RU2515354C2 - Multi-row crown bit - Google Patents

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to rock crushing tool. Proposed crown bit comprises several rows of cutters located at different spacing from well work face. Top fixed row is arranged at their holders composed by ledges made at bit body end alternating with holders of several bottom moving rows of cutters. Note here that cylindrical shanks of said holders have a flat groove making upper and lower ledges and rigidly engaged with said holders fit, along with compression spring packs, in blind holes at bit body end, parallel with its axis. Compression force of springs in every row complies with axial load of rock crushing for given row to be crushed thereby. Note here that every next superlying row is intended for higher-hardness rocks compared with previous underlying row. Note here that the cutters of first row from work face stay in permanent contact therewith in drilling. Cutter holders of moving rows along with pre-contracted packs of springs are retained in place due to thrust of cylinder shank flat groove top ledge against top face of thrust ring welded of two halves, fitted in ring groove made at bit body outer surface. Top face of cutter holder of every moving row has cross-section shaped to a step with it ledge fitting in appropriate step made in cross-section of bit body.

EFFECT: longer life, higher mechanical rate, lower power input, fast round-trip.

5 dwg

Description

Изобретение относится к породоразрушающему инструменту, предназначенному для геологоразведочного бурения в часто перемежающихся по физико-механическим свойствам горных породах, преимущественно с применением двойных колонковых труб, в том числе со съемным керноприемником.The invention relates to a rock cutting tool designed for exploration drilling in often alternating physical and mechanical properties of rocks, mainly using double core pipes, including with a removable core receiver.

В таких сложных условиях бурения трудно обеспечить эффективность работы буровой коронки, так как существенное различие пород по твердости, абразивности и трещиноватости и их частая перемежаемость требуют соответствующее и принципиально отличное вооружение, которое невозможно совместить в одной стандартной буровой коронке. Это обусловливает значительные затраты времени на спуско-подъемные операции с целью замены буровой коронки на соответствующую изменившимся физико-механическим свойствам породы.In such difficult drilling conditions, it is difficult to ensure the efficiency of the drill bit, since a significant difference in rock hardness, abrasiveness and fracture and their frequent intermittency require appropriate and fundamentally excellent weapons, which cannot be combined in one standard drill bit. This leads to a significant investment of time in tripping operations in order to replace the drill bit with the corresponding physical and mechanical properties of the rock.

Кроме того, стремление к максимальному увеличению ресурса коронки постепенно привело к чрезмерному насыщению ее торца породоразрушающими элементами в ущерб элементам промывки и соответственно к увеличению энергозатрат и снижению механической скорости бурения.In addition, the desire to maximize the crown resource gradually led to excessive saturation of its end with rock-breaking elements to the detriment of the washing elements and, accordingly, to an increase in energy consumption and a decrease in the mechanical drilling speed.

Исследованиями последних лет установлено (см. Сверхтвердые материалы в геологоразведочном инструменте / Коллектив авторов: Р.К.Богданов, А.П.Закора, A.M.Исонкин и др. Екатеринбуг: Изд-во УГГГА, 2003, 138 с.), что при оптимизации конструкций буровых коронок необходимо стремиться к уменьшению длины секторов алмазных и количества резцов твердосплавных коронок, сохраняя при этом равномерность нагрузки по их торцу. Так, в алмазных коронках диаметром 76 мм, при уменьшении длины сектора торца с 13 до 8 мм, ресурс их возрос на 64%, а уменьшение числа резцов твердосплавных коронок того же диаметра с 8 до 3 привело к увеличению механической скорости в 2 раза.Recent studies have established (see Superhard materials in a geological exploration tool / Collective of authors: R.K. Bogdanov, A.P. Zakora, AMIsonkin et al. Yekaterinburg: Publishing House of the Ural State Geological Administration, 2003, 138 pp.), Which, upon optimization structures of drill bits, it is necessary to strive to reduce the length of the diamond sectors and the number of carbide cutters, while maintaining a uniform load on their end. So, in diamond crowns with a diameter of 76 mm, with a decrease in the length of the end sector from 13 to 8 mm, their resource increased by 64%, and a decrease in the number of cutters of carbide crowns of the same diameter from 8 to 3 led to a twofold increase in mechanical speed.

Известна алмазная буровая коронка (а.с. №1689581, авторы Белов A.M. и др.) с дополнительным корпусом, несущим свой ряд резцов и соединенным с основным посредством заклепок, которые срезаются осевым усилием после срабатывания резцов, расположенных на дополнительном корпусе, благодаря чему в работу вступают резцы основного корпуса коронки.A well-known diamond drill bit (AS No. 1689581, authors Belov AM and others) with an additional body bearing its own set of cutters and connected to the main one through rivets that are cut by axial force after operation of the cutters located on the additional case, due to which the cutters of the main body of the crown enter the work.

Известна также, как более близкий аналог, двухъярусная буровая коронка (а.с. №161008, авторы Лачинян Л.А. и др.), принятая за прототип, резцы верхнего неподвижного яруса которой установлены непосредственно на корпусе коронки, а нижнего (временно неподвижного), установлены также на корпусе коронки, но на временных опорах с амортизирующим наполнителем. В данной коронке сначала работают резцы нижнего яруса, на которые, после затупления резцов, создают избыточное осевое усилие, в результате чего резцы этого яруса срезают временную опору и, вдавливаясь в тело коронки через амортизирующий наполнитель, обеспечивают бурение резцами верхнего яруса.Also known as a closer analogue, a two-tiered drill bit (AS No. 161008, authors L. Lachinyan and others), adopted as a prototype, the cutters of the upper fixed tier of which are mounted directly on the crown body, and the lower (temporarily fixed ), are also installed on the crown body, but on temporary supports with shock absorbing filler. First, the lower tier cutters work on this crown, upon which, after the blunting of the cutters, they create an excessive axial force, as a result of which the cutters of this tier cut the temporary support and, pressing into the crown body through the shock-absorbing filler, provide drilling with the upper tier cutters.

