RU2377111C1 - Method of manufacture of diamont drill bit - Google Patents

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to drilling engines field, particularly to manufacturing of diamond drill bits. It is implemented turning and milling treatment of components of casing, channels for supply of washer fluid to blades, cutting edges of rock-destroying and reinforcement insertions with polycrystalline diamonds (PDC) and treatment of slots for them. There are installed into mentioned slots graphite ends, casing is heated up to temperature t_H preliminary equal to 500°C. There are welded spaces between plugs from running and front flanks of blades by abrasion-resistant alloy of type of tungsten-cobaltic. There are removed plugs after welding and cooling and there are installed instead of them insertions with PDC. There are sealed insertions at temperature not exceeding 650°C. It is implemented tempering at temperature t₀ preliminary equal to 280°C. After that all working surface of drill bit is purred, undercut and applied on it by electrochemical method high-wear-resistant composite cluster coating on the basis of chrome with microparticles of diamond of thickness up to 0.8 mm, microhardness up to 1200 kg/mm² with friction ratio less than 0.08.

EFFECT: there is increased reliability of protection of casings, blades and rock-destroying components of straight bit.

5 dwg

Description

Изобретение относится к области буровой техники и используется при производстве буровых долот с вооружением в виде поликристаллических алмазов.The invention relates to the field of drilling equipment and is used in the manufacture of drill bits with weapons in the form of polycrystalline diamonds.

Стойкость и показатели бурения алмазными долотами прямо зависят от двух показателей: способности элементов вооружения противостоять абразивному износу, а также способности наружной поверхности долота противостоять сальникообразованию. Абразивный износ вооружения приводит к снижению удельного давления на породу забоя и к уменьшению механической скорости бурения. Сальникообразование - налипание на буровое долото липких фракций буримых пород. Несмотря на десятки известных вариантов подвода промывочных каналов и различного направления струй промывочной жидкости проблема защиты бурового инструмента от сальникообразования продолжает оставаться актуальной. Для уменьшения абразивного износа элементов вооружения буровых долот и предотвращения сальникообразования применяются различные способы.The durability and performance of drilling with diamond bits directly depend on two indicators: the ability of the weapon elements to withstand abrasion, and the ability of the outer surface of the bit to resist gland formation. Abrasive wear of weapons leads to a decrease in specific pressure on the bottom rock and to a decrease in the mechanical drilling speed. Gland formation - sticking of sticky fractions of drill rocks to the drill bit. Despite dozens of well-known options for supplying flushing channels and different directions of flushing fluid jets, the problem of protecting the drilling tool from gland formation continues to be relevant. Various methods are used to reduce the abrasive wear of the weapon elements of the drill bits and prevent gland formation.

Известно алмазное долото и способ его изготовления, принятый за аналог [1]. В этом долоте защита от абразивного износа осуществляется использованием схемы установки породоразрушающих элементов со взаимным перекрытием радиуса забоя на последовательных лопастях. Кроме повышения стойкости вооружения долота, такая схема породоразрушения способствует увеличению механической скорости бурения. Предотвращение сальникообразования на режущих кромках породоразрушающих элементов и в пространствах между лопастями осуществляется с помощью специальной схемы расположения и установки промывочных узлов, обеспечивающих направление струй промывочной жидкости в каждом межлопастном пространстве, омывая непосредственно все элементы, от центра долота до его периферии.A diamond bit and a method for its manufacture, adopted as an analogue [1], are known. In this bit, protection against abrasive wear is carried out using the installation of rock cutting elements with mutual overlapping of the radius of the face on successive blades. In addition to increasing the durability of the armament of the bit, such a rock destruction scheme contributes to an increase in the mechanical drilling speed. The prevention of gland formation on the cutting edges of rock cutting elements and in the spaces between the blades is carried out using a special arrangement and installation of flushing units that ensure the direction of flushing fluid jets in each inter-blade space, washing directly all elements from the center of the bit to its periphery.

