors 7, divided into three sections of the same width - section 8 adjacent to the outer the diameter of the crown D _n , section 9 adjacent to the average diameter of the crown, and section 10 adjacent to the inner diameter of the crown D _in . In the undercut outer layer 4 and undercut inner layer 5, large diamonds 11 and smaller 12 are located, and in the end impregnated layer 3 are large diamonds 13 and smaller diamonds 12.

Алмазная буровая коронка работает следующим образом: при создании осевого и окружного усилий происходит разрушение горной породы алмазной буровой коронкой, при этом промывочная жидкость внутри корпуса 1 проходит, касаясь матрицы 2 через промывочные каналы 6 под рабочий сектор 7, омывает его с торца и с боков и вследствие возникновения и развития клинового эффекта от разницы диаметров алмазных зерен полностью выносит разрушенные частицы с забоя в том числе и крупные, что исключает возможность вторичного измельчения их.A diamond drill bit works as follows: when creating axial and circumferential forces, rock is destroyed by a diamond drill bit, while the flushing fluid inside the housing 1 passes by touching the matrix 2 through the flushing channels 6 under the working sector 7, it is washed from the end and from the sides and due to the appearance and development of a wedge effect from the difference in the diameters of diamond grains, it completely removes the destroyed particles from the bottom including large ones, which excludes the possibility of their secondary grinding.

Благодаря такому выполнению алмазной буровой коронки осевые и окружные усилия, передаваемые на нее, обеспечивают эффективное разрушение горной породы и ее удаление с забоя при минимальном износе рабочей части коронки.Due to this embodiment of the diamond drill bit, the axial and circumferential forces transmitted to it ensure effective rock destruction and its removal from the bottom with minimal wear on the working part of the crown.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения заключается в повышенной эксплуатационной стойкости и механической скорости бурения горных пород.The technical and economic efficiency of the proposed technical solution lies in the increased operational stability and mechanical speed of rock drilling.

Экономический эффект на одну коронку диаметром 76 мм составляет 2000 руб.The economic effect on one crown with a diameter of 76 mm is 2000 rubles.

Claims (2)

1. Алмазная буровая коронка, включающая корпус и алмазосодержащую матрицу с торцевым импрегнированным и подрезными наружным и внутренним слоями, армированными алмазами различного размера, разделенную промывочными каналами на рабочие сектора, отличающаяся тем, что в торцевом импрегнированном и подрезных наружном и внутреннем слоях алмазы меньшего размера дополнительно равномерно размещены между алмазами большого размера, при этом линейный размер мелкого алмазного зерна в подрезных и импрегнированных слоях одинаков и составляют 0,2-0,3 размера крупного алмазного зерна в подрезном слое, а импрегнированный слой матрицы в плане по радиусу коронки разбит на три участка одинаковой ширины, причем концентрация дополнительных алмазов меньшего размера в подрезном слое, на участках, прилегающих к внутреннему, среднему и наружному диаметрам коронки находится в пропорции 1,5:1,5:1,0:1,5 соответственно.1. Diamond drill bit, comprising a housing and a diamond-containing matrix with an end impregnated and cutting outer and inner layers reinforced with diamonds of various sizes, divided by flushing channels into working sectors, characterized in that in the end impregnated and cutting outer and inner layers, smaller diamonds are additionally evenly placed between large diamonds, while the linear size of the fine diamond grain in the cutting and impregnated layers is the same and is 0.2-0.3 the size of the large diamond grain in the cutting layer, and the impregnated layer of the matrix in terms of radius of the crown is divided into three sections of the same width, and the concentration of additional diamonds of smaller size in the cutting layer, in areas adjacent to the inner, middle and outer diameters of the crown is in the proportion 1 5: 1.5: 1.0: 1.5, respectively. 2. Коронка по п.1, отличающаяся тем, что прочность на сжатие алмазов меньшего размера равна или меньше прочности алмазов большего размера в подрезном слое. 2. The crown according to claim 1, characterized in that the compressive strength of smaller diamonds is equal to or less than the strength of larger diamonds in the cutting layer.

Images