Такая коронка, как и упомянутая выше, имеет в сравнении с обычной более высокий ресурс, позволяет существенно снизить энергоемкость процесса бурения и повысить его механическую скорость. Однако возможность увязки вооружения такой коронки с часто меняющимися физико-механическими свойствами встречаемых пород ограничена, так как после срабатывания первого яруса резцов он не восстанавливается для встречи вновь изменившейся породы, т.е. имеет одноразовое применение.Such a crown, like the one mentioned above, has a higher resource in comparison with the usual one, which can significantly reduce the energy consumption of the drilling process and increase its mechanical speed. However, the possibility of linking the armament of such a crown with the frequently changing physicomechanical properties of the rocks encountered is limited, since after the triggering of the first tier of the incisors, it is not restored to meet the newly changed rock, i.e. has a single use.

Задача изобретения состоит в повышении эффективности работы буровой коронки путем снабжения ее универсальным набором вооружения и в обеспечении оперативного включения в работу той группы минимально необходимого вооружения, которая наиболее полно соответствует физико-механическим свойствам проходимых в данный момент времени пород при неограниченной частоте их перемежаемости.The objective of the invention is to increase the efficiency of the drill bit by supplying it with a universal set of weapons and to ensure prompt inclusion in the work of the group of minimum necessary weapons that most fully corresponds to the physicomechanical properties of rocks passing at a given time with an unlimited frequency of their alternation.

Для решения этой задачи в буровой коронке, включающей несколько ярусов резцов, находящихся на разном расстоянии от забоя скважины, верхний неподвижный ярус резцов установлен на их державках, представляющих собой выступы на торце тела коронки, перемежающиеся с минимальным зазором с державками нескольких нижних подвижных ярусов резцов, причем цилиндрические хвостовики державок, имеющие плоский паз, образующий верхний и нижний уступ и прочно связанные с державками, вместе с упирающимися в них пакетами пружин сжатия, входят, также с минимальным зазором, в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси.To solve this problem, in the drill bit, which includes several tiers of cutters located at different distances from the bottom of the well, the upper fixed tier of cutters is mounted on their holders, which are protrusions at the end face of the crown body, interspersed with a minimum clearance with holders of several lower movable tiers of cutters, moreover, the cylindrical shanks of the holders having a flat groove forming the upper and lower ledges and firmly connected with the holders, together with the compression spring packs resting on them, also come with a minimum nym clearance into the blind holes made from the end crowns of the body parallel to its axis.

Сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов. При этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения.The compression force of the spring pack of each tier corresponds to the axial load of rock destruction, for drilling of which this tier of cutters is intended. Moreover, each subsequent upstream tier of the cutters, counting from the bottom, is intended for rocks of greater hardness than for rocks of the previous lower tier, and the cutters of the first tier from the bottom are in constant contact with the latter during drilling.

В то же время державки резцов подвижных ярусов, вместе с предварительно поджатыми пакетами пружин, удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним уступом плоского паза хвостовиков державок в верхнюю грань сваренного из двух половин опорного кольца, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз, выполненный на наружной поверхности тела коронки.At the same time, the tool holders of the movable tiers, together with the pre-loaded spring packages, are prevented from falling out of their holes due to the stop by the upper step of the flat groove of the tool shanks into the upper face of the support ring welded from two halves, with a minimum clearance in diameter of the corresponding ring a groove made on the outer surface of the crown body.

Верхняя грань державки каждого подвижного яруса резцов в своем поперечном сечении выполнена в виде ступеньки, выступ которой с минимальным зазором входит во впадину соответствующей ступеньки, выполненной в поперечном сечении тела коронки.The upper face of the holder of each movable tier of the cutters in its cross section is made in the form of a step, the protrusion of which with a minimum clearance enters the cavity of the corresponding step made in the cross section of the crown body.

При создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса.When creating an axial load on the face that exceeds the limit for the cutters of the first tier from the bottom, the spring package of this tier is compressed and simultaneously the cutters of the second tier come into operation with its cutters.

При дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним уступом плоского паза в нижнюю грань упомянутого опорного кольца, приподнимают и утапливают в тело торца коронки резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого. И, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и, затем, только резцы первого.With a further increase in the load on the face to a value exceeding the total maximum load of the first and second tier of the incisors, the shanks of the holders of the first from the bottom of the tier of the incisors, resting their lower ledge on the flat groove in the lower face of the mentioned support ring, raise and lower the incisors of the second the bottom of the tier, thereby ensuring the work of the incisors of the subsequent third from the bottom of the tier along with the incisors of the first. And, on the contrary, in the case of reducing the load on the face in the reverse sequence, they also enter the work, also in the reverse sequence, first together the cutters of the second and first tier and, then, only the cutters of the first.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1, 2 и 3 схематично изображены виды с торца двух вариантов трехъярусной и одного варианта четырехъярусной алмазной буровой коронки. Для упрощения чертежей и большей их наглядности промывочные окна, шламовые пазы и уплотнительные элементы не показаны. Нумерация ярусов начинается с ближнего к забою. Последним номером обозначается верхний неподвижный ярус резцов.The invention is illustrated by drawings, where Figures 1, 2 and 3 schematically depict end views of two variants of a three-tier and one variant of a four-tier diamond drill bit. To simplify the drawings and their greater visibility, washing windows, slurry grooves and sealing elements are not shown. Tier numbering begins with the one closest to the face. The last number indicates the upper fixed tier of the incisors.