Недостатком этих способов защиты долота является то, что с помощью интенсивных промывочных струй надежно защищается от сальникообразования только нижняя, торцевая часть лопастей и межлопастного пространства, обращенная к забою. Остальная часть лопастей, межлопастного пространства и ниппельной части корпуса омывается потоками промывочной жидкости гораздо хуже, что способствует налипанию на них липких фракций буримых пород и, как следствие, снижению механической скорости бурения и проходки на долото.The disadvantage of these methods of protecting the bit is that with the help of intensive flushing jets only the lower, end part of the blades and the inter-blade space facing the bottom are reliably protected from gland formation. The rest of the blades, the inter-blade space and the nipple part of the body are washed by the washing fluid flows much worse, which contributes to the sticking of sticky fractions of drill rocks on them and, as a result, a decrease in the mechanical speed of drilling and sinking on the bit.

Известно другое алмазное долото и способ его изготовления, принятый также за аналог [2]. В этом долоте износостойкие режущие элементы выполнены в виде частей полых трубок с острыми кромками, армированными твердосплавными вставками. Разрушенная порода в виде шлама увлекается потоком промывочной жидкости внутрь полых трубок, а антисальниковая защита осуществляется смыванием корпуса и трубчатых полостей потоками жидкости с помощью целой сети дополнительных промывочных каналов. Недостаток у приведенного аналога такой же, как и у предыдущего аналога.Another diamond bit and a method for its manufacture, also accepted as an analogue, are known [2]. In this bit, wear-resistant cutting elements are made in the form of parts of hollow tubes with sharp edges reinforced with carbide inserts. Destroyed rock in the form of sludge is carried away by the flow of flushing fluid inside the hollow tubes, and the anti-gland protection is carried out by flushing the body and tubular cavities with fluid flows using a whole network of additional flushing channels. The disadvantage of this analogue is the same as that of the previous analogue.

Известно также алмазное долото и способ армирования его корпуса, принятый за прототип [3]. Способ изготовления включает армирование поверхностей лопастей, не защищенных вставками с поликристаллическими алмазами (PDC), армированием защитным покрытием в виде твердых вольфрамовых карбидов на металлосвязке. Данный способ сводится к следующим операциям. На поверхностях корпуса, подлежащих армированию, выполняют отверстия под армирующие и режущие вставки с PDC, в эти отверстия вставляют графитовые пробки, производят предварительный подогрев корпуса до температуры в пределах 400°С, производят при температуре 950-1000°С наплавку пространства между графитовыми пробками с набегающей и со сбегающей сторон лопастей смесью порошка из износостойких карбидов типа вольфрамовых на металлосвязке типа кобальтовой, удаляют графитовые пробки, на их место помещают все вставки с PDC, запаивают их припоем при температуре не более 650°С, поскольку более высокая температура при пайке оказывает влияние на прочностные свойства вставок с PDC. Затем производят отпуск при температуре около 280°С.Also known is a diamond bit and a method of reinforcing its body, adopted as a prototype [3]. The manufacturing method includes reinforcing the surfaces of blades not protected by inserts with polycrystalline diamonds (PDC), reinforcing with a protective coating in the form of hard tungsten carbides on a metal bond. This method is reduced to the following operations. Holes for reinforcing and cutting inserts with PDC are made on the surfaces of the body to be reinforced, graphite plugs are inserted into these holes, the body is preheated to a temperature within 400 ° C, and the space between the graphite plugs is surfaced at a temperature of 950-1000 ° C with a mixture of powder from wear-resistant tungsten carbides of the type tungsten carbide on the run-down and on the run-down sides on a cobalt-type metal bond, remove graphite plugs, put all the inserts with PDC in their place, seal them with solder when temperature not more than 650 ° C, since a higher temperature during soldering affects the strength properties of PDC inserts. Then produce a vacation at a temperature of about 280 ° C.

