RU2468175C1 - Heat cutting head with bottomhole stripper - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: device comprises a body with a crown ring separated with washing channels to sectors-bottomhole strippers, washing channels and self-sharpening cutters, blades of which form a common plane parallel to the plane of the crown end. Cutters made of a heat resistant hard or ultrahard tooling material are connected at the front to the crown ring so that the plane of the cutters blade matches or is below the plane of the crown end by the depth of wear of sector-strippers at the period of crown sharpening.

EFFECT: increased efficiency of drilling.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к горному делу, а именно, к буровой технике, применяемой при проходке геологоразведочных и других скважин различного целевого назначения, и также может быть использовано при бурении шпуров.The invention relates to mining, and in particular, to drilling equipment used when driving exploration and other wells for various purposes, and can also be used when drilling holes.

Известна алмазно-твердосплавная коронка, состоящая из корпуса, алмазных секторов и твердосплавных резцов [1]. Достоинством этой коронки является то, что алмазные сектора, разупрочняя поверхностный слой породы бороздками, микро- и макротрещинами, облегчают внедрение твердосплавных резцов в породу, а те в свою очередь, снимая микротрещиноватый слой, уменьшают объем породы под торцом алмазных секторов и тем самым облегчают вынос шлама и предотвращают преждевременный износ алмазных секторов. Следует также заметить, что в этой коронке алмазные сектора наряду с резанием ограничивают поступление промывочной жидкости под торец алмазной коронки, поэтому выполняют и роль секторов-герметизаторов, играющих двоякую роль. В начальный период эксплуатации коронки, когда алмазы не выступают за плоскость торца коронки, и требуется ее заточка, т.е. обнажение импрегнированных в матрице зерен алмаза, герметизация забоя играет положительную роль. Быстрый износ матрицы коронки из-за повышения ее температуры обнажает зерна алмаза и способствует их внедрению в породу забоя. С другой стороны из-за герметизации забоя алмазными секторами и происходит интенсивный нагрев алмазов, что вызывает их преждевременный износ. Существенным недостатком этой коронки является недостаточное разупрочнение алмазными секторами крепких пород, вследствие чего наблюдается быстрый износ твердосплавных резцов.Known diamond carbide crown, consisting of a body, diamond sectors and carbide cutters [1]. The advantage of this crown is that the diamond sectors, softening the surface layer of the rock with grooves, micro- and macrocracks, facilitate the introduction of carbide cutters in the rock, and those, in turn, removing the microcracked layer, reduce the volume of the rock at the end of the diamond sectors and thereby facilitate the removal sludge and prevent premature wear of diamond sectors. It should also be noted that in this crown, the diamond sectors, along with cutting, restrict the flow of flushing fluid under the end face of the diamond crown, therefore, they also play the role of sealing sectors, which play a dual role. In the initial period of operation of the crown, when diamonds do not protrude beyond the plane of the end face of the crown, and its sharpening is required, i.e. the exposure of diamond grains impregnated in the matrix, the sealing of the face plays a positive role. The rapid wear of the crown matrix due to an increase in its temperature exposes the diamond grains and contributes to their introduction into the face rock. On the other hand, due to the face sealing by diamond sectors, diamonds are intensively heated, which causes their premature wear. A significant drawback of this crown is the insufficient softening by the diamond sectors of hard rocks, as a result of which there is a rapid wear of carbide cutters.

Наиболее близкой по технической сути и достигаемому эффекту является коронка с корончатым кольцом, разделенным промывочными каналами на сектора с фрикционными элементами, термоизоляцией забоя скважины и с резцами из термо-износостойкого инструментального материала, при этом резцы имеют выпуск, обеспечивающий врезку в забой, а их лезвия образуют общую плоскость, параллельную плоскости торца коронки [2]. Достоинством этой коронки является повышение КПД резания за счет уменьшения теплоотвода от нагретого при резании пород забоя и использования тепла резания для их разупрочнения. Сектора с фрикционными элементами являются также секторами-герметизаторами, предотвращающими поступление паровоздушной смеси под торец коронки, что и обеспечивает эффективный нагрев пород забоя.The closest in technical essence and the achieved effect is a crown with a castellated ring, divided by flushing channels into sectors with friction elements, thermal insulation of the bottom of the well and with cutters from thermo-wear-resistant tool material, while the cutters have an outlet providing a cut-in into the bottom, and their blades form a common plane parallel to the plane of the end face of the crown [2]. The advantage of this crown is an increase in cutting efficiency due to a decrease in heat removal from the face heated during cutting and the use of cutting heat to soften them. Sectors with friction elements are also sealing sectors that prevent the vapor-air mixture from entering the crown end, which ensures efficient heating of the face rocks.