Здесь показаны:Shown here:

фиг.1 - трехъярусная буровая коронка с тремя державками резцов на каждом из двух подвижных ярусов и шестью державками резцов на неподвижном ярусе;figure 1 - three-tiered drill bit with three tool holders on each of two moving tiers and six tool holders on a fixed tier;

фиг.2 - четырехъярусная буровая коронка с тремя державками резцов на каждом из трех подвижных ярусов и девятью державками резцов на неподвижном ярусе;figure 2 - four-tiered drill bit with three tool holders on each of the three moving tiers and nine tool holders on a fixed tier;

фиг.3 - трехъярусная буровая коронка с двумя державками резцов на каждом из двух подвижных ярусов и четырьмя державками резцов неподвижного яруса.figure 3 - three-tiered drill bit with two tool holders on each of two movable tiers and four tool holders cutters fixed tier.

На фиг.4 представлен вид по А-А (см. фиг.1) первого варианта трехъярусной буровой коронки, а на фиг.5 - ее развертка (вид по внешнему диаметру) с местным разрезом по среднему ее диаметру.Figure 4 presents a view along aa (see figure 1) of the first embodiment of a three-tiered drill bit, and figure 5 is a scan (view of the outer diameter) with a local section along its average diameter.

Трехъярусная буровая коронка (см. фиг.4 и 5) состоит из верхнего неподвижного яруса резцов 3, установленных на державках 4, представляющих собой выступы на торце тела коронки 5, перемежающиеся с минимальным зазором с двумя нижними подвижными ярусами резцов 1 и 2, установленных соответственно на державках 6 и 7, причем цилиндрические хвостовики 8 державок, имеющие плоский паз, образующий верхний 9 и нижний 10 уступ, и прочно связанные с державками, вместе с упирающимися в них пакетами пружин сжатия 11, входят, также с минимальным зазором, в глухие отверстия 12, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси.The three-tiered drill bit (see Figs. 4 and 5) consists of an upper fixed tier of cutters 3 mounted on holders 4, which are protrusions at the end of the body of crown 5, interspersed with a minimum clearance with two lower movable tiers of cutters 1 and 2, respectively mounted on the holders 6 and 7, and the cylindrical shanks 8 of the holders having a flat groove forming the upper 9 and lower 10 ledge, and firmly connected with the holders, together with the compression spring packs 11 resting against them, enter, also with a minimum clearance, into blind holes TIFA 12 formed from the end crowns of the body parallel to its axis.

Сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов. При этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения.The compression force of the spring pack of each tier corresponds to the axial load of rock destruction, for drilling of which this tier of cutters is intended. Moreover, each subsequent upstream tier of the cutters, counting from the bottom, is intended for rocks of greater hardness than for rocks of the previous lower tier, and the cutters of the first tier from the bottom are in constant contact with the latter during drilling.

В то же время державки резцов подвижных ярусов, вместе с предварительно поджатыми пакетами пружин 11, удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним уступом 9 плоского паза хвостовиков державок в верхнюю грань 13 сваренного из двух половин опорного кольца 14, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз 15, выполненный на наружной поверхности тела коронки.At the same time, the tool holders of the moving tiers, together with the pre-loaded spring packages 11, are prevented from falling out of their holes due to the stop by the upper ledge 9 of the flat groove of the tool shanks in the upper face 13 of the support ring 14 welded from two halves, with a minimum gap in diameter installed in the corresponding annular groove 15, made on the outer surface of the body of the crown.

Верхняя грань державки каждого такого яруса в своем поперечном сечении выполнена в виде ступеньки, выступ 16 которой с минимальным зазором входит во впадину 17 соответствующей ступеньки, выполненной в поперечном сечении тела коронки (см. фиг.4).The upper face of the holder of each such tier in its cross section is made in the form of a step, a protrusion 16 of which with a minimum clearance enters the cavity 17 of the corresponding step made in the cross section of the crown body (see Fig. 4).

При создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается, и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса, а при дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним уступом 10 плоского паза в нижнюю грань 18 упомянутого опорного кольца 14, приподнимают и утапливают в тело торца коронки резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого, и, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и, затем, только резцы первого.When creating an axial load on the face that exceeds the limit for the cutters of the first tier from the bottom, the spring package of this tier is compressed, and simultaneously the cutters of the second tier come into operation, and with a further increase in the load on the face to a value exceeding the total maximum load of the first and the second tier of the incisors, the cylindrical shanks of the holders of the first from the bottom of the tier of the incisors, abutting with their lower ledge 10 a flat groove in the lower face 18 of the aforementioned support ring 14, lift and recess into the body of the end face of the crown p the cutters of the second tier from the bottom of the bottom, thereby ensuring the operation of the cutters of the subsequent, third from the bottom, tier along with the cutters of the first, and, conversely, in the case of a decrease in the load on the bottom in the reverse sequence, they also enter the work in the reverse sequence, first together the cutters of the second and the first tier and, then, only the incisors of the first.

Заявляемая конструкция многоярусной буровой коронки позволяет решить поставленную задачу.The inventive design of a multi-tiered drill bit allows you to solve the problem.

Действительно, резцы первого от забоя яруса разрушают породу при условии, что осевая нагрузка на забой соответствует силе сжатия пакета пружин этого яруса. При встрече более твердой породы и, как следствие, создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов этого яруса, пакеты его пружин сжимаются и в работу, вместе с резцами первого яруса, вступают резцы второго яруса. При этом породу разрушают резцы второго яруса, а резцы первого работают в режиме самозатачивания. При встрече еще более твердой породы и дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним уступом плоского паза 10 в нижнюю грань 18 опорного кольца 13 (фиг.4 и 5), приподнимают и утапливают в тело торца коронки резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого.Indeed, the cutters of the first tier from the bottom face destroy the rock, provided that the axial load on the face corresponds to the compressive force of the spring package of this tier. When a harder rock is encountered and, as a result, an axial load on the face is exceeded that exceeds the limit for the cutters of this tier, the packs of its springs are compressed and the cutters of the second tier come along with the cutters of the first tier. In this case, the cutters are destroyed by the incisors of the second tier, and the incisors of the first work in self-sharpening mode. Upon encountering even harder rock and a further increase in the load on the face to a value exceeding the total ultimate load of the first and second tier of the incisors, the cylindrical shanks of the holders of the first from the bottom of the tier of the incisors, resting their lower ledge on the flat groove 10 against the lower face 18 of the support ring 13 (Fig. .4 and 5), the incisors of the second tier from the bottom of the tier are lifted and recessed into the body of the crown end, thereby ensuring the operation of the incisors of the next, third from the bottom, tier along with the incisors of the first.