Достоинством этого способа является улучшение армирующих свойств за счет наплавки пространства между вставками с PDC твердосплавным покрытием. Однако, и у этого способа имеются недостатки. Первый из них состоит в том, что наличие мягкой металлосвязки в сплаве покрытия снижает твердость, а значит и износостойкость наплавленного слоя. Второй недостаток - малая стойкость припоя, которым фиксируется положение вставок с таблетками PDC в гнездах. Во время работы долота на забое и наплавленный слой, и припой постепенно разрушаются от абразивного износа в результате контакта с забоем и воздействия промывочной жидкости с частицами выбуренной породы. При этом вставки с PDC оголяются, что приводит к их выпадению из гнезд. Третий недостаток такой же, как и у аналогов - возможность налипания на межлопастном пространстве липких фракций буримых пород. Все указанные недостатки способствуют снижению показателей работы долота на забое скважины.The advantage of this method is the improvement of reinforcing properties due to surfacing of the space between inserts with PDC carbide coating. However, this method also has disadvantages. The first of them is that the presence of a soft metal bond in the coating alloy reduces the hardness, and hence the wear resistance of the deposited layer. The second disadvantage is the low resistance of the solder, which fixes the position of the inserts with PDC tablets in the nests. During operation, the bit on the face and the deposited layer and solder are gradually destroyed by abrasive wear as a result of contact with the face and exposure to drilling fluid with drill cuttings. In this case, inserts with PDC are exposed, which leads to their loss from the nests. The third drawback is the same as that of analogues - the possibility of sticking sticky fractions of drill rocks on the interlobed space. All these disadvantages contribute to a decrease in the performance of the bit at the bottom of the well.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности защиты корпусов, лопастей и породоразрушающих элементов долота от абразивного износа и от исключения или снижения возможности сальникообразования.The technical result of the present invention is to increase the reliability of protection of bodies, blades and rock cutting elements of the bit from abrasion and from eliminating or reducing the possibility of gland formation.

Указанный технический результат достигается применением способа изготовления алмазных буровых долот, включающего токарную и фрезерную обработку составных частей корпуса, включая каналы для подвода промывочной жидкости к лопастям и режущим кромкам породоразрушающих и армирующих элементов (вставок) с PDC, обработку гнезд под них, плотную установку в эти гнезда графитовых пробок, предварительный нагрев корпуса до температуры t_н≅500°C, наплавку пространств между пробками с набегающей и сбегающей сторон лопастей износостойким сплавом типа вольфрамокобальтового, удаление графитовых пробок после наплавки и остывания, установку вместо них вставок с PDC, запаивание вставок при температуре, не превышающей 650°С, проведение низкого отпуска при температуре t_o≅280°C. Затем всю рабочую поверхность долота очищают, подтравливают и наносят электрохимическим методом высокоизносостойкое композиционное (кластерное) покрытие на основе хрома с микрочастицами алмаза толщиной до 0,8 мм, микротвердостью до 1200 кг/мм² с низким коэффициентом трения (менее 0,08).The specified technical result is achieved by applying a method of manufacturing diamond drill bits, including turning and milling of the components of the body, including channels for supplying flushing fluid to the blades and cutting edges of rock cutting and reinforcing elements (inserts) with PDC, processing nests for them, tight installation in these graphite plug nests, pre-heating the housing to a temperature t _n ≅500 ° C, surfacing the spaces between the plugs on the upstream and downstream sides of the blades with a wear-resistant alloy of the type tungsten-cobalt, removing graphite plugs after surfacing and cooling, installing PDC inserts in their place, sealing the inserts at a temperature not exceeding 650 ° C, conducting low tempering at a temperature of t _o ≅280 ° C. Then, the entire working surface of the bit is cleaned, etched and electrochemically applied, a highly wear-resistant composite (cluster) coating based on chromium with diamond microparticles up to 0.8 mm thick, microhardness up to 1200 kg / mm ² with a low coefficient of friction (less than 0.08).

Указанное кластерное покрытие производят хромированием в электрохимических ваннах при температуре до 100°С. Физико-химические свойства покрытий зависят от режимов проведения процесса. Например, для предлагаемого способа изготовления алмазных буровых долот может быть использован любой известный способ электрохимического получения композиционных покрытий на основе хрома (например, по авторскому свидетельству №1694710, C25D 15/00 от 30.11.1991 г.) или другой известный способ кластерного покрытия (по патенту РФ №2202007, C25D 15/00 от 14.09.2001 г.) с коэффициентом трения менее 0,08. При прочной адгезии состав кластерного алмазного покрытия проникает в неровности поверхностного слоя, выравнивая их и создавая гладкий и скользкий наружный слой, плохо смачиваемый промывочным глинистым раствором. Поэтому наличие прочного кластерного алмазного покрытия резко снижает возможность сальникообразования в процессе бурения с одновременным повышением износостойкости долота.The specified cluster coating is produced by chromium plating in electrochemical baths at temperatures up to 100 ° C. Physico-chemical properties of the coatings depend on the modes of the process. For example, for the proposed method of manufacturing diamond drill bits, any known method for the electrochemical production of chromium-based composite coatings can be used (for example, according to copyright certificate No. 1694710, C25D 15/00 of November 30, 1991) or another known method of cluster coating (according to RF patent No. 2202007, C25D 15/00 of 09/14/2001) with a coefficient of friction of less than 0.08. With strong adhesion, the composition of the cluster diamond coating penetrates the roughnesses of the surface layer, leveling them and creating a smooth and slippery outer layer, poorly wetted by the wash clay. Therefore, the presence of a strong cluster diamond coating dramatically reduces the possibility of gland formation during drilling while increasing the wear resistance of the bit.