Существенный недостаток коронки проявляется при бурении крепких трещиноватых пород, когда бурение сопровождается частыми заклиниваниями бурильных труб. В этом случае, когда труба заклинится в скважине вывалившимися мелкими обломками породы, коронка замедлит вращение или даже остановится, а верхняя часть бурильных труб будет и дальше закручиваться. Но когда труба раздавит заклиненные осколки породы, резцы коронки воспримут касательный динамический удар, который может срезать все внедренные в породу резцы. При бурении и монолитных пород зачастую происходят подобные динамические процессы, но с меньшей амплитудой. Они вызваны тем, что когда под действием осевого усилия вращающаяся буровая труба изгибается, происходит удар трубы об стенки скважины, вследствие этого за счет трения о породу нижняя часть трубы тормозится. Многократно повторяясь, эти процессы значительно снижают долговечность резцов коронки. Также есть опасность ударного разрушения сверхтвердых резцов при посадке бурового снаряда на забой. Все это не позволяет широко применять менее ударопрочные, чем твердосплавные сверхтвердые инструментальные материалы в породоразрушающих инструментах для бурения скважин. Существенным конструктивным недостатком является наличие специализированного массивного фрикционного элемента из термо-износостойкого материала.A significant drawback of the crown is manifested when drilling strong fractured rocks, when drilling is accompanied by frequent jamming of drill pipes. In this case, when the pipe is stuck in the well with small fragments of rock falling out, the crown will slow down the rotation or even stop, and the upper part of the drill pipes will continue to twist. But when the pipe crushes the stuck fragments of the rock, the crown incisors will perceive a tangential dynamic impact, which can cut off all incisors embedded in the rock. When drilling and monolithic rocks, similar dynamic processes often occur, but with a smaller amplitude. They are caused by the fact that when the rotating drill pipe bends under the action of axial force, the pipe hits the well walls, as a result of which the lower part of the pipe is inhibited due to friction against the rock. Repeatedly repeated, these processes significantly reduce the longevity of the crown incisors. There is also a danger of impact destruction of superhard incisors when landing a drill to the face. All this does not allow the widespread use of less impact resistant than carbide superhard instrumental materials in rock cutting tools for drilling wells. A significant structural drawback is the presence of a specialized massive friction element made of thermally wear-resistant material.

Исходя из вышеизложенного, могут быть поставлены задачи защиты резцов, изготовленных из термостойких и сверхтвердых инструментальных материалов, от случайных динамических воздействий при бурении и упрощения конструкции коронки. Поставленные задачи решаются тем, что в коронке для бурения скважин в твердых и абразивных горных породах, включающей корпус с корончатым кольцом, разделенным промывочными каналами на сектора-герметизаторы забоя, и самозатачивающиеся сверхтвердые и термостойкие резцы, лезвия которых образуют общую плоскость, параллельную плоскости торца коронки, резцы устанавливают на корончатое кольцо так, что их плоскость совпадает или ниже плоскости торца коронки на величину износа секторов-герметизаторов в период заточки коронки.Based on the foregoing, tasks can be set to protect cutters made of heat-resistant and superhard instrumental materials from random dynamic effects during drilling and to simplify the design of the crown. The tasks are solved by the fact that in the crown for drilling wells in hard and abrasive rocks, including a body with a castellated ring, divided by washing channels into sectors-sealants of the face, and self-sharpening superhard and heat-resistant cutters, the blades of which form a common plane parallel to the plane of the crown end face , the cutters are mounted on the crown ring so that their plane coincides with or less than the plane of the end face of the crown by the wear of the sealing sectors during the sharpening of the crown.

Благодаря этому сектора препятствуют прониканию воды под ними и служат герметизаторами забоя. При этом конструкция коронки предусматривает установку резцов спереди секторов-герметизаторов, а сзади изготовление промывочных каналов для охлаждения резцов и очистки забоя скважины.Thanks to this, the sectors prevent the penetration of water under them and serve as face sealants. At the same time, the crown design provides for the installation of incisors in front of the sealing sectors, and behind the manufacture of flushing channels for cooling the incisors and cleaning the bottom of the well.