В этом случае породу разрушают резцы третьего яруса, а резцы первого также находятся в режиме самозатачивания. При изменении твердости пород и соответственно нагрузки на забой в обратной последовательности в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса и, затем, только резцы первого.In this case, the cutters are destroyed by the incisors of the third tier, and the incisors of the first are also in the self-sharpening mode. When changing the hardness of the rocks and, accordingly, the load on the face in the reverse sequence, they enter the work, also in the reverse sequence, first together the cutters of the second and first tier and, then, only the cutters of the first.

Таким образом, применение предлагаемой многоярусной буровой коронки, благодаря универсальности набора вооружения и возможности включения в работу той минимально необходимой группы вооружения, которая наиболее полно соответствует физико-механическим свойствам проходимых в каждый данный момент времени пород при неограниченной частоте их перемежаемости, позволяет существенно повысить эффективность процесса бурения за счет снижения энергоемкости процесса, повышения механической скорости, ресурса коронки и экономии времени на ее замену, в особенности при бурении со съемным керноприемником.Thus, the use of the proposed multi-tiered drill bit, due to the versatility of the weapon kit and the possibility of including the minimum necessary weapon group that most closely matches the physicomechanical properties of the rocks passed at any given time at an unlimited frequency of their alternation, can significantly increase the efficiency of the process drilling by reducing the energy intensity of the process, increasing the mechanical speed, resource of the crown and saving time on its deputy well, particularly when drilling with a removable core receiver.

Пример реализации предлагаемой многоярусной буровой коронки.An example implementation of the proposed multi-tiered drill bit.

В качестве примера принимаем трехъярусную алмазную буровую коронку диаметром 75,31 мм с толщиной стенки корпуса 12,8 мм, т.е. соответствующую по габаритным параметрам коронке размера WLN по ISO 10097-1: 1999(Е). В этих габаритных параметрах размещены все конструктивные элементы трехъярусной алмазной коронки, представленной на фиг.1, 4 и 5.As an example, we take a three-tiered diamond drill bit with a diameter of 75.31 mm with a wall thickness of 12.8 mm, i.e. corresponding to overall parameters crown size WLN according to ISO 10097-1: 1999 (E). In these overall parameters are placed all the structural elements of a three-tier diamond crown, shown in figures 1, 4 and 5.

Бурение проводим с применением снаряда со съемным керноприемником в породах VII-XII категорий буримости, в том числе резцами ярусов: первого подвижного - VII-IX, второго подвижного - IХ-ХI, третьего неподвижного - ХI-ХII категорий буримости. Частота вращения - до 1500 об/мин.Drilling is carried out using a shell with a removable core receiver in rocks of the VII-XII drillability categories, including longline cutters: the first mobile - VII-IX, the second mobile - IX-XI, the third stationary - XI-XII drillability categories. Rotational speed - up to 1500 rpm.

Удельную осевую нагрузку принимаем в соответствии с рекомендациями для алмазного бурения (см. Бурение разведочных скважин. Учеб. для вузов / Н.В.Соловьев и др.; под общ. ред. Н.В.Соловьева. - М.: Высш. шк., 2007. - 2007, 904 с.; ил.) в зависимости от категории пород по буримости соответственно для резцов 3-х ярусов (кН/см²): VII-IX - 0,6-0,9; IХ-ХI - 0,9-1,2 и ХI-ХII - 1,2-1,5. Всего в работе 12 резцов, в том числе по 3 резца в двух подвижных ярусах и 6 резцов в неподвижном. Соответственно площади рабочей поверхности резцов с учетом промывочных окон и шламовых пазов составляют по 4,5 см² в каждом подвижном ярусе и 9 см² - в неподвижном. Согласно этим параметрам осевые нагрузки на резцы каждого яруса составят (кН): 1-ый ярус - 2,7-4,05 (на один резец 0,9-1,35); 2-ой ярус - 4,05-5,40 (на один резец 1,35-1,80) и 3-ий ярус - 10,8-13,5 (на один резец 1,8-2,25).The specific axial load is taken in accordance with the recommendations for diamond drilling (see Drilling exploratory wells. Textbook for universities / N.V. Soloviev and others; under the general editorship of N.V. Soloviev. - M.: Higher school ., 2007. - 2007, 904 s .; ill.) Depending on the rock category according to drillability, respectively, for cutters of 3 tiers (kN / cm ² ): VII-IX - 0.6-0.9; IX-XI - 0.9-1.2 and XI-XII - 1.2-1.5. Altogether, there are 12 incisors, including 3 incisors in two moving tiers and 6 incisors in a fixed one. Accordingly, the area of the working surface of the cutters, taking into account the washing windows and slurry grooves, is 4.5 cm ² in each moving tier and 9 cm ² in the fixed. According to these parameters, the axial loads on the cutters of each tier will be (kN): 1st tier - 2.7-4.05 (0.9-1.35 for one cutter); 2nd tier - 4.05-5.40 (for one cutter 1.35-1.80) and 3rd tier - 10.8-13.5 (for one cutter 1.8-2.25).