Перечень чертежей. На фиг.1 показана принятая в первом аналоге схема защищающего от абразивного износа расположения породоразрушающих элементов и противосальниковой очистки долота. На фиг.2 показана принятая в другом аналоге схема разрушения породы и противосальниковой очистки корпуса долота. На фиг.3 изображен общий вид долота-прототипа, использующего противоизносную защиту породоразрушающих элементов на лопастях. На фиг.4 показан разрез лопасти долота (фиг.3) со схемой нанесения износостойкого армирующего материала. На фиг.5 показана схема двойного покрытия лопасти по предлагаемому способу.The list of drawings. Figure 1 shows the adopted in the first analogue of the layout of the rock-cutting elements protecting against abrasive wear and anti-stuffing bit cleaning. Figure 2 shows the scheme of rock destruction and anti-oil seal cleaning of the bit body adopted in another analogue. Figure 3 shows a General view of the bit of the prototype using antiwear protection of rock-cutting elements on the blades. Figure 4 shows a section of the blade of the bit (figure 3) with a diagram of the application of wear-resistant reinforcing material. Figure 5 shows a diagram of a double coating of the blade according to the proposed method.

На фиг.1 обозначены: поз.1 - внутренняя полость; 2 - каналы в корпусе 3 для направления промывочной жидкости под углом θ, близким по величине к углу наклона взаимноперекрывающих забой резцов с PDC в центре долота (поз.4). После очистки от выбуренной породы в центральной зоне струи промывочной жидкости плавно переходят на очистку от налипающей породы предпериферийной 5 и периферийной 6 групп соответственно породоразрушающих и калибрующих вставок с PDC, a затем уже омывают стенки лопастей 7 и поверхности корпуса между лопастями 8.In Fig. 1 are indicated: pos. 1 - internal cavity; 2 - channels in the housing 3 for the direction of the flushing fluid at an angle θ close to the angle of inclination of the mutually overlapping faces of the cutters with PDC in the center of the bit (item 4). After cleaning from cuttings in the central zone of the jet of washing liquid, they smoothly switch to cleaning from sticking rocks of the pre-peripheral 5 and peripheral 6 groups of rock-cutting and calibrating inserts with PDC, respectively, and then they wash the walls of the blades 7 and the surface of the body between the blades 8.

На фиг.2 обозначены: поз.9 - износостойкие трубчатые режущие элементы; 10 - полые трубки с острыми кромками; 11 - твердосплавные вставки; 12 - сеть потоков внутрь полых трубок; 13 - сеть потоков для смывания корпуса.Figure 2 marked: pos.9 - wear-resistant tubular cutting elements; 10 - hollow tubes with sharp edges; 11 - carbide inserts; 12 - a network of flows inside hollow tubes; 13 is a network of flows for flushing the housing.

На фиг.3 обозначены: поз.14 - лопасти; 15 - породоразрушающие вставки; 16 - армирующие вставки, защищающие поверхности лопастей от износа; 17 - слой армирующей наплавки с набегающей стороны лопастей; 18 - слой армирующей наплавки со сбегающей стороны лопастей; 19 - межлопастные поверхности на корпусе; 20 - поверхности на лопастях, не защищенные от налипания сальниковых масс.Figure 3 marked: pos.14 - blades; 15 - rock cutting inserts; 16 - reinforcing inserts that protect the surfaces of the blades from wear; 17 - a layer of reinforcing surfacing on the upstream side of the blades; 18 - a layer of reinforcing surfacing on the runaway side of the blades; 19 - inter-blade surfaces on the housing; 20 - surfaces on the blades, not protected from the adhesion of the stuffing box masses.