При работе коронки врезка резцов в забой и съем поверхностного слоя породы гарантируется тем, что сектор-герметизатор имеет значительно низкую износостойкость, чем сверхтвердые износостойкие резцы, и что нагретая поверхность породы разупрочняется и, легко деформируясь, обеспечивает более глубокое внедрение резцов за счет пластического течения или разрушения, чем были бы твердосплавные резцы. Таким образом, при бурении врезка резцов в забой осуществляется за счет нагрева, разупрочнения и большей деформации породы под резцами, чем спереди и сзади них, и опережающего износа секторов-герметизаторов.During operation of the crown, the insertion of incisors into the face and removal of the surface layer of the rock is guaranteed by the fact that the sealing sector has significantly lower wear resistance than superhard wear-resistant cutters, and that the heated surface of the rock softens and, easily deforming, provides a deeper penetration of the cutters due to plastic flow or destruction than carbide cutters would be. Thus, during drilling, the insertion of incisors into the face is carried out by heating, softening and greater deformation of the rock under the incisors than in front and behind them, and anticipating wear of the sealant sectors.

В предлагаемом решении поставленной задачи устраняется доступ промывочной жидкости к нагретому резцом части забоя и потому значительно уменьшается теплоотток из забойной зоны. Но тем не менее нагрев корпуса коронки приводит к значительным потерям тепловой энергии. Чтобы уменьшить эти потери, сектора-герметизаторы можно изготовить из материалов с низкой теплопроводностью, например, из пористых металлических или керамических материалов. Кроме того, наряду с термоизоляцией, теплоотток может быть уменьшен за счет выполнения части корпуса коронки выше корончатого кольца из прочной стали и более меньшего сечения, чем сечение корпуса коронки.In the proposed solution of the problem, the access of the washing liquid to the part of the face heated by the cutter is eliminated, and therefore the heat flow from the bottomhole zone is significantly reduced. Nevertheless, heating the crown body leads to significant losses of thermal energy. To reduce these losses, sealing sectors can be made from materials with low thermal conductivity, for example, from porous metal or ceramic materials. In addition, along with thermal insulation, heat flow can be reduced by performing part of the crown body above the crown ring of solid steel and a smaller cross section than the cross section of the crown body.

В предлагаемой конструкции резцы работают в высокотермонапряженных условиях. Поэтому в качестве материала резцов в новой коронке перспективно применение специальных термостойких инструментальных материалов, как спеченный из нанопорошков кубический нитрид бора (НаноКНБ), выпускаемый ЗАО «Микробор нанотех». НаноКНБ обладает действительно уникальными характеристиками: твердость 65 ГПа, термостойкость до 1500°С. Причем пайка резцов из этого материала проводится специальным припоем «Микробор» с температурой плавления 1200°С.In the proposed design, the cutters operate in highly heat-stressed conditions. Therefore, the use of special heat-resistant tool materials, such as cubic boron nitride (NanoKNB) sintered from nanopowders, manufactured by Microbor Nanotech CJSC, is promising as a material for cutters in a new crown. NanoKNB possesses truly unique characteristics: hardness 65 GPa, heat resistance up to 1500 ° С. Moreover, the soldering of cutters from this material is carried out with a special solder "Microbor" with a melting point of 1200 ° C.

Предлагаемая коронка для термофрикционного бурения горных пород имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:The proposed crown for thermofriction drilling of rocks has the following advantages compared to the prototype:

- благодаря контакту коронки не только резцами, но и торцом коронки, значительно сглаживаются пики динамических касательных ударов по резцам;- thanks to the contact of the crown not only with the incisors, but also with the end face of the crown, the peaks of the dynamic tangent impacts on the incisors are significantly smoothed;

- при постановке бурового снаряда на забой нагрузка на резец по мере деформации пород забоя перераспределяется на торец коронки, представляющий задний угол резца менее одного градуса.- when setting the drill to the bottom, the load on the cutter as the bottom rock deforms is redistributed to the crown end, which represents the rear corner of the cutter of less than one degree.

- в процессе бурения коронка эффективно самозатачивается, что позволяет использовать резцы со значительной высотой, как в твердосплавных коронках типа СА.- during drilling, the crown is effectively self-sharpening, which allows the use of cutters with a significant height, as in carbide crowns of the CA type.

- значительно упрощена конструкция коронок.- significantly simplified crown design.

В новой коронке мы отошли от общепринятого принципа опережающего торец коронки выпуска резцов. В нашей коронке торец коронки, изнашиваясь, образует задний угол менее градуса и всегда находится в контакте с породой. Несмотря на кажущуюся простоту в силу вышеприведенных доводов считаем, что наше предложение обладает новизной и изобретательским уровнем.In the new crown, we moved away from the generally accepted principle of the leading edge of the crown of the release of incisors. In our crown, the end face of the crown, wearing out, forms a back angle of less than a degree and is always in contact with the rock. Despite the apparent simplicity, by virtue of the above arguments, we believe that our proposal has novelty and inventive step.