Резцы коронки представлены алмазоносными штабиками, припаянными к державкам всех ярусов резцов, причем, как условно показано на схематических чертежах, чем выше твердость пород, тем мельче алмазы. При этом максимальная деформация (ход) пакета пружин резцов первого яруса составляет h₁=9 мм, второго - h₂=6 мм (см. фиг.5).Crown incisors are represented by diamond-bearing pads soldered to the holders of all tiers of incisors, and, as conventionally shown in the schematic drawings, the higher the hardness of the rocks, the finer the diamonds. Moreover, the maximum deformation (stroke) of the spring package of the incisors of the first tier is h ₁ = 9 mm, of the second - h ₂ = 6 mm (see figure 5).

По мере роста осевой нагрузки резцы первого яруса, выбирая первые 2 мм своего хода, разрушают породы VII-VIII категорий. Далее, в пределах хода пружин резцов первого яруса в 1 мм, последние, совместно с вступившими в работу резцами 2-го яруса, разрушают породу IX категории. Затем, с дальнейшим увеличением осевой нагрузки, резцы 2-го яруса, в пределах хода своих пружин в 3 мм, разрушают сначала породу Х и, затем совместно с резцами 3-го неподвижного яруса - породу XI категории.As the axial load increases, the cutters of the first tier, choosing the first 2 mm of their stroke, destroy the rocks of categories VII-VIII. Further, within the course of the course of the springs of the incisors of the first tier of 1 mm, the latter, together with the incisors of the second tier that came into operation, destroy the rock of category IX. Then, with a further increase in axial load, the cutters of the 2nd tier, within the span of 3 mm, first destroy rock X and then, together with the cutters of the 3rd fixed tier, breed XI category.

После хода в 6 мм, цилиндрические хвостовики державок резцов 1-го яруса, вступившие в режим самозатачивания, под действием возросшей осевой силы, упираясь своим нижним уступом 9 плоского паза в нижнюю грань 18 опорного кольца 14, отрывают резцы 2-го яруса от забоя и утапливают их в тело коронки, открывая возможность продолжения работы резцам 3-го неподвижного яруса для разрушения пород ХI-ХII категорий буримости при нагрузке на резец 1,8-2,25 кН или при общей нагрузке на коронку 10,8-13,5 кН.After a stroke of 6 mm, the cylindrical shanks of the tool holders of the 1st tier, which entered the self-sharpening mode, under the influence of increased axial force, abutting their lower ledge 9 of the flat groove in the lower face 18 of the support ring 14, tear off the cutters of the 2nd tier from the bottom and they are buried in the body of the crown, opening up the possibility of continued work of the incisors of the 3rd fixed tier for the destruction of rocks of the XI-XII drillability categories with a load on the cutter of 1.8-2.25 kN or with a total load on the crown of 10.8-13.5 kN .

Таким образом, при изменении осевой нагрузки на коронку в ту или иную сторону, в любой последовательности и при любой ее величине в пределах заданных границ, в работу вступают резцы, предназначенные для разрушения соответствующей данной нагрузке породы. Очевидно, что эта принципиальная схема работы коронки может быть использована и применительно к породам, которые отличаются не только твердостью, но и трещиноватостью или абразивностью. При этом вооружение резцов коронки должно соответствовать этим физико-механическим свойствам пород согласно назначению каждого яруса резцов.Thus, when the axial load on the crown changes in one direction or another, in any sequence and at any value within the specified boundaries, cutters are designed to break the rock corresponding to the given load. Obviously, this basic scheme of the crown can be used with rocks that are not only hard, but also fractured or abrasive. In this case, the armament of the crown cutters should correspond to these physical and mechanical properties of the rocks according to the purpose of each tier of the cutters.

Для обеспечения режима самозатачивания и во избежание заполирования алмазов резцов 1-го яруса коронки твердость материала матрицы их штабиков подбираем в соответствии с абразивностью пород, предназначенных для разрушения резцами 2-го и 3-го яруса, т.е., в данном случае, Х-ХII категорий буримости.To ensure the regime of self-sharpening and to avoid polishing diamonds of the cutters of the 1st tier of the crown, the hardness of the material of the matrix of their piles is selected in accordance with the abrasiveness of the rocks intended for destruction by the cutters of the 2nd and 3rd tier, i.e., in this case, X -XII categories of drillability.

Кроме того, поскольку резцы первого яруса находятся в постоянном контакте с забоем скважины, они могут быть усилены подрезными вставками из композиционного материала типа твесал, которые располагаются непосредственно в алмазоносном штабике с перекрытием торцевого слоя, благодаря чему полный износ последнего может произойти только после износа вставок твесала.In addition, since the cutters of the first tier are in constant contact with the bottom of the well, they can be reinforced with scoring inserts made of composite material of the type weighed, which are located directly in the diamond-bearing head with overlapping end layer, so that the complete wear of the latter can occur only after wear of the inserts of the weighed .

Принимая во внимание значительные осевые нагрузки, действующие на резцы подвижных ярусов, выбираем для их восприятия пакеты тарельчатых пружин по ГОСТ 3057-90. Учитывая толщину стенки тела корпуса коронки (12,8 мм), принимаем пружину №020 с наружным диаметром 8 мм, сила которой при максимальной деформации составляет F₃=400 Н. Номинальный диаметр отверстий и цилиндрических хвостовиков державок 8,3 мм.Taking into account the significant axial loads acting on the cutters of the moving tiers, we choose packages of Belleville springs according to GOST 3057-90 for their perception. Given the thickness of the body wall of the crown body (12.8 mm), we take spring No. 020 with an outer diameter of 8 mm, the force of which at maximum deformation is F ₃ = 400 N. The nominal diameter of the holes and cylindrical shanks of the holders is 8.3 mm.