На фиг.4 обозначены: поз.21 - продольный разрез лопасти; 22 - породоразрушающие вставки с PDC; 23 - наплавленный армирующий слой с набегающей стороны; 24 - армирующие защитные вставки с PDC; 25 - наплавленный армирующий слой со сбегающей стороны лопасти.Figure 4 marked: pos.21 - a longitudinal section of the blade; 22 - rock cutting inserts with PDC; 23 - deposited reinforcing layer on the upstream side; 24 - reinforcing protective inserts with PDC; 25 - deposited reinforcing layer on the runaway side of the blade.

На фиг.5 обозначены: поз.21-25, - как и на фиг.4. Поз.26 - слой кластерного алмазного покрытия, защищающего всю поверхность долота одновременно и от абразивного износа, и от налипания сальниковых масс при прохождении липких и вязких пород.Figure 5 marked: pos.21-25, as in figure 4. Pos.26 - a layer of cluster diamond coating that protects the entire surface of the bit at the same time from abrasive wear and from sticking of stuffing box masses when passing sticky and viscous rocks.

Применение предлагаемого способа изготовления алмазных буровых долот позволяет решить поставленную задачу - с помощью нанесения композиционного кластерного алмазного слоя резко повысить стойкость долот против абразивного износа и минимизировать или полностью исключить возможность сальникообразования.The application of the proposed method of manufacturing diamond drill bits allows you to solve the problem - by applying a composite cluster diamond layer to sharply increase the resistance of the bits against abrasive wear and minimize or completely eliminate the possibility of gland formation.

Испытания в различных регионах РФ опытных партий алмазных буровых долот, изготовленных по предлагаемому способу, полностью подтвердили высокую эффективность этого способа.Tests in various regions of the Russian Federation of pilot batches of diamond drill bits made by the proposed method fully confirmed the high efficiency of this method.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №6564866, кл. Е21В 10/00 от 20.05.2003 г. (аналог).1. US patent No. 6564866, CL. Е21В 10/00 dated 05/20/2003 (analog).

2. Патент США №6527065, кл. Е21В 10/08 от 04.03.2003 г. (аналог).2. US Patent No. 6527065, cl. ЕВВ 10/08 dated March 4, 2003 (analogue).

3. Каталог «Буровые долота. Калибраторы. Центраторы» ОАО «Волга-бурмаш», 2007 г., стр.41, 47 (прототип).3. Catalog “Drill bits. Calibrators Centralizers ”Volga-Burmash OJSC, 2007, p. 41, 47 (prototype).

Claims (1)

Способ изготовления алмазных буровых долот, включающий токарную и фрезерную обработку составных частей корпуса, каналов для подвода промывочной жидкости к лопастям, режущим кромкам породоразрушающих и армирующих вставок с поликристаллическими алмазами (PDC), обработку гнезд под них, плотную установку в эти гнезда графитовых пробок, предварительный нагрев корпуса до температуры t_н, приблизительно равной 500°С, наплавку пространств между пробками с набегающей и сбегающей сторон лопастей износостойким сплавом типа вольфрамокобальтового, удаление графитовых пробок после наплавки и остывания, установку вместо них вставок с поликристаллическими алмазами (PDC), запаивание вставок при температуре, не превышающей 650°С, проведение низкого отпуска при температуре t_o, приблизительно равной 280°С, после чего всю рабочую поверхность бурового долота очищают, подтравливают и наносят на нее электрохимическим методом высокоизносостойкое композиционное кластерное покрытие на основе хрома с микрочастицами алмаза толщиной до 0,8 мм, микротвердостью до 1200 кг/мм² с коэффициентом трения менее 0,08. A method of manufacturing diamond drill bits, including turning and milling of body components, channels for supplying flushing fluid to the blades, cutting edges of rock cutting and reinforcing inserts with polycrystalline diamonds (PDC), processing nests for them, tight installation of graphite plugs in these nests, preliminary heating the casing to a temperature t _{n of} approximately 500 ° C, surfacing the spaces between the plugs on the upstream and downstream sides of the blades with a wear-resistant alloy of the tungsten-cobalt type, removing graphite plugs after surfacing and cooling, installing instead of them inserts with polycrystalline diamonds (PDC), sealing the inserts at a temperature not exceeding 650 ° C, conducting low tempering at a temperature t _{o of} approximately 280 ° C, after which the entire working surface of the drilling the bits are cleaned, etched and electrochemically applied to it with a highly wear-resistant composite cluster coating based on chromium with diamond microparticles up to 0.8 mm thick, microhardness up to 1200 kg / mm ² with a friction coefficient less e 0.08.

Images