На фиг.1 изображен общий вид буровой коронки для проходки геологоразведочных скважин; на фиг.2 - вид на фиг.1 снизу; на фиг.3 - коронка с секторами с меньшей теплопроводностью, чем корпус коронки; на фиг.4 - коронка с уменьшенным сечением нижней части корпуса.Figure 1 shows a General view of the drill bit for the sinking of exploration wells; figure 2 is a view of figure 1 from below; figure 3 - crown with sectors with lower thermal conductivity than the body of the crown; figure 4 - crown with a reduced cross section of the lower part of the housing.

Коронка состоит из корпуса 1, секторов-герметизаторов забоя 2 и резцов 3; в корпусе коронки изготовлены промывочные каналы 4 и водосливные отверстия 5.The crown consists of a housing 1, sectors-sealants face 2 and cutters 3; in the body of the crown, washing channels 4 and spill holes 5 are made.

Коронка работает следующим образом. При вращении буровой коронки под действием осевого усилия и момента вращения макро- и микронеровности породы будут сминаться, а сама порода под сверхтвердым резцом упруго деформируется больше, чем под торцом коронки, так как модуль упругости материала резцов приближается к модулю алмаза и превышает стали в сотни раз. Благодаря этому тепло будет генерироваться в основном под сверхтвердыми и термостойкими резцами, а стальной сектор будет изнашиваться и препятствовать доступу воды под торец коронки по наружному и внутреннему диаметрам. При этом от тепла трения резцов порода будет разупрочняться, что позволит внедряться резцу в забой и отделять слой породы мелкими чешуйками и стружкой.The crown works as follows. When the drill bit rotates under the action of axial force and the moment of rotation, the macro- and microroughnesses of the rock will crumple, and the rock itself under the superhard cutter will elastically deform more than under the end of the crown, since the modulus of elasticity of the material of the cutters approaches the modulus of diamond and exceeds steel by hundreds of times . Due to this, heat will be generated mainly under superhard and heat-resistant cutters, and the steel sector will wear out and impede the access of water under the crown end along the outer and inner diameters. At the same time, the rock will be softened from the friction heat of the cutters, which will allow the cutter to penetrate into the face and separate the rock layer with small scales and chips.

Предположим, что коронка ⌀76 мм, проектная механическая скорость бурения 3,6 м/час или 0,001 м/сек, оптимальное число оборотов 300 об/мин или 5 об/сек, а на одной линии резания 4 резца. Простые расчеты показывают, что внедрение резца при этом составитSuppose that the crown is ⌀76 mm, the design mechanical drilling speed is 3.6 m / h or 0.001 m / s, the optimal number of revolutions is 300 rpm or 5 rpm, and there are 4 cutters on one cutting line. Simple calculations show that the introduction of the cutter in this case will be

Таким образом, из расчета видно, что теоретически для резания горных пород выпуск резцов измеряется сотыми и десятыми долями миллиметра, а задний угол резца формируется за счет износа стального торца коронки и составляет десятки минут.Thus, it can be seen from the calculation that theoretically for cutting rocks, the release of cutters is measured in hundredths and tenths of a millimeter, and the trailing angle of the cutter is formed due to wear of the steel end of the crown and is tens of minutes.

В предлагаемой конструкции сектор коронки не является генератором тепла, и при вращении коронки на время прохождения сектором нагретой резцом точки забоя охлаждающий агент к забою не поступает, тем самым увеличивается продолжительность и глубина нагрева забоя. Благодаря этому поверхностный слой разупрочняется, и следующий резец срезает этот слой, которого подхватывает и уносит через каналы 4 промывочная жидкость. Ввиду того, что для транспортировки продуктов разрушения по затрубному пространству требуется гораздо больше воды, то для подъема бурового шлама некоторое дополнительное количество воды подается в затрубное пространство через сливные отверстия 5.In the proposed design, the crown sector is not a heat generator, and when the crown rotates while the sector heated by the cutter of the bottom hole passes the cooling agent does not enter the bottom, thereby increasing the duration and depth of heating the bottom. Due to this, the surface layer is softened, and the next cutter cuts off this layer, which the washing liquid picks up and carries through the channels 4. Due to the fact that much more water is required to transport the fracture products through the annulus, then some additional water is supplied to the annulus through the drain holes 5 to raise the drill cuttings.