Рассчитываем число пружин для первого яруса резцов. Оно представлено двумя группами пружин: параллельной и последовательной сборки. При рабочей деформации 0,8 F₃=341 Н и в соответствии с максимальной осевой нагрузкой на резец первого яруса (1350 Н) необходимое число пружин параллельной сборки составитWe calculate the number of springs for the first tier of the incisors. It is represented by two groups of springs: parallel and sequential assembly. With a working strain of 0.8 F ₃ = 341 N and in accordance with the maximum axial load on the cutter of the first tier (1350 N), the required number of springs of parallel assembly will be

n₁=1350:341=3,95,n ₁ = 1350: 341 = 3.95,

принимаем n₁=4 шт.accept n ₁ = 4 pcs.

Максимальная деформация группы пружин параллельной сборки составитThe maximum deformation of a group of springs of parallel assembly will be

S_пap.c=s₃=0,17 мм,S _pa.c = s ₃ = 0.17 mm,

где: s₁ - максимальная деформация пружины №020.where: s ₁ - the maximum deformation of the spring No. 020.

Поскольку общий ход пакета пружин резца первого яруса принят равным h₁=9 мм (см. фиг.5),Since the total stroke of the spring pack of the cutter of the first tier is taken equal to h ₁ = 9 mm (see figure 5),

максимальная деформация группы пружин последовательной сборки составитthe maximum deformation of a group of springs of sequential assembly will be

S_пос.с=9-0,17=8,83 мм.S _pos.c = 9-0.17 = 8.83 mm.

Число группы пружин последовательной сборки в пакете равноThe number of sequential assembly springs in the package is

n=8,83:0,17=51,94,n = 8.83: 0.17 = 51.94,

принимаем n=52 шт.accept n = 52 pcs.

Высота группы пружин параллельной сборки в пакете в свободном состоянииHeight of a group of springs of parallel assembly in a package in a free state

$$L_{пар.с}=I_{о}+(n_1-1)t,(1)$$

$$L_{P\mathrm{but}R.\mathrm{from}}=I_{\mathrm{about}}+(n_{\mathrm{one}}-\mathrm{one})t,(\mathrm{one})$$

где:Where:

I_o - высота пружины, мм;I _o - spring height, mm;

t -толщина пружины, мм.t is the thickness of the spring, mm

L_пар.с=0,67+(4-1)0,5=2,17 мм.L _par . _S = 0.67 + (4-1) 0.5 = 2.17 mm.

Высота группы пружин последовательной сборки в свободном состоянииFree spring group height

L_пос.с=I_о×n=0,67×52=34,84 мм.L _pos.s = I _o × n = 0.67 × 52 = 34.84 mm.

Общая высота пакета пружин в свободном состоянииTotal height of the spring pack in the free state

2,17+34,84=37,00 мм.2.17 + 34.84 = 37.00 mm.

Общая высота пакета пружин резца первого яруса с предварительной деформацией 0,2 F₃ (с поджатием при установке) составитThe total height of the spring pack of the cutter of the first tier with a preliminary deformation of 0.2 F ₃ (with preload during installation) will be

37-37×0,2=29,60 мм.37-37 × 0.2 = 29.60 mm.

Аналогично для резца второго яруса получаем: необходимое число группы пружин параллельной сборки n₁=1800:341=5,2; принимаем n₁=5 шт.; S_пар.с=0,17 мм; поскольку максимальная деформации пакета пружин принята равной h₂=6 мм (см. фиг.5), общий ход группы пружин последовательной сборки будет равен S_пос.с=6-0,17=5,83 мм; тогда n=5,83:0,17=34,29, принимаем n=34 шт.;Similarly for the cutter of the second tier we get: the required number of a group of springs of parallel assembly n ₁ = 1800: 341 = 5.2; accept n ₁ = 5 pcs.; S _par. S = 0.17 mm; since the maximum deformation of the spring package is taken equal to h ₂ = 6 mm (see Fig. 5), the total stroke of the group of springs of sequential assembly will be equal to S _pos = 6-0.17 = 5.83 mm; then n = 5.83: 0.17 = 34.29, take n = 34 pcs.;

L_пар.с=0,67+(5-1) 0,5=2,67 мм; L_пос.с=0,67×34=22,78 мм; общая высота пакета пружин резца второго яруса в свободном состоянии 22,78+2,67=25,45 мм; то же с предварительной деформацией 0,2 F₃ составит 25,45-25,45×0,2=20,36 мм.L _par . _S = 0.67 + (5-1) 0.5 = 2.67 mm; L _pos.s = 0.67 × 34 = 22.78 mm; the total height of the spring pack of the cutter of the second tier in the free state is 22.78 + 2.67 = 25.45 mm; the same with preliminary deformation of 0.2 F ₃ will be 25.45-25.45 × 0.2 = 20.36 mm.

Проверяем прочность тела коронки, которое, в местах сопряжения цилиндрического хвостовика державки подвижного резца со стенкой отверстия, испытывает напряжения смятия от действия окружной силы вращения при разрушении породы на забое. В качестве материала для корпуса коронки примем сталь 35 с пределом текучести 294 Н/мм².We check the strength of the body of the crown, which, at the junctions of the cylindrical shank of the holder of the movable cutter with the wall of the hole, experiences shear stress from the action of the peripheral rotation force when the rock is destroyed at the bottom. As the material for the body of the crown we take steel 35 with a yield strength of 294 N / mm ² .

Максимальные напряжения возникают в отверстиях второго яруса резцов, в котором максимальная осевая сила на забой составляет 5,4 кН. Сначала определяем затраты мощности на вращение обычной алмазной коронки из следующей зависимости (см. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин: В 2-х томах / Под общей редакцией проф. Е.А.Козловского. - Том 2. - М.: Недра, 1984, 437 с.):The maximum stresses occur in the holes of the second tier of the cutters, in which the maximum axial force at the bottom is 5.4 kN. First, we determine the power consumption for the rotation of a conventional diamond core from the following relationship (see the Manual of an engineer for drilling exploration wells: In 2 volumes / Under the general editorship of Prof. EA Kozlovsky. - Volume 2. - M .: Nedra, 1984 , 437 p.):

$$N=\mathrm{0,81}\times {10}^{-8}P\times n_{вр}(D_{н}+D_{в}),(2)$$

$$N=0.81\times {10}^{-8}P\times n_{\mathrm{at}R}(D_n+D_{\mathrm{at}}),(2)$$

где:Where:

Р - осевая нагрузка на коронку, Н;P - axial load on the crown, N;

n_вр - частота вращения коронки, об/мин;n _BP - crown rotation frequency, rpm;

D_н - наружный диаметр коронки, мм;D _n - the outer diameter of the crown, mm;

D_в - внутренний диаметр коронки, мм.D _in - the inner diameter of the crown, mm

Поскольку Р=5400 Н; n_вр=1500 об/мин; D_н=75,31 мм; D_в=47,62 мм, имеемSince P = 5400 N; n _BP = 1500 rpm; D _n = 75.31 mm; D _in = 47.62 mm, we have

N=0,81×10^-8×5400×1500(75,31+47,62)=8,1 кВт.N = 0.81 × 10 ⁻⁸ × 5400 × 1500 (75.31 + 47.62) = 8.1 kW.

Из 12 резцов в работе участвуют только 3, т.е. 25% от общей площади торца обычной коронки, и, следовательно, затраты мощности соответственно составятOf the 12 incisors, only 3 are involved in the work, i.e. 25% of the total area of the end face of a conventional crown, and, therefore, the cost of power, respectively, will be

8,1×0,25=2,0 кВт.8.1 × 0.25 = 2.0 kW.

Тогда крутящий момент на коронкеThen the torque on the crown

М_кр=9552×2,0:1500=12,7 Нм.M _cr = 9552 × 2.0: 1500 = 12.7 Nm.

Учитывая, что радиус буровой коронки равенGiven that the radius of the drill bit is

R=75,31:2:1000=0,0376 м,R = 75.31: 2: 1000 = 0.0376 m,

и что одновременно работают 3 резца, находим расчетную окружную силу на один резецand that 3 cutters work simultaneously, we find the calculated circumferential force per one cutter

q_рез.р=М_кр:R:3=12,7:0,0376:3=112,5 Н.q _res.r = M _cr : R: 3 = 12.7: 0.0376: 3 = 112.5 N.

Площадь S_от внутренней поверхности отверстия диаметром d=8,3 мм, воспринимающая боковую нагрузку смятия, будет равна:The area S _{from the} inner surface of the hole with a diameter of d = 8.3 mm, perceiving the lateral load of collapse will be equal to:

$$S_{от}=\mathrm{3,14}\times d\times h:2(3)$$

$$S_{\mathrm{about}t}=3.14\times d\times h:2(3)$$

где: h - высота сопряжения цилиндрического хвостовика с нижней кромкой внутренней поверхности отверстия, связанная с его перекосом, величина которого зависит от зазора между отверстием и цилиндрическим хвостовиком державки. Учитывая, что цилиндрический хвостовик входит в отверстие с минимальным зазором (например, по скользящей посадке), принимаем величину h=0,2 мм. Тогда:where: h is the mating height of the cylindrical shank with the lower edge of the inner surface of the hole associated with its bias, the value of which depends on the gap between the hole and the cylindrical shaft of the holder. Given that the cylindrical shank enters the hole with a minimum clearance (for example, along a sliding fit), we take the value h = 0.2 mm. Then:

S_от=3,14×8,3×0,2:2=2,60 мм²,S _from = 3.14 × 8.3 × 0.2: 2 = 2.60 mm ² ,

и напряжение смятия будет равноand the crushing stress will be equal

112,5:2,60=43,3 Н/мм².112.5: 2.60 = 43.3 N / mm ² .

При нагрузке смятия допускаемое напряжение для стали 35 составит 294×2,25=662 Н/мм², где 294 - предел текучести стали 35, Н/мм², а запас прочности тела корпуса коронки на смятие будет равенWith a shear load, the permissible stress for steel 35 will be 294 × 2.25 = 662 N / mm ² , where 294 is the yield strength of steel 35, N / mm ² , and the margin of safety of the body of the crown body for shearing will be equal to

662:43,3=15,3,662: 43.3 = 15.3,

что достаточно.which is enough.

Проверяем на смятие материал опорного кольца и уступа плоского паза цилиндрического хвостовика державки резца первого яруса от действия осевой нагрузки на забой. Максимальная нагрузка имеет место в сопряжении этих двух элементов коронки при совместной работе первого и третьего яруса резцов, когда нагрузка на резец первого яруса составит суммарную нагрузку резца первого и второго яруса, т.е.We check for crushing the material of the support ring and the ledge of the flat groove of the cylindrical shank of the toolholder of the first tier cutter from the action of the axial load on the face. The maximum load occurs in the conjugation of these two elements of the crown during the joint work of the first and third tiers of the incisors, when the load on the incisor of the first tier is the total load of the incisor of the first and second tiers, i.e.

1,35+1,8=3,15 кН=3150 H.1.35 + 1.8 = 3.15 kN = 3150 H.

Опорная площадь уступа плоского паза цилиндрического хвостовика на контакте с гранью опорного кольца составляет (см. фиг.4) 40% от общей площади поперечного сечения хвостовика:The reference area of the ledge of the flat groove of the cylindrical shaft at the contact with the face of the support ring (see Fig. 4) is 40% of the total cross-sectional area of the shaft:

S_оп=0,785×8,3²×0,4=21,6 мм².S _op = 0.785 × 8.3 ² × 0.4 = 21.6 mm ² .