При бурении коронками с секторами-герметизаторами, изготовленными из материалов с низкой теплопроводностью, например, из пористых металлических или керамических материалов, см. фиг.3, потеря тепла от забоя через корпус коронки значительно уменьшается. Дополнительно к этому можно предложить нижнюю часть корпуса коронки изготовлять с уменьшенным сечением из более прочной марки стали, например, из мартенситно-стареющей или наноструктурированной стали, фиг.4, поз.6. При этом образующиеся по наружному и внутреннему диаметру выемки на нижней части корпуса коронки заполняются теплозащитным и герметизирующим материалом, поз.7. Эффективная локализация тепла резания на забое, т.е. защита от теплопотерь, может обеспечить разупрочнение буримой породы, следовательно, отказаться от специальных фрикционных элементов в породоразрушающих инструментах.When drilling with crowns with sealing sectors made of materials with low thermal conductivity, for example, from porous metal or ceramic materials, see figure 3, the heat loss from the bottom through the body of the crown is significantly reduced. In addition to this, it is possible to propose the lower part of the crown body to be manufactured with a reduced cross section from a stronger steel grade, for example, from maraging steel or nanostructured steel, Fig. 4, item 6. In this case, the recesses formed along the outer and inner diameters on the lower part of the body of the crown are filled with heat-shielding and sealing material, item 7. Effective localization of the heat of cutting at the bottom, i.e. protection against heat loss, can provide softening of drill rock, therefore, abandon special friction elements in rock cutting tools.

Источники информацииInformation sources

1. А.с. СССР №1760075, Е21В 10/48. Комбинированная буровая коронка [Текст] / Г.В.Арцимович, В.В.Иванов, В.П.Макшаков, Л.Н.Федоров (СССР). - №4745981/03; заявл. 03.10.89; опубл. 07.09.92, бюл. №33. - 4 с.1. A.S. USSR No. 1760075, Е21В 10/48. Combined drill bit [Text] / G.V.Artsimovich, V.V. Ivanov, V.P. Makshakov, L.N. Fedorov (USSR). - No. 4745981/03; declared 10/03/89; publ. 09/07/92, bull. No. 33. - 4 p.

2. Пат. РФ №2374417, МПК Е21В 7/14. Инструмент для термофрикционного бурения горных пород [Текст] / Федоров Л.Н.; заявитель и патентообладатель Институт горного дела Севера им. Н.В.Черского СО РАН; заявл. 13.03.2008; опубл. 27.11.2009, бюл. №33.2. Pat. RF №2374417, IPC Е21В 7/14. Tool for thermofriction drilling of rocks [Text] / Fedorov L.N .; applicant and patentee Institute of Mining of the North named after N.V. Chersky SB RAS; declared 03/13/2008; publ. 11/27/2009, bull. No. 33.

Claims (3)

1. Коронка терморезцовая с герметизатором забоя для бурения скважин различного целевого назначения, включающая корпус с корончатым кольцом, разделенным промывочными каналами на секторы-герметизаторы забоя, промывочные каналы и самозатачивающиеся резцы из сверхтвердых термоизносостойких материалов, лезвия которых образуют общую плоскость, параллельную с плоскостью торца коронки, отличающаяся тем, что резцы установлены на корончатом кольце спереди его так, что плоскость лезвия резцов совпадает или ниже плоскости торца коронки на глубину износа секторов-герметизаторов в период заточки коронки.1. Thermorezet crown with a face sealant for drilling wells for various purposes, including a housing with a crown ring divided by washing channels into downhole sealing sectors, washing channels and self-sharpening cutters made of superhard heat-resistant materials, the blades of which form a common plane parallel to the crown face plane characterized in that the cutters are mounted on the crown ring in front of it so that the plane of the blade of the cutters coincides or is lower than the plane of the end face of the crown wear well-sealers sectors during the sharpening of the crown. 2. Буровая коронка по п.1, отличающаяся тем, что секторы-герметизаторы выполнены из термостойкого материала с коэффициентом теплопроводности меньшим, чем теплопроводность корпуса коронки.2. The drill bit according to claim 1, characterized in that the sealing sectors are made of heat-resistant material with a thermal conductivity coefficient less than the thermal conductivity of the crown body. 3. Буровая коронка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что нижняя часть корпуса коронки выполнена с кольцевой выемкой по наружному и внутреннему диаметру с возможностью размещения в этих выемках гидро- и теплоизолирующих элементов, причем в качестве материала корончатого кольца использован материал с высоким пределом прочности, например мартенситно-стареющая сталь. 3. The drill bit according to claim 1 or 2, characterized in that the lower part of the crown body is made with an annular recess along the outer and inner diameter with the possibility of placing hydro- and heat-insulating elements in these recesses, and a material with high tensile strength, for example, maraging steel.

Images