Напряжение смятия уступа плоского паза цилиндрического хвостовика и сопрягаемой поверхности опорного кольца составитThe shear stress of the ledge of the flat groove of the cylindrical shank and the mating surface of the support ring will be

3150:21,6=146 Н/мм²,3150: 21.6 = 146 N / mm ² ,

а запас прочности на смятие, с учетом допускаемого напряжения для стали 35, будет равенand the margin of safety, taking into account the permissible stress for steel 35, will be equal to

662:146=4,5,662: 146 = 4.5,

что достаточно.which is enough.

Приведенный пример реализации предлагаемой конструкции многоярусной буровой коронки при оптимальных параметрах режима бурения и с учетом реальных нагрузок, воспринимаемых наиболее ответственными элементами конструкции в процессе разрушения забоя, показал ее работоспособность и высокую прочность согласно своему назначению.The given example of the implementation of the proposed design of a multi-tiered drill bit with optimal parameters of the drilling mode and taking into account the real loads perceived by the most critical structural elements during the destruction of the face showed its performance and high strength according to its purpose.

Применение такой буровой коронки позволит существенно повысить ее ресурс, увеличить механическую скорость, снизить энергоемкость процесса бурения и значительно сократить затраты времени на спуско-подъемные операции для ее замены.The use of such a drill bit will significantly increase its resource, increase the mechanical speed, reduce the energy consumption of the drilling process and significantly reduce the time required for tripping operations to replace it.

Claims (1)

Многоярусная буровая коронка, включающая несколько ярусов резцов, находящихся на разном расстоянии от забоя скважины, отличающаяся тем, что верхний неподвижный ярус резцов установлен на их державках, представляющих собой выступы на торце тела коронки, перемежающиеся с минимальным зазором с державками нескольких нижних подвижных ярусов резцов, причем цилиндрические хвостовики державок, имеющие плоский паз, образующий верхний и нижний уступ, и прочно связанные с державками, вместе с упирающимися в них пакетами пружин сжатия входят, также с минимальным зазором, в глухие отверстия, выполненные с торца тела коронки параллельно ее оси, а сила сжатия пакета пружин каждого яруса соответствует осевой нагрузке разрушения породы, для бурения которой предназначен данный ярус резцов, и при этом каждый последующий вышерасположенный ярус резцов, считая от забоя, предназначен для пород большей твердости, чем для пород предыдущего нижнего яруса, а резцы первого яруса от забоя находятся с последним в постоянном контакте в процессе бурения, в то же время, державки резцов подвижных ярусов вместе с предварительно поджатыми пакетами пружин удерживаются от выпадания из своих отверстий за счет упора верхним уступом плоского паза цилиндрических хвостовиков державок в верхнюю грань сваренного из двух половин опорного кольца, с минимальным зазором по диаметру установленного в соответствующий кольцевой паз, выполненный на наружной поверхности тела коронки, причем верхняя грань державки каждого подвижного яруса резцов в своем поперечном сечении выполнена в виде ступеньки, выступ которой с минимальным зазором входит во впадину соответствующей ступеньки, выполненной в поперечном сечении тела коронки, и при создании осевой нагрузки на забой, превышающей предельную для резцов первого от забоя яруса, пакет пружин этого яруса сжимается, и одновременно с его резцами в работу вступают резцы второго яруса, а при дальнейшем увеличении нагрузки на забой до значения, превышающего суммарную предельную нагрузку первого и второго яруса резцов, цилиндрические хвостовики державок первого от забоя яруса резцов, упираясь своим нижним уступом плоского паза в нижнюю грань упомянутого опорного кольца, приподнимают и утапливают в тело торца коронки резцы второго от забоя яруса, обеспечивая тем самым работу резцов последующего, третьего от забоя, яруса вместе с резцами первого, и, наоборот, в случае снижения нагрузки на забой в обратной последовательности, в работу вступают, также в обратной последовательности, сначала совместно резцы второго и первого яруса, и, затем, только резцы первого. A multi-tiered drill bit, including several tiers of cutters located at different distances from the bottom of the well, characterized in that the upper fixed tier of the cutters is mounted on their holders, which are protrusions at the end face of the crown body, interspersed with a minimum clearance with holders of several lower movable tiers of the cutters, moreover, the cylindrical shanks of the holders, having a flat groove forming the upper and lower ledge, and firmly connected with the holders, together with the packages of compression springs resting on them, also enter with a minimum clearance, into blind holes made from the end face of the crown body parallel to its axis, and the compression force of the spring pack of each tier corresponds to the axial load of rock destruction for drilling of which this tier of cutters is intended, and each subsequent upstream tier of cutters, counting from the bottom , is intended for rocks of greater hardness than for rocks of the previous lower tier, and the cutters of the first tier from the bottom are in constant contact with the latter during drilling, at the same time, the holders of the cutters of moving tiers together with pre-pressed spring packs are kept from falling out of their holes due to the stop of the flat groove of the cylindrical shanks of the holders against the upper edge of the support ring welded from two halves, with a minimum gap in diameter installed in the corresponding annular groove made on the outer surface of the crown body, moreover, the upper face of the holder of each movable tier of the cutters in its cross section is made in the form of a step, the protrusion of which with a minimum clearance enters the cavity at the corresponding step, made in the cross section of the crown body, and when creating an axial load on the face that exceeds the limit for the cutters of the first tier from the bottom, the spring pack of this tier is compressed, and simultaneously the cutters of the second tier come into operation, and with a further increase load on the face to a value exceeding the total ultimate load of the first and second tier of the incisors, cylindrical shanks of the holders of the first from the bottom of the tier of the incisors, abutting with their lower ledge a flat groove in the lower face of the removed supporting ring, raise and recess into the body of the crown end face the incisors of the second from the bottom of the tier, thereby ensuring the operation of the incisors of the subsequent third from the bottom, tier along with the incisors of the first, and, conversely, in the case of reducing the load on the face in the reverse sequence, to work enter, also in reverse sequence, first together the incisors of the second and first tier, and, then, only the incisors of the first.